Động cơ DC hoạt động theo nguyên lý gì?

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC là gì?

Định nghĩa về động cơ DC

Động cơ DC được định nghĩa là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện trực tiếp thành năng lượng cơ học bằng cách sử dụng trường từ và dòng điện.

Động cơ DC đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ DC, mà chúng ta sẽ khám phá trong bài viết này, bắt đầu từ cấu trúc vòng đơn cơ bản của nó.

Cấu tạo cơ bản nhất của động cơ DC bao gồm một armature dẫn dòng điện, kết nối với nguồn điện thông qua các đoạn commutator và chổi than. Armature được đặt giữa cực bắc và cực nam của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện như được thể hiện trong sơ đồ trên.

Khi dòng điện trực tiếp chảy qua armature, nó trải qua một lực cơ học từ các nam châm xung quanh. Để hiểu rõ cách hoạt động của động cơ DC, điều quan trọng là phải hiểu quy tắc tay trái của Fleming, giúp xác định hướng lực tác dụng lên armature.

Nếu một dây dẫn có dòng điện được đặt trong một trường từ vuông góc, thì dây dẫn sẽ chịu một lực theo hướng vuông góc với cả hướng của trường từ và dây dẫn có dòng điện.

Quy tắc tay trái của Fleming có thể xác định hướng quay của động cơ. Quy tắc này nói rằng nếu chúng ta mở rộng ngón trỏ, ngón giữa và ngón cái của tay trái vuông góc với nhau sao cho ngón giữa hướng theo hướng dòng điện trong dây dẫn, và ngón trỏ theo hướng của trường từ, tức là từ cực bắc đến cực nam, thì ngón cái chỉ hướng của lực cơ học được tạo ra.

Để hiểu rõ nguyên lý của động cơ DC, chúng ta cần xác định độ lớn của lực, bằng cách xem xét sơ đồ dưới đây.

Chúng ta biết rằng khi một lượng điện tích dq vô cùng nhỏ được làm cho chảy với vận tốc 'v' dưới ảnh hưởng của một trường điện E và một trường từ B, thì lực Lorentz dF mà điện tích trải qua được biểu diễn bởi:

Đối với hoạt động của động cơ DC, giả sử E = 0.

Tức là tích vectơ của dq v và trường từ B.

Trong đó, dL là chiều dài của dây dẫn mang điện tích q.

Từ sơ đồ thứ nhất, chúng ta có thể thấy rằng cấu tạo của động cơ DC được thiết kế sao cho hướng dòng điện qua dây dẫn armature ở mọi thời điểm đều vuông góc với trường từ. Do đó, lực tác dụng lên dây dẫn armature theo hướng vuông góc với cả trường từ đồng đều và dòng điện không đổi.

Vì vậy, nếu chúng ta lấy dòng điện ở phía bên trái của dây dẫn armature là I, và dòng điện ở phía bên phải của dây dẫn armature là -I, vì chúng đang chảy theo hướng ngược lại nhau.

Thì lực tác dụng lên dây dẫn armature phía bên trái,

Tương tự, lực tác dụng lên dây dẫn phía bên phải,

Do đó, chúng ta có thể thấy rằng tại vị trí đó, lực tác dụng lên mỗi bên đều có độ lớn bằng nhau nhưng hướng ngược lại. Vì hai dây dẫn được phân cách bởi một khoảng cách w = chiều rộng của vòng armature, hai lực đối lập này tạo ra một lực xoắn hoặc mô-men xoắn khiến armature quay.

Bây giờ hãy xem xét biểu thức mô-men xoắn khi vòng armature tạo một góc α (alpha) so với vị trí ban đầu của nó.Mô-men xoắn được tạo ra được biểu diễn bởi,

Ở đây, α (alpha) là góc giữa mặt phẳng của vòng armature và mặt phẳng tham chiếu hoặc vị trí ban đầu của armature, ở đây nằm theo hướng của trường từ.

Sự xuất hiện của thuật ngữ cosα trong phương trình mô-men xoắn rất rõ ràng cho thấy rằng, khác với lực, mô-men xoắn ở mọi vị trí không giống nhau. Nó thực sự thay đổi theo sự thay đổi của góc α (alpha). Để giải thích sự thay đổi của mô-men xoắn và nguyên lý đằng sau sự quay của động cơ, hãy phân tích từng bước.

Bước 1:

Ban đầu, giả sử armature ở vị trí bắt đầu hoặc vị trí tham chiếu, nơi góc α = 0.

Vì α = 0, nên thuật ngữ cos α = 1, hoặc giá trị lớn nhất, do đó mô-men xoắn tại vị trí này là lớn nhất, được biểu diễn bởi τ = BILw. Mô-men xoắn khởi động cao này giúp vượt qua quán tính ban đầu của armature và đưa nó vào quay.

Bước 2:

Khi armature bắt đầu quay, góc α giữa vị trí thực tế của armature và vị trí tham chiếu ban đầu tăng dần theo đường quay cho đến khi nó trở thành 90 ^o so với vị trí ban đầu. Kết quả là, thuật ngữ cosα giảm và giá trị mô-men xoắn cũng giảm.

Mô-men xoắn trong trường hợp này được biểu diễn bởi τ = BILwcosα, nhỏ hơn BILw khi α lớn hơn 0 ^o.

Bước 3:

Trên đường quay của armature, có một điểm mà vị trí thực tế của rotor chính xác vuông góc với vị trí ban đầu, tức là α = 90 ^o, và do đó thuật ngữ cosα = 0.

Mô-men xoắn tác dụng lên dây dẫn tại vị trí này được biểu diễn bởi,

tức là, hầu như không có mô-men xoắn quay nào tác dụng lên armature tại thời điểm này. Tuy nhiên, armature vẫn không dừng lại, điều này là do việc thiết kế động cơ DC đã được tối ưu hóa sao cho quán tính chuyển động tại điểm này đủ để vượt qua điểm mô-men xoắn bằng không. 

Khi rotor vượt qua vị trí này, góc giữa vị trí thực tế của armature và mặt phẳng ban đầu lại giảm và mô-men xoắn bắt đầu tác dụng lên nó một lần nữa.