Hiểu rõ nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều, bao gồm sự tương tác giữa từ trường và dòng điện, giúp điều khiển tốc độ, mô-men xoắn chính xác và linh hoạt. Với khả năng khởi động nhanh, điều chỉnh tốc độ dễ dàng và hiệu suất cao, động cơ điện 1 chiều được ứng dụng cho ô tô điện, robot công nghiệp, băng tải thiết bị y tế và máy văn phòng. Cùng Intech Group khám phá chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ưu - nhược điểm thực tiễn để tối ưu hóa hiệu suất cho hệ thống của bạn.

1. Động cơ 1 chiều là gì?

Động cơ điện một chiều (DC motor) là loại thiết bị điện cơ chuyên dụng, dùng để chuyển đổi năng lượng điện áp một chiều (DC – Direct Current) thành cơ năng quay. Khung thép cố định (stator) tạo ra từ trường nhờ nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích từ, trong khi roto (phần quay) mang cuộn dây quấn trên lõi thép nối với bộ chổi than và cổ góp, giúp dòng điện một chiều chảy qua cuộn dây và sinh ra lực từ. 

Nhờ nguồn điện áp DC có chiều dòng xác định, động cơ DC cho khả năng khởi động nhanh, điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn linh hoạt, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác như robot công nghiệp, băng tải, thiết bị y tế hay ô tô điện.

2. Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện 1 chiều (DC motor) bao gồm các bộ phận chính phối hợp chặt chẽ để chuyển đổi điện năng một chiều thành năng lượng cơ:

Stator: Thân máy cố định, có thể là một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) hoặc nam châm điện (Field Coil). Tạo ra từ trường cố định, xác định cực Bắc – Nam để tương tác với rotor.

Rotor - Phần ứng: Lõi thép hình trụ, quấn đều các cuộn dây dẫn điện (Armature winding). Khi có dòng điện DC chạy qua, rotor biến thành nam châm điện, tạo lực quay nhờ tác dụng giữa hai từ trường.

Chổi than - Brushes: Thực hiện tiếp xúc trượt với cổ góp, dẫn dòng điện từ nguồn vào cuộn dây rotor. Chất liệu than graphit có độ mòn thấp, đảm bảo truyền dẫn ổn định và tuổi thọ cao.

Cổ góp - Commutator: Gồm nhiều mảnh đồng ghép vòng, gắn cố định trên trục rotor. “Chia nhỎ và chuyển chiều dòng điện một chiều vào từng cuộn dây rotor đúng thời điểm, giúp mô-men quay ổn định.

Vỏ máy và bạc đạn: Bảo vệ các chi tiết bên trong khỏi bụi, ẩm; đồng thời giữ trục rotor quay trơn tru, giảm ma sát.

3. Phân loại động cơ điện 1 chiều

Dựa vào cách thức cấp từ trường kích từ (field excitation), động cơ điện 1 chiều chia động cơ DC thành các loại sau:

Động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu (PM DC Motor)

Stator sử dụng nam châm vĩnh cửu, đơn giản, nhỏ gọn, chi phí thấp, thường dùng cho các thiết bị công suất nhỏ, yêu cầu điều khiển tốc độ cơ bản.

Động cơ 1 chiều kích từ độc lập (Separately Excited DC Motor)

Cuộn dây kích từ (field winding) và cuộn dây phần ứng (armature) được cấp nguồn DC riêng biệt cho phép điều chỉnh độc lập từ trường và dòng ứng, dễ dàng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn.

Động cơ 1 chiều kích từ song song (Shunt DC Motor)

Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng giúp từ trường ổn địn phổ biến trong băng tải, máy công cụ.

Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp (Series DC Motor)

Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng, cung cấp mô-men khởi động lớn. Thường dùng cho các ứng dụng cần lực kéo cao, như đầu máy xe điện, cần cẩu.

Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp (Compound DC Motor)

Kết hợp cả cuộn dây song song và cuộn dây nối tiếp với phần ứng. Vừa có ưu điểm mô-men khởi động lớn, vừa duy trì tốc độ ổn định, thích hợp cho máy ép, máy nâng hạ.

Với cấu tạo đơn giản nhưng linh hoạt trong điều khiển, động cơ điện 1 chiều đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và thiết bị tự động hóa.

4. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều (DC motor) hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường cố định của stator và từ trường sinh ra trên rotor, kết hợp với cơ chế chỉnh lưu để duy trì chuyển động quay liên tục. Cụ thể:

Tạo từ trường và lực quay

Stator cung cấp từ trường cố định qua nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích từ. Rotor (phần ứng) chứa các cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi dòng điện một chiều chạy qua, cuộn dây rotor trở thành nam châm điện. Theo định luật Lorentz, lực từ sinh ra tại mỗi đoạn dây dẫn sẽ tạo mô-men quay, kéo rotor quay quanh trục.

Hướng của lực này được xác định theo quy tắc bàn tay trái của Fleming và độ lớn của nó được tính bởi:  

Trong đó: 

• B = mật độ từ thông

• I = dòng điện

• L = chiều dài của dây dẫn trong từ trường

Bộ phận chỉnh lưu (Commutation)

Cổ góp (commutator) gồm các mảnh đồng ghép vòng, gắn trên trục rotor.Chổi than (brushes) làm nhiệm vụ tiếp xúc trượt, đưa dòng điện DC từ nguồn vào cổ góp. Khi rotor quay, cổ góp và chổi than tự động đảo chiều dòng qua từng cuộn dây, giữ cho lực quay luôn cùng hướng, duy trì chuyển động liên tục.

Suất điện động tự cảm (Back EMF)

Khi rotor quay dưới tác động của lực ngoài (như tải cơ), động cơ DC sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng (EMF) tương tự như máy phát điện. Trong chế độ motor, rotor cũng tạo ra một sức phản điện động EEE (counter-EMF) đối kháng lại điện áp đặt vào, giúp điều tiết dòng điện và mô-men.

Công suất cơ đầu ra

Công suất cơ mà động cơ DC tạo ra tỉ lệ với tích của dòng điện và sức phản điện động. Mối quan hệ này cho thấy, với EEE tỉ lệ thuận với tốc độ quay, động cơ DC vừa cho khả năng điều khiển tốc độ linh hoạt, vừa duy trì mô-men ổn định ở dải tải đa dạng.

Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biểu thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều dựa trên sự kết hợp giữa từ trường stator–rotor, cơ chế đổi chiều dòng điện nhờ cổ góp, chổi than và hiệu ứng sức điện động ngược, giúp động cơ khởi động nhanh, tăng giảm tốc dễ dàng và kiểm soát mô-men chính xác. 

5. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ điện một chiều

Ưu điểm của động cơ điện một chiều

Khả năng sinh momen lớn ngay khi cấp nguồn, phù hợp với tải nặng và cần lực kéo ban đầu mạnh.

Thay đổi điện áp cấp hoặc thay đổi dòng kích từ giúp kiểm soát tốc độ và mô-men dễ dàng, chính xác.

Chịu được dòng cao trong thời gian ngắn mà không gây hỏng động cơ.

Dòng điện một chiều ít tổn thất, đặc biệt ở dải tốc độ thấp.

Cấu tạo đơn giản, chịu mài mòn và dao động tải cũng ít ảnh hưởng đến hoạt động ổn định.

Nhược điểm của động cơ điện một chiều

Cơ cấu chỉnh lưu phức tạp, chi phí bảo dưỡng, thay thế cao và yêu cầu bảo trì định kỳ.

Khi chuyển mạch trên cổ góp có thể sinh tia lửa, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ trong môi trường dễ cháy.

So với động cơ không chổi than (BLDC) hay động cơ xoay chiều tương đương, chi phí đầu tư cao hơn trong khi công suất không vượt trội.

6. Ứng dụng của động cơ điện một chiều

Thiết bị công nghiệp: Băng tải, bàn xoay, máy công cụ, robot tự động, cần cẩu nhỏ…

Ô tô và giao thông vận tải: Khởi động, máy phát điện, phanh tái tạo năng lượng, cửa tự động, ghế chỉnh điện.

Thiết bị điện tử gia dụng: Quạt điều hòa, máy in, máy photo, ổ đĩa DC, đầu đĩa từ, đài FM…

Đồ chơi và dụng cụ cầm tay: Máy khoan, máy mài mini, mô hình điều khiển từ xa…

Ứng dụng y tế, văn phòng: Bơm tiêm điện, thang nâng bệnh nhân, bàn nâng, camera PTZ.

Kết luận

Nhờ mô-men cao, điều khiển tốc độ chính xác và thiết kế linh hoạt, động cơ điện 1 chiều vẫn là giải pháp hàng đầu cho những hệ thống đòi hỏi khởi động mạnh, kiểm soát tốc độ liên tục và hiệu suất ổn định trong nhiều ngành công nghiệp. Qúy khách quan tâm đến các giải pháp tự động hóa sử dụng động cơ 1 chiều liên hệ ngay với Intech Group để được hỗ trợ và tư vấn kịp thời, với giá cả hợp lý và giải pháp phù hợp với từng doanh nghiệp. 

Tham khảo thêm:

Biến tần (Inverter) là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Các loại bo mạch điện tử và ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến là gì? Nguyên lý hoạt động