Động Cơ Roto Lồng Sóc: Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động

Bạn có từng thắc mắc điều gì khiến chiếc quạt máy mát mẻ trong những ngày oi bức, hay máy bơm nước mạnh mẽ tưới mát khu vườn nhà bạn không? Bí mật nằm ở một "trái tim" nhỏ bé nhưng đầy quyền năng: Động cơ Roto Lồng Sóc!

Cái tên nghe có vẻ "hoành tráng" nhỉ? Nhưng đừng lo, bài viết này sẽ không biến thành một tài liệu hàn lâm khô khan đâu! Ngược lại, chúng ta sẽ cùng "bóc tách" Động cơ Roto Lồng Sóc như một món đồ chơi thú vị, khám phá từng chi tiết từ rôto quay vù vù đến stato cung cấp điện, tìm hiểu xem từ trường vô hình có "ma thuật" gì mà lại tạo ra được động năng mạnh mẽ như vậy.

Cho dù bạn là một "tân binh" tò mò về thế giới xung quanh, hay một "kỹ sư tương lai" đang ấp ủ những sáng chế, thì Động cơ Roto Lồng Sóc vẫn luôn là một người bạn đồng hành thú vị. Hãy cùng "bật nút" cho cuộc hành trình khám phá này nào!

1. Roto là gì? Phân loại

Trước khi tìm hiểu động cơ lồng sóc, chúng ta cần biết rotor là gì? Rotor là một thành phần chuyển động (còn gọi là phần quay) của 1 hệ thống điện từ bên trong động cơ điện, máy phát điện, có khi là máy phát điện xoay chiều. Vòng quay của nó có được là do sự tương tác giữa các cuộn dây cùng với từ trường tạo ra một mô men xoắn quay quanh trục của rotor.

Rotor là một thành phần chuyển động của 1 hệ thống điện từ

Phân loại các loại rotor hiện nay bao gồm có: 

Động cơ cảm ứng (động cơ không đồng bộ), các loại máy phát cũng như máy phát điện xoay chiều (động cơ đồng bộ) có một hệ thống điện từ, chúng bao gồm stator và rotor. Có 2 thiết kế cho rotor trong 1 động cơ cảm ứng, đó là lồng sóc và dây quấn. Trong máy phát điện nói chung và máy phát điện xoay chiều nói riêng, các thiết kế rotor chủ yếu là rotor cực lồi hoặc rotor cực ẩn. Bao gồm có các loại roto dưới đây:

• Rotor lồng sóc (còn gọi là Squirrel cage rotor)
• Rotor dây quấn (còn gọi là Wound rotor)
• Rotor cực lồi (còn gọi là Salient pole rotor)
• Rotor cực ẩn (còn gọi là Cylindrical rotor hoặc Non-salient pole rotor)

2. Động cơ roto lồng sóc là gì?

Rotor lồng sóc còn gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc, chúng bao gồm nhiều lớp thép ở bên trong lõi với các thanh đồng hoặc thanh nhôm cách đều nhau được đặt dọc theo trục ngoại vi, đồng thời bị chập vĩnh viễn ở 2 đầu bởi các vòng dây cuối. Cấu trúc đơn giản nhưng vô cùng chắc chắn này làm cho nó được ưa chuộng trong hầu hết các ứng dụng. 

Việc lắp ráp có 1 vòng xoắn: các thanh đồng/ nhôm được xiên hoặc đặt nghiêng để làm giảm tiếng ồn từ tính và làm hài hòa cho các khe và làm giảm xu hướng khóa. Nằm trong stator, bộ phận răng rotor và răng stator có thể được khóa lại khi chúng đạt được số lượng bằng nhau, đồng thời các nam châm nằm cách đều nhau, quay ngược chiều nhau và theo cả 2 hướng. 

Vòng bi ở mỗi đầu có gắn rotor bên trong vỏ của nó, với một đầu của trục được làm nhô ra có thể cho phép gắn tải. Trong một số động cơ, có 1 phần mở rộng ở đầu không lái sẽ gây ra cảm biến tốc độ hoặc giúp điều khiển điện tử khác. Các mô men xoắn cũng tạo ra lực chuyển động, thường là thông qua các cánh quạt đến tải.

Đặc điểm của roto lồng sóc:

• Rotor này được quay với tốc độ nhỏ hơn lực từ trường quay của stato hoặc lực của tốc độ đồng bộ.
• Khi tốc độ của cánh quạt tăng thì độ trượt sẽ giảm.
• Việc tăng độ trượt sẽ làm tăng thêm dòng điện động cơ, do đó sẽ làm tăng dòng rotor, điều này cũng dẫn đến mô men xoắn cao hơn để làm tăng nhu cầu tải.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của motor roto lồng sóc

a) Cấu tạo của rôto lồng sóc

Kết cấu của loại dây quấn này rất khác biệt so với dây quấn stato. Loại rôto lồng sóc có công suất >100kW, đồng thời, bên trong các rãnh của lõi thép có đặt các thanh đồng, 2 đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng, từ đó tạo thành lồng sóc. 

Ở các loại động cơ công suất nhỏ, lồng sóc sẽ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào bên trong các rãnh lõi thép rôto để tạo thành thanh nhôm, 2 đầu đúc vòng ngắn mạch. Động cơ điện roto lồng sóc do đó còn được gọi là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.

Roto lồng sóc bao gồm những lá thép kỹ thuật điện được ghép lệch với nhau mà không phải là ghép thẳng song song với dọc trục. Bởi vì chúng không cho từ trường Stator cắt qua các thanh dẫn 1 góc 90 độ.

Các rãnh của rotor lồng sóc được ghép lệch với nhau nhằm triệt tiêu lực điện từ họa tần của bậc cao, từ đó sẽ làm cho roto quay được êm hơn.

Kết cấu của loại dây quấn này rất khác biệt so với dây quấn stato

b) Nguyên lý hoạt động của motor roto lồng sóc

Trong máy cảm ứng 3 pha, dòng điện xoay chiều sẽ cung cấp cho cuộn dây stator tạo thành năng lượng cho nó, từ đó tạo ra từ thông quay. Từ thông tạo ra một từ trường khác ở trong khe hở có không khí lọt vào giữa stator và rotor và tạo ra 1 điện áp, đồng thời tạo ra dòng điện chạy qua các thanh rotor. 

Mạch và dòng điện bên trong dây dẫn rotor lúc này cũng được kích hoạt. Tác động của từ thông quay và dòng điện cũng sẽ tạo ra 1 lực, đó chính là mô men xoắn để khởi động cho động cơ.

Một rotor máy phát điện được cấu thành từ 1 cuộn dây được bao bọc xung quanh lõi sắt. Thành phần từ tính của rotor cũng được chế tạo từ các lớp thép để có thể hỗ trợ dập các khe dẫn, từ đó cho các hình dạng và kích thước cụ thể. Khi dòng điện đi qua cuộn dây, 1 từ trường cũng được tạo ra xung quanh lõi, người ta gọi đó là dòng điện trường. 

Cường độ dòng điện sẽ điều khiển mức năng lượng hiện tại của từ trường. Dòng điện 1 chiều (DC) sẽ điều khiển dòng điện trường quay theo một hướng và được đưa đến cuộn dây bằng 1 bộ chổi cùng dây quấn. Giống như bất kỳ nam châm nào, từ trường được tạo ra sẽ có 2 cực là cực bắc và cực nam. 

Động cơ được hướng theo chiều kim đồng hồ đo được rotor cung cấp năng lượng nên có thể điều khiển được động cơ bằng cách sử dụng nam châm và từ trường được cài đặt vào trong thiết kế của rotor. Hoạt động này cho phép động cơ chạy ngược lại so với chiều kim đồng hồ.

Nguyên lý hoạt động của motor roto lồng sóc

4. Sơ đồ khởi động động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

a) Điều khiển động cơ lồng sóc quay theo 1 chiều

Để điều khiển động cơ lồng sóc quay theo 1 chiều, người ta sử dụng khởi động từ đơn. Khi mở máy, trước hết người ta sẽ đóng cầu dao Cd, rồi sau đó ấn vào nút “đóng” Nđ của phần nút ấn điều khiển. Khi đó, dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây K của bộ phận khởi động từ. Các tiếp điểm chính K của phần khởi động từ sẽ đóng lại để nối liền 3 pha lưới với dây qimn của động cơ, làm cho động cơ quay. 

Đồng thời, các tiếp điểm phụ thường mở K của phần khởi động từ được đấu song song với Nđ cũng được đóng lại (được gọi tắt là tiếp điểm tự giữ). Do đó nếu chúng ta không ấn vào Nđ thì tiếp điểm Nđ sẽ trở về vị trí thường mở như cũ, như dòng điện đi qua cuộn K sẽ vẫn được duy trì.

Khi ấn vào nút “cắt” Nc của bộ điều khiển, cuộn K sẽ mất điện, các tiếp điểm thường mở của nó sẽ tự mở ra, động cơ được tách ra khỏi lưới điện và bị ngừng quay.

Trong sơ đồ này, cầu chì được sử dụng để bảo vệ cho động cơ ngắn mạch, rơle nhiệt bảo vệ cho động cơ quá tải. Khi động cơ quá tải, rơle nhiệt sẽ tác động, tiếp điểm RT mở, sau đó cắt điện ở cuộn dây K, động cơ sẽ được tách ra khỏi lưới.

Sơ đồ chi tiết mạch điện điều khiển động cơ lồng sóc quay 1 chiều

Trong trường hợp cần phòng tránh tình trạng bị đứt 1 pha (thường xảy ra khi sử dụng cầu chì bảo vệ) người ta thường dùng 1 chiếc aptomat để thay thế cho cầu chì và cầu dao. Aptomat (CB) vừa có thể bảo vệ ngắn mạch, vừa bảo vệ động cơ quá tải. Trường hợp muốn điều khiển động cơ thì người ta sẽ dùng contactor.

b) Sơ đồ điều khiển roto lồng sóc có hãm ngược

Hình bên dưới chính là sơ đồ điều khiển roto lồng sóc có hãm ngược. Rơle tốc độ được ký hiệu là Rn có liên lạc truyền động cùng với trục động cơ. Ở tốc độ này, động cơ sẽ làm việc bình thường, còn các tiếp điểm thường sẽ mở của rơle Rn được đóng lại. Khi động cơ đứng yên hoặc tốc độ làm việc thấp (khoảng 10 – 15% toàn bộ tốc độ định mức) thì tiếp điểm Rn sẽ mở ra.

Sơ đồ điều khiển roto lồng sóc có hãm ngược

Ấn vào nút Nđ, lúc này cuộn dây khởi động từ K có điện và rotor sẽ mở máy. Tiếp điểm thường đóng của K nằm ở mạch cuộn dây H sẽ được mở ra. Do đó mặc dù khi động cơ đang quay, tiếp điểm của rơle tốc độ cũng sẽ đóng lại, nhưng cuộn dây hãm H lúc này vẫn không có điện.

Khi ấn nút Nc thì động cơ sẽ cắt ra khỏi lưới điện, song do quán tính thì roto vẫn quay, cho nên rơle tốc độ vẫn đóng tiếp điểm của nó. Đồng thời, cuộn K sẽ bị mất điện, tiếp điểm thường đóng của nó nằm ở mạch cuộn H đóng lại, lúc này cuộn H có điện. 

Các tiếp điểm của contactor H lại nối dây quấn stato vào với lưới, nhưng làm đổi vị trí của 2 pha lưới để đưa vào động cơ. Do đó, từ trường quay tồn tại trong động cơ lúc này sẽ quay ngược chiều với chiều quay quán tính của phần roto, động cơ sẽ được hãm lại.

Khi tốc độ của động cơ giảm xuống gần bằng 0, tiếp điểm của rơle tốc độ có tên là Rn mở ra, cuộn H sẽ bị mất điện và động cơ cũng tự động cắt ra khỏi lưới.

5. Sự khác biệt giữa rotor lồng sóc đúc nhôm và rotor lồng sóc bằng thanh đồng:

Rotor lồng sóc đúc nhôm:

• Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ chế tạo, có khả năng chịu tải va đập tốt.
• Nhược điểm: Hiệu suất thấp hơn rotor lồng sóc bằng thanh đồng, có độ ồn lớn hơn.

Rotor lồng sóc bằng thanh đồng:

• Ưu điểm: Hiệu suất cao hơn rotor lồng sóc đúc nhôm, có độ ồn nhỏ hơn.
• Nhược điểm: Giá thành cao hơn, khó chế tạo hơn, có khả năng chịu tải va đập kém hơn.

6. So sánh chi tiết các loại rotor:

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Motor cẩu trục
• Roto Dây Quấn Và Roto Lồng Sóc Là Gì? So Sánh Ưu Nhược Điểm
• Động Cơ Điện: Những Loại Mô Tơ Quan Trọng Nhất Trong Đời Sống, Tính Năng Và Ý Nghĩa Kỹ Thuật.
• Động Cơ Điện 3 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Động Cơ Điện 1 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Giá Động Cơ Điện 3 Pha Đức Nhật Đài Loan, Các Hãng, Các Công Suất
• Thông Số Kỹ Thuật  Motor Điện, Cách Đọc Tem, Kiểm Tra Hiệu Suất Motor, Tiêu Chuẩn Tiết Kiệm Điện
• Khái Niệm Motor Điện. Các Phương Pháp Đấu Điện Khởi Động Motor 3 Pha