Động cơ DC có chổi than truyền thống (thường dùng trong đồ chơi điện và quạt) hoạt động dựa trên sự tiếp xúc trượt cơ học giữa các chổi than cố định và cổ góp quay. Quá trình này tự động đảo ngược hướng dòng điện trong các cuộn dây rô-to khi quay, tạo ra mô-men xoắn điện từ liên tục.
Stato đứng yên. Trong động cơ DC đơn giản, stato gồm các nam châm vĩnh cửu ở hai bên vỏ (cực N/đỏ bên trái, cực S/xanh bên phải), tạo ra từ trường ngang hướng từ trái sang phải.
Rô-to là cụm quay ở trung tâm, được quấn bằng các cuộn dây đồng. Khi được cấp điện, các cuộn dây này hoạt động như một nam châm điện. Các cực từ của chúng tương tác với nam châm stato ("các cực cùng tên thì đẩy nhau, khác tên thì hút nhau"), thúc đẩy rô-to quay.
Hai phân đoạn cổ góp bằng đồng hình bán nguyệt trên trục được kết nối với các đầu cuộn dây. Hai chổi than carbon cố định ở hai bên được kết nối với nguồn điện DC. Khi rô-to quay, các phân đoạn cổ góp lần lượt tiếp xúc với chổi than, tự động đảo chiều dòng điện trong cuộn dây khi đi qua điểm chết đứng để duy trì vòng quay liên tục!
Trong mô hình tương tác này, phía bên trái hiển thị mặt cắt vật lý của động cơ DC có chổi than, và phía bên phải hiển thị mạch kết nối của nó. Khi động cơ được kết nối với nguồn điện DC, dòng điện chảy qua chổi than cố định vào cuộn dây rô-to, tạo ra mô-men xoắn điện từ. Rô-to quay dưới lực hút từ tính. Mỗi khi rô-to quay 180° và vượt qua đường trung tâm, các khe hở giữa các phân đoạn cổ góp sẽ đi qua chổi than, đảo cực dòng điện chảy vào các cuộn dây. Điều này đảm bảo hướng mô-men xoắn nhất quán trong suốt quá trình quay.
Đang tải...
| Bước | Góc rô-to | Tiếp xúc chổi than (+) | Tiếp xúc chổi than (-) | Mô-men xoắn điện từ | Dòng điện cuộn dây |
|---|
Cổ góp là một bộ các phân đoạn tiếp xúc bằng đồng (hai phân đoạn trong mô hình đơn giản hóa này) được gắn trên trục rô-to và quay cùng với nó. Chổi than là các khối carbon cố định được ép sát vào cổ góp bằng lò xo. Khi rô-to quay, chổi than lần lượt tiếp xúc với các phân đoạn khác nhau. Do một chổi than có điện cực dương và chổi kia có điện cực âm, hướng dòng điện chạy qua cuộn dây được đảo ngược bằng cơ học mỗi khi rô-to đi qua điểm trung vị thẳng đứng. Điều này đảm bảo cực từ của rô-to luôn đẩy và hút nam châm stato theo cách tạo ra mô-men xoắn theo chiều kim đồng hồ liên tục.
Đây là ưu điểm lớn nhất của động cơ DC có chổi than! Việc chuyển mạch được xử lý hoàn toàn bằng cơ học nhờ bề mặt tiếp xúc chổi than-cổ góp đóng vai trò như một công tắc vật lý. Chỉ cần cấp điện áp DC vào các đầu nối là động cơ sẽ chạy liên tục. Nó không yêu cầu vi điều khiển (MCU), chip điều khiển (MOSFET) hay thuật toán cảm biến vị trí rô-to, giúp hệ sinh thái cực kỳ rẻ và đơn giản.
Có ba nhược điểm chính:
• Chổi than bị mài mòn và tuổi thọ ngắn: Lực ma sát trượt liên tục giữa chổi than và cổ góp làm mòn chổi carbon theo thời gian, đòi hỏi phải bảo trì hoặc thay thế định kỳ.
• Tia lửa điện và nhiễu điện từ (EMI): Khi chổi than chuyển đổi tiếp xúc, hiện tượng hồ quang điện xảy ra do độ tự cảm của cuộn dây. Điều này tạo ra các tia lửa nhỏ (không phù hợp với môi trường dễ cháy nổ) và tạo ra tiếng ồn điện đáng kể gây nhiễu cho các thiết bị điện tử xung quanh.
• Tản nhiệt và hiệu suất kém: Các cuộn dây tạo nhiệt nằm trên rô-to quay, gây khó khăn cho việc truyền nhiệt trực tiếp ra vỏ ngoài, từ đó hạn chế mật độ công suất của động cơ.
Nguyên lý cơ bản hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, để ngăn động cơ bị kẹt tại điểm chết đứng 90° (nơi nó không thể tự khởi động từ trạng thái nghỉ), các động cơ đồ chơi thực tế thường sử dụng rô-to 3 cực (ba răng lõi thép và ba phân đoạn cổ góp). Thiết kế này đảm bảo luôn có nhất hai pha được cấp điện ở bất kỳ góc nào, cho phép động cơ tự khởi động đáng tin cậy từ mọi vị trí tĩnh và hoạt động với mô-men xoắn mượt mà, đồng đều hơn.