Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều

LUẬN VĂN THẠC SỸ
LỜI CẢM ƠN
Không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn, em đã nhận được rất nhiều
sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở viện Cơ
khí và viện Sau Đại học – trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cùng với tri
thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng
em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS Phạm Văn Hùng đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Không có những lời hướng dẫn,
dạy bảo của thầy thì em nghĩ bài luận văn này của em rất khó có thể hoàn
thiện được.
Trong quá trình thực hiện luận văn kiến thức của em còn hạn chế và còn
nhiều bỡ ngỡ, nguồn tài liệu tham khảo còn khan hiếm. Do vậy, không tránh
khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
quý báu của quý Thầy Cô và các bạn.

Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đào Xuân Lượng

Đào Xuân Lượng

-1-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật ngành cơ khí với đề tài “ Tính toán tuổi thọ
và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều” do tác giả viết và được sự
hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Hùng. Luận văn này được viết trên cơ sở
nghiên cứu tổng quan lý thuyết về mòn, xác suất không hỏng để tính toán độ
tin cậy và tuổi thọ của chổi than trong máy điện một chiều, từ đó đưa ra thời
gian dự kiến bảo dưỡng , thay thế chổi than.
Khi viết bài luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa một số kết
quả nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ
các tạp chí, sách, mạng internet…theo danh mục tài liệu tham khảo.
Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn
nào hay nhờ người khác viết. Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam
đoan của mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của trường
ĐH Bách Khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đào Xuân Lượng

Đào Xuân Lượng

-2-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 2

MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 8
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 9
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 9
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn .......................................................... 10
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 10
4. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ......................................................... 10
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 11
6. Các nội dung chính của luận văn............................................................. 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐƢỢC SỬ
DỤNG TẠI VIỆT NAM................................................................................ 13
1.1. Giới thiệu chung về máy điện một chiều [7] ........................................ 13
1.2. Cấu tạo máy điện một chiều. ................................................................. 13
1.3. Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều. .................................... 15
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều. ......................... 15
1.3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều............................ 16
1.3.3. Phân loại máy điện một chiều ........................................................... 17
1.4. Tầm quan trọng của máy điện một chiều sử dụng tại Việt Nam ...... 17
1.4.1. Ưu điểm của máy điện một chiều ..................................................... 18
1.4.2. Nhược điểm của máy điện một chiều ............................................... 19
1.5. Vai trò, tầm quan trọng và phân loại chổi than .................................. 19
1.5.1. Vai trò và tầm quan trọng của chổi than trong máy điện một chiều. 19
1.5.2. Phân loại chổi than trong máy điện một chiều.................................. 20
1.5.2.1. Phân loại chổi than theo đặc tính ............................................... 20
Đào Xuân Lượng

-3-

CH2013B

LUẬN VĂN THẠC SỸ
1.5.2.2. Phân loại chổi than theo hình dáng cấu trúc .............................. 22
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .............................................................................. 23
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÒN CỔ GÓP VÀ CHỔI THAN . 24
2.1. Mòn cặp ma sát và chi tiết máy [2] ....................................................... 24
2.1.1. Định nghĩa ......................................................................................... 24
2.1.2. Một số công thức tính mòn cổ điển – theo kinh nghiệm .................. 24
2.2. Tổng quan về mòn [2] ............................................................................ 25
2.2.1. Khái niệm chính ................................................................................ 25
2.2.2. Cơ chế mòn các bề mặt kim loại ....................................................... 25
2.2.3. Sự phá hỏng bề mặt ma sát ............................................................... 26
2.2.4. Sự vận chuyển vật liệu giữa các bề mặt ma sát ................................ 26
2.2.5. Các dạng mòn .................................................................................... 26
2.3. Một số thông số tính mòn [2]................................................................. 28
2.3.1. Chiều cao mòn................................................................................... 28
2.3.2. Tốc độ mòn ....................................................................................... 29
2.3.3. Cường độ mòn ................................................................................... 29
2.3.4. Cường độ mòn riêng: ........................................................................ 29
2.3.5. Năng lượng ma sát đơn vị ................................................................. 29
2.3.6. Mòn tương đối ................................................................................... 29
2.3.7. Mòn riêng .......................................................................................... 29
2.4. Các thông số tính đƣờng biên bề mặt tiếp xúc [2] .............................. 30
2.5 Tính mòn trên cơ sở hình và năng lƣợng [2] ........................................ 31
2.5.1. Tính mòn trên cơ sở cơ hình ............................................................. 31
2.5.1.1. Tính mòn bậc 1........................................................................... 32
2.5.1.2. Tính mòn bậc 2........................................................................... 33
3.5.1.3. Tính mòn bậc 3........................................................................... 35
2.5.2. Tính mòn trên cơ sở năng lượng ....................................................... 37

2.6. Một số phƣơng pháp tính mòn. [1] ....................................................... 38
Đào Xuân Lượng

-4-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
2.6.1. Tình mòn theo thực nghiệm .............................................................. 38
2.6.2. Tính mòn cặp ma sát theo năng lượng .............................................. 39
2.6.3. Tính mòn cặp ma sát theo độ bền nhiệt ............................................ 39
2.6.4. Tính mòn cặp ma sát theo lý thuyết ma sát mỏi (Krangelsky) ......... 40
2.6.5. Phương pháp tính mòn theo thuyết cơ phân tử ................................. 41
2.6.5.1.Phương trình mòn cơ bản ............................................................ 41
2.6.5.2. Cường độ mòn cặp ma sát khi tiếp xúc đàn hồi ......................... 41
2.6.5.3. Cường độ mòn cặp ma sát khi tiếp dúc dẻo ............................... 45
2.7 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mòn [1] ........................................................ 45
2.7.1. Môđun đàn hổi của vật liệu ............................................................... 46
2.7.2 Đặc trưng độ bền vật liệu ................................................................... 46
2.7.3 Hệ số ma sát f ..................................................................................... 46
2.7.4 Độ sóng và độ nhám bề mặt ............................................................... 46
2.7.5 Sự tương tác phân tử khi tiếp xúc ...................................................... 47
2.7.6 Yếu tố tốc độ và nhiệt độ ................................................................... 47
2.7.7 Dòng điện ........................................................................................... 48
2.7.8 Rung động .......................................................................................... 49
2.8 Phƣơng pháp tính mòn cho cổ góp và chổi than [3] ............................ 51
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .............................................................................. 53
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CHỔI
THAN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU. .............................................................. 54

3.1. Mục đích của việc xác định tuổi thọ và độ tin cậy. ............................. 54
3.2. Xác định độ tin cậy và tuổi thọ của cặp ma sát trên cơ sở mòn. [2] .. 55
3.2.1 Quy luật mòn của chi tiết ................................................................... 55
3.2.2. Xác định lượng mòn giới hạn .......................................................... 57
3.2.3 Xác định độ tin cậy cho cặp ma sát.................................................... 62
3.3 Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều
dựa trên các kết quả thực nghiệm mòn [3][4][5]........................................ 65
Đào Xuân Lượng

-5-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
3.3.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 65
3.3.2. Mẫu chổi than trong thực nghiệm mòn ............................................. 65
3.3.3. Thông số cơ bản và trình tự thực nghiệm đo mòn cổ góp & chổi than66
3.3.4. Kết quả thực nghiệm [5] ................................................................... 67
3.3.4.1. Xác định thông số ban đầu ......................................................... 67
3.3.4.2. Xác định lượng mòn của chồi than ở t = 5b, t = 10h, t = 15h, t =
20h ........................................................................................................... 68
3.3.5. Tính toán cường độ mòn và lượng mòn của chổi than máy điện một
chiều ............................................................................................................ 69
3.3.6. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều . 72
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ................................................................................ 78
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 80

Đào Xuân Lượng

-6-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Cấu tạo chung máy điện một chiều ................................................ 13
Hình 1. 2. Cấu tạo phần ứng máy điện DC.................................................... 15
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện DC.......................... 16
Hình 2. 1. Bảng cơ chế mòn ............................................................................ 27
Hình 2. 2. Bảng phân loại mòn ....................................................................... 28
Hình 2. 3. Tóm tắt cơ sở tính ma sát và mòn ................................................. 31
Hình 3. 1. Đồ thị quan hệ lượng mòn theo thời gian của 4 cặp chổi than ..... 69

Đào Xuân Lượng

-7-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1. Biểu thị các thông số bề mặt khi mài tinh ..................................... 31
Bảng 2. 2. Thông số B, B của một số vật liệu ............................................. 33
Bảng 3. 1. Kết quả đo lượng mòn của từng cặp chổi than sau mỗi lần thực
nghiệm ............................................................................................................. 68
Bảng 3. 2. Bảng tính toán cường độ mòn của các cặp chổi than ................... 70

Bảng 3. 3. Bảng tổng hợp lượng mòn của các cặp chổi than theo chiều cao
lớp mòn ............................................................................................................ 71
Bảng 3. 4. Bảng tổng hợp cường độ mòn, lượng mòn của các cặp chổi than
theo chiều cao lớp mòn ................................................................................... 72
Bảng 3. 5. Kết quả tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cặp chổi than 1........ 75
Bảng 3. 6. Kết quả tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cặp chổi than 2........ 76
Bảng 3. 7. Kết quả tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cặp chổi than 3........ 76
Bảng 3. 8. Kết quả tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cặp chổi than 4........ 76
Bảng 3. 9. Bảng tổng hợp kết .quả tính toán tuổi thọ của các cặp chổi than
thực nghiệm với độ tin cậy từ 0,9 đến 0,999 ................................................... 77

Đào Xuân Lượng

-8-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tại Việt Nam, ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học
kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành công nghiệp và
giao thông vận tải cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó. Một trong
những vấn đề quan trọng trong các thiết bị giao thông vận tải và trong nghành
công nghiệp đó là không thể thiếu các loại máy điện một chiều. Từ trước đến
nay, máy diện một chiều vẫn luôn được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ
thống yêu cầu cao. Trong đó có các máy điện một chiều có sử dụng chổi than
& cổ góp. Cặp ma sát chổi than & cổ góp là một trong những bộ phận cấu
thành quan trọng quyết định tuổi thọ và độ tin cậy của máy điện một chiều.

Qua phân tích nguyên nhân hỏng và sự cố các thiết bị thấy rằng các thiết
bị hỏng phần lớn là do mòn và hư hỏng bề mặt ma sát chứ không phải do gãy
hay vỡ các chi tiết máy. Hàng năm chi phí sửa chữa và bảo dưỡng hệ thống
máy móc là rất lớn, nếu chúng ta có công nghệ tiên tiến làm giảm đáng kể sự
mài mòn của vật liệu tăng tuổi thọ của thiết bị lên thì sẽ giảm chi phí sửa chữa
mang lại hiệu quả trong sản xuất và kinh doanh.
Ngoài ra, việc nghiên cứu mòn vật liệu cho ta dự báo được tuổi thọ và độ
tin cậy của các thiết bị máy móc để ta có được kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa
và thay thế các chi tiết kịp thời và hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng
trong các máy móc có độ chính xác cao và hiện đại sử dụng trong công
nghiệp cũng như trong các thiết bị giao thông vận tải, trong các thiết bị này
không thể thiếu vai trò của các máy điện một chiều vì các tính năng nổi bật
của nó. Ví dụ: máy phát điện một chiều dùng để cung cấp điện cho acquy và
cho hệ thống điện trên các loại xe ô tô, động cơ điện một chiều dùng để khởi
động cho các động cơ xăng hoặc động cơ diêzen.
Đào Xuân Lượng

-9-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trong động cơ điện một chiều thì chổi than là một trong những bộ phận
cấu thành quan trọng, nó quyết định đến độ bền và sự ổn định của động cơ.
Sự nghiên cứu tính toán tuổi thọ và độ tin cậy trên cơ sở mòn của chổi than
để đưa ra dự đoán khả năng thay thế chổi than và bảo dưỡng máy điện là hết
sức cần thiết. Chính vì vậy đề tài của luận văn đã chọn hướng nghiên cứu là
“Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện một chiều” Phù
hợp với định hướng nghiên cứu mòn của vật liệu chổi than đang được nhiều

nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Luận văn tập trung nghiên cứu về tuổi thọ trên cơ sở độ tin cậy của chổi
than trong máy điện một chiều được sử dụng trong các thiết bị giao thông và
công nghiệp.
Thông qua việc nghiên cứu mòn của vật liệu chổi than, đề tài sẽ tính
được tuổi thọ và độ tin cậy của máy điện. Từ đó xác định được sự phụ thuộc
tuổi thọ dự kiến của chổi than đến máy điện một chiều và dự đoán khả năng
thay thế chổi than.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là chổi than thông dụng, phổ biến trên thị
trường.Chổi than 153 Trung Quốc, chổi than Makita A-88536, chổi than
DCA, chổi than Makita 417A. Đây là loại chổi than được sử dụng khá nhiều
trong bảo dưỡng và thay thế của máy điện một chiều.
Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung nghiên cứu tuổi thọ và độ tin
cậy của chổi than trong máy điện một chiều thông qua việc tính toán dựa trên
các thông số đầu vào.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Đào Xuân Lượng

-10-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Nghiên cứu tính năng ma sát, mòn của bề mặt ma sát chổi than. Nghiên
cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến mòn vật liệu của chổi than.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu tính toán số liệu tìm tuổi thọ và độ tin cậy của chổi

than máy điện một chiều sử dụng trong công nghiệp và giao thông tại Việt
Nam. Xác định tuổi thọ dự kiến cho chổi than trong máy điện một chiều cũng
như có thể xác định tuổi thọ tùy thuộc vào độ tin cậy. Trong thực tế vận hành
thiết bị giao thông và công nghiệp nói chung và máy điện một chiều nói
riêng, tùy thuộc vào mức độ yêu cầu làm việc cụ thể hoặc trong những điều
kiện phải chọn độ tin cậy khác nhau thì tuổi thọ khác nhau.
Việc đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy vật liệu chổi than máy điện một
chiều trong thiết bị giao thông và công nghiệp hoàn toàn phù hợp với định
hướng nghiên cứu của các công trình đánh giá độ tin cậy thiết bị máy móc. Đề
tài luận văn có tính thực tiễn và tính thời sự cao do phần lớn các thiết bị giao
thông như ô tô hay xe máy sử dụng ở Việt nam đều có nguồn gốc nhập khẩu
từ các nước và các vùng kinh tế, với độ chính xác và chất lượng khác nhau.
6. Các nội dung chính của luận văn
Nội dung chính của luận văn bao gồm các chương sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về máy điện một chiều sử dụng tại Việt Nam.
Trong chương này trình bày chung về máy điện một chiều, cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều, tầm quan trọng của máy điện
một chiều được sử dụng tại Việt Nam.
Chương này trình bày vai trò của chổi than trong máy điện một chiều,
tầm quan trọng của nó ảnh hưởng như thế nào trong máy điện một chiều và
phân loại chổi than
Đào Xuân Lượng

-11-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chƣơng 2:Cơ sở lý thuyết về mòn cổ góp và chổi than

Chương này trình bày một số phương pháp tính mòn: tính mòn cặp ma
sát theo năng lượng, tính mòn theo độ bền nhiệt,theo lý thuyết mát mỏi, theo
thuyết cơ phân tử. Ngoài ra, trong chương này còn đưa ra các yếu tố ảnh
hưởng đến mòn và phương pháp tính mòn cho chổi than.
Chƣơng 3: Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than máy điện
một chiều.
Trong chương này thực hiện các bước tính toán độ tin cậy và tuổi thọ
của chỏi than dựa trên các cơ sở lý thuyết đã nêu và các thông số đầu vào
được tham khảo từ các tài liệu liên quan.

Đào Xuân Lượng

-12-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐƢỢC SỬ
DỤNG TẠI VIỆT NAM
1.1. Giới thiệu chung về máy điện một chiều [7]
- Máy điện một chiều là thiết bị điện dùng để biến đổi cơ năng thành điện
năng một chiều hoặc ngược lại.
- Động cơ một chiều (DC motor) có moment khởi động lớn, dễ điều
chỉnh tốc độ, điều chỉnh liên tục trong phạm vi rộng

Hình 1. 1. Cấu tạo chung máy điện một chiều
- Máy phát điện một chiều (DC generator) là máy phát kích từ cho máy
phát điện đồng bộ
- Nhược điểm: cổ góp điện làm cho cấu tạo phức tạp, giá thành đắt, làm

việc kém tin cậy, nguy hiểm trong môi trường dễ cháy.
1.2. Cấu tạo máy điện một chiều.

Đào Xuân Lượng

-13-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Máy điện một chiều gồm 2 phần : phần cảm và phần ứng.
- Phần cảm gồm: cực từ chính , cực từ phụ , vỏ máy (gông từ), nắp máy,
cơ cấu chổi than
+ Cực từ chính: làm bằng nam châm điện (máy có công suất lớn) và làm
bằng nam châm vĩnh cửu(máy có công suất nhỏ). Cực từ chính tạo nên từ
trường chính trong máy, cực từ gắn lên vỏ máy bằng bu lông hoặc đinh vít ,
cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
+ Cực từ phụ: đặt xen kẽ giữa các cực từ chính, mắc nối tiếp với dây
quấn phần ứng để hạn chế tia lửa điện và cải thiện đổi chiều.
+ Gông từ ( vỏ máy ): dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các
cực từ, do vậy vỏ máy được dẫn từ.
+ Cơ cấu chổi than : chổi than đặt trong hộp chổi than, giá chổi than. Dễ
bị hao mòn, thay thế khi bảo trì định kỳ.
- Phần ứng gồm: trục, lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp.

Đào Xuân Lượng

-14-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 1. 2. Cấu tạo phần ứng máy điện DC
+ Cổ góp (vành đổi chiều): cổ góp gồm các phiến góp làm bằng đồng,
giữa các phiến góp cách điện với nhau bởi mica và cổ góp cũng được cách
điện với trục rotor bằng ống phíp . Trong máy điện một chiều bộ phận chổi
than và cổ góp dễ hư hỏng nhất.
1.3. Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều.
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện một chiều.
Máy phát điện một chiều có dây quấn phần ứng gồm hai thanh dẫn ab
và cd chỉ nối với hai phiến góp 1 và 2 trên hình 1.3
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng
cắt từ trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sức điện động
được xác định bằng quy tắc bàn tay phải.
Trên thanh dẫn ab sức điện động có chiều từ a đến b.
Đào Xuân Lượng

-15-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trên thanh dẫn cd chiều sức điện động từ c đến d .
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của hai thanh dẫn phần tử và
hai phiến góp thay đổi cho nhau. Sức điện động trong thanh dẫn đổi chiều
nhưng chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi.

Cổ góp và chổi than đóng vai trò bộ chỉnh lưu dòng điện I ra tải có chiều
không

đổi.

Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện DC
Phương trình cân bằng điện áp:
U = Eư –Rư Iư

(1.1)

Trong đó:
Rư là điện trở dây quấn phần ứng;
U là điện áp hai đầu cực máy
Eư là sức điện động phần ứng.
1.3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than tiếp xúc với hai phiến góp
1 và 2, trong dây quấn phần ứng có dòng điện.Hai thanh dẫn có dòng điện
nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay, chiều lực xác
định theo quy tắc bàn tay trái.
Đào Xuân Lượng

-16-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí hai thanh dẫn và hai phiến góp
1 và 2 đổi chổ cho nhau, đổi chiều dòng điện trong các thanh dẫn và chiều lực

tác dụng không đổi cho nên động cơ có chiều quay không đổi
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường và sinh ra sức điện động
cảm ứng Eư trong dây quấn rôto
Phương trình điện áp động cơ điện Một chiều: U = Eư + Rư Iư (1.2)
1.3.3. Phân loại máy điện một chiều
Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều
thành các loại sau:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 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 mạch 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,
dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn
kích từ song song thường là chủ yếu
1.4. Tầm quan trọng của máy điện một chiều sử dụng tại Việt Nam
Ngày nay máy 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

Đào Xuân Lượng

-17-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ

gió cũng dựa vào động cơ điện. Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong
các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các đầu máy xe lửa.
- Trong đời sống hàng ngày máy 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 máy phát điện trên thiết bị giao thông và công nghiệp.
+ 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, máy 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….
1.4.1. Ưu điểm của máy điện một chiều
- Máy điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng : Vì máy điện
có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi I ư, U ư,  nên tốc độ động cơ
có thể được chỉnh tốc trong miền dưới và trên tốc độ định mức.
- Dễ dàng điều chỉnh tốc độ: Do máy điện một chiều có đường đặc tính
cơ dạng tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ. Đặc biệt là với máy 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 máy điện một
chiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều
chỉnh rộng…

Đào Xuân Lượng

-18-

CH2013B

LUẬN VĂN THẠC SỸ
- 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 máy 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
máy điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong các nghành 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 nghành cán thép, hầm mỏ …
1.4.2. Nhược điểm của máy điện một chiều
- Cần nguồn một chiều;
- Bảo quản cổ góp phức tạp;
- Dễ sinh tia lửa điện;
- Giá thành cao…
Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên , nhưng máy 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…
1.5. Vai trò, tầm quan trọng và phân loại chổi than
1.5.1. Vai trò và tầm quan trọng của chổi than trong máy điện một chiều.
Chổi than là một vật dẫn điện, thường được tạo ra từ một số lớp nguyên
tố carbon, phục vụ duy trì kết nối điện giữa bộ phận tĩnh (stato) và các phần
chuyển động của động cơ điện một chiều
Đối với động cơ điện một chiều DC,chi tiết chổi than là một trong
những bộ phận quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phục vụ của
động cơ. Chổi than yêu cầu phải truyền tải được dòng điện trong điều kiện có
Đào Xuân Lượng

-19-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
ma sát trượt ở tốc độ thay đổi.Trong điều kiện làm việc thực tế khác nhau như
nhiệt độ cao, độ ẩm cao, bụi bẩn…vv vấn đề ma sát, mòn của chổi than ảnh
hưởng không nhỏ đến hoạt động bình thường của động cơ điện.
Chổi than là một phần tử điện để tạo nên sự tiếp xúc điện giữa phần
đứng yên và phần quay của máy điện. Cổ góp và chổi than có nhiệm vụ đưa
điện vào hoặc lấy điện ra dây quấn roto của máy điện thông qua tiếp xúc trượt
giữa chổi than và bề mặt cổ góp.
Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã công bố các công trình nghiên cứu
về cổ góp & chổi than như chế tạo cổ góp điện (1823), chế tạo cổ góp cho
động cơ điện một chiều của nhà khoa học Eric Laithwaite, chế tạo chổi than
cho thang máy (1995). Mới đây nhất là các nghiên cứu của Giáo sue Andrzej
(2002) nghiên cứu về thuộc tính sóng bề mặt chổi than&cổ góp, mối quan hệ
giữa bề mặt cổ góp&chổi than đến quá trình mòn và nghiên cứu của
HUZhong – liang (2008)về thuộc tính mòn của chổi than Cacbon điện trở suất
cao trong điều kiện độ ẩm thay đổi. Ở Việt nam, nhiều nhà khoa học cũng
đang chú ý quan tâm đến cải tiến hệ thống truyền động điện, nâng cao hiệu
suất động cơ điện, chế tạo động cơ điện như đề tài khoa học nghiên cứu thiết
kế và chế tạo máy điện một chiều công suất 200kW(2008) và một số công
trình khác.
1.5.2. Phân loại chổi than trong máy điện một chiều.
1.5.2.1. Phân loại chổi than theo đặc tính
+) Chổi than điện nhiệt luyện ( Electrographitic brushes (EG))
Còn được gọi là graphite nhân tạo, được tạo từ bột cacbon và than cốc,
được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao trên 2500oC để chuyển đổi than vô định hình
sang graphite nhân tạo.

Đào Xuân Lượng

-20-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Loại chổi than này có điện áp rơi trung bình và hệ số ma sát thấp, có thể
giảm tổn thất điện năng, phù hợp với tốc độ ngoại biên cao.
EG34D,

EG389P,

EG319P,

EG359,

EG359MD,

EG359MX,

EG313,EG367, EG8067, EG8220, 2189, AC137, EG388#....
+) Chổi than carbon Graphit (Carbongraphitic brushes (A))
Được tạo thành từ hỗn hợp bột than đá và graphite, được ngâm tẩm với
resin (nhựa thông), hỗn hợp bột này được đúc thành khối và nung ở nhiệt độ
cao.
Loại chổi than này có điện trở cao, độ bóng tốt, duy trì điện áp rơi ở mức
vừa phải, có thể chịu được nhiệt độ cao và nhiều dòng tải
A121, A176, A252....

+)Chổi than Graphit (Soft graphitebrushes (LFC)
Thành phần cơ bản là graphite tự nhiên và graphite tinh khiết được trộn
theo tỷ lệ thích hợp với các phụ gia khác và được xử lý ở nhiệt độ cao để
cacbon hóa chất kết dính.
Các chổi than LFC mềm với khả năng chống shock tuyệt vời, cho phép
hoạt động tốt trong môi trường tốc độ cao nơi làm tăng các tác động cơ học
như ma sát, độ rung, nhiệt. LFC554, LFC501
+)Chổi than Graphite tự nhiên hoặc nhân tạo:
Dạng bột được pha trộn với resin tổng hợp, sau đó hỗn hợp được nén và
và polyme hóa ở điều kiện nhiệt độ thích hợp.
Các chổi than này có điện trở lớn và độ bền cơ học cao, ít tiêu hao
điện năng, Chúng cũng có thể làm việc trong điều kiện mật độ dòng rất thấp.
BG412, BG469, BG348.
Đào Xuân Lượng

-21-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
+)Chổi than Graphit kim loại (Metal graphite brushes (CG-MC-CA):
Graphite tự nhiên hoặc tinh khiết dạng bột được trộn với resin tổng hợp,
bột đồng và/hoặc một số bột kim loại khác. Hỗn hợp được nén chặt và polyme
hóa ở nhiệt độ thích hợp trong điều kiện khí trơ.
Các chổi than này có ma sát thấp, điện áp rơi rất thấp dẫn đến ít hao
tổn điện năng và dòng điện cao. CG651, CG626, CG757,CG657, MK20,
MC79P, CA38, CA28, CA10, M9426....
1.5.2.2. Phân loại chổi than theo hình dáng cấu trúc
+)Chổi than đơn hoặc chổi than lõi (insert/cored brush)

Là chổi than được khoan hoặc làm rãnh từ bề mặt tiếp xúc và các
khoảng trống được làm đầy bằng một vật liệu khác.
+)Chổi than đôi (paired brush) (hoặc 1 cặp chổi than)
Bao gồm 2 chổi than đơn được ghép với nhau bởi dây cáp thông
thường hoặc đầu cốt. Chúng không bị nhầm lẫn với một chổi than tách (split
brush).
+)Chổi than kết cấu sandwich (sandwich brush)
Bao gồm 2 hoặc nhiều miếng than được ghép cứng với nhau và sử
dụng như 1 chổi than. Các miếng than có thể là cùng vật liệu hoặc khác vật
liệu.
+)Chổi than tách (split brush)
Bao gồm 2 hoặc nhiều miếng không gắn lại theo chiều dày. Các
miếng than có thể di chuyển tương ứng với nhau hoặc được sử dụng như 1
chổi than. Các miếng than có thể là cùng vật liệu hoặc khác vật liệu và được
liên kết vật lý hoặc không liên kết vật lý.
Đào Xuân Lượng

-22-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong chương một, luận văn nghiên cứu về tổng quan Máy điện một
chiều, tìm hiểu cấu tạo của máy điện một chiều và nguyên lý hoạt động của
nó, qua đó giúp chúng ta biết được vai trò và tầm quan trọng của máy điện
một chiều sử dụng tại Việt Nam. Biết được vai trò quan trọng của chổi than
trong máy điện một chiều, nó tạo nên sự tiếp xúc điện giữa phần đứng yên và
phần quay của máy điện.

Cũng trong chương này luận văn nêu rõ được ưu, nhược điểm của từng
loại chổi than và các phân loại chổi than theo đặc tính hay theo hình dáng cấu
trúc. Qua đó giúp chúng ta tính toán được độ tin cậy và tuổi thọ của chổi than
một cách dễ dàng nhất.Vì việc yêu cầu tuổi thọ và độ tin cậy của chổi than và
cổ góp là rất cần thiết nhằm đảm bảo việc vận hành của động cơ hoặc máy
phát điện một chiều an toàn và tin cậy.

Đào Xuân Lượng

-23-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÒN CỔ GÓP VÀ CHỔI THAN
2.1. Mòn cặp ma sát [2]
2.1.1. Định nghĩa
Mòn là một quá trình thay đổi hình dáng, khối lượng, kích thước của bề
mặt vật thể làm mất mát hoặc thay đổi ví trí tương đối trên bề mặt do biên
dạng, mất liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa ra vùng vật liệu mới.
Mòn còn là một quá trình thay đổi bản chất vật liệu trên bề mặt tiếp xúc
do hiên tượng khuyếch tán, hấp thụ, hợp kim hóa, ăn mòn, xâm thực.
2.1.2. Một số công thức tính mòn cổ điển – theo kinh nghiệm
Trong một thời gian dài, cường độ mòn được tính theo một số công thức
kinh nghiệm sau:
(

Trong đó:

)

(2.1)

Pdn – áp lực danh nghĩa trên bề mặt tiếp xúc;
H- độ cứng của vật liệu tiếp xúc;
M – chỉ số mòn phụ thuộc vào bản chất vật liệu.

Công thức này thường được sử dụng khi biến dạng đàn hồi, Pdn nhỏ gần
bằng 0.14Mpa, độ cứng lớn:
HB  8500 Mpa
Theo một số tác giả khác, cường độ mòn được tính theo công thức
sau:[1]
Ih = 209E-1.31

(2.2)

Trong đó: E – mô dun đàn hồi của vật liệu.
Đào Xuân Lượng

-24-

CH2013B


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Đối với một số vật liệu phi kim loại, cường độ mòn được tính như sau:
Ih = 8,4.10-3HV-0,27

(2.3)

Ih =
Đối với polyme:
Ih = 1,42.10-3HV-0,27

(2.4)

Ih =8,6.10-4
Trong đó:

HV – độ cứng Vich-ke;
Ebh – năng lượng bốc hơi của vật liệu.

2.2. Tổng quan về mòn [2]
2.2.1. Khái niệm chính
- Cặp ma sát là tập hợp hai chi tiết lắp ghép có chuyển động tương đối.
- Kết cấu ma sát: là kết cấu máy gồm nhiều cặp ma sát
- Cường độ mòn: là tỉ số giữa lượng mòn của chi tiết với quãng đường
ma sát thực hiện được, hay một khối lượng công việc thực hiện được.
- Tốc độ mòn: là tỉ số giữa lượng mòn với thời gian gây ra lượng mòn
đó.
- Lượng mòn giới hạn: là lượng mòn cho phép khi sử dụng cặp ma sát
đó.
2.2.2. Cơ chế mòn các bề mặt kim loại
Mòn là một quá trình trong đó các lớp bề mặt trượt tương đối dẫn đến sự
cắt, bẻ gẫy chỗ nhấp nhô, tạo thành miền có nhấp nhô mới, làm nhẵn dần bề
Đào Xuân Lượng

-25-

CH2013B