Động cơ điện là thiết bị thiết yếu được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp để biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Các động cơ này tạo ra lực quay do tương tác giữa từ trường của động cơ và dòng điện trong dây quấn động cơ.
Có vẻ đơn giản như chức năng của động cơ điện, rất nhiều nỗ lực vào việc thiết kế và chỉ định các động cơ này cho một số ứng dụng. Một trong những khu vực quan trọng mà các kỹ sư phải xem xét khi thiết kế động cơ là cuộn dây. Chỉ định sai loại, vật liệu và kích thước dây quấn động cơ là những nguyên nhân chính khiến động cơ hoạt động kém.
Bài báo này trình bày thông tin có giá trị về cuộn dây động cơ cũng như một số tính toán cuộn dây động cơ mà người thiết kế phải biết.
Motor Winding là gì?
Dây quấn động cơ trong động cơ điện là dây cách điện quấn quanh lõi từ (thường là sắt mềm nhiều lớp). Các dây dẫn này tạo đường cho dòng điện chạy qua và tạo ra từ trường làm quay rôto của động cơ.
Vật liệu cuộn dây động cơ: Chìa khóa để cải thiện hiệu suất của động cơ điện
Ngày nay, có rất nhiều loại vật liệu làm dây quấn động cơ khiến việc tìm ra loại vật liệu lý tưởng cho một ứng dụng cụ thể có thể rất khó khăn. Theo quy luật, không có vật liệu hoàn hảo cho cuộn dây động cơ: sự lựa chọn phù hợp sẽ phụ thuộc vào ngân sách của nhà thiết kế, độ dẫn điện, mật độ và yêu cầu về tính linh hoạt.
Dưới đây là một số vật liệu làm dây quấn động cơ được ưa chuộng nhất hiện nay:
Vật liệu cuộn dây động cơ #1: Đồng
Đồng là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để chế tạo dây quấn động cơ. Điều này chủ yếu là do độ dẫn điện cao (5,96 x 10 7 S / m) và giá thành tương đối thấp. Các nhà thiết kế thường sử dụng đồng với một lớp tráng men rất mỏng vì nó ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch xảy ra và kéo dài tuổi thọ cũng như hiệu quả của dây.
Tuy nhiên, một thách thức lớn đối với đồng làm vật liệu quấn động cơ là mật độ của nó cao (8,96 g / cm 3 ). Nó có thể không phải là lựa chọn vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu vật liệu nhẹ, chẳng hạn như máy bay và xe điện.
Vật liệu cuộn dây động cơ #2: Nhôm
Nhôm là một vật liệu phổ biến khác được sử dụng để thiết kế cuộn dây động cơ. Với mật độ 2,7 g / cm 3 (gần một phần ba mật độ đồng), nhôm là lựa chọn tốt hơn trong các ứng dụng mà vật liệu nhẹ là chủ yếu.
Tuy nhiên, nhôm có độ dẫn điện thấp hơn (3,69 x 10 7 S / m) so với đồng. Các nhà thiết kế sẽ phải bù đắp cho độ dẫn điện thấp hơn này bằng cách sử dụng một dây nhôm có tiết diện lớn hơn dây đồng tương đương để cung cấp cùng độ dẫn điện và công suất đầu ra. Điều này có nghĩa là các cuộn dây được làm bằng dây nhôm thường sẽ có khối lượng lớn hơn một động cơ dây đồng tương đương.
Vật liệu cuộn dây động cơ #3: Bạc
Dây làm bằng bạc có khả năng dẫn điện cao hơn dây quấn bằng đồng và nhôm. Tuy nhiên, dây bạc không rẻ: chi phí của dây bạc cao hơn đáng kể so với dây đồng hoặc nhôm tương đương.
Vật liệu cuộn dây động cơ #4: Ống nano carbon
Các loại sợi và sợi ống nano cacbon đang trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp động cơ điện; họ đã sẵn sàng để thay thế dây quấn đồng và nhôm trong những năm tới. Những sợi này dẻo hơn và chắc hơn so với dây đồng. Chúng cũng nhẹ hơn (khoảng chín lần) so với một dây đồng tương đương.
Nhưng đây không phải là những mặt tích cực duy nhất của việc sử dụng ống nano carbon làm vật liệu quấn động cơ.
Trong một nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Lappeenranta (LUT) ở Phần Lan, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một nguyên mẫu động cơ điện sử dụng các sợi ống nano carbon dệt làm vật liệu quấn động cơ. Kết quả của họ chỉ ra rằng các nhà thiết kế có thể giảm tổn thất Joule trong cuộn dây động cơ xuống một nửa số máy hiện nay chỉ bằng cách thay thế đồng bằng sợi ống nano carbon.
Một số tính toán cuộn dây động cơ chính
Stato dùng trong động cơ điện có dạng hình trụ, có các rãnh hình nêm. Số lượng rãnh phụ thuộc vào bao nhiêu pha nguồn được cung cấp cho các cuộn dây. Ví dụ, động cơ một pha xoay chiều đơn giản thường có bốn rãnh chứa hai cặp cuộn dây. Ngược lại, động cơ ba pha thường có sáu rãnh chứa ba cặp cuộn dây.
Một trong những cách chính mà các nhà thiết kế có thể tối đa hóa công suất mô-men xoắn trong động cơ là tối đa hóa số lượng dây được đưa vào mỗi rãnh.
Dưới đây là một số tính toán cuộn dây động cơ cần thiết mà các nhà thiết kế nên xem xét.
Slot Fill : là số đo tổng diện tích tiết diện của vật liệu đi vào khe. Những vật liệu này bao gồm dây quấn động cơ, nêm và lót, trong số những vật liệu khác. Nó được thể hiện như sau:
Chú thích:
Aw = Tổng diện tích tiết diện của dây quấn động cơ (bao gồm cả cách điện của dây)
Am = Tổng diện tích mặt cắt ngang của tất cả các vật liệu cách điện
As = Tổng diện tích mặt cắt ngang của rãnh trống
Hệ số slot fill: là tỷ số giữa tiết diện được chiếm bởi dây đồng bên trong stato với tổng diện tích có sẵn trong rãnh trống.
Về mặt lý thuyết, “hệ số lấp đầy rãnh” bằng 1 dẫn đến công suất mô-men xoắn cực đại của động cơ. Nhưng hầu như luôn luôn không thể chế tạo một động cơ đáp ứng yêu cầu này vì dây quấn động cơ để lại các khoảng trống cho dù các nhà thiết kế sắp xếp chúng như thế nào. Phần lớn các thiết kế động cơ ngày nay có hệ số lấp đầy rãnh nằm trong khoảng 0,6 đến 0,70.
Động cơ có hệ số lấp đầy rãnh cao hơn thường khó sản xuất hơn và đắt tiền hơn do các nhà thiết kế yêu cầu dụng cụ chuyên dụng để tạo ra chúng.
————————————————————————-
Trong khi bài viết này cung cấp thông tin hữu ích về cuộn dây động cơ, vẫn còn tồn tại nhiều yếu tố mà các kỹ sư cần xem xét để thiết kế động cơ thành công. Ví dụ, các nhà thiết kế vẫn phải chỉ định loại kết nối cuộn dây động cơ, sự dịch chuyển pha lẫn nhau và loại cuộn dây một pha, trong số những loại khác.
Các kỹ sư nên liên hệ với các nhà sản xuất động cơ điện để thảo luận về các yêu cầu ứng dụng của họ.
