Nghiên cứu điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của
trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên, đặc biệt là các
thầy cô Bộ môn Công Nghệ ô tô và Hệ Thống Cảm Biến của trường đã tạo điều
kiện cho em tham gia kì đồ án tốt nghiệp để có nhiều trải nghiệm và những định
hướng tốt cho ngành nghề mà em theo đuổi. Và em cũng xin chân thành cảm ơn
thầy Trần Trung Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành tốt kì thực tập.
Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo, khó
tránh khỏi sai sót. Do trình độ hiểu biết cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế
nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của Thầy, Cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan về nội dung đồ án tốt nghiệp với tên đề tài ” Nghiên cứu
điều khiển động cơ điện và ứng dụng trong xe ô tô điện ” là không sao chép nội
dung cơ bản từ các đồ án khác, hay các sản phẩm tương tự không phải do em làm ra.
Sản phẩm của đồ án là chính bản thân em nghiên cứu và xây dựng.
Nếu có gì sai em xin chịu mọi hình thức kỉ luật của trường Đại học công
nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên.
Thái nguyên, ngày … tháng 05 năm 2016
Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Thị Long

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN.................................................2
1.1. Giới thiệu chung về động cơ điện..................................................................2
1.1.1. Ứng dụng của động cơ điện ....................................................................2
1.1.2. Phân loại động cơ điện...........................................................................3
1.1.3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện.................................................3
1.2. Động cơ điện một chiều ...............................................................................4
1.2.1. Khái niệm chung ...................................................................................4
1.2.2. Ứng dụng của động cơ điện một chiều....................................................5
1.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều ...........................................................5
1.2.4. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.......................................................5
1.2.5. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều..................................10
1.2.6. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .......................11
1.2.7. Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều ........................................14
1.3. Động cơ điện xoay chiều.............................................................................16
1.3.1. Khái niệm chung..................................................................................16
1.3.2. Ứng dụng của động cơ xoay chiều .......................................................16
1.3.3. Phân loại động cơ xoay chiều ..............................................................17
1.3.4. Cấu tạo động cơ xoay chiều ................................................................20
1.3.5. Nguyên lí hoạt động của động cơ xoay chiều......................................24
1.3.6. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ.......................................27
1.3.7. Ưu nhược điểm của động cơ điện xoay chiều.......................................29
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ
ĐIỆN.....................................................................................................................30

iii


2.1. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều..................................30
2.1.1. Khái quát chung...................................................................................30
2.1.2. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều ...........................30
2.2. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều ................................35
2.2.1. Khái quát chung...................................................................................35
2.2.2. Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ .36
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRÊN XE Ô TÔ
ĐIỆN.....................................................................................................................41
3.1. Tổng quan về ô tô điện................................................................................41
3.1.1. Khái niệm.............................................................................................41
3.1.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện.................................................41
3.1.3. Ưu điểm của việc sử dụng động cơ điện ...............................................41
3.1.4. Các Yêu cầu đối với ô tô điện ...............................................................43
3.1.5. Đánh giá một số loại động cơ điện.......................................................45
3.1.6. Các nguồn năng lượng cho ô tô điện.....................................................50
3.1.7. Phương pháp nạp điện cho xe qua hệ thống phanh tái tạo ( i-ELOOP) ..53
3.1.8. Một số kết luận và xu hướng sử dụng động cơ cho ô tô điện.................56
3.2. Điều khiển động cơ điện trên xe ô tô ...........................................................57
3.2.1. Biến tần ................................................................................................57
3.2.2. Phương pháp điều khiển .......................................................................64
KẾT LUẬN...........................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................68

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh của động cơ điện [1] .................................................................2
Hình 1.2: Các loại động cơ điện chính [7]................................................................3
Hình 1.3: Động cơ điện sử dụng dòng điện 1 chiều [1] ............................................4
Hình 1.4: Một số bộ phận của động cơ điện một chiều [7] ......................................6
Hình 1.5: Cực từ chính của động cơ một chiều [7]...................................................7
Hình 1.6: Lõi sắt phần ứng rôto của động cơ điện một chiều [7] ..............................8
Hình 1.7: Cổ góp của rotor của động cơ điện một chiều [7] ....................................9
Hình 1.8: Chuổi than và phiến góp của động cơ điện một chiều [7] .......................10
Hình 1.9: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều [4] .................................11
Hình1.10: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập [3] ...............12
Hình 1.11: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều [2]...........13
Hinh 1.12: Động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc [7]................................16
Hình1.13: Động cơ đồng bộ [2] .............................................................................18
Hình1.14: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ [3].........................................18
Hình 1.15: Cấu tạo động cơ điện xoay chiều không đồng bộ [3] ............................20
Hình 1.16: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ [1]........................................20
Hình1.17: Các bộ phận của stato của động cơ không đồng bộ [1] ..........................21
Hình 1.18: Lõi thép stator của động cơ không đồng bộ [1] ....................................21
Hình 1.19: Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ 3 pha [1] .........................22
Hình 1.20: Rotor của động cơ không đồng bộ [1] ..................................................22
Hình 1.21: Rotor dây quấn của động cơ không đồng bộ [1] ...................................23
Hình 1.22: Rotor lồng sóc của động cơ không đồng bộ [7] ....................................24
Hình 1.23: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ [2].............................25
Hình 1.24: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ [3] .......................27
Hình 1.25: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ [3] ..............................................29
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí và họ đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ [7]..30
Hình 2.2: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông [7].......................................32
Hình 2.3: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng [7] ........................33

v

Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp [7] ...................................34
Hình 2.5: Sơ đồ đổi nối dây quấn stator [1] ...........................................................37
Hình 2.6: Sơ đồ đổi số đôi cực [1] .........................................................................38
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi
điện áp đặt vào mạch stator[7] ...............................................................................38
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở................................39
phần ứng động cơ không đồng bộ [1] ........................................................................39
Hình 2.9: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số[2] .................40
Hình 3.1: Hình ảnh xe ô tô điện [1] .......................................................................41
Hình 3.2: Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện [7] ...........................................42
Hình 3.3: Động cơ in-wheel tích hợp trong bánh xe [1] ........................................42
Hình 3.4: Đặc tính mong muốn của hệ truyền động kéo [2] ..................................44
Hình 3.5: So sánh đặc tính làm việc của động cơ ...................................................45
dùng trong công nghiệp (a) và cho ô tô điện (b)[3] ................................................45
Hình 3.6: Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ - SynRM (a) và so sánh rotor động cơ
SynRM với động cơ không đồng bộ(b)[7] .............................................................47
Hình 3.7: Động cơ từ trở thay đổi – SRM [1] ........................................................47
Hình 3.8: Cấu trúc động cơ một chiều không cổ góp [3]........................................49
Hình 3. 9: So sánh cấu trúc của động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu chìm [1]. ................................................................................50
Hình 3.10 : Hệ thống i-ELOOP[1] .........................................................................53
Hình 3.11 : Máy phát điện 12V-25V [5] ................................................................54
Hình 3.12: Tụ điện hai lớp EDLC [5] ....................................................................54
Hình 3.13: Bộ chuyển đổi DC/DC Convenrter [5] .................................................55
Hình 3.14: Bình ắc quy..........................................................................................55
Hình 3.15 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống i-ELOOP [7] ................................56
Hình 3.16: Hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần [5]......................................58
Hình 3.17: Thiết bị biến tần trực tiếp[7].................................................................59

Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp[7]...............................................59

vi


Hình 3.19: Đồ thị điện áp đầu ra cảu thiết bị biến tần xoay chiều hình sin[7].........60
Hình 3.20: Thiết bị biến tần gián tiếp[7] ................................................................60
Hình 3.21: Thiết bị tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển[7] ..............................61
Hình 3.22: Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển ..........................................61
có thêm bộ biến đổi xung điện áp[7]......................................................................61
Hình 3.23: Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu thuần
sin sử dụng bộ điều chế độ rộng xung [7] ..............................................................62
Hình 3.24: Biến tần điều khiển vector[7] ...............................................................63
Hình 3.25: Nguyên lý hoạt động của biến tần [7]...................................................64

vii


LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp chế tạo và sửa chữa ô tô đang ngày càng trở nên phổ
biến trên toàn thế giới, đang từng bước trở thành một trong những ngành công
nghiệp quan trọng của nước ta. Các thế hệ động cơ mới hiện đại ngày càng được cải
tiến và phát triển.
Từ trước đến nay, động cơ điện vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng
rãi trong quá trình sản xuất và điều khiển các máy công cụ, phương tiện giao thông.
Hiện nay việc lựa chọn sử dụng ô tô điện như một giải pháp thay thế đầy tiềm năng
và có hiệu quả vì nó có những ưu điểm như hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao
hơn so với các ô tô sử dụng động cơ đốt trong, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm
môi trường. Vì vậy em đã chọn để tài “Nghiên cứu công nghệ điều khiển động cơ
điện và ứng dụng trên xe điện” để tìm hiểu và nghiên cứu qua đó em nắm bắt được

các cơ chế hoạt động và đặc điểm của các loại động cơ điện cũng như phương thức
thay đổi tốc độ của động cơ điện… Nội dung đề tài được chia làm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện.
Chương 2: Các phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ điên.
Chương 3: Điều khiển động cơ điện và ứng dụng trên xe ô tô điện.
Trong quá trình làm đề tài này, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình và được cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo Trần Trung Dũng. Em
xin gửi tới thầy lòi cảm ơn chân thành.
Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và chưa có nhiều kinh nghiệm nên trong
quá trình làm đề tài không tránh khỏi những thiếu sót em rất mong sẽ nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để bài báo cáo của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về động cơ điện
Động cơ điện (hay còn gọi là motor điện) là máy điện dùng để chuyển đổi
điện năng thành cơ năng. Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện)
được gọi là máy phát điện. Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như
quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi...
Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng.
Cơ năng này được sử dụng để: quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt đẩy,
chạy máy nén, nâng vật liệu,vv… Các động cơ điện được sử dụng trong dân dụng
(máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp.

Hình 1.1: Hình ảnh của động cơ điện [1]
1.1.1. Ứng dụng của động cơ điện
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,
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 giao thông vận tải động cơ điện được ứng dụng trong các phương tiện
giao thông như: Xe đạp điện, xe ô tô điện, xe lai…

2


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).
1.1.2. Phân loại động cơ điện
Có rất nhiều loại động cơ điện nhưng dựa vào chức năng người ta phân làm
hai loại động cơ chính: động cơ một chiều và động cơ xoay chiều. Trong mỗi loại
này lại được chia ra nhiều loại khác nhau.

Hình 1.2: Các loại động cơ điện chính [7]
Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúc
động cơ và cơ chế vận hành
1.1.3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện
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.
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

3


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.
1.2. Động cơ điện một chiều
1.2.1. Khái niệm chung

Hình 1.3: Động cơ điện sử dụng dòng điện 1 chiều [1]
Động cơ điện một chiều thuộc về máy điện một chiều là loại máy điện hoạt
động với nguồn điện một chiều. Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát điện
hoặc chế độ động cơ điện.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại
máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong
những điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy nó được
dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như
cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải...

4


1.2.2. Ứng dụng của động cơ điện một chiều
- Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ
biến trong nhiều lĩnh vực như :
+ Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo…
+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố,

động cơ bơm nước…
+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy….
- Trong công nghiệp: động cơ điện một chiều có vai trò quan trọng, được ứng
dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, trong giao thông vận tải hay các
thiết bị cầu trục, trong máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán….
1.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều
người ta phân loại chúng dựa vào phương pháp kích từ, qua đó người ta chia động
cơ điện một chiều thành các loại sau:
+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ
được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ ( Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện
khác không liên hệ với phần ứng của máy ).
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song
song với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm 2 dây quấn kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng..
1.2.4. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các bộ phận chính sau:
- Phần cảm (Stator).
- Phần ứng (Rotor).
- Hệ thống chổi than, vành góp.

5


Hình 1.4: Một số bộ phận của động cơ điện một chiều [7]
1.2.4.1. Stator (Phần tĩnh )
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có :

- Cực từ chính
- Cực từ phụ
- Gông từ
- Các bộ phận khác
a) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ, các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng các
bulông. Một cặp cực từ (đôi cực) gồm 2 cực nam – bắc đặt đối xứng với nhau qua
trục động cơ, tùy theo động cơ mà có thể có nhiều hay ít hơn. Các máy điện nhỏ cực
từ được làm bằng thép khối.
Cực từ chính gồm :
+) Lõi sắt: làm bằng lá thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm,
được ép và tán chặt lại với nhau thành một khối.
+) Dây quấn kích từ : được quấn bằng dây đồng có bọc cách điện và mỗi
cuộn dây đều bọc cách điện kĩ thành một khối, đựơc tẩm sơn cách điện trước khi đặt
lên cực từ.

6


Hình 1.5: Cực từ chính của động cơ một chiều [7]
b) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều,
Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn. Cực từ phụ được
gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.
Cực từ phụ bao gồm:
+) Lõi thép : làm bằng thép khối
+) Dây quấn : làm bằng đồng, có bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được
bọc cách điện tạo thành khối và được tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ phụ.
c) Gông từ: Gông từ được dùng làm mạch từ nối liền các cực từ chính đồng
thời làm vở máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín chạy trong mạch
từ. Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy điện nhỏ gông từ

làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ tròn rồi hàn. Có khi trong động cơ điện
nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
d) Các bộ phận khác bao gồm :
+) Nắp máy: Có tác dụng bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các
vật bên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ …..và đảm bảo
an toàn cho người khỏi va chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn
có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang
+) Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ ngoài vào nếu máy là động cơ và
đưa dòng điện ra nếu máy là máy phát điện. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt
7


trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định
trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều
chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
1.2.4.2. Rotor: Là phần quay của động cơ, bao gồm:
- Lõi sắt phần ứng
- Dây quấn phần ứng
- Cổ góp
- Các bộ phận khác
a ) Lõi sắt phần ứng: Có tác dụng dẫn từ, và được làm từ lá thép kĩ thuật
điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm đựơc phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt
để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi
ép tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép
cứng vào với trục tạo thành một khối thống nhất.

Hình 1.6: Lõi sắt phần ứng rotor của động cơ điện một chiều [7]
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió
để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những
động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những

đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua
các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.

8


Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rotor. Dùng giá rotor có
thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rotor.
b) Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có dòng
điện chạy qua. Nó được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được quấn cách điện
cẩn thận với rãnh lõi thép. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn,
với các động cơ công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây
quấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của
cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây
không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động.
c) Cổ góp : Cổ góp còn gọi là vành góp hay vành đảo chiều, dùng để đổi
dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến góp
bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó ép chặt vào trục. Các phiến góp được
cách điện với nhau bằng các tấm mên đặt ở giữa( 0,4 đến 1,2mm ). Đuôi các phiến
góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một
đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.

Hình 1.7: Cổ góp của rotor của động cơ điện một chiều [7]
d ) Các bộ phận khác bao gồm :
+) Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy. Cánh quạt được lắp trên
trục động cơ để hút gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm
việc gió từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút
vào làm nguội dây quấn, mạch từ.

9


+) Trục máy : Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ
bi… Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.2.4.3. Hệ thống chổi than – vành góp
Dùng để đưa điện áp một chiều vào cuôn dây phần ứng và đổi chiều dòng
điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa
có cực tính dương, một nửa có cực tính âm)

Hình 1.8: Chuổi than và phiến góp của động cơ điện một chiều [7]
1.2.5. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rotor quay, chiều
của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau.
Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không
thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư
chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ởđộng cơ chiều
sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta
có phương trình:

10


U = Eư + Rư.Iư
Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều, ta giả sử động cơ
điện một chiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn
abcd theo một chiều duy nhất.

Hình 1.9: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều [4]
+ Nếu ta đặt điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấn
phần ứng sẽ có một dòng điện Iư chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm
trong từ trường (từ trường tạo bởi phần kích từ của động cơ), sẽ tạo ra các lựcFđt
ngựơc chiều nhau, tác dụng làm cho rotor quay (hình 1.9 a) (Chiều lực xác định
theo quy tắc bàn tay trái )
+ Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho
nhau, tuy nhiên do có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng
không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 1.9 b). Và cứ như vậy,
ta thấy năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho động cơ quay theo
một chiều duy nhất.
1.2.6. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là
động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

11


Hình1.10: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập [3]
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư= Eư+ (Rư+ Rf) Iư (1.1)
Trongđó:
Uư:Điện áp phần ứng(V)
Eư:Sức điện động phần ứng(V)
Rư:Điện trở mạch phần ứng (ôm)
Iư:Dòng điện của mạch phần ứng (A)
Với:Rư= rư + rcf+ rb+ rct
rư:Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf:Điện trở cuộn dây cực từ phụ

rct:Điện trở tiếp xúc cuộn bù
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
(1.2)
Trong đó:
P: Số đôi cực từ chính.
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
ф: Từ thông kích từ dưới một cực từ.
ω: Tốc độ góc(rad/s).
: Hệ số cấu tạo của động cơ.

12


Từ (1.1) và (1.2) ta có:
(1.3)
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Mđt = K.ф.Iư (1.4)
Với

Thay giá trị vào (2.3) ta được:
.Mđt (1.5)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ
bằng mômen điện từ,ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt= Mcơ= M
.M (1.6)
Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông ф = const, thì các phương trình đặc
tính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng

được biểu diễn trên hình 1.9 là những đường thẳng.
Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:
: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.

Hình 1.11: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều [2]

13


Khi ω = 0 ta có :
(1.1)
M = K. ф.Inm= Mnm(1.7)
Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch.
Ngoài ra phương trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng có thể được viết dưới dạng:
(1.9)
.M =

(1.10)

Trong đó:
R =Rư+ Rf

=

=

.M

được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M. từ phương trình đặc

tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: từ thông động cơ ф,
điện áp phần ứng UƯ, điện trở phần ứng động cơ.
1.2.7. Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
a ) Ưu điểm:
+ Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện
làm việc khác nhau.
+ Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không
đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị
biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không
những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển
đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lư ợng cao.

14


+ Động cơ điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng : Vì động cơ
điện một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi Iư, Uư, Φ nên tốc
độ động cơ có thể được chỉnh tốc trong miền dưới và trên tốc độ định mức.
+ Chất lượng điều chỉnh tốc tốt, dễ điều chỉnh tốc độ : Do động cơ điện một
chiều có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ. Đặc biệt
là với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần kích từ và phần ứng là riêng
biệt nên càng dễ cho việc điều khiển.
+ Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt : vì bộ biến đổi của động cơ điện một
chiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh
rộng…
+ Động cơ điện một chiều có dòng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khả
năng quá tải về momen với Iưmở =U/Rư ; Imở = (1.5÷2)Iđm ;
M = K.Φ.I ư
+ Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất
phần ứng động cơ. Chính vì vậy nó vẫn được sử dụng trong các dây truyền

cán…Ngoài những ưu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúc mạch lực,
mạch điều khiển đơn giản hơn so với các loại động cơ khác. Chính vì vậy động cơ
điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp yêu cầu
momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm vi
điều chỉnh rộng như ngành cán thép, hầm mỏ …
b ) Nhược điểm:
+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi
than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung
chấn, dễ cháy nổ.
+ Cần nguồn một chiều
+ Bảo quản cổ góp phức tạp
+ Dễ sinh tia lửa điện
+ Giá thành cao…

15


Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên , nhưng động cơ điện một chiều vẫn
có vai trò quan trọng trong việc sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng
phổ biến trong cuộc sống…
=>Kết luận: đông cơ điện một chiều còn có nhiều nhược điểm, song không
vì thế mà động cơ điện một chiều kém ưu thế hơn so với các loại động cơ khác, nó
vẫn được sử dụng phổ biến, ngày càng được cải tiến, khắc phục những nhược điểm
vốn có và nâng cao hiệu suất của động cơ…
1.3. Động cơ điện xoay chiều
Ở động cơ xoay chiều ta tìm hiểu và xét đến động cơ xoay chiều không đồng bộ.

Hinh 1.12: Động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc [7]
1.3.1. Khái niệm chung
Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ xoay chiều làm việc theo

nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n ( tốc độ quay của máy ) khác
với tốc độ quay của từ trường n1.
Động cơ điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở
chế độ động cơ điện và máy phát điện.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận
hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong
sản xuất và sinh hoạt.
1.3.2. Ứng dụng của động cơ xoay chiều
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động
cơ điện( đặc biệt là loại rotor lồng sóc) có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ xoay

16


chiều. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên
động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong công nghiệp, nông
nghiệp , đời sống hằng ngày.
Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn
động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy
công nghiệp nhẹ . . .
Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản
phẩm. …….
Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị
trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,. . .
= >Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động
hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
1.3.3. Phân loại động cơ xoay chiều
Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác
nhau và có thể phân loại như sau:
- Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại:

+ Động cơ 3 pha.
+ Động cơ 1 pha.
- Theo tốc độ có thể phân thành 2 loại:
+ Động cơ đồng bộ.
+ Động cơ không đồng bộ.
a ) Động cơ điện đồng bộ:
Là động cơ xoay chiều hoạt động ở tốc độ không đổi xác định bởi tần số của
hệ thống. Động cơ loại này cần có dòng điện một chiều để kích thích và có mômen
khởi động thấp, vì vậy động cơ đồng bộ thích hợp với các thiết bị ứng dụng khởi
động ở mức tải thấp như máy nén khí, tần số thay đổi hay máy phát điện. Động cơ
đồng bộ có thể cải thiện hệ số công suất hệ thống , đây là lí do tại sao chúng thường
hay được sử dụng với những hệ thống dùng nhiều điện.

17


Hình1.13: Động cơ đồng bộ [2]
- Cấu tạo của động cơ đồng bộ:
+) Rotor: Sự khác nhau chủ yếu giữa động cơ đồng bộ và không đồng bộ là
roto của động cơ đồng bộ quay với tốc độ của từ trường quay.
+) Stator: Stato tạo ra từ trường quay tỉ lệ với tần số cung cấp.
Động cơ quay với tốc độ đồng bộ, cho trong phương trình sau:
N= 120f/p
Trong đó:
f: Tần số.
P: số cực từ
b ) Động cơ không đồng bộ

Hình1.14: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ [3]

18