CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3 PHA

1. Các bộ phận chính của động cơ điện 3 pha

Một động cơ điện có 2 phần chính: là Stator và Rotor. Stator là phần đứng yên hay còn gọi là phần tĩnh và Rotor là phần quay. Rotor được đặt bên trong Stator. Sẽ có một khe hở giữa Stator và Rotor, được biết đến như là khe hở không khí. Giá trị của khe hở không khí có thể dao động từ 0,5 đến 2mm.

2. Cấu tạo chi tiết của Stator

Stator được làm bằng cách ghép các tấm thép kỹ thuật điện mỏng bên trong có xẻ rãnh hoặc là khối thép đúc. Cách mà các lá thép được gắn vào khung được biểu diễn như hình dưới. Ở đây chỉ có một số lá thép được hiển thị. Dây quấn đi qua các khe (rãnh) của stator.

Stator và Rotor của một động cơ điện

3. Hiện tượng gây ra bởi dòng điện 3 pha đi qua dây quấn stator

Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua dây quấn stator sẽ có điều rất thú vị xảy ra đó là nó tạo ra một từ trường quay Rotating magnetic field (RMF). Như hiển thị trong hình dưới một từ trường quay được tạo ra trong stator khi có dòng điện 3 pha chạy qua. RMF là một khái niệm quan trọng trong máy điện. Chúng ta sẽ xem nó được tạo ra như thế nào ở phần tiếp theo.

Từ trường quay tạo ra bởi một động cơ điện.

4. Khái niệm về từ trường quay RMF (Rotating Magnetic Field)

Để hiểu được hiện tượng tạo ra từ trường quay, tốt nhất nên xem xét dây quấn 3 pha đơn giản với chỉ 3 cuộn dây. Một dây dẫn mang dòng điện tạo ra một trừ trường xung quanh nó. với sự sắp xếp đặc biệt của đây quấn 3 pha, từ trường được tạo ra bởi dòng điện 3 pha sẽ được hiển thị như hình dưới tại 1 thời điểm tức thời riêng biệt.

Từ trường được tạo ra bởi 3 cuộn dây đơn giản và dây dẫn đơn

Dòng điện AC sẽ thay đổi theo thời gian. xét 3 thời điểm được thể hiện ở hình dưới, ở đây do sự thay đổi của dòng điện AC, từ trường cũng thay đổi theo, rõ ràng là mỗi từ trường có một hướng khác nhau ở một thời điểm, nhưng mà độ lớn là giống nhau. Từ 3 thời điểm thì rõ ràng nó giống như một từ trường đang quay đều, tốc độ quay của từ trường được gọi là tốc độ đồng bộ.

Giả sử bạn đang đặt một vòng dây dẫn kín bên trong từ trường quay như vậy. khi từ trường biến thiên thì một điện áp cảm ứng E.M.F được tạo ra trong vòng kín theo định luật Faraday. E.M.F sẽ sinh ra một dòng điện chạy trong vòng dây kín. Do đó giờ đây nó trở thành trường hợp một vòng dây kín có dòng điện đi qua được đặt trong từ trường. Điều này dẫn đến sẽ có một lực điện từ trong dây dẫn kín theo định luật Lorentz, vì vậy vòng dây kín sẽ bắt đầu quay dưới tác dụng của lực điện từ.

Hiện tượng tạo RMF trong đây dẫn kín

 5.Hoạt động của một động cơ điện 3 pha

Hiện tượng tương tự cũng xảy ra bên trong một động cơ điện. Ở đây, thay vì một vòng dây kín đơn giản, một rotor lồng sóc được sử dụng. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn được ngắn mạch 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch.

Rotor lồng sóc thường được sử dụng trong động cơ điện 3 pha

Dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn stator tạo ra một từ trường quay. Do vậy giống như hiện tượng nhắc đến phía trên, dòng điện sẽ được tạo ra trong các thanh dẫn của rotor lồng sóc và nó bắt đầu quay. Bạn sẽ để ý thấy dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn sẽ thay đổi, điều này là do từ thông cắt qua mỗi một cặp thanh dẫn là khác nhau, và hướng khác nhau của chúng. Sự thay đổi của dòng điện trên các thanh dẫn sẽ thay đổi theo thời gian.

RMF tạo ra momen quay rotor như với trường hợp vòng dây kín đơn giản

Đây là lý do tại sao cái tên động cơ điện cảm ứng (induction motor) được sử dụng. Dòng điện trong rotor sinh ra do cảm ứng chứ không phải được cấp trực tiếp. Để hỗ trợ hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra thì các lá thép điện từ được gắn bên trong.

Các lá sắt được dát mỏng để giảm thiểu dòng điện xoáy ở mức nhỏ nhất. Bạn có thể thấy rằng một lợi thế lớn của động cơ điện 3 pha là nó tự khởi động. Bạn hãy để ý đến các thanh dẫn trong rotor. chúng được đặt xiên so với trục quay. Điều này để tránh sự dao động của momen quay. Nếu các thanh dẫn được đặt thẳng song song với trục, sẽ có 1 khoảng thời gian nhỏ momen quay chuyển từ cặp thanh dẫn này sang cặp thanh dẫn tiếp theo, điều này sẽ gây ra dao động moment quay và làm rotor bị giật khi quay. Bằng cách đặt xiên các thanh dẫn rotor, trước khi momen quay được tạo ra bởi cặp thanh dẫn này hết đi thì cặp thanh dẫn khác đi vào hoạt động. Do đó nó tránh được sự dao động momen.

6. Tốc độ quay của Rotor và khái niệm về hệ số trượt

Bạn có thể nhận thấy ở đây là cả hai từ trường và rotor đều quay. Nhưng rotor sẽ quay với tốc độ nào? Để có câu trả lời cho vấn đề này chúng ta hãy xem xét các trường hợp khác nhau. Giả sử tốc độ của rotor giống với tốc độ của từ trường quay. Do tốc độ từ trường quay bằng tốc độ rotor ta có thể thấy rằng khi đó thì rotor sẽ chịu một từ trường không đổi, do đó sẽ không có điện áp cảm ứng E.M.F hay dòng điện cảm ứng được sinh ra trong rotor. Điều này có nghĩa sẽ không có lực điện từ nào sinh ra trong thanh dẫn của rotor, do đó rotor sẽ quay chậm dần. Nhưng tại lúc nó quay chậm dần, rotor sẽ chịu 1 từ trường biến thiên, Do đó, dòng điện cảm ứng và lực sẽ tăng lên lại và rotor sẽ quay nhanh lên. Một cách ngắn gọn, rotor sẽ không bao giờ có thể bắt kịp với tốc độ của từ trường. Nó quay với một tốc độ cụ thể và nhỏ hơn tốc độ đồng bộ. Sự khác nhau của tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor được gọi là hệ số trượt.

7. Năng lượng được chuyển đổi trong động cơ

Năng lượng của chuyển động quay thu được từ rotor thông qua trục rotor.Hiểu một cách ngắn gọn, năng lượng điện đi vào stator của motor và đầu ra là chuyển động quay của rotor tức biến điện năng thành cơ năng.

Nhưng giữa công suất vào và ra, sẽ có một lượng năng lượng bị tổn thất. Tổn thất này được hợp thành từ các loại tổn thất đó là tổn thất do ma sát, tổn thất đồng, dòng điện eddy và tổn thất sắt từ… Tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động của motor được tiêu tán dưới dạng nhiệt, do dó 1 cánh quạt được đặt sau động cơ giúp hạ nhiệt động cơ.