Tổng quan về máy điện một chiều

Trong cuộc sống hằng ngày, bạn có thể tìm thấy máy điện một chiều trong rất nhiều thiết bị gia dụng trong nhà (như motor điện bơm nước, motor quạt máy,…) và trong công nghiệp. Trong bài viết này sẽ giúp các bạn có cái nhìn tổng quan nhất về máy điện một chiều.

1. Khái niệm chung

Ngày nay, máy điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng máy điện một chiều vẫn được dùng trong giao thông vận tải, công nghiệp, hóa chất, hàn và trong nhiều đồ điện gia dụng,…để làm máy phát điện hoặc động cơ điện (máy bơm nước).

Hình 1. Một số hình ảnh về máy điện một chiều.

Máy điện một chiều tuy cấu tạo phức tạp vì cả phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor) đều có dây quấn, được liên hệ với nhau qua chổi than và cổ góp điện nên khó bảo dưỡng, khó sửa chữa nhưng lại có nhiều ưu điểm như:

Máy phát điện một chiều cung cấp dòng điện trực tiếp cho công nghiệp điện phân, đúc điện, mạ điện, nạp ắc quy, dùng cho hệ thống tự động khống chế một chiều, máy phát điện một chiều (DC generator) là máy phát kích từ cho máy phát điện đồng bộ xoay chiều,…
Động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải với điều kiện làm việc nặng nhọc, thiết bị nâng hạ, các động cơ chấp hành công suất nhỏ (vài Watt). Motor điện dùng cho máy bơm nước loại một chiều dễ điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, bằng phẳng liên tục, mômen khởi động cao.

Cấu tạo của động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều hoàn toàn giống nhau: đều dùng động năng kéo cho rotor quay thì máy sẽ phát ra điện một chiều để thắp đèn, chạy máy. Ngược lại, khi cấp điện vào máy thì rotor sẽ quay để kéo các máy công tác.

Máy điện một chiều khi sử dụng làm động cơ điện máy bơm nước, nếu giữ nguyên chiều dòng điện chạy trong dây quấn và tên các cực từ như ở máy phát điện thì động cơ sẽ quay ngược chiều với chiều quay khi làm máy phát điện.

Hình 2. Một số ứng dụng của động cơ một chiều.

2. Cấu tạo

Hình 3. Hình ảnh các bộ phận máy điện một chiều.

Gồm có hai phần chính là: phần tĩnh và phần quay.

2.1. Phần tĩnh (stator) hay phần cảm

Hình 4. Cấu tạo stator (phần đứng yên).

Được gọi là phần cảm, thường làm bằng thép đúc để dẫn từ đồng thời là thân máy, trên thân có hàn chân máy, móc treo. Những máy lớn có loại đúc bằng gang, thân máy liền chân có gắn tăng cường. Phía trong được lắp các cực từ lồi, bắt chặt vào thân máy bằng bu lông.

Cấu tạo gồm: vỏ máy (gông từ), phần cảm bên trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ (mỗi máy thông thường có từ 2 đến 8 cực từ chính).

Hình 5. Hình ảnh stator trong thực tế

2.1.1. Cực từ chính

Vĩ thép được ghép bởi các lá thép kĩ thuật điện (tôn silic) dày 0.5-0.1 mm dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.

Cực từ chính tạo nên từ trường trong máy. Mặt cực giữ dây quấn và phân bố từ trường trên bề mặt phần ứng.

Cực từ gắn lên vỏ máy bằng bu lông hoặc đinh vít. Dây quấn kích từ là dây đồng, các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.

2.1.2. Cực từ phụ

Các cực từ phụ được đặt xen kẽ giữa các cực từ chính để hạn chế tia lửa điện và cải thiện đổi chiều.

Lõi thép cực từ phụ: thường làm bằng thép đúc, dây quấn bằng đồng bọc cách điện, mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng.

2.1.3. Gông từ (vỏ máy)

Dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các cực từ. Do vậy vỏ máy được dẫn từ, đây là điểm khác biệt với vỏ máy của máy điện xoay chiều.

Trong các loại máy điện công suất lớn, gông từ thường làm bằng thép đúc, máy điện công suất nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại, có khi máy nhỏ dùng gang làm vỏ máy.

2.1.4. Các bộ phận khác

Nắp máy và cơ cấu chổi than (gồm chổi than đặt trong hộp chổi than, giá chổi than).

Hình 6. Kết cấu phía cổ góp máy điện một chiều.

Nắp máy có gắn vành giá chổi than để nối với mạch điện bên ngoài, giá chổi than gồm các hộp chứa chổi than gắn trên các thanh cách điện với vành đế.
Các hộp chổi than đặt đối xứng theo chu vi của cổ góp, các chổi than có dấu dương và âm xen kẽ nhau và cách nhau 180 độ điện. Các chổi cùng dấu dương hoặc âm được nối chung với nhau bằng các dây điện. Vị trí đặt các chổi than là trên vùng trung tính vật lý của động cơ.
Chổi than làm bằng graphit có độ cứng tùy theo tốc độ của động cơ, số lượng hộp chổi than và kích thước của chổi than trên một cực phụ thuộc mật độ dòng điện qua. Chổi than được ép trên mặt cổ góp bởi các lò xo, có thể điều chỉnh được lực căng để khắc phục tia lửa điện.

2.2. Phần quay (rotor) hay phần ứng

Hình 7. Cấu tạo và vị trí đặt rotor (phần quay).

Được gọi là phần ứng có lắp trục và vòng bi ở hai đầu trục. Lõi thép phần ứng có dây quấn nối ra cổ góp điện, khe hở không khí giữa phần tĩnh và phần quay từ 0,5 ~ 3mm, ở những máy lớn có thể đến 12mm.

Gồm trục, lõi phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp.

Hình 8. Hình ảnh rotor trong thực tế

2.2.1. Lõi phần ứng

Dạng hình trống, ghép bằng các lá thép KTĐ dày 0,5mm để dẫn từ tốt, giảm tổn thất do dòng điện xoáy. Các lá thép đã dập sẵn lỗ thông gió để làm mát máy (máy nhỏ chỉ lắp cánh quạt làm mát) và các rãnh để quấn dây.
Máy nhỏ dập rãnh nửa kín, tuy lồng dây khó nhưng từ thông phân bố tốt, còn ở máy cỡ trung bình và lớn thì rãnh rotor thường có hình chữ nhật, vách thẳng và miệng hở. Vì rãnh hở nên việc lồng dây, đặt thanh dẫn bằng đồng dễ dàng nhưng khi quấn rotor xong phải đánh đai quanh rotor để chống lực ly tâm làm bung dây.

2.2.2. Dây quấn phần ứng

Thường làm bằng dây đồng tròn hoặc dẹp, các đầu dây của các phần tử dây quấn (bối dây) được gộp lại tại cổ góp.

2.2.3. Cổ góp

Gồm các phiến góp làm bằng đồng, giữ các phiến góp cách điện với nhau bởi mica và cổ góp cũng được cách điện với trục rotor bằng ống phíp, phía ngoài là một mặt trụ láng nhẵn bóng.
Máy nhỏ thì cổ góp được đổ nhựa tổng hợp, còn máy lớn thì phiến góp được giữ chặt bằng hai vòng chặn, đầu có ren đai ốc hoặc tán chặt thành khối. Dây quấn phần ứng được kẹp vào các phiến góp rồi hàn thiếc chắc chắn.
Nhiệm vụ của cổ góp điện là chỉnh lưu sức điện động xoay chiều thành sức điện động một chiều trên các chổi than, chổi than tiếp xúc (tì lên) cổ góp để lấy điện ra ngoài hoặc đưa nguồn điện một chiều vào trong dây quấn phần ứng.

Hình 9. Cổ góp và chổi than

2.2.4. Các bộ phận khác

Cánh quạt: làm nguội máy được gắn với một phía trục rotor.
Trục động cơ được quay trên hai ổ đỡ hoặc vòng bi.
Puli nối trục máy điện với máy công tác.

Video sau đây sẽ giúp bạn hình dung được cấu tạo của máy điện một chiều:

3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều

Hình 10. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều.

Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết bị điện từ quay, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ năng thành điện năng một chiều (máy phát điện một chiều) hoặc ngược lại để biến đổi điện năng một chiều thành cơ năng trên trục (động cơ điện một chiều).

Tùy vào loại máy điện một chiều có nguyên lý làm việc khác nhau nhưng đều dựa trên những định luật sau:

Hình 11. Qui ước chiều dương cho vòng dây có từ thông xuyên qua, qui tắc bàn tay phải và qui tắc bàn tay trái (từ trái sang).

– Định luật cảm ứng điện từ:

Từ thông biến thiên qua vòng dây: khi từ thông đi qua một vòng dây biến thiên sẽ làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong vòng dây. Sức điện động cảm ứng có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.
Thanh dẫn chuyển động thẳng trong từ trường: trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động. Chiều của sức điện động được xác định bằng qui tắc bàn tay phải. Cho đường sức từ đi vào lòng bàn tay phải, ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của dây dẫn còn chiều từ cổ tay tới ngón tay chỉ chiều sức điện động.

E = B.l.v

Trong đó:

E: sức điện động cảm ứng.
B: từ cảm (T).
l: chiều dài thanh dẫn trong từ trường (m).

– Định luật lực điện từ:

Lực của từ trường tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện. Nếu một dây dẫn thằng có dòng điện vuông góc với đường sức từ của từ trường, thanh dẫn sẽ chịu tác động của lực điện từ:

F = B.i.l

Trong đó:

B: từ cảm (T).
I: dòng điện chạy trong thanh dẫn.
L: chiều dài thanh dẫn (m).

– Chiều của lực điện từ được xác định bằng qui tắc bàn tay trái:

Ngửa bàn tay trái cho đường sức từ (hoặc vector từ cảm B) xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều lực điện từ.

– Định luật về mạch từ:

Các phần từ làm bằng vật liệu sắt từ ghép với nhau để từ thông khép kín trong mạch được gọi là mạch từ, từ thông tập trung chủ yếu trong mạch từ. Để tạo ra từ thông trong mạch cần có nguồn gây từ, thông thường là cuộn dây quấn trong mạch còn gọi là cuộn dây từ hóa.

4. Phân loại máy điện một chiều

– Phân loại theo chức năng:

Máy phát điện một chiều: chuyển đổi cơ năng thành điện năng.
Động cơ điện một chiều: chuyển đổi điện năng thành cơ năng.

– Phân loại theo cấu tạo:

Kích từ độc lập: cuộn dây kích từ và phần ứng có nguồn cấp riêng.
Kích từ song song: cuộn dây kích từ đấu song song với phần ứng.
Kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ nối nối tiếp với phần ứng.
Kích từ hỗn hợp: phối hợp hai loại kích từ song song và nối tiếp.