Động cơ điện một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều . Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau:
– Cực từ. Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện. Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.
– Phần ứng. Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng.
– Cổ góp. Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là khả năng điều khiển tốc độ mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng điện cung cấp.
Có thể điều khiển động cơ loại này bằng cách điều chỉnh:
– Điện áp phần ứng – tăng điện áp phần ứng sẽ làm tăng tốc độ
– Dòng kích thích – Giảm dòng kích thích sẽ làm tăng tốc độ
Động cơ điện một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng những động cơ loại này thường được sử dụng giới hạn ở những thiết bị tốc độ chậm, công suất thấp đến trung bình như các máy công cụ và máy cán. Ở công suất lớn, động cơ một chiều có thể gặp trục trặc với các cổ góp cơ. Các động cơ này cũng bị hạn chế chỉ sử dụng ở những khu vực sạch, không độc hại vì nguy cơ đánh lửa ở các chổi than. So với động cơ xoay chiều, động cơ một chiều cũng khá đắt.
Mối liên quan giữa tốc độ, từ thông và điện áp phần ứng được minh hoạ bằng phương trình sau:
Từ lực phản kháng: E = KΦN
Mô men: T = KΦIa
Với: E = từ lực phản kháng ở phần ứng (vôn)
Φ = từ thông, tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện
N = tốc độ quay, vòng/phút
T = mô men điện từ
Ia = dòng điện phần ứng
K = hằng số
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích từ độc lập.
Động cơ điện một chiều tự kích:
Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình. Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng.
Dưới đây là một số đặc tính của tốc độ ở động cơ điện kích từ song song (E.T.E., 1997):
– Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô men nhất định, sau đó tốc độ giảm, xem hình), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các ứng dụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ.
– Có thể điều khiển tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần ứng (giảm tốc độ) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kích từ (tăng tốc độ)
Động cơ điện một chiều tự kích:
Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộn dây phản ứng (A) như minh hoạ. Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng. Dưới đây là một số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp (Rodwell International Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):
– Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút
– Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng tốc không thể kiểm soát được. Động cơ nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi động lớn, như cần cẩu và tời
Động cơ điện kích từ hỗn hợp một chiều
Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song. Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình 6. Nhờ vậy, động cơ loại này có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định. Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp (tức là tỷ lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men khởi động của động cơ càng cao. Ví dụ động cơ có tỷ lệ đấu hỗn hợp là 40-50% thích hợp với tời và cần cẩu, còn động cơ kích từ hỗn hợp chuẩn (12%) lại không thích hợp với hai loại thiết bị này (myElectrical, 2005).
