Các động cơ DC nhỏ sử dụng điện một chiều và chuyển đổi thành chuyển động cơ học chính xác bằng cách tận dụng các lực điện từ. Về cơ bản, điều xảy ra là: khi dòng điện chạy qua phần ứng bên trong động cơ, nó gặp phải một trường từ, tạo ra chuyển động quay mà chúng ta đều biết và yêu thích. Những cỗ máy nhỏ gọn này rất phù hợp cho các tình huống mà không gian bị giới hạn và mô-men xoắn cần được điều chỉnh chính xác, đó là lý do vì sao chúng xuất hiện ở khắp mọi nơi, từ điện thoại thông minh đến những chiếc bơm nhỏ trong thiết bị y tế. Một nghiên cứu gần đây về các hệ thống chuyển động công nghiệp vào đầu năm 2024 cho thấy các động cơ này có thể đạt hiệu suất khoảng 90% khi không hoạt động quá tải, chủ yếu do ma sát rất thấp cản trở trong điều kiện tải nhẹ.
Bốn bộ phận quan trọng xác định hoạt động của động cơ một chiều nhỏ:
Khác với động cơ lớn hơn, các loại động cơ một chiều nhỏ sử dụng vật liệu nhẹ như nam châm neodymium và chổi than carbon để tăng độ bền. Như đã nêu trong hướng dẫn kỹ thuật động cơ , các bộ phận này được tối ưu hóa để giảm sự tỏa nhiệt, cho phép hoạt động liên tục trong không gian hạn chế.
Khi nói đến các động cơ một chiều (DC) nhỏ, chúng thường tập trung nhiều hơn vào việc tích hợp công suất mạnh vào không gian hạn chế thay vì tạo ra lượng mô-men xoắn cực lớn. Lấy ví dụ một động cơ tiêu chuẩn 12 volt có công suất định mức khoảng từ 3 đến 50 watt, những động cơ nhỏ này thường quay với tốc độ khoảng 15 đến 200 vòng trên phút. So sánh với các động cơ cỡ công nghiệp có thể xử lý công suất lớn hơn nhiều, thường vượt quá 1 kilowatt, nhưng cần các hệ thống làm mát lớn để tránh quá nhiệt. Điều làm nên sự hữu ích của động cơ nhỏ chính là tính chất nhỏ gọn của chúng. Chúng không cần những bộ phận phụ trợ như quạt làm mát bên ngoài mà các động cơ lớn đòi hỏi, đó là lý do các kỹ sư rất ưa chuộng việc lắp chúng vào nhiều loại thiết bị khác nhau nơi mà không gian đóng vai trò quan trọng. Theo một nghiên cứu được công bố năm ngoái trên một tạp chí điện cơ, các động cơ nhỏ hơn này hoạt động êm ái hơn khoảng 40 phần trăm so với các động cơ lớn hơn. Sự vận hành yên tĩnh này trở nên đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như thiết bị y tế hoặc đồ dùng tiêu dùng, nơi mà không ai muốn nghe thấy những tiếng kêu vo ve khó chịu phát ra từ máy móc của mình.
Động cơ một chiều nhỏ hoạt động bằng cách chuyển đổi điện năng thành chuyển động cơ học dựa trên hiện tượng gọi là lực Lorentz. Về cơ bản, khi dòng điện chạy qua các dây đồng bên trong động cơ (gọi là cuộn dây phần ứng), nó tạo ra một trường điện từ. Trường này sau đó tương tác với các nam châm vĩnh cửu được gắn ở phía ngoài vỏ động cơ. Điều xảy ra tiếp theo khá thú vị — các trường từ này đẩy lẫn nhau, tạo ra mô-men xoắn làm quay trục động cơ theo hướng vuông góc với chiều dòng điện và hướng các đường sức từ. Để duy trì chuyển động quay liên tục, dòng điện được truyền qua các chổi than bằng carbon đến một bộ phận gọi là cổ góp. Bộ phận này chuyển đổi nguồn điện sang các phần khác nhau của cuộn dây phần ứng, giúp động cơ tiếp tục quay tròn thay vì dừng lại sau một vòng quay.
Hệ thống cổ góp - chổi than thực hiện hai chức năng quan trọng:
Nếu không có sự chuyển mạch đồng bộ này, các động cơ một chiều nhỏ sẽ bị dừng sau một phần vòng quay. Nghiên cứu gần đây về điện động lực học cho thấy thiết kế cổ góp tối ưu có thể giảm tia lửa điện tới 40%, từ đó kéo dài tuổi thọ chổi than trong các ứng dụng 12V.
Các mối quan hệ chính chi phối hiệu suất động cơ một chiều nhỏ:
| Thông số kỹ thuật | Ảnh Hưởng đến Hiệu Suất | Lưu ý thiết kế |
|---|---|---|
| Điện áp (6-24V) | Tỷ lệ thuận với tốc độ không tải | Giới hạn nhiệt ở điện áp cao hơn |
| Hiện hành | Xác định đầu ra mô-men xoắn (T = kΦI) | Cỡ dây và vật liệu chổi than |
| Từ thông | Ảnh hưởng đến cả mô-men xoắn và sức điện động phản hồi | Lựa chọn cấp độ nam châm |
Động cơ một chiều nhỏ không lõi đạt tốc độ vượt quá 10.000 vòng/phút với độ rung tối thiểu, trong khi động cơ giảm tốc hành tinh đánh đổi tốc độ để nhân mô-men xoắn lên 15 lần. Các thiết kế hiệu quả duy trì chuyển đổi năng lượng trên 80% trong suốt dải hoạt động.
Các động cơ một chiều nhỏ có chổi than hoạt động cùng với chổi than và cổ góp để tạo ra các kết nối điện. Chúng khá đơn giản và rẻ tiền khi nhìn ban đầu, đó là lý do chúng xuất hiện trong những thứ như máy giặt và các máy bán đồ ăn vặt mà ta thấy ở khắp mọi nơi. Nhưng có một điểm bất lợi. Các chổi than có xu hướng bị mài mòn theo thời gian, vì vậy những động cơ này cần được kiểm tra định kỳ và thay thế linh kiện. Điều này thực sự làm giảm tuổi thọ trước khi động cơ hoàn toàn hỏng hóc. Ở khía cạnh khác, các động cơ một chiều không chổi than hay còn gọi là BLDC, loại bỏ toàn bộ các bộ phận cơ khí đó thông qua việc chuyển mạch điện tử. Không còn ma sát đồng nghĩa với việc các động cơ này có thể vận hành hiệu quả hơn nhiều, đôi khi đạt hiệu suất lên tới khoảng 90%. Các nhà sản xuất thiết bị y tế rất ưa chuộng chúng vì chúng có thể vận hành liên tục hàng nghìn giờ mà không bị hỏng. Một số thiết bị thậm chí đã đạt mốc 10.000 giờ vẫn hoạt động tốt.
Tích hợp bánh răng hành tinh hoặc bánh răng trụ với động cơ DC nhỏ giúp nhân lên mô-men xoắn trong khi vẫn duy trì kích thước nhỏ gọn. Các động cơ giảm tốc cung cấp mô-men xoắn lên đến 2,5 Nm rất phù hợp cho bộ điều chỉnh cửa sổ ô tô, bộ truyền động công nghiệp và robot, nơi chuyển động mạnh trong không gian hạn chế là yếu tố then chốt.
Thiết kế lõi rỗng loại bỏ phần lõi sắt khỏi rô-to, giảm 50% quán tính để thực hiện các chu kỳ khởi động-dừng nhanh trong drone và chi giả. Động cơ kiểu bánh xèo với phần ứng phẳng có độ dày dưới 15 mm, cho phép tích hợp vào thiết bị đeo và cảm biến mini.
Khi làm việc với các động cơ một chiều (DC) nhỏ, điện áp định mức của chúng cần phải phù hợp với nguồn điện mà ta kết nối. Hầu hết các mẫu thương mại hoạt động tốt nhất trong khoảng từ 6 volt đến 24 volt. Nếu cung cấp quá nhiều điện áp cho các động cơ này, chúng có xu hướng bị quá nhiệt khá nhanh. Ngược lại, vận hành chúng ở mức điện áp thấp hơn mức tối thiểu sẽ làm giảm hiệu suất vì động cơ không thể tạo ra đủ mô-men xoắn. Lượng dòng điện tiêu thụ bởi động cơ tỷ lệ thuận với mức độ làm việc của nó. Tải càng lớn thì dòng điện chạy qua hệ thống càng cao, điều này tự nhiên làm tăng cả mức tiêu thụ năng lượng và lượng nhiệt sinh ra. Hãy xem xét một vài con số để làm rõ: lấy một động cơ tiêu chuẩn 12 volt tiêu thụ khoảng 1,6 amp, ta sẽ có công suất đầu ra khoảng 19,2 watt. Việc hiểu rõ các thông số kỹ thuật này giúp các kỹ sư lựa chọn động cơ phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Một động cơ nhỏ có thể xử lý các thiết bị đơn giản hoặc đồ chơi, nhưng những thiết bị lớn hơn sẽ cần thiết cho máy móc nhà máy nơi chế độ hoạt động liên tục là yếu tố quan trọng nhất.
Hiệu suất của các động cơ một chiều nhỏ thường dao động trong khoảng từ 70 đến 90 phần trăm, mặc dù con số này có thể thay đổi tùy theo nhiều yếu tố như ma sát bên trong động cơ, điện trở ở các cuộn dây và tổn thất liên quan đến từ trường. Khi những động cơ này hoạt động liên tục ở nhiệt độ vượt quá 60 độ C (khoảng 140 độ F), sẽ có nguy cơ thực sự xảy ra hiện tượng cách điện bị hỏng hoặc nam châm vĩnh cửu mất từ tính. Quản lý nhiệt tốt đóng vai trò then chốt trong trường hợp này. Những giải pháp như thiết kế vỏ bọc đặc biệt giúp tản nhiệt hiệu quả hơn hoặc đơn giản là cải thiện luồng không khí xung quanh động cơ đều có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ trước khi cần thay thế. Các phiên bản động cơ không chổi than thực tế sinh ra ít nhiệt hơn vì chúng không có các chổi than gây ma sát. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao nhất, ví dụ như trong thiết bị y tế, các mẫu không chổi than thường có thể hoạt động liên tục hơn 5.000 giờ mà không gặp sự cố.
Các động cơ một chiều nhỏ có chổi than thường hoạt động khoảng 1.000 đến 3.000 giờ trước khi các chổi than bắt đầu mài mòn, trong khi các động cơ không chổi than tương ứng có thể dễ dàng vượt quá 10.000 giờ. Khi được lắp đặt ở những nơi có nhiều bụi lơ lửng hoặc độ ẩm cao, những động cơ này được hưởng lợi rất lớn từ các ổ bi kín và các bộ phận làm bằng vật liệu chống gỉ và suy giảm. Để duy trì hoạt động trơn tru, cần thực hiện một số bảo dưỡng cơ bản. Việc vệ sinh bề mặt cổ góp thường xuyên và đảm bảo tất cả các bộ phận chuyển động luôn được bôi trơn đúng cách sẽ góp phần lớn vào việc ngăn ngừa sự cố bất ngờ trên các dây chuyền sản xuất tự động. Đối với phương tiện và các thiết bị vận chuyển khác, các nhà sản xuất thường yêu cầu động cơ có tiêu chuẩn bảo vệ vỏ IP54. Điều này có nghĩa là chúng có thể chịu được nước bắn và bụi bẩn mà không để độ ẩm xâm nhập vào bên trong, đáp ứng hầu hết các yêu cầu của nhà sản xuất về hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt.
Chúng ta phụ thuộc vào động cơ một chiều cỡ nhỏ cho rất nhiều đồ dùng hàng ngày mà thậm chí không nhận ra. Hãy nghĩ đến những thiết bị rung trên điện thoại khi chúng ta nhận thông báo, những đầu quay của bàn chải đánh răng điện, hay những chiếc quạt nhỏ làm mát chúng ta trong những ngày hè nóng bức. Điều gì khiến những động cơ này trở nên tuyệt vời? Chúng đủ nhỏ để lắp vừa các thiết bị cầm tay nhưng vẫn hoạt động hiệu quả bằng pin. Đối với một thiết bị phức tạp như drone, những động cơ mini này giúp giữ thăng bằng giữa không trung đồng thời cho phép camera di chuyển mượt mà từ bên này sang bên kia. Công nghệ tương tự cũng vận hành các hệ thống gimbal mà các nhiếp ảnh gia vô cùng yêu thích. Thật ấn tượng khi xét đến kích thước thực tế rất nhỏ bé của chúng!
Lĩnh vực y tế hiện nay phụ thuộc rất nhiều vào những động cơ DC nhỏ bé này, vốn đang vận hành mọi loại thiết bị thiết yếu, từ các hệ thống truyền insulin đến dụng cụ phẫu thuật robot và cả các bàn điều chỉnh trong phòng MRI. Những động cơ nhỏ này có thể duy trì đầu ra công suất ổn định ngay cả khi chạy chậm, điều này cực kỳ quan trọng để đảm bảo liều lượng thuốc chính xác qua đường truyền tĩnh mạch. Các phiên bản không chổi than đặc biệt hữu ích vì chúng không tạo ra nhiều nhiễu điện có thể làm ảnh hưởng đến các thiết bị y tế nhạy cảm khác ở gần đó. Và thú vị thay, hầu hết các thiết bị chẩn đoán cầm tay hiện nay đều sử dụng loại động cơ DC không lõi. Tại sao? Bởi vì chúng hoạt động rất êm, bệnh nhân hầu như không nhận ra chúng đang chạy trong suốt quá trình kiểm tra và khám bệnh.
Các xe hiện nay thực tế có khoảng từ 30 đến 50 động cơ một chiều nhỏ hoạt động phía sau hậu trường. Chúng đảm nhiệm rất nhiều chức năng mà chúng ta thường xem là hiển nhiên, như điều chỉnh cửa sổ điện, ghi nhớ vị trí ghế ngồi và kiểm soát các khe thông gió trong hệ thống sưởi. Những công nghệ mới hơn còn thú vị hơn nữa. Các nhà sản xuất hiện đang tích hợp động cơ một chiều không chổi than vào các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến để đảm bảo radar được căn chỉnh chính xác và tự động gập gương khi đỗ xe. Những động cơ nhỏ bé này cũng có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt, vận hành ổn định dù ở điều kiện lạnh buốt tới âm 40 độ C hay nóng bỏng lên tới 150 độ. Độ bền như vậy khiến chúng hoàn hảo cho mọi điều kiện thời tiết mà không bị hỏng hóc.
Các động cơ DC nhỏ vận hành mọi thứ, từ những robot công nghiệp hiện đại dùng để gắp và đặt linh kiện cho đến các dự án thí nghiệm cơ bản với Arduino. Một số động cơ nhỏ này thậm chí còn rất bé, với các mẫu có kích thước chỉ khoảng 6mm. Khi nói đến việc thực hiện công việc, các phiên bản động cơ giảm tốc có thể khuếch đại mô-men xoắn lên khoảng 200 lần, nghĩa là chúng dễ dàng nâng được trọng lượng khoảng 5kg trên các cánh tay robot. Ngoài ra còn có các động cơ kiểu pancake quay cực nhanh, đạt tốc độ lên tới 10.000 vòng/phút trong các ứng dụng khoan mạch in (PCB). Hầu hết các nền tảng robot mã nguồn mở hiện nay đều đi kèm tùy chọn động cơ DC dạng mô-đun với các điểm lắp đặt tiêu chuẩn. Điều này chắc chắn đã giúp tiết kiệm thời gian hơn cho cả người chơi lẫn chuyên gia. Việc tạo mẫu thử mất ít hơn khoảng 40% thời gian so với trước đây khi sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn này thay vì phải tự thiết kế giải pháp riêng từ đầu mỗi lần
Tin Tức Nổi BậtBản quyền © 2025 bởi Changwei Transmission (Jiangsu) Co., Ltd — Chính sách bảo mật
EN
