Động cơ điện và trường điện từ

Cuộn dây mang dòng điện tạo ra một từ trường tập trung vào cuộn dây. Hướng và độ lớn của từ trường này thay đổi theo hướng và độ lớn của dòng điện.

Một động cơ DC đơn giản bao gồm một nam châm vĩnh cửu trên stato và một phần ứng gồm một hoặc nhiều vòng dây cuộn. Dây cuộn được cách điện (dây tráng men), bên trong cuộn dây có một lõi sắt từ mềm để tập trung từ trường. Cuộn dây thường quay nhiều vòng quanh lõi; động cơ lớn hơn có thể có một số đường dẫn dòng điện song song trong cuộn dây. Dây ở cuối cuộn dây được nối với một cổ góp. Cổ góp, kết hợp với nguồn điện bên ngoài và chổi than, sẽ chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây khi nó quay (động cơ DC không chổi than sử dụng mạch điện tử để chuyển hướng dòng điện một chiều, do đó loại bỏ sự cần thiết của chổi than).

Cường độ của trường điện từ và lượng dòng điện do phần ứng tạo ra phụ thuộc vào kích thước của cuộn dây và phương pháp cuộn dây.

Trình tự bật hoặc tắt các cuộn dây cụ thể sẽ xác định hướng của trường điện từ hiệu dụng. Một từ trường quay có thể được tạo ra bằng cách bật và tắt các cuộn dây một cách tuần tự. Sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường do nam châm stato (nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện) tạo ra làm cho phần ứng sinh ra mômen quay, khiến nó quay. Một số động cơ DC sử dụng nam châm điện để tạo ra từ trường trong stato của chúng, giúp cải thiện khả năng điều khiển động cơ.

Động cơ DC có công suất-cao hơn được làm mát bằng cách làm mát không khí cưỡng bức.

Số cực của stato, từ trường phần ứng và các kết nối liên kết khác nhau dẫn đến các đặc tính tốc độ/mômen xoắn khác nhau. Tốc độ của động cơ DC có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp trên phần ứng. Kiểm soát tốc độ có thể đạt được bằng cách thêm mạch phần ứng hoặc điện trở thay đổi vào dòng điện kích từ. Động cơ DC hiện đại được điều khiển bởi hệ thống điện tử công suất điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi mức cắt dòng điện một chiều, bật và tắt theo khoảng thời gian cố định để tạo ra điện áp thấp hơn.

Động cơ DC-rotor quấn dây nối tiếp tạo ra mô-men xoắn cực đại ở tốc độ thấp và do đó thường được sử dụng trong các ứng dụng lực kéo, chẳng hạn như đường sắt điện khí hóa. Trong một thời gian dài, động cơ DC đã là động cơ kéo phổ biến cho đầu máy xe lửa chạy bằng điện và diesel, xe điện/xe điện và giàn khoan điện-điêzen. Sự ra đời của động cơ DC và mạng lưới truyền tải điện cho máy móc truyền động vào năm 1870 đã châm ngòi cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ hai. Động cơ DC có thể được cấp nguồn trực tiếp bằng pin sạc, cung cấp các loại xe điện sớm nhất và vận hành nhiều công cụ không dây. Động cơ DC vẫn xuất hiện trong nhiều ứng dụng ngày nay, từ đồ chơi nhỏ hay ổ đĩa cho đến các máy lớn vận hành máy cán thép và máy làm giấy. Động cơ DC lớn với trường kích thích song song được sử dụng trong máy quấn dây của cần cẩu mỏ; khi kết hợp với bộ truyền động thyristor, chúng có thể tạo ra mô-men xoắn lớn và mang lại khả năng điều khiển tốc độ mượt mà. Các ứng dụng này hiện đã được thay thế phần lớn bằng động cơ AC lớn được điều khiển bởi bộ biến tần.