Công ty TNHH Phát triển công nghệ Rô Bốt

Lịch sử phát triển của động cơ điện 

Vào năm 1820, Oersted khám phá ra rằng khi một dòng điện chạy qua 1 dây dẫn nó sẽ tạo ra một từ trường. Vào năm tiếp theo, Michael Faraday đã chứng minh từ trường này có thể tạo thành lực cơ học.

Thiết bị của ông bao gồm một thỏi nam châm vĩnh cửu nhúng trong một bể thủy ngân. Một dây dẫn treo bên trên bể thủy ngân nhờ 1 cái móc.

Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, một lực cơ điện giúp sợi dây xoay tròn xung quanh thỏi nam châm.

Dĩ nhiên thiết bị này chỉ có thể thực hiện rất ít công bởi lực quay tạo ra rất nhỏ.

Nguyên tắc cơ bản về hoạt động của động cơ

Nếu một dây dẫn mang điện được đặt vào trong một từ trường sẽ tạo ra một lực giúp dây dẫn chuyển động.

Phương của lực là 90 độ so với chiều dòng điện và cũng là 90 độ so với các đường lực từ trường.
Khi dòng điện chạy trong vòng dây, một trường điện từ được tạo ra xung quanh vòng dây. Trường điện từ này tương tác với từ trường tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu. Lực tương tác tạo ra mô men và làm quay vòng dây.Trong trường hợp này, một vòng dây (Rotor) tự do quay tròn trong từ trường tạo bởi hai nam châm vĩnh cửu đặt cố định.

Mặc dù vậy, rotor sẽ dừng quay khi các lực nằm ở hai hướng ngược nhau và cùng theo hướng với trục quay, bởi vì tại thời điểm đó, mô men là rất nhỏ.

Để rotor tiếp tục chuyển động, chúng ta phải đảo chiều dòng điện chạy trong vòng dây, theo đó sẽ đảo chiều trường điện từ và hướng của lực.

Một vòng kim loại gồm 2 nửa hay còn gọi là cổ góp giúp thực hiện chức năng này. Nếu chúng ta đảo chiều dòng điện đúng thời điểm, rotor sẽ tiếp tục quay khi dòng điện chạy trong rotor.

Động cơ điện một chiều 

Dựa vào nguyên tắc cơ bản này, động cơ điện một chiều hiện đại sử dụng nam châm vĩnh cửu tĩnh có từ trường mạnh bao quanh dây cuốn rotor (còn được gọi là phần ứng).

Càng nhiều vòng dây, càng nhiều dòng điện chạy trong phần ứng tạo thành từ trường mạnh hơn. Từ trường càng mạnh, lực quay càng khỏe và rotor sẽ quay càng nhanh.

Động cơ điện một chiều hiện đại có khả năng tạo mô men quay lớn tại tốc độ quay nhỏ và có khả năng điều chỉnh hướng chuyển động.

Động cơ điện xoay chiều

Một kỹ sư điện trẻ tuổi tên là Nikola Tesla đã nhận ra rằng,
cổ góp của động cơ điện một chiều và máy phát điện thời đó là nguyên nhân của rất nhiều các trục trặc, giá thành cao mà hiệu suất thì thấp.

Tesla đã tiến hành gỡ bỏ cổ góp của máy phát điện một chiều thông thường và lên kế hoạch tương tự đối với động cơ điện 1 chiều!

Những chiếc máy phát điện mới thiết kế sản sinh ra dòng điện xoay chiều được ứng dụng để thắp sáng và chuyển tải điện năng đi xa. Nhưng vào thời điểm đó, không có động cơ điện nào có thể sử dụng điện xoay chiều.

Để giải quyết vấn đề này và làm cho điện xoay chiều trở nên hữu dụng đối với các ứng dụng công nghiệp, Tesla đã thiết kế và sáng chế một dòng sản phẩm động cơ điện xoay chiều sử dụng dòng điện xoay chiều hình Sin.

Tesla đã thay thế trường điện từ tĩnh trong động cơ điện một chiều với từ trường quay tạo bởi dòng điện xoay chiều. Điều này giúp cho động cơ quay mà không cần cổ góp.

Trong động cơ điện xoay chiều, rotor quay theo tần số và pha của nguồn điện xoay chiều đặt vào cuộn dây stator. Trong ví dụ này, cuộn dây trên và dưới được cấp nguồn điện xoay chiều lệch pha 90 độ so với cuộn dây trái và phải.

Véc tơ tổng hợp lực tạo ra bởi dòng điện xoay chiều sản sinh ra từ trường quay

Động cơ điện xoay chiều hiện đại (còn được gọi là động cơ điện cảm ứng) gồm có rotor ở bên trong và stator bao bên ngoài.

Khi cuộn dây stator được cấp nguồn điện xoay chiều sẽ sản sinh ra một từ trường quay. Stator đồng thời sẽ kích ứng một dòng điện trong cuộn dây rotor mà không cần bất kỳ kết nối điện nào!

Nhờ thiết kế rotor và stator, liên kết giữa 2 thành phần này có thể rất khỏe và khi đó động cơ này được gọi là động cơ đồng bộ.

Động cơ đồng bộ được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ động cơ cao và ổn định.

Động cơ điện một chiều không chổi than

Động cơ điện một chiều không chổi than có cấu trúc tương tự động cơ điện xoay chiều đồng bộ nhưng có các điểm khác biệt quan trọng.

Động cơ một chiều không chổi than (không có cổ góp cơ khí) sử dụng cuộn dây stator nhưng rotor là nam châm vĩnh cửu.

Để tạo từ trường quay, stator được cấp năng lượng theo một trình tự cụ thể với điện năng thay đổi theo tần số, pha, phân cực và dòng điện để quay rotor theo yêu cầu của ứng dụng.

Điều khiển điện năng trong thiết kế động cơ điện một chiều không chổi than rất phức tạp và được điều khiển bởi vi xử lý kết hợp với các linh kiện điện tử khác. Thiết bị dùng để điều khiển điện năng này được gọi là bộ điều khiển động cơ.

Động cơ bước

Động cơ bước là một dạng của động cơ một chiều không chổi than.

Trong động cơ bước, rotor và stator được thiết kế sao cho các bước quay rất nhỏ và liên kết từ trường giữa chúng là rất lớn ở mỗi bước quay.

Thiết kế của stator và rotor giúp tập trung từ trường và khóa rotor chính xác theo một góc quay xác định.

Nhờ có vi xử lý điều khiển điện năng đến cuộn dây stators, chúng ta có thể điều chỉnh góc quay, chiều quay và tốc độ quay của động cơ bước.

Động cơ Servo

Như vậy, động cơ servo thuộc loại động cơ nào?

Động cơ servo có thể là BẤT KỲ loại động cơ nào vừa nêu khi kết hợp với bộ điều khiển động cơ servo, phản hồi và hệ thống điều khiển thích hợp!

Động cơ servo dùng trong đồ chơi điều khiển vô tuyến thì thường sử dụng thiết kế mạch DC truyền thống rẻ tiền để giảm kích thước và hạ giá thành sản phẩm.

Động cơ servo trong công nghiệp đáp ứng được yêu cầu tốc độ nhanh, độ chính xác cao và sản sinh ra mô men lớn trong suốt dải hoạt động là dựa vào thiết kế của động cơ điện một chiều không chổi than.

Dù thiết kế như thế nào thì một động cơ cũng vẫn chỉ là động cơ nếu không được kết hợp với các thiết bị điều khiển điện tử và bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay thích hợp để hoạt động với chức năng