động cơ điện

Lê Ngọc Bích
Chương 2: Động Cơ Điện
05/28/14
TS. Lê Ngọc Bích
Khoa Cơ Khí
Bộ môn Cơ Điện Tử
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Khái niệm chung về động cơ điện

Động cơ điện là máy điện
dùng để chuyển đổi năng
lượng điện sang năng lượng
cơ. Máy điện dùng để
chuyển đổi ngược lại (từ cơ
sang điện) được gọi là máy
phát điện hay dynamo. Các
động cơ điện thường gặp
dùng trong gia đình như
quạt điện, tủ lạnh, máy giặt,
máy bơm nước, máy hút
bụi
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Ứng dụng

Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực,
từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa
quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD),
đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như
máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông
gió cũng dựa vào động cơ điện. Ở nhiều nước động cơ điện
được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặt biệt trong

các đầu máy xe lửa.

Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong
các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Nguyên lý hoạt động

Phần chính của động cơ
điện gồm phần đứng yên
(stator) và phần chuyển
động (rotor) được quấn
nhiều vòng dây dẫn hay có
nam châm vĩnh cửu. Khi
cuộn dây trên rotor và stator
được nối với nguồn điện,
xung quanh nó tồn tại các từ
trường, sự tương tác từ
trường của rotor và stator
tạo ra chuyển động quay của
rotor quanh trục hay 1
mômen.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Nguyên lý hoạt động
5
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Nguyên lý hoạt động

Phần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ,
nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện
và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng. Nguyên lý cơ bản mà

các động cơ điện từ dựa vào là có một lực lực cơ học trên một
cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường. Lực
này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với
cuộn dây và cả với từ trường.

Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến
tính. Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor,
và phần đứng yên gọi là stator.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Phân loại động cơ điện
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Đặc tính cơ của động cơ điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và
mômen của động cơ: w=f(M).

Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và
đặc tính cơ nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ
khác nhau thì khác nhau và sẽ được phân tích trong phần sau.

Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ
điện khi các thông số như điện áp, dòng điện của động cơ là
định mức theo thông số đã được thiết kế chế tạo và mạch điện
của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng

Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ w = f(M) của động cơ
điện khi các thông số điện không đúng định mức hoặc khi
mạch điện có nối thêm điện trở, điện kháng hoặc có sự thay
đổi mạchnối.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích

Đặc tính cơ của động cơ điện

Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng
điện - cơ. Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái
làm việc của động cơ điện. Người ta định nghĩa như sau: Dòng
công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như nó có chiều
truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất
điện thành công suất cơ P
cơ
= M.w cấp cho máy SX (sau khi đã
có tổn thất DP).

Công suất cơ P
cơ
có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra
cùng chiều với tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy
sản xuất về động cơ và mômen động cơ sinh ra ngược chiều
quay.

Công suất điện P
điện
có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ
về nguồn.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Đặc tính cơ của động cơ điện
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Đặc tính cơ của động cơ điện

Trong hệ thống TĐĐ, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp
động lực cho cơ cấu sản xuất. Các cơ cấu sản xuất của mỗi

loại máy có các yêu cầu công nghệ vμ đặc điểm riêng. Máy
sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác
biệt. Động cơ điện cũng vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các
tính năng, đặc điểm riêng.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Đặc tính cơ của động cơ điện

Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm
việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để một hệ
thống TĐĐ làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và
cơ cấu sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng
nμo đó. Việc lựa chọn hệ TĐĐ và chọn động cơ điện đáp ứng
đúng các yêu cầu của cơ cấu sản xuất có ý nghĩa lớn không chỉ
về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế.

Do vậy, khi thiết kế hệ thống TĐĐ, người ta thường chọn hệ
truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh tốc độ sao cho
đường đặc tính cơ của động cơ cμng gần với đường đặc tính
cơ của cơ cấu sản xuất càng tốt. Nếu đảm bảo được điều kiện
này, thì động cơ sẽ đáp ứng tốt đòi hỏi của cơ cấu sản xuất khi
mômen cản thay đổi và tổn thất trong quá trình điều chỉnh là
nhỏ nhất.
 C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-13
Động cơ DC
Lực tác dụng lên cuộn dây:
với: F: lực tác dụng lên cuộn dây (N)
I: dòng chạy qua cuộn dây (A)
B: cường độ từ trường (G)
L: chiều dài cuộn dây (m)
θ

: góc tạo bởi vectơ B và I
 C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-14
Động cơ DC
Phần ứng động cơ DC
Moment tạo ra
với: T: moment động cơ
K
T
: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
I
A
: dòng điện phần ứng
φ
: từ thông
 C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-15
Động cơ DC
Khi phần ứng quay trong môi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các
cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng).
Điện áp thực trên phần ứng
với: V
A
: điện áp thực trên phần ứng
V
Tn
: điện áp nguồn cấp vào phần ứng
CEMF: điện áp tạo ra bởi động cơ
I
A
: dòng điện phần ứng
R

A
: trở kháng phần ứng
với: EMF: điện áp tạo ra
K
E
: hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
φ
: từ thông
S: tốc độ động cơ (rpm)
 C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 6-16
Động cơ DC
Thí dụ: Một động cơ 12 Vdc có điện trở phần ứng là 10 Ω và sức điện động tạo ra là 0.3
V/100 rpm. Xác định dòng phần ứng thực tế khi động cơ làm việc ở vận tốc 0 rpm và ở
vận tốc 1000 rpm.
Giải: ta có
•
S = 0 rpm
•
S = 1000 rpm
Lưu ý: khi động cơ làm việc, dòng điện trên phần ứng giảm đi
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Các loại động cơ điện phổ biến

Động cơ không đồng bộ ba pha,

Động cơ cảm ứng một pha,

Động cơ điện một chiều,

Động cơ bước

Lê Ngọc Bích
ĐộNG CƠ ĐIệN XOAY CHIềU
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Cấu tạo
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Cấu tạo

Về cấu tạo, động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm có 2 phần
chính:

Phần cảm: gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trong không gian và
được cấp điện xoay chiều 3 pha để tạo ra từ trường quay. Phần cảm
thường đặt ở stator. Các cuộn dây pha phần cảm có thể nối theo hình
sao hay tam giác tùy theo điện áp của mỗi cuộn dây pha và tùy theo
điện áp lưới điện.
Ví dụ; Với điện áp lưới là 380V/220V. Khi điện áp mỗi cuộn dây
pha là 220V thì động cơ phải mắc theo dạng hình sao. Khi điện áp
mỗi cuộn dây pha là 380V thì động cơ phải mắc theo dạng hình
tam giác.

Phần ứng: Cũng gồm 3 cuộn dây và thường đặt ở roto. Tùy theo kết
cấu của ba cuộn day phần ứng mà động cơ điện xoay chiều ba pha chia
ra hai loại:
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Cấu tạo

Khi 3 cuộn dây phần ứng
kết hợp thành một lồng trụ
như hình sau với các thanh
dẫn bằng nhôm thì roto

được gọi là ro to lồng sóc.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Cấu tạo

Khi 3 cuộn dây phần ứng
bằng dây đồng được nối
hình sao và 3 đầu dây được
đưa ra qua hệ vòng trượt-
chổi than để nối với điện trở
mạch ngoài thì roto được
gọi là roto dây quấn.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Nguyên lý hoạt động

Khi từ trường quay (giả sử theo chiều KĐH) của phần cảm
quét qua các dây dẫn phần ứng thì trong các cuộn dây (hay
thanh dẫn) phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng. Nếu
mạch phần ứng nối kín thì có dòng điện cảm ứng sinh ra
(chiều xác định theo quy tắt bàn tay phải). Từ trường quay lại
tác dụng vào chính dòng cảm ứng này một lực từ có chiều xác
định theo quy tắt bàn tay trái và tạo ra mô men làm quay phần
cảm theo chiều quay của từ trường quay.

Tốc độ quay của phần cảm luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ
trường quay (không đồng bộ). Động cơ điện hoạt động theo
nguyên tắt này được gọi là động cơ điện không đồng bộ
(KĐB) hay động cơ điện dị bộ hoặc động cơ điện xoay chiều
cảm ứng.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB


Khi đóng điện trực tiếp vào động cơ KĐB để mở máy thì do
lúc đầu rotor chưa quay, độ trượt lớn (s=1) nên s.đ.đ cảm ứng
và dòng điện cảm ứng lớn.

Dòng điện này có trị số đặc biệt lớn ở các động cơ công suất
trung bình và lớn, tạo ra nhiệt đốt nóng động cơ và gây xung
lực có hại cho động cơ.
Lê Ngọc BíchLê Ngọc Bích
Mở máy (khởi động) động cơ điện KĐB

Tuy dòng điện lớn nhưng
mômen mở máy lại nhỏ:
Đặc tính động cơ KĐB khi mở máy
trực tiếp.