Động cơ cảm ứng điện từ & Động cơ AC: Chúng hoạt động như thế nào

Động cơ điện là một trong những phát minh mang lại nhiều kết quả nhất trong lịch sử kỹ thuật và nguyên lý khiến hầu hết chúng hoạt động - cảm ứng điện từ - đã được thiết lập cách đây gần hai thế kỷ. Ngày nay, nguyên tắc tương tự đó cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ máy nén công nghiệp đến xe đạp điện. Hiểu động cơ AC là gì, cảm ứng điện từ điều khiển chúng như thế nào và công nghệ đã phát triển thành động cơ không chổi than được sử dụng trong phương tiện di chuyển bằng điện hiện đại như thế nào sẽ mang lại bức tranh hoàn chỉnh về một trong những ý tưởng bền bỉ và dễ thích ứng nhất của kỹ thuật.

Động cơ AC là gì?

Động cơ điện xoay chiều là động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều (AC) thành năng lượng quay cơ học. Không giống như động cơ dòng điện một chiều (DC), hoạt động bằng dòng điện chạy theo một hướng, động cơ AC chạy bằng dòng điện đảo chiều định kỳ - thường ở mức 50 hoặc 60 lần mỗi giây tùy thuộc vào tần số lưới điện của khu vực.

Mỗi động cơ AC bao gồm hai thành phần cơ khí chính. các stato là cụm bên ngoài cố định, được hình thành từ một vòng cuộn dây nam châm điện quấn vào lõi thép nhiều lớp. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây stato, chúng sẽ tạo ra từ trường. các cánh quạt là cụm quay bên trong, được đặt bên trong khoang hình trụ của stato. Sự tương tác giữa từ trường của stato và rôto - đạt được thông qua cảm ứng điện từ, nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích bên ngoài tùy thuộc vào loại động cơ - tạo ra mô-men xoắn dẫn động trục đầu ra.

Động cơ xoay chiều chia thành hai loại hoạt động cơ bản: động cơ cảm ứng (không đồng bộ) và động cơ đồng bộ. Động cơ cảm ứng cho đến nay là loại phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại, chiếm phần lớn động cơ được sử dụng trên toàn thế giới.

Nguyên lý cảm ứng điện từ

Cảm ứng điện từ là nền tảng giúp động cơ cảm ứng tạo ra mô-men xoắn mà không cần bất kỳ kết nối điện nào với rôto. Nguyên lý này do Michael Faraday thiết lập năm 1831, phát biểu rằng một từ trường biến thiên đi qua một vật dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong vật dẫn đó. Dòng điện cảm ứng này lại tạo ra từ trường riêng của nó.

Trong động cơ cảm ứng, cuộn dây cấp nguồn AC của stato tạo ra từ trường quay liên tục xung quanh lỗ khoan stato. Trường quay này đi qua các dây dẫn rôto, tạo ra dòng điện trong chúng theo định luật Faraday. Dòng điện cảm ứng đó tạo ra một từ trường thứ cấp trong rôto. Theo định luật Lenz, trường thứ cấp này chống lại sự thay đổi đã tạo ra nó - nghĩa là nó cố gắng loại bỏ chuyển động tương đối giữa từ trường quay của stato và rôto đứng yên bằng cách làm cho rôto quay cùng hướng với từ trường stato.

Kết quả: rôto quay theo từ trường quay mà không có bất kỳ kết nối điện vật lý nào giữa stato và rôto. Không có chổi than, không có vòng trượt ở phía rôto, không có cổ góp - quá trình truyền năng lượng diễn ra hoàn toàn thông qua từ trường thay đổi qua khe hở không khí. Đây là lý do tại sao động cơ cảm ứng rất đơn giản về mặt cơ học, mạnh mẽ và có tuổi thọ cao so với động cơ loại chổi than: không có bộ phận tiếp xúc nào trên rôto bị mòn.

Làm thế nào một từ trường quay được tạo ra

Từ trường quay là cơ chế chính điều khiển cảm ứng điện từ trong động cơ xoay chiều - và nó là một đặc tính nổi bật của nguồn điện xoay chiều ba pha. Trong hệ thống ba pha, ba điện áp xoay chiều riêng biệt được cung cấp đồng thời cho ba bộ cuộn dây stato, mỗi cặp cuộn dây cách nhau một góc 120 độ xung quanh lỗ stato. Ba điện áp cũng được bù điện 120 độ - nghĩa là chúng đạt giá trị cực đại tại các thời điểm khác nhau trong mỗi chu kỳ.

Khi mỗi pha đạt đến đỉnh điểm, các nam châm điện được cung cấp năng lượng bởi pha đó trở nên mạnh nhất, kéo từ trường hiệu dụng của stato về phía các cực đó. Khi chu kỳ tiến triển và pha tiếp theo đạt cực đại, trường sẽ chuyển sang nhóm cực tiếp theo - 120 độ quanh stato. Hiệu ứng thực của ba bộ nam châm điện đạt cực đại theo thứ tự, cách đều nhau xung quanh chu vi, là một từ trường dường như quay đều xung quanh stato với tốc độ được xác định bởi tần số nguồn và số cực từ trong cuộn dây stato.

Tốc độ đồng bộ này tính bằng số vòng quay mỗi phút được cho bởi: Ns = (120×f)/P , trong đó f là tần số nguồn tính bằng Hz và P là số cực. Một động cơ hai cực trên nguồn cung cấp 50 Hz quay với tốc độ đồng bộ 3.000 vòng/phút; một động cơ bốn cực trên cùng một nguồn cung cấp quay với tốc độ 1.500 vòng/phút. Động cơ một pha cũng có thể tạo ra từ trường quay, nhưng chúng cần có cuộn dây khởi động phụ hoặc tụ điện vì chỉ riêng nguồn điện một pha đã tạo ra trường dao động thay vì trường quay.

Rotor lồng sóc và trượt

Cấu trúc rôto phổ biến nhất trong động cơ cảm ứng xoay chiều là rôto lồng sóc - được đặt tên vì nó giống với bánh xe tập thể dục được sử dụng bởi các động vật nhỏ. Nó bao gồm một loạt các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng được gắn vào các khe trong lõi sắt nhiều lớp, với các thanh này được nối tắt ở cả hai đầu bằng cách dẫn các vòng cuối. Không có cuộn dây, không có lớp cách điện và không có kết nối điện bên ngoài - rôto được chế tạo đơn giản về mặt cơ học và thực tế không thể phá hủy trong điều kiện hoạt động bình thường.

Khi từ trường quay từ stato quét qua các thanh dẫn này, nó sẽ tạo ra dòng điện chạy qua các thanh và xung quanh các vòng cuối. Những dòng điện tuần hoàn này tạo ra từ trường của rôto, từ trường này tương tác với từ trường stato để tạo ra mômen xoắn. Dòng điện cảm ứng - và do đó mô men xoắn - phụ thuộc vào tốc độ từ trường stato cắt qua các thanh rôto. Nếu rôto đạt tốc độ chính xác bằng tốc độ của từ trường quay của stato (tốc độ đồng bộ), thì sẽ không có chuyển động tương đối, không có hiện tượng cắt từ trường, không có dòng điện cảm ứng và không có mô men xoắn. Do đó rôto luôn chạy chậm hơn một chút so với tốc độ đồng bộ.

Sự khác biệt về tốc độ này được gọi là trượt , được biểu thị bằng phần trăm của tốc độ đồng bộ. Khi không tải, độ trượt rất nhỏ - thường từ 0,5% đến 1%. Dưới tải định mức đầy đủ, độ trượt tăng lên khoảng 3% đến 8% tùy thuộc vào thiết kế động cơ. Trượt không phải là một thiếu sót; nó là cơ chế cần thiết để động cơ cảm ứng tạo ra mô-men xoắn. Không có sự trượt thì không có cảm ứng điện từ, không có cảm ứng điện từ thì không có mô men xoắn.

Động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ đại diện cho nhánh chính khác của thiết kế động cơ xoay chiều. Trong trường hợp rôto của động cơ cảm ứng được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện cảm ứng điện từ, rôto của động cơ đồng bộ được trang bị nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện kích thích riêng biệt để khóa rôto theo đúng tốc độ của từ trường quay của stato - không có độ trượt.

Động cơ đồng bộ được sử dụng ở những nơi cần tốc độ không đổi, chính xác bất kể sự thay đổi tải - trong đồng hồ, bộ tạo tín hiệu và bộ truyền động định vị có độ chính xác cao. Động cơ cảm ứng chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại nói chung vì chi phí thấp hơn, độ bền cao hơn và khả năng tự khởi động ở cấu hình ba pha.

Động cơ cảm ứng một pha và ba pha

Động cơ cảm ứng ba pha có khả năng tự khởi động: nguồn điện ba pha tự nhiên tạo ra một từ trường quay, từ trường này ngay lập tức bắt đầu tạo ra mô-men xoắn cảm ứng trong rôto lồng sóc ngay khi cấp nguồn. Chúng hiệu quả hơn, tạo ra hệ số công suất cao hơn và được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng động cơ công nghiệp từ máy bơm nhỏ đến bộ truyền động nhiều megawatt.

Động cơ cảm ứng một pha đặt ra một thách thức cơ bản: nguồn điện xoay chiều một pha tạo ra từ trường dao động chứ không phải từ trường quay. Trường dao động có thể duy trì chuyển động quay nhưng không thể khởi động nó - động cơ không có hướng quay ưu tiên và mômen khởi động thực bằng 0 khi đứng yên. Một số chiến lược thiết kế giải quyết vấn đề này, mỗi chiến lược tạo ra một biến thể động cơ riêng biệt.

Từ cảm ứng AC đến DC không chổi than: Sự phát triển hiện đại

Động cơ DC không chổi than (BLDC) - hiện là loại động cơ chiếm ưu thế trong xe đạp điện, xe tay ga điện tử, máy bay không người lái và bộ truyền động phụ trợ xe điện - không phải là động cơ cảm ứng xoay chiều theo nghĩa truyền thống. Thay vì dựa vào dòng điện rôto cảm ứng điện từ, động cơ BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rôto và chuyển mạch dòng điện được điều khiển điện tử trong stato để tạo ra chuyển động quay. Về mặt này, nó giống động cơ đồng bộ hơn là động cơ cảm ứng.

Mối liên hệ với các nguyên lý của động cơ xoay chiều nằm ở stato: stato của động cơ BLDC tạo ra từ trường quay thông qua việc chuyển đổi dòng điện DC được định thời gian chính xác qua các cuộn dây của nó - một hiệu ứng về mặt chức năng tương đương với những gì AC ba pha đạt được thông qua sự biến đổi dòng điện hình sin. Bộ điều khiển động cơ thực hiện chuyển mạch điện tử thay thế chổi than của động cơ DC truyền thống, sử dụng phản hồi vị trí rôto (từ cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến EMF ngược) để cấp điện cho cuộn dây stato chính xác tại mỗi thời điểm trong chu kỳ quay.

Kết quả là tạo ra một động cơ kết hợp hoạt động đồng bộ và hiệu suất cao của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với khả năng điều khiển và độ gọn nhẹ mà các ứng dụng chạy bằng pin yêu cầu. Động cơ BLDC loại bỏ hiện tượng mài mòn chổi than làm hạn chế tuổi thọ của động cơ DC truyền thống, hoạt động hiệu quả trên phạm vi tốc độ rộng và tạo ra mật độ mô-men xoắn cao trong một thiết bị nhỏ gọn — khiến chúng trở thành nền tảng kỹ thuật của phương tiện di chuyển bằng điện hiện đại.

Ứng dụng trong di chuyển điện hiện đại

Các nguyên lý cảm ứng điện từ và từ trường quay, được phát triển vào thế kỷ 19, được thể hiện trực tiếp trong các động cơ cung cấp năng lượng cho xe đạp điện và xe điện nhẹ ngày nay - mặc dù chúng ở dạng nam châm vĩnh cửu không chổi than hiện đại. Hai cấu hình động cơ riêng biệt thống trị thị trường này, mỗi cấu hình có đặc tính hiệu suất khác nhau phù hợp với các phong cách và yêu cầu lái xe khác nhau.

Động cơ trung tâm tích hợp động cơ trực tiếp vào trục bánh xe - phía trước hoặc phía sau - với stato được cố định vào trục và rôto tạo thành lớp vỏ bên ngoài dẫn động bánh xe. Sự tương tác điện từ giữa cuộn dây stato cố định và rôto nam châm vĩnh cửu quay trực tiếp làm quay bánh xe, không có dây truyền công suất cơ học giữa động cơ và bánh xe. Sự đơn giản này làm cho động cơ trung tâm dễ bảo trì và yên tĩnh. Động cơ trung tâm for electric bicycles and light electric vehicles phù hợp với các ứng dụng đi lại, chở hàng hóa và giải trí trong đó ưu tiên lắp đặt đơn giản và bảo trì thấp.

Động cơ dẫn động giữa đặt động cơ ở giá đỡ phía dưới của xe đạp, dẫn động tay quay và xích thay vì trực tiếp vào bánh xe. Sự sắp xếp này cho phép người lái sử dụng hệ thống bánh răng hiện có của xe đạp để nhân mô-men xoắn của động cơ, giúp hệ thống dẫn động giữa hoạt động hiệu quả hơn đáng kể trên địa hình đồi núi và phù hợp hơn với các điều kiện tải trọng thay đổi. Động cơ dẫn động giữa for high-performance electric bikes mang lại mô-men xoắn và tính linh hoạt trên địa hình theo yêu cầu của xe đạp điện leo núi, xe đạp chở hàng và các ứng dụng đi lại hiệu suất.

Trong cả hai cấu hình, động cơ không thể hoạt động hiệu quả nếu không có bộ điều khiển động cơ phù hợp. Bộ điều khiển thực hiện chuyển mạch điện tử thay thế chổi than cơ học, quản lý việc phân phối dòng điện đến cuộn dây stato dựa trên phản hồi vị trí rôto và chuyển đầu vào của người lái (bướm ga, mức hỗ trợ bàn đạp) thành đầu ra mô-men xoắn chính xác. Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than cho hệ thống truyền động trung tâm và truyền động giữa được thiết kế để phù hợp với cấu hình cuộn dây động cơ, dải điện áp và giao thức truyền thông cụ thể. Đối với các kỹ sư và nhà tích hợp xây dựng hệ thống truyền động hoàn chỉnh, hướng dẫn ghép nối bộ điều khiển và động cơ cung cấp khung phù hợp với thông số kỹ thuật cần thiết để chọn kết hợp bộ điều khiển và động cơ tương thích cho nền tảng xe nhất định và mục tiêu hiệu suất.