Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ

1. Khái niệm

Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của Rotor (n) quay chậm hơn tốc độ quay của từ trường quay (n₁).

2. Cấu tạo

Gồm 2 phần chính: Stator và Rotor.

Hình 1. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ.

2.1. Stator

Stator bao gồm lõi thép, dây quấn Stator (cuộn dây Stator) và vỏ máy.

Hình 2. Stator của động cơ không đồng bộ.

2.1.1. Vỏ máy

Vỏ máy để cố định lõi thép và cố định máy, được làm bằng nhôm hoặc gang, hai đầu có nắp máy, còn có công dụng bảo vệ máy.

2.1.2. Lõi thép

Lõi thép: gồm nhiều lá thép có rãnh ở trong ghép lại có phủ cách điện để dẫn từ.

Hình 3. Lá thép trong Stator.

Được ép trong vỏ máy làm nhiệm vụ dẫn từ.
Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục.
Mỗi lá thép kỹ thuật đều được phủ sơn cách điện để giảm hao tổn do dòng xoáy gây nên.

2.1.3. Dây quấn Stator

Dây quấn Stator đươc làm bằng dây dẫn cách điện đặt vào rãnh của lõi thép cách điện và được quấn tùy theo cách kiểu quấn dây:

Hình 4. Sơ đồ khai triển dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh.

Dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10.
Dây quấn pha B trong các rãnh 3, 6, 9, 12.
Dây quấn pha C trong các rãnh 5, 8, 11, 2.
Dòng xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay.

2.2. Rotor

Rotor cũng bao gồm lõi thép, dây quấn và trục động cơ.

Hình 5. Mặt cắt của Rotor.

2.2.1. Lõi thép

Lõi thép: giống Stator nhưng các lá thép có rãnh ngoài đặt dây quấn ở giữa có lỗ để gắn trục.

Hình 6. Lõi thép của Rotor.

2.2.2. Dây quấn

Dây quấn được đặt trong lõi thép Rotor. Rotor động cơ không đồng bộ được chia thành 2 loại là rotor dây quấn và rotor lồng sóc.

– Rotor dây quấn:

Hình 7. Rotor dây quấn.

Giống dây quấn Stator.
Dây quấn ba pha của Rotor đấu sao, ba đầu còn lại được nối với ba vành trượt làm bằng đồng gắn ở một đầu trục, cách điện với nhau và với trục.
Thông qua chổi than và vành trượt, có thể nối dây quấn Rotor với điện trở phụ bên ngoài. Khi làm việc bình thường, dây quấn Rotor được nối ngắn mạch.

– Rotor lồng sóc:

Hình 8. Rotor lồng sóc.

Rotor lồng sóc của các máy công suất lớn hơn 100 kW là các thanh đồng đặt trong rãnh của lõi thép, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng tạo thành lồng sóc.
Đối với động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép Rotor, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh làm mát.

3. Nguyên lý hoạt động

Khi ta cho dòng điện 3 pha tần số f vào 3 đầu dây quấn Stator sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n₁. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của Rotor hình thành nên suất điện động cảm ứng.

Vì dây quấn Rotor nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Rotor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện cảm ứng kéo Rotor quay cùng chiều từ trường quay với tốc độ n.

Chú ý:

Khi xác định chiều suất điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải ta phải căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường.
Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược chiều từ trường.
Tốc độ n của máy luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n₁, vì nếu tốc độ bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn stator không có suất điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng 0.

Ta có những công thức sau:

n_1=\frac{60f}{p}

n=\left(1-s\right).n_1=\left(1-s\right).\frac{60f}{p}

s=\frac{n_1-n}{n_1}

n_2=s.n_1=n_1-n

Trong đó:

n₁ là tốc độ từ trường quay.
n tốc độ rotor của động cơ (tốc độ trên trục rotor).
s là độ trượt/hệ số trượt.
n₂ tốc độ từ trường đối với tốc độ động cơ (tốc độ trượt).

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chúng ta cùng xem video sau:

3.1. Rotor quay cùng chiều từ trường và n < n₁ (0 < s < 1)

Theo quy tắc bàn tay phải, xác định được chiều sức điện động E₂ và I₂; theo quy tắc bàn tay trái, xác định được lực F và moment M. Ta thấy F cùng chiều quay của Rotor, nghĩa là điện năng đưa tới Stator, thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục quay Rotor theo chiều từ trường quay n₁, như vậy động cơ làm việc ở chế độ động cơ điện.

Hình 9. Hình minh họa chế độ động cơ điện.

3.2. Rotor quay cùng chiều từ trường và n > n₁ (s < 0)

Dùng động cơ sơ cấp quay Rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n₁. Lúc đó chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn Rotor cũng đổi chiều nên chiều nên chiều của M cũng ngược chiều n₁, nghĩa là ngược chiều với Rotor, nên đó là moment hãm. Như vậy máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho luới điện, nghĩa là động cơ làm việc ở chế độ máy phát.

Hình 10. Hình minh họa chế độ máy phát.

3.3. Rotor quay ngược chiều từ trường và n < 0 (s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rotor của máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc này chiều của sức điện động và momen giống như ở chế độ động cơ. Vì momen sinh ra ngược chiều quay với Rotor nên có tác dụng hãm Rotor lại. Trường hợp này máy vừa lấy điện năng ở lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp. Chế độ làm việc này gọi là chế độ hãm điện từ.

Hình 11. Hình minh họa chế độ hãm điện từ.