báo cáo nhập môn ngành điện tìm hiểu về động cơ điện một chiều dc motor

Faraday sau đó đảo ngược quá trìnhthiết lập, lần này với một sợi dây cốđịnh và một nam châm treo lủng lẳng-- một lần nữa phần tự do lại quayquanh phần cố định.= > Đây là minh chứng đầu t

BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO LIÊN TỤC

- -  

BÁO CÁO NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN

Đề tài: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều (DC

20222010P

20220732P

20220733P

5 Trần Quang Minh 5P

20220245P

Chuyên ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

Hà Nội, tháng 11, năm 2022

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I BỐI CẢNH VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 4

I Bối cảnh lịch sử 4

II Lịch sử hình thành động cơ điện một chiều 6

CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7

I Khái niệm 7

II Nguyên tắc làm việc chung 8

III Cấu tạo và nguyên lý làm việc 8

* ) Động cơ điện một chiều có chổi than (Brushed Motor) 8

1 Cấấu t o: ạ 8

2 Nguyên lý làm vi c c a Brused motor : ệ ủ 12

* ) Động cơ điện một chiều không chổi than (Brushless Motor) 8

1 Khái ni m: ệ 17

2 Cấấu t o: ạ 18

4 Nguyên lý ho t đ ng : ạ ộ 18

4 u đi m đ ng c đi n m t chiêều không có ch i than : Ư ể ộ ơ ệ ộ ổ 20

* ) So sánh Brushed và Brushless 8

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 23

I Ứng dụng động cơ điện một chiều có chổi than 23

II Ứng dụng động cơ điện một chiều không chổi than 23

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

LỜI NÓI ĐẦU

Cách mạng công nghệ đánh dấu thay đổi lớn trong phươngpháp sản xuất qua quy trình sử dụng máy móc nhằm đáp ứngnhu cầu của con người Trong thời đại phát triển 4.0 ngày nay,ngành công nghiệp đóng một vai trò quan trọng nhằm thúc đẩy

và phát triển nền kinh tế đất nước Công nghệ mới là nhân tốthiết yếu cần đưa vào trong quá trình sản xuất

Khi mà động cơ điện ngày càng phổ biến và được ứng dụngrộng rãi trong nền công nghiệp thì thực hiện phương pháp tối

ưu nó là một vấn đề đã được đặt ra Trải qua nhiều giai đoạn,phương pháp, thử nghiệm, động cơ điện một chiều đã được tạo

ra Nó đã trở thành giải pháp tối ưu và được sử dụng rất rộngrãi trong các nhà máy, cơ quan, xí nghiệp với quy mô lớn.Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn đượccoi là một loại máy quan trọng Nó có thể dùng làm động cơđiện, máy phát điện hay dùng trong những điều kiện làm việckhác Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rấttốt, vì vậy máy được dùng nhiều trong những ngành côngnghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm

mỏ, giao thông vận tải

CHƯƠNG I BỐI CẢNH VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH

I Bối cảnh lịch sử

Trong thế kỉ 19, khoa học đã có những bước tiến vượt bậc,đặc biệt con người đang dần làm chủ điện Các nhà khoa học cócác cuộc nghiên cứu, thử nghiệm nhiều hơn về điện và có nhiềuphát hiện mới, phất minh mang tính đột phá:

+ Phát minh thú vị nhất phải kể đến là về pin (Alessandro Volta,năm 1800) Nó tạo ra dòng điện liên tục, mở đường cho nhiềukhám phá và phát minh khác, trong đó có động cơ điện

Alessandro Volta và mô hình pin điện đầu tiên của ông

+ Năm 1820, Hans Christian Oested

tìm thấy sự tạo ra từ trường bởi

dòng điện bằng cách quan sát sự

lệch của kim la bàn

* Đây là lần đầu tiên một chuyển

động cơ học được gây ra bởi một

dòng điện

+ Dựa vào phát hiện trên,

André-Marie Ampère (Pháp) đã nghiên cứu

bằng thực nghiệm và tìm ra Lực

điện từ và phát biểu thành định luật

mang tên ông

Mô tả thí nghiệm tìm ra mối liên

hệ giữa điện và từ của Oersted

đã thành công trong việc chứng minh điều này.

Faraday lấy một đĩa thủy ngân và đặt

một nam châm cố định ở giữa; phía

trên, anh ta treo lủng lẳng một sợi

dây chuyển động tự do (đầu dây tự do

đủ dài để nhúng vào thủy ngân)

Khi anh kết nối pin để tạo thành

một mạch điện - dòng điện - dây dẫn

quấn quanh nam châm

Faraday sau đó đảo ngược quá trình

thiết lập, lần này với một sợi dây cố

định và một nam châm treo lủng lẳng

một lần nữa phần tự do lại quay

quanh phần cố định

= > Đây là minh chứng đầu tiên về

việc chuyển đổi năng lượng điện

thành chuyển động, và kết quả là

Faraday thường được ghi nhận là

người đã phát minh ra động cơ điện

Bố trí thí nghiệm biến đổi điện năng thành cơ năng, nguyên lý cơ bản của động cơ điện

+ Năm 1825 Wiliam Strurgeon (Anh) đã phát minh ra nam châm điện , một lõi sắt non hình móng ngựa có một số vòng

dây điện cuốn quanh để tăng cường từ trường

Nam châm điện của Sturgeon

* Việc tạo ra từ trường dòng điện (Hans Christian Oersted,1820) và nam châm điện (Wiliam Strurgeon, 1825) là nền tảngcho việc chế tạo động cơ điện 1 chiều

II Lịch sử hình thành động cơ điện một chiều

Lịch sử của động cơ DC có từ thế kỷ 19 Năm 1832, một nhàkhoa học người Anh, William Sturgeon, đã tạo ra động cơ DCđầu tiên có khả năng cung cấp năng lượng cho máy móc

Sự phát triển ban đầu của Sturgeon

đã được mở rộng thêm bởi một nhà khoa học người Mỹ, Thomas Davenport Davenport được biết đếnvới việc tạo ra động cơ DC hoạt động đầu tiên, được ông cấp bằng sáng chế vào năm 1837 Tuy nhiên, Davenport gặp một số vấn đề về chiphí năng lượng pin khi động cơ đangchạy Điều này làm cho các động cơ hoạt động không hiệu quả theo thời gian

Sau phát minh ban đầu do Davenport tạo ra, nhiều nhà phát minh khác bắt đầu phát triển các khái niệm Năm 1834, Mỏitz von Jacobi, một kỹ sư người Nga, đã phát minh ra động cơ DC quay đầu tiên Động cơ của Jacobi trở

nên nổi tiếng nhờ sức mạnh của nó, sau này đã lập kỷ lục thế giới Jacobi tiếp tục tạo ra một động cơ thậm chí còn mạnh hơn,

do đó phá vỡ kỷ lục về công suất của chính ông vào năm 1838 Việc phát minh ra động cơ này của Jacobi đã tiếp tục truyền cảm hứng cho những người khác mở rộng và sản xuất nhiều động cơ DC có cùng công suất hơn

Antonio Pacinotti đã tạo ra một bước đột phá vào năm 1864 với

sự phát triển của phần ứng vòng Phần này đã trở nên quan trọng trong thiết kế của động cơ DC; phần ứng vòng mang dòngđiện qua các cuộn dây được nhóm lại

Ngay cả với tất cả sự phát triển trong suốt thế kỷ 19, có lẽ sự phát triển quan trọng nhất đã đến vào năm 1886 Một nhà phátminh tên là Julian Sprague đã phát minh ra động cơ DC có khả năng duy trì tốc độ không đổi dưới tải trọng thay đổi Phát minhcủa Sprague sẽ dẫn đến việc sử dụng thương mại động cơ

DC Điều này sẽ bao gồm các biến thể ban đầu của thang máy điện và xe đẩy điện Những phát triển này đã dẫn đến nhu cầu cao về động cơ, cho cả mục đích sử dụng thương mại và dân dụng

CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Khái niệm

- Động cơ điện một chiều DC (được viết tắt của cụm từ “DierctCurent Motors” là một loại động cơ chuyển đổi năng lượng điệnmột chiều (DC) thành năng lượng cơ học

DC motor

- Ở cấp độ cơ bản nhất, động cơ điện tồn tại để chuyển đổinăng lượng điện thành năng lượng cơ học Điều này được thựchiện nhờ hai từ trường tương tác một từ trường cố định vàmột từ trường khác được gắn vào một bộ phận có thể dichuyển

II Nguyên tắc làm việc chung

Khi đặt vào từ trường một khung dây dẫn có dòng điện chạy qua thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện(vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động Chiều của lực từ được xác định theo nguyên tắc bàn tay trái

Độ lớn của lực được tính bới F = B*I*L

+ I là cường độ dòng điện

+ L là chiều dài của dây dãn trong từ trường

Động cơ điện nói chung vào động cơ điện một chiều nói riêng đều hoạt động dựa trên nguyên tắc này

Động cơ điện một chiều gồm 2 loại:

+ Động cơ điện một chiều có chổi than (Brushed Motor)+ Động cơ điện một chiều không có chổi than (BrushlessMotor)

Hai loại động cơ điện này đều hoạt động dựa trên nguyên tắctrên nhưng chúng có cấu tạo khác nhau và có cách thức hoạtđộng khác nhau để phù hợp với các mục đích, hoàn cảnh

III Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: + Phần tĩnh (Stato)

Cấu tạo stato (phần đứng yên)

Cấu tạo gồm vỏ máy (gông từ), phần cảm bên trong có gắn cực

từ chính và cự từ phụ (mỗi máy thông thường có từ 2 đến 8 cực

b Cực từ phụ :

Cực từ phụ được đặt giữa các từ chính để cải thiện tìnhtrạng đổi chiều Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặtcác cuộn dây quấn Dây quấn cực từ phụ tương tự như dâyquấn cực từ chính

c Gông từ :

Gông từ là phần nối tiếp các cực từ Đồng thời gông từ làm

vỏ máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây kép kín sẽ chạytrong 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 lạithành hình trụ tròn rồi hàn.

d Các bộ phận khác :

-) Nắp máy : Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của

máy tránh không cho các vật bên ngoài rơi vào trong máy cóthể làm hỏng cuộn dây, mạch từ … Đồng thời nắp máy để cách

ly người sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay,đang có điện Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục độngcơ

-) Cơ cấu chổi than : Cơ cấu chổi than để 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 2 chổi than làm từthan cacbon thường là hình chữ nhật Hai chổi than được đựngtrong hộp chổi than và luôn tỳ lên 2 vành góp nhờ 2 lò xo Hộpchổi than có thể đổi được vị trí sao cho phù hợp

Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người tathường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông giólàm mát cuộn dây và mạch từ.

b Dây quấn phần ứng :

Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòngđiện chạy qua Trong máy điện nhỏ dây quán phần ứng có tiếtdiện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện là hìnhchữ nhật Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor người tadùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm nàynằm trong rãnh đặt các dây quấn để tránh cho dây không bịvăng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động

c Cổ góp :

Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành mộtchiều Cổ góp gồm nhiều phiên góp bằng đồng ghép lại thànhhình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục Các phiên góp đượccách điện với nhau bằng các tấm mea đặt ở giữa Đuôi cácphiên góp nhô cao để hàn đầu dây phần ứng, mỗi phiên góp cóđuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứngnối tiếp nhau

d Các bộ phận khác :

-) Cánh quạt : cánh quạt dùng để làm mát động cơ Cánh

quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe

hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc giớ từ ngoài vào qua cáckhe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút vào làmnguội dây quấn, mạch từ

-) Trục máy : Trục máy được làm bằng loạt thép cứng

nhiều cacbon Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp.Hai đầu trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy

2 Nguyên lý làm việc của Brused motor :

Hãy cùng bắt đầu với mô hình động cơ một chiều đơn giản nhất

nó sẽ trông như thế này:

Stator tạo ra một từ trường không đổi và phần ứng( thành phần quay) là một cuộn dây đơn giản phần ứng được kết nối với nguồn của động cơ thông qua một cặp cổ góp( commutator ring)

Khi dòng điện chạy trong cuộn dây, lực điện từ được sinh ra theo định lý Lo-ren-xơ, do đó cuộn dây sẽ bắt đầu quay

Bạn sẽ để ý thấy khi cuộn dây quay, các cổ góp kết nối với nguồn năng lượng ở cực đối diện vậy nên ở nửa trái của cuộn dây dòng điện luôn có chiều hướng vào trong và ở nửa trái thì dòng điện luôn có chiều đi ra ngoài

Điều này đảm bảo cho momen xoắn có chiều không đổi trong suốt quá trình quay vậy nên cuộn dây sẽ tiếp tục quay, nhưng nếu bạn quan sát cuộn dây một cách kỹ hơn bạn sẽ để ý thấy rằng khi cuộn dây gần vuông góc với từ thông momen gần như

Thêm vào rotor một cuộn dây nữa, cùng với một cặp cổ góp riêng cho nó

Với cách sắp xếp này khi cuộn dây thứ nhất ở vị trí vuông góc cuộn dây thứ 2 sẽ kết nối với nguồn điện, nên lực điện từ luôn xuất hiện trong hệ thống

Hơn thế nữa, càng có nhiều cuộn dây thì động cơ quay càng mượt mà hơn

Trong động cơ thực tế các cuộn dây phần ứng được đặt vào trong các khe được tạo thành bởi các lớp thép có độ từ thẩm cao việc này làm tăng khả năng tương tác của từ thông Các chổi than được đặt lên trên lò xo giúp duy trì kết nối với nguồn điện

Stato làm bằng nam châm vĩnh cửu thường dùng cho các động

cơ một chiều công suất rất nhỏ Thông thường sẽ sử dụng một nam châm điện

Cuộn dây của nam châm điện sẽ được cấp nguồn chung với nguồn của động cơ

Cuộn dây này có thể được nối với phần dây quấn rotor theo 2 cách :

Song song hoặc nối tiếp

Kết quả là ta có 2 loại cấu trúc động cơ một chiều khác nhauĐộng cơ mắc mạch rẽ và động cơ nối tiếp

Động cơ mắc theo kiểu nối tiếp có mô men khởi động tốt nhưngtốc độ giảm mạnh khi có tải

Động cơ mắc mạch rẽ có môn men khởi động thấp nhưng có khả năng duy trì được tốc độ gần như không đổi bất kể tác động của tải lên động cơ

Không giống như các loại máy điện khác, động cơ điện một chiều thể hiện một đặc tính độc nhất:

Sinh ra BACK EMF( back electromotive force - lực phản điện động *EMF trong trường hợp này đơn vị là volt)

Một vòng dây quay trong từ trường sẽ sinh ra lực điện

động( EMF * có thể hiểu là một sức điện động) theo nguyên lý cảm ứng điện từ

Trường hợp của cuộn dây phần ứng khi quay cũng tương tự, EMF bên trong sinh ra chống lại điện thế đầu vào

BACK EMF làm giảm dòng phần ứng một lượng lớn

BACK EMF tỷ lệ với vận tốc của rotor

Ở thời điểm khởi động BACK EMF rất nhỏ, nên dòng điện phần ứng rất lớn dẫn đến quá tải rotor

Vậy nên một cơ chế khởi động để điều khiển hiệu điện thế đặt vào rotor là cần thiết trong các động cơ một chiều cỡ lớn

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều,

và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sứcđiện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài) Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng.Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

I = ( VNguon – VPhandiendong )/ RPhanung

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

ma sát Từ đó giúp giảm tiếng ổn cho động cơ được vận hành

êm ái, đồng thời tiết kiệm điện sử dụng

Động cơ hoàn toàn không sử dụng chổi than nhằm giúp triệt tiêu ma sát

Cũng giống với các loại động cơ đồng bộ thường thấy, các cuộn dây của BLDC cũng được đặt lệch nhau 1 góc 120 độ trong không gian của stator Các thanh nam châm cũng được gắn chắc chắn vào thân rotor, có khả năng làm nhiệm vụ kích từ đốivới động cơ

Đặc biệt, hoạt động của motor không chổi than mini bắt buộc phải cảm biến vị trí rotor nhằm giúp cho động cơ hoạt động tốt hơn

2 Cấu tạo:

Motor không chổi than bao gồm các bộ phận sau:

điện được ghép cách điện với nhau) và dây quấn Cách quấn dây của động cơ không chổi than cũng khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường

cơ có nam châm vĩnh cửu khác

 Hall sensor: Do đặc thù của sức phản điện động của động

cơ BLDC có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của nó cũng cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor trong tương quan với các pha của cuộndây stator Để làm được điều đó, người ta thường sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall, có thể gọi tắt là Hall sensor

Cấu tạo của động cơ không chổi than

4 Nguyên lý hoạt động :

Hãy xem xét cách bố trí ba cuộn dây trong stato sau đây được

ký hiệu là A, B và C Để dễ hiểu, chúng ta hãy thay thế rôto bằng một nam châm duy nhất

Chúng ta biết rằng khi một dòng điện chạy qua một cuộn dây, một từ trường được tạo ra và hướng của các đường sức tức là các cực của nam châm được tạo ra sẽ phụ thuộc vào hướng củadòng điện chạy qua cuộn dây