Động cơ hoạt động như thế nào?

Trống máy giặt tăng tốc lên 1.400 vòng/phút trong khi mang theo vài kg đồ giặt ướt, một chiếc quạt hút mùi chạy trong nhiều năm chống lại luồng khí nhờn và một quạt gió trong máy làm mát thương mại quay suốt mùa hè không ngừng nghỉ. Cả ba đều là động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay và cả ba đều tuân theo cùng một quy luật vật lý. Câu trả lời ngắn gọn về cách thức hoạt động của động cơ: dòng điện chạy qua một dây dẫn bên trong từ trường sẽ tạo ra một lực lên dây dẫn đó và động cơ được bố trí sao cho lực này liên tục đẩy một bộ phận quay quanh một trục. Dây dẫn được quấn thành cuộn dây, cuộn dây nằm trong các rãnh của lõi sắt, từ trường đến từ nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây bổ sung, và cơ cấu định thời - cơ hoặc điện tử - giữ cho lực đẩy luôn hướng theo hướng quay. Khi chuỗi đó rõ ràng, mọi loại động cơ sẽ trở thành một biến thể theo một chủ đề và việc so sánh bảng dữ liệu hoặc nhà cung cấp trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Nguyên tắc cốt lõi: Dòng điện cộng từ tính bằng lực

Ở dạng đơn giản nhất, lực tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường là F = B × I × L, trong đó B là mật độ từ thông, I là dòng điện và L là chiều dài của dây dẫn bên trong trường. Một sợi dây đơn lẻ tạo ra một lực có phần bằng Newton - bản thân nó vô dụng. Động cơ mở rộng quy mô này theo ba cách: chúng cuộn hàng trăm vòng thành một cuộn dây, chúng tập trung từ trường bằng lõi thép nhiều lớp và đặt các dây dẫn này vào khe hở không khí hẹp giữa hai cấu trúc từ tính, nơi từ trường mạnh nhất.

Hai cấu trúc có tên tiêu chuẩn. Stator đứng yên và tạo ra từ trường chính; rôto nằm bên trong nó trên các ổ trục và mang các dây dẫn chịu lực. Do lực tác dụng ngang lên các dây dẫn rôto nên nó tạo ra mômen xoắn - lực xoắn quanh trục - và rôto quay.

Một chi tiết quyết định xem bạn có được một động cơ hoạt động hay một cú giật vô dụng. Nếu không có gì chuyển đổi, rôto sẽ chỉ quay cho đến khi các cực từ của nó thẳng hàng với stato và dừng lại ở đó. Do đó, mọi động cơ hoạt động đều chứa một cơ cấu định thời giúp thay đổi cuộn dây nào được cấp điện, do đó lực đẩy từ luôn dẫn trước rôto một chút. Trong động cơ DC có chổi than, việc này được thực hiện một cách cơ học nhờ một bộ chuyển mạch; trong động cơ cảm ứng và không chổi than, nó được thực hiện bằng chính dòng điện xoay chiều hoặc bằng điều khiển điện tử.

Bên trong động cơ: Các bộ phận thực hiện công việc

Stator: máy tạo trường cố định

Stator mang các cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu tạo thành từ trường chính. Lõi sắt của nó được chế tạo từ các lớp thép silicon mỏng, cách nhiệt - thường dày 0,35 đến 0,5 mm - xếp chồng lên nhau. Thép rắn sẽ luân chuyển dòng điện xoáy và lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt; cán màng cắt giảm sự mất mát đó một cách đáng kể.

Rôto: bộ phận quay

Rôto là bộ phận quay. Trong thiết kế phổ biến nhất trong gia đình, rôto cảm ứng lồng sóc, nó là một hình trụ bằng thép nhiều lớp với các thanh nhôm hoặc đồng được nối ngắn mạch với nhau ở cả hai đầu. Thay vào đó, các thiết kế nam châm vĩnh cửu và chải xước mang nam châm hoặc cuộn dây. Rôto cung cấp mô-men xoắn thông qua một trục thép.

Khe hở không khí, trục và vòng bi

Giữa stato và rôto có khe hở không khí, thường chỉ 0,3 đến 1 mm ở động cơ thiết bị nhỏ. Lực truyền qua khe hở này và yếu đi nhanh chóng theo khoảng cách, do đó khe hở lớn hơn có nghĩa là mô-men xoắn và hiệu suất thấp hơn, trong khi khe hở nhỏ hơn đòi hỏi dung sai gia công chặt chẽ hơn và để lại ít biên độ mài mòn vòng bi hơn. Vòng bi hoặc ổ trượt giữ trục ở giữa và chất lượng của chúng quyết định phần lớn đến tiếng ồn, độ rung và tuổi thọ sử dụng.

Động cơ cảm ứng AC hoạt động như thế nào

Đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn dây stato và từ trường không chỉ phát xung - nó quay quanh khe hở không khí. Với nguồn điện ba pha, ba cuộn dây cách nhau 120 độ tự tạo ra một trường quay. Hầu hết các ngôi nhà chỉ có nguồn điện một pha, vì vậy động cơ thiết bị có thêm một cuộn dây phụ được cấp điện qua tụ điện; sự lệch pha giữa hai cuộn dây tạo ra từ trường quay cần thiết để khởi động.

Rôto hoàn toàn không nhận được dòng điện cung cấp. Khi từ trường stato quét qua các thanh rôto, nó tạo ra dòng điện trong chúng và những dòng điện đó tạo ra từ trường riêng, kéo rôto đi theo từ trường stato. Đây là lý do tại sao thiết kế này được gọi là động cơ cảm ứng và tại sao rôto không bao giờ có thể bắt kịp: nó chạy chậm hơn một chút so với từ trường, một sự khác biệt được gọi là trượt, thường từ 2 đến 5 phần trăm khi đầy tải. Một động cơ bốn cực trên nguồn cung cấp 50 Hz có tốc độ đồng bộ 1.500 vòng/phút và chạy ở tốc độ khoảng 1.425 đến 1.470 vòng/phút khi có tải.

Sau đây là hai hệ quả thực tế. Đầu tiên, tốc độ được thiết lập chủ yếu bởi tần số nguồn và số cực, khoảng vòng/phút = 120 × f/cực, đó là lý do tại sao động cơ được chế tạo ở tần số 50 Hz chạy nhanh hơn khoảng 20% ​​ở tần số 60 Hz. Thứ hai, động cơ một pha phụ thuộc vào tụ điện khởi động và tụ điện bị hỏng là nguyên nhân phổ biến nhất khiến động cơ kêu ù nhưng không quay. Dòng sản phẩm này thống trị các máy điều hòa không khí, quạt, máy bơm và máy nén gia dụng, nơi sự đơn giản và chi phí quan trọng hơn khả năng kiểm soát tốc độ chính xác.

Động cơ điều hòa 1P-1.5P tiết kiệm năng lượng YYK-60 Động cơ xoay chiều một pha dùng cho máy điều hòa không khí treo tường và tủ nhỏ 1-1,5P, có kích thước lỗ lắp 127x127mm. Sau cuộc thảo luận về động cơ một pha và tụ điện khởi động, nó phù hợp với các ứng dụng AC, quạt và máy nén gia dụng, nơi chi phí và tính đơn giản là quan trọng. Xem sản phẩm →

Động cơ DC hoạt động như thế nào: Có chổi than và Không chổi than

Động cơ DC có chổi than có cách tiếp cận ngược lại: nam châm vĩnh cửu trên stato cung cấp từ trường không đổi và dòng điện đi đến phần ứng quay thông qua chổi than ép lên cổ góp phân đoạn. Cứ nửa vòng quay cổ góp sẽ đảo ngược dòng điện trong cuộn dây phần ứng, do đó mô-men xoắn không bao giờ đổi hướng. Cấu trúc đơn giản và rẻ tiền, đồng thời tốc độ phản ứng gần như tuyến tính với điện áp, phù hợp với quạt nhỏ, đồ chơi và các công cụ giá rẻ. Điểm yếu là về mặt cơ học: chổi than bị mòn, phát ra tia lửa điện và tạo ra tiếng ồn điện, làm giảm tuổi thọ sử dụng.

Phần ứng quay cũng tạo ra điện áp riêng của nó, chống lại nguồn cung cấp. EMF phía sau này tăng tuyến tính theo tốc độ và hoạt động như một bộ điều chỉnh tự nhiên: khi tải làm chậm rôto, EMF phía sau giảm xuống, dòng điện nhiều hơn và mô-men xoắn được tự động phục hồi.

Giải pháp hiện đại cho tình trạng chổi than bị mòn là động cơ DC không chổi than (BLDC): nam châm di chuyển đến rôto, cuộn dây nằm trên stato và bộ điều khiển điện tử thay thế cổ góp, chuyển đổi dòng điện giữa các cuộn dây pha dựa trên cảm biến Hall hoặc chính EMF phía sau. Không có tiếp điểm trượt, hiệu quả và tuổi thọ tăng lên, giảm tiếng ồn và kiểm soát tốc độ chính xác gần như miễn phí. Máy giặt truyền động trực tiếp là ví dụ rõ ràng nhất - động cơ được gắn thẳng trên trục trống và động cơ BLDC được điều khiển bằng biến tần cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp cho tải nặng, không cân bằng. Nếu bạn đang chuyển từ thiết kế có chổi than sang không chổi than, các chi tiết truyền động và bảo vệ đủ khác nhau để đáng được chú ý cẩn thận, như chúng tôi giải thích trong ghi chú về những điều cần chú ý khi sử dụng động cơ không chổi than DC.

Động cơ máy giặt biến tần truyền động trực tiếp Động cơ biến tần không chổi than gắn trực tiếp trên trục tang trống, loại bỏ dây đai. Như bài báo giải thích, các thiết kế truyền động trực tiếp BLDC cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp cho khối lượng đồ giặt nặng, không cân bằng trong khi chạy êm hơn và bền hơn. Xem sản phẩm →

Mô-men xoắn, tốc độ và hiệu quả: Đọc số

Mô-men xoắn là lực xoắn mà trục mang lại, được đo bằng newton-mét; mô-men xoắn khởi động quan trọng đối với máy nén và tải máy xay, trong khi mô-men xoắn định mức xác định những gì động cơ có thể cung cấp liên tục mà không quá nóng. Công suất cơ bằng mô-men xoắn nhân với tốc độ quay, do đó, cùng một công suất có thể được đóng gói ở tốc độ cao với mô-men xoắn thấp hoặc ngược lại - việc khớp mối quan hệ này với tải của bạn là cốt lõi của việc lựa chọn động cơ. Lưu ý rằng công suất trên bảng tên là đầu vào điện; sản lượng cơ học nhỏ hơn và sự khác biệt là hiệu quả.

Hiệu suất giữa các dòng động cơ khác nhau nhiều hơn mức nhiều người mua mong đợi.

Các giá trị trên là điểm giữa biểu thị cho động cơ loại thiết bị nhỏ; số liệu thực tế phụ thuộc vào kích thước và chất lượng thiết kế. Khoảng cách giữa các họ là tiền thật và nhiệt thực trong hàng nghìn giờ hoạt động, vì vậy khi so sánh báo giá, hãy kiểm tra các mục này trên biểu dữ liệu:

1. Điện áp và tần số định mức - xác nhận chúng phù hợp với thị trường đích, chẳng hạn như 220-240 V/50 Hz hoặc 110-120 V/60 Hz.
2. Công suất định mức và chu kỳ làm việc - xếp hạng liên tục S1 về cơ bản khác với nhiệm vụ trong thời gian ngắn và xếp hạng quá nhỏ sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt.
3. Tốc độ và mô-men xoắn ở mức tải định mức, không chỉ là con số không tải.
4. Lớp cách điện - Cuộn dây loại B chịu được nhiệt độ 130°C, loại F chịu được 155°C.
5. Độ ồn tính bằng dB(A), rất quan trọng đối với quạt, máy hút mùi và dàn lạnh.
6. Loại vòng bi - vòng bi cho tuổi thọ cao hơn và tải nặng hơn, vòng bi tay áo cho chi phí thấp và lắp ngang yên tĩnh.

Khi luồng không khí phải thay đổi giữa các thiết bị thông gió, làm mát hoặc sấy khô, thiết kế tần số thay đổi cho phép một động cơ bao phủ nhiều điểm vận hành thay vì một tốc độ cố định duy nhất.

Động cơ máy thổi nhỏ tốc độ tần số thay đổi YYK-60 Một động cơ quạt có tần số thay đổi nhỏ gọn cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ vô cấp khoảng 30%-100% cho thiết bị thông gió và làm mát. Nó phù hợp với quan điểm của bài viết rằng các thiết kế tần số thay đổi cho phép một động cơ bao phủ nhiều điểm vận hành thay vì một tốc độ cố định duy nhất. Xem sản phẩm →

Năng lượng đi đâu: Tổn thất, Nhiệt độ và Tuổi thọ

Mỗi động cơ đều lãng phí một số điện năng đầu vào và việc biết nó sẽ đi đâu sẽ giải thích được hầu hết sự khác biệt về chất lượng giữa các nhà cung cấp. Tổn thất đồng xuất phát từ điện trở trong cuộn dây và tỷ lệ với bình phương dòng điện, do đó dây mỏng hoặc quá ít vòng dây sẽ bị tổn thương ngay lập tức. Tổn hao sắt phát sinh trong lõi thép do từ hóa xen kẽ và dòng điện xoáy, đó là lý do tại sao độ dày lớp cán và cấp thép lại quan trọng. Tổn thất ma sát và gió đến từ các ổ trục và lực cản không khí. Trong một động cơ thiết bị nhỏ tiêu biểu ở tải định mức, khoảng 75% năng lượng đầu vào thực sự truyền tới trục.

Nhiệt độ là kẻ thù của tuổi thọ. Cách điện của cuộn dây được phân loại theo khả năng chịu nhiệt độ - Loại B chịu được 130°C và Loại F chịu được 155°C - và theo nguyên tắc chung, cứ tăng nhiệt độ liên tục 10°C sẽ làm giảm gần một nửa tuổi thọ cách điện. Vòng bi là thành phần hạn chế khác: dầu mỡ bị ô nhiễm hoặc không được xác định rõ sẽ xuất hiện dưới dạng tiếng ồn trước và sau đó là hiện tượng co giật. Khi kiểm tra một nhà cung cấp tiềm năng, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm độ tăng nhiệt và xác nhận loại vòng bi nào thực sự được lắp thay vì chỉ được liệt kê.

Lựa chọn dòng xe máy phù hợp

Một khi các yếu tố vật lý đã rõ ràng, việc lựa chọn sẽ trở thành một bài tập phù hợp giữa tải trọng, nguồn cung sẵn có và kỳ vọng trọn đời. Ba họ phù hợp nhất với người mua thiết bị và thiết bị chiếu sáng được so sánh như sau.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao động cơ quay liên tục thay vì dừng lại ở một vị trí?

Vì hướng đẩy của từ trường luôn thay đổi. Một cổ góp hoặc bộ điều khiển điện tử cấp lại năng lượng cho các cuộn dây theo trình tự và trong động cơ cảm ứng, trường stato tự quay, do đó rôto luôn đuổi theo một trường tiến thay vì thẳng hàng với trường tĩnh.

Chính xác thì EMF trở lại là gì?

Đó là điện áp mà động cơ quay tạo ra trong cuộn dây của chính nó, chống lại nguồn cung cấp. Nó tăng theo tốc độ, hạn chế dòng điện một cách tự nhiên và trong các hệ thống không chổi than, nó đóng vai trò như một cảm biến tốc độ tự do để điều khiển không cần cảm biến.

Tại sao động cơ một pha kêu vo vo nhưng không khởi động được?

Chỉ riêng cuộn dây chính không thể tạo ra từ trường quay, vì vậy rôto vẫn nằm yên trong khi trường phát xung. Những nguyên nhân thông thường là:

• tụ điện khởi động hoặc chạy không thành công
• ổ trục bị kẹt hoặc bị mòn
• Hở mạch ở cuộn dây phụ

Kiểm tra tụ điện trước tiên sẽ giải quyết được hầu hết các trường hợp.

Tôi có thể chạy động cơ 50 Hz với nguồn 60 Hz không?

Chỉ với sự quan tâm. Tốc độ tăng khoảng 20 phần trăm theo tần số, mô-men xoắn thay đổi một chút và điều kiện làm mát cũng thay đổi. Trừ khi động cơ được định mức tần số kép rõ ràng hoặc sử dụng bộ điều khiển tần số thay đổi, hãy xác nhận thay đổi với nhà sản xuất trước khi vận chuyển sản phẩm sang thị trường khác.

Một động cơ thiết bị nên kéo dài bao lâu?

Động cơ cảm ứng được chế tạo tốt thường phục vụ công việc gia đình từ 10 năm trở lên và các thiết kế không chổi than thường tồn tại lâu hơn bản thân thiết bị. Động cơ chổi than là ngoại lệ, với tuổi thọ chổi than thường từ 1.000 đến 5.000 giờ hoạt động.

Cuối cùng, động cơ là một ý tưởng được thể hiện theo nhiều cách: dòng điện, từ trường và phương pháp định thời gian giúp lực quay. Việc hiểu dòng nào phù hợp với tải của bạn và những con số nào trên biểu dữ liệu thực sự dự đoán hiệu suất sẽ ngăn ngừa hầu hết các lỗi tìm nguồn cung ứng. Là nhà sản xuất động cơ và máy bơm cho máy điều hòa không khí, máy làm mát không khí, máy giặt, máy thổi và các thiết bị gia dụng khác, nhóm kỹ thuật của chúng tôi thường xuyên giúp người mua đáp ứng các yêu cầu về mô-men xoắn, tiếng ồn và hiệu suất cho các ứng dụng cụ thể - nếu bạn đang chỉ định một động cơ cho một sản phẩm mới, hãy liên hệ với chúng tôi để thảo luận chi tiết.