Động cơ không đồng bộ là gì? Cấu tạo & Nguyên lý & Ứng dụng

Động cơ không đồng bộ là một trong những loại động cơ điện phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Với thiết kế đơn giản và hiệu suất cao, loại động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay, tạo ra mô-men xoắn cần thiết để vận hành các thiết bị. Trong bài viết này, Hoàng Ngân TEC sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng thực tế của động cơ không đồng bộ. Từ đó, giúp bạn hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của nó trong các hệ thống điện hiện đại. Cùng chúng tôi khám phá ngay dưới đây!

Động cơ không đồng bộ là gì?

Động cơ không đồng bộ (Asynchronous motor) là động cơ điện sử dụng dòng điện xoay chiều. Loại động cơ này hoạt động chủ yếu dựa vào dòng điện cảm ứng sinh ra trong rôto từ từ trường quay của stato.

Trong thiết kế của động cơ không đồng bộ, chuyển động của roto không thể đồng bộ hóa với từ trường của stato. Từ trường quay của stato tạo ra dòng điện trong các cuộn dây của rôto và dòng điện này lại tạo ra lực đẩy rôto theo hướng của stato. Nguyên nhân là do roto không cùng pha với stato, mô-men xoắn sẽ được hình thành trong quá trình hoạt động của động cơ.

Động cơ không đồng bộ 3 pha được ưa chuộng trong công nghiệp nhờ vào chi phí thấp, dễ bảo trì và thiết kế đơn giản. Một trong những đặc điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ 3 pha là tốc độ không thể thay đổi, mà chủ yếu phụ thuộc vào tần số cung cấp và số cực của động cơ. Bên cạnh đó, hiệu suất của loại động cơ này thường tốt hơn so với động cơ một pha.

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu trúc khác với động cơ đồng bộ khi thiết bị sử dụng các pha của động cơ được kết nối với các cuộn dây tạo ra từ trường thay vì sử dụng nam cham. Về cấu trúc cơ bản, động cơ không đồng bộ 3 pha được chia thành hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).

Phần tĩnh

Phần tĩnh bao gồm khung, lõi sắt và dây quấn. Lõi thép của stator được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, trong khi dây quấn được đặt vào rãnh của lõi sắt và được cách điện, đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi năng lượng điện thành cơ năng và ngược lại.

Phần quay

Phần quay gồm rotor, trục và bạc đạn. Lõi sắt của rotor cũng được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, nhưng khác với stator, các lá thép này không cách điện và được ép trực tiếp lên trục hoặc giá rotor. Mặt ngoài của lõi thép được dập rãnh để hấp thụ từ, trong khi ở giữa có dập lỗ để lắp trục.

Bên cạnh đó, trục mang rotor quay trong lòng stator có thể được làm từ thép cacbon với độ cứng từ 5 đến 45, trên trục có lõi thép, bạc đạn và quạt gió. Ngoài ra, vỏ máy điện không đồng bộ 3 pha là nơi cố định lõi sắt và dây quấn, đồng thời kết nối nắp hoặc gối đỡ trục. Vỏ máy thường được làm bằng gang, nhôm hoặc thép, tùy thuộc vào loại máy, với hai kiểu thiết kế: vỏ có gân tản nhiệt trên bề mặt và vỏ có bề mặt ngoài nhẵn.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ gần giống với động cơ đồng bộ, nhưng không sử dụng bộ kích từ bên ngoài. Những động cơ này, còn được gọi là động cơ cảm ứng, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó rôto không nhận được năng lượng điện qua dẫn điện như động cơ DC.

Đặc điểm nổi bật là chúng không có thiết bị bên ngoài để kích thích rôto, do đó tốc độ của rôto chủ yếu phụ thuộc vào cảm ứng từ không ổn định. Khi trường điện từ thay đổi, rôto có thể quay với tốc độ thấp hơn so với từ trường của stato. Khi tốc độ của rôto và tốc độ của từ trường trong stato thay đổi, động cơ này được gọi là động cơ không đồng bộ, và sự chênh lệch tốc độ này được gọi là độ trượt.

Các ứng dụng động cơ không đồng bộ

Trong công nghiệp

Thiết bị công nghiệp

Động cơ không đồng bộ ba pha được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, từ quy mô nhỏ đến lớn, nhờ vào tính hiệu quả và độ tin cậy cao của chúng. Thường được sử dụng để vận hành thang máy, cẩu trục và cần cẩu, góp phần nâng cao năng suất trong các hoạt động nâng hạ. Ngoài ra, động cơ này còn là động cơ chính của các loại máy mài, máy tiện và máy cắt, giúp cho quá trình gia công chính xác và hiệu quả.

Vận hành máy móc

Trong các nhà máy chiết xuất dầu, động cơ không đồng bộ ba pha cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành các thiết bị và máy móc. Hơn nữa, chúng được ứng dụng trong cánh tay robot, hệ thống băng tải và các hệ thống máy nghiền công suất lớn, chứng tỏ sự đa dạng và khả năng thích ứng của động cơ này trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện tính tự động hóa trong các quy trình công nghiệp hiện đại.

Trong đời sống

Động cơ không đồng bộ là một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Từ những thiết bị gia dụng quen thuộc như tủ lạnh, máy giặt đến các máy móc công nghiệp lớn, động cơ không đồng bộ luôn đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả nhờ độ bền cao và hiệu suất vượt trội.

Các loại động cơ không đồng bộ

Dựa trên cấu tạo của rotor

Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc

Roto lồng sóc là loại rotor phổ biến nhất nhờ cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Loại roto này gồm các thanh dẫn điện, thường được làm bằng nhôm hoặc đồng, được đặt trong các rãnh của lõi thép. Hai đầu của các thanh dẫn này được kết nối với nhau bằng hai vành ngắn mạch, tạo thành một mạch kín.

Cấu tạo của rotor lồng sóc

Đối với các rotor lồng sóc có công suất trên 100 kW, bên trong các rãnh của lõi thép được lắp đặt các thanh đồng, với hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng, tạo thành hình lồng sóc.

Ở những động cơ có công suất nhỏ hơn, lồng sóc thường được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của lõi thép, tạo thành các thanh nhôm và hai đầu đúc vòng ngắn mạch. Vì vậy, động cơ điện này còn được gọi là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.

Roto lồng sóc được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lệch, không ghép thẳng song song với trục, giúp từ trường của stato không cắt qua các thanh dẫn theo góc 90 độ. Thiết kế này giúp triệt tiêu lực điện từ họa tần bậc cao, mang lại sự êm ái cho quá trình quay của roto.

Nguyên lý hoạt động của motor roto lồng sóc

Động cơ roto lồng sóc hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp điện xoay chiều ba pha vào các cuộn dây stator, một từ trường quay sẽ được tạo ra. Từ trường này cắt qua các thanh dẫn trên rotor, tạo ra dòng điện cảm ứng.

Dòng điện cảm ứng này lại sinh ra một từ trường tương tác với từ trường quay của stator, tạo thành lực điện từ. Lực điện từ này làm cho rotor quay để đuổi theo từ trường quay.

Động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn

Rotor dây quấn có cấu trúc tương tự như stato với các dây quấn, nhưng số vòng dây lại ít hơn. Các đầu dây quấn được kết nối ra ngoài thông qua các vòng trượt và chổi than. Loại roto này cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn khởi động hiệu quả hơn so với roto lồng sóc.

Cấu tạo động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn

Rotor dây quấn gồm các dây quấn 3 pha được đặt trong các rãnh của lõi thép rotor. Các đầu dây quấn này được nối với ba vành trượt bằng đồng. Ba vành trượt này được cách điện với nhau và với trục rotor. Trên các vành trượt có gắn chổi than để kết nối với mạch điện bên ngoài.

Điểm khác biệt chính so với rotor lồng sóc là thay vì các thanh dẫn ngắn mạch, rotor dây quấn sử dụng các dây quấn 3 pha. Bên cạnh đó, rotor dây quấn có vành trượt và chổi than để kết nối với mạch điện bên ngoài, cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn.

Nguyên lý hoạt động động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn

Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ tương tự như động cơ rotor lồng sóc. Tuy nhiên, sự khác biệt ở cấu tạo rotor mang lại cho nó những đặc tính hoạt động riêng biệt.

Khi cấp điện xoay chiều ba pha vào các cuộn dây stator, một từ trường quay sẽ được hình thành. Từ trường quay này cắt qua các dây quấn trên rotor, tạo ra suất điện động cảm ứng. Do các dây quấn này được nối với vành trượt và chổi than, dòng điện cảm ứng sẽ chạy qua các dây quấn, tạo ra từ trường của rotor. Sự tương tác giữa từ trường của stator và rotor sinh ra lực điện từ, kéo theo rotor quay.

Dựa trên điện áp

Động cơ một pha

Động cơ không đồng bộ 1 pha là loại động cơ xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, với tốc độ quay của roto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường (n1). Trong sản xuất và đời sống, động cơ này chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng.

Cấu tạo của động cơ một pha

Tương tự như các dòng động cơ không đồng bộ khác, động cơ không đồng bộ 1 pha gồm 2 thành phần chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (roto)

Phần tĩnh tại động cơ một pha

Phần tĩnh (Stator) của động cơ bao gồm nhiều bộ phần hợp thành như vỏ máy có chức năng bảo vệ các bộ phận bên trong và tạo hình dáng cho động cơ. Ngoài ra, nó còn có lõi thép được làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại nhằm giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy.

Bên cạnh đó, dây quấn stator cũng được đặt trong các rãnh của lõi thép và gồm hai phần: cuộn chính, có nhiệm vụ tạo ra từ trường quay chính, và cuộn phụ, hỗ trợ trong việc tạo ra từ trường quay phụ để khởi động động cơ.

Phần quay tại động cơ một pha

Phần quay (Roto) của động cơ bao gồm lõi thép, tương tự như lõi thép của stator nhưng không có dây quấn. Bên cạnh đó, rotor còn có lồng sóc, là hệ thống các thanh dẫn điện được đặt trong các rãnh của lõi thép và nối ngắn mạch ở hai đầu, giúp tạo ra chuyển động quay cho động cơ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ một pha

Khi cuộn dây trên stato được kết nối với nguồn điện xoay chiều 1 pha, dòng điện đi qua dây quấn sẽ tạo ra một từ trường quay. Trong quá trình này, từ trường quét qua các thanh dẫn của roto gây ra sức điện động cảm ứng. Do dây quấn của Rotor là mạch kín, sức điện động này sẽ tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn (hoặc dây quấn) của Rotor.

Bên cạnh đó, các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ tương tác với nhau, sinh ra lực điện từ tác động lên các thanh dẫn. Tổng hợp các lực này tạo ra momen quay đối với trục roto dẫn đến việc roto quay theo chiều của từ trường.

Ứng dụng của động cơ một pha

Hiện nay, động cơ điện 1 pha được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ trong lò vi sóng để điều khiển đĩa quay, đến các thiết bị như máy khoan và các thiết bị gia dụng như máy giặt.

Ngoài ra, sự hoạt động của thang máy và các hệ thống thông gió cũng phụ thuộc vào động cơ điện này. Ở nhiều quốc gia, động cơ điện 1 pha còn được sử dụng trong các phương tiện vận chuyển.

Động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các thiết bị điện có công suất lớn, như máy bơm và máy nén khí. Loại động cơ này nổi bật với khả năng vận hành mạnh mẽ và ổn định, đồng thời mang lại hiệu suất cao hơn so với động cơ một pha.

Nhờ vào thiết kế ba pha, động cơ này có thể duy trì mô-men xoắn liên tục, giúp giảm thiểu rung lắc và tăng tuổi thọ cho thiết bị, từ đó đáp ứng tốt hơn cho các yêu cầu sản xuất và vận hành trong môi trường công nghiệp.

Cấu tạo của động cơ ba pha

Tương tự như động cơ không đồng bộ một pha, động cơ không đồng bộ pha cũng gồm hay bộ phận chính là phần tĩnh và phần quay nhưng sẽ khác nhau ở cách đặt và thiết kế các bộ phận.

Phần tĩnh của động cơ không đồng bộ ba pha

Khác với động cơ 1 pha, động cơ không đồng bộ ba pha được làm bằng làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy. Ngoài ra, tại phần dây quấn 3 pha đặt lệch nhau 120 độ điện khí để khi cho dòng điện ba pha chạy qua và tạo ra từ trường quay.

H6: Phần quay của động cơ không đồng bộ ba pha

Tương tự như như động cơ 1 pha, roto ở động cơ 3 pha sẽ thiết kế dưới dạng dây quấn hoặc lồng sóc. Rotor dây quấn thường được sử dụng cho các động cơ cần khởi động mạnh và điều chỉnh tốc độ, trong khi roto lồng sóc, phổ biến hơn, bao gồm các thanh dẫn được đặt trong rãnh và nối ngắn mạch hai đầu.

Nguyên lý hoạt động của động cơ ba pha

Khi hoạt động, dòng điện ba pha được cấp vào stato dẫn đến việc hình thành một từ trường quay. Từ trường này sau đó cắt qua các thanh dẫn của rotor, tạo ra dòng điện cảm ứng. Lực điện từ được sinh ra từ sự tương tác giữa từ trường quay và dòng điện cảm ứng khiến roto quay. Tuy nhiên, tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường.

Ứng dụng của động cơ ba pha

Động cơ 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, bao gồm các thiết bị như bơm, quạt, máy nén khí, cổng tự động và nhiều loại máy móc khác. Loại động cơ này đặc biệt phù hợp cho các hệ thống điều khiển tốc độ, vì nó cung cấp tốc độ quay ổn định và dễ dàng điều chỉnh.

Hơn nữa, động cơ 3 pha còn được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục, như máy nghiền, máy cán và máy cắt. Nó cũng được áp dụng trong các hệ thống sản xuất điện, như nhà máy nhiệt điện và các dự án điện gió, nhờ khả năng chịu tải nặng và hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt.

Dựa trên cấu tạo vỏ

Động cơ kín

Động cơ kín có thiết kế vỏ máy kín nhằm ngăn chặn bụi và các chất lỏng xâm nhập vào bên trong, bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi hư hại. Loại động cơ này thường được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt, nơi có nhiều bụi bẩn hoặc độ ẩm cao.

Động cơ hở

Động cơ hở được thiết kế với vỏ máy có lỗ thông gió nhằm mục đích tản nhiệt hiệu quả trong quá trình hoạt động. Thiết kế này cho phép không khí lưu thông, giúp làm mát các linh kiện bên trong và ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt. Động cơ hở thường được sử dụng trong các ứng dụng mà yêu cầu về tản nhiệt không quá nghiêm ngặt, như trong các thiết bị gia dụng hoặc máy móc công nghiệp nhẹ.

Động cơ chống nổ

Động cơ chống nổ được thiết kế đặc biệt để hoạt động an toàn trong các môi trường dễ cháy nổ, như nhà máy hóa chất hoặc khu vực khai thác dầu khí. Với các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt, động cơ này giúp ngăn chặn sự phát sinh tia lửa hoặc nhiệt độ cao có thể gây ra cháy nổ.

Dựa trên phương pháp làm mát

Làm mát bằng không khí

Làm mát bằng không khí là phương pháp sử dụng không khí xung quanh để giảm nhiệt độ của động cơ trong quá trình hoạt động. Quá trình này thường diễn ra thông qua việc hút không khí vào và phân tán nhiệt ra bên ngoài, giúp bảo vệ các linh kiện bên trong khỏi hiện tượng quá nhiệt.

Làm mát bằng chất lỏng

Làm mát bằng chất lỏng là phương pháp sử dụng chất lỏng, thường là nước, để giảm nhiệt độ của động cơ trong quá trình hoạt động. Chất lỏng này được dẫn qua các bộ tản nhiệt hoặc ống dẫn để hấp thụ nhiệt và sau đó được làm mát trước khi quay trở lại động cơ. Phương pháp này hiệu quả hơn so với làm mát bằng không khí, đặc biệt trong các ứng dụng có công suất lớn hoặc yêu cầu hoạt động liên tục.

Dựa trên đặc tính cơ

Động cơ có mô - men khởi động lớn

Động cơ có mô-men khởi động lớn được thiết kế đặc biệt để phù hợp với các tải nặng và khó khởi động, như máy móc công nghiệp hoặc thiết bị xây dựng. Với khả năng cung cấp mô-men xoắn cao ngay từ khi khởi động, loại động cơ này giúp vượt qua lực cản ban đầu một cách hiệu quả, đảm bảo quá trình khởi động diễn ra mượt mà.

Động cơ có tốc độ điều chỉnh

Động cơ có tốc độ điều chỉnh được thiết kế để đáp ứng các ứng dụng yêu cầu thay đổi tốc độ linh hoạt, như trong hệ thống băng tải, quạt công nghiệp, hoặc máy gia công. Loại động cơ này cho phép người sử dụng dễ dàng điều chỉnh tốc độ hoạt động theo nhu cầu cụ thể, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Ưu điểm động cơ không đồng bộ

Cấu tạo đơn giản, bền bỉ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản và bền bỉ với ít bộ phận chuyển động, giúp giảm ma sát, tăng độ bền và hạn chế hư hỏng. Việc không sử dụng chổi than loại bỏ được vấn đề mài mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ của động cơ. Hơn nữa, động cơ này còn có khả năng chịu tải tốt, cho phép hoạt động ổn định ngay cả khi điều kiện tải trọng thay đổi.

Vận hành dễ dàng, bảo trì ít

Động cơ không đồng bộ được thiết kế để vận hành dễ dàng và bảo trì ít, không yêu cầu kỹ thuật cao, nên ngay cả những người không chuyên cũng có thể sử dụng và bảo trì động cơ một cách hiệu quả. Ngoài ra, với việc ít phải thay thế linh kiện, chi phí bảo trì và thời gian ngừng hoạt động được giảm thiểu đáng kể.

Hiệu suất cao

Động cơ không đồng bộ có hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng, cho phép chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng một cách hiệu quả. Với ít tổn thất năng lượng, động cơ này giúp giảm thiểu tiêu thụ điện và tiết kiệm chi phí vận hành.

Nhược điểm động cơ không đồng bộ

Khó điều chỉnh tốc độ

Động cơ không đồng bộ gặp khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ, vì tốc độ của nó phụ thuộc vào tần số của nguồn điện cấp vào. Để thay đổi tốc độ, cần phải điều chỉnh tần số, điều này yêu cầu sử dụng các thiết bị biến tần phức tạp. Hơn nữa, phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng bị hạn chế, không thể giảm xuống quá thấp hoặc tăng lên quá cao so với tốc độ đồng bộ.

Mô-men khởi động không cao

Động cơ không đồng bộ có mô-men khởi động không cao, với dòng khởi động lớn, dẫn đến việc tiêu thụ một lượng điện năng đáng kể khi khởi động, điều này có thể ảnh hưởng đến hệ thống điện. Hơn nữa, thời gian tăng tốc của động cơ cũng chậm, cần một khoảng thời gian nhất định để đạt được tốc độ định mức.

Độ nhạy cảm với sự thay đổi điện áp

Động cơ không đồng bộ có độ nhạy cảm cao với sự thay đổi điện áp, khi điện áp giảm, mô-men khởi động và mô-men cực đại cũng sẽ giảm, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của động cơ. Ngược lại, nếu điện áp tăng, dòng điện sẽ tăng theo, điều này có thể gây ra tình trạng quá tải và làm hỏng động cơ.

Kết luận

Động cơ không đồng bộ là một thiết bị điện quan trọng, với cấu tạo đơn giản và nguyên lý hoạt động hiệu quả, giúp nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp và sinh hoạt. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào, vui lòng liên hệ Hoàng Ngân TEC qua số hotline 0962.070.538 hoặc Zalo OA để được hỗ trợ miễn phí nhé!