Điểm Khác Nhau Của Roto Dây Quấn Và Roto Lồng Sóc Là Gì?

Đã bao giờ bạn tự hỏi trái tim của một chiếc máy là gì chưa?

Không phải ổ cứng, cũng chẳng phải bo mạch chủ, mà chính là roto, linh hồn nhỏ bé nhưng mạnh mẽ bên trong mỗi mô-tơ điện. Nhưng khoan, roto không chỉ có một loại. Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng thế giới của roto cũng đa dạng như chính những cỗ máy chúng vận hành. Hôm nay, chúng ta sẽ khám phá hai “ngôi sao” sáng chói trong vũ trụ roto: roto lồng sóc và roto dây quấn.

1. Khái niệm roto dây quấn và roto lồng sóc của motor

Trước khi tìm hiểu về điểm khác nhau của roto dây quấn hay còn gọi là motor cầu trục tời  và roto lồng sóc, chúng ta hãy cùng tìm hiểu xem 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 hoặc động cơ của máy phát điện xoay chiều. Vòng quay của roto là do sự tương tác qua lại giữa các cuộn dây và từ trường quay để tạo ra một momen xoắn quay quanh trục của rotor.

Các loại rotor hiện nay gồm có: Động cơ cảm ứng (động cơ không đồng bộ), máy phát và máy phát điện xoay chiều (động cơ đồng bộ) có 1 hệ thống điện từ bao gồm cả stator và rotor. 

Có 2 thiết kế cho rotor bên trong 1 động cơ cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Trong máy phát điện cũng như máy phát điện xoay chiều, các thiết kế của rotor thường bao gồm có:

a) Rotor lồng sóc của motor (tiếng Anh: squirrel cage rotor)

Rotor lồng sóc bao gồm có nhiều lớp thép bên trong lõi với các thanh bằng đồng hoặc bằng nhôm được xếp cách đều nhau và đặt ở dọc theo trục ngoại vi. Chúng bị chập vĩnh viễn ở 2 đầu khi đến các vòng cuối. Cấu trúc đơn giản và chắc chắn này làm cho rotor được yêu thích và  có mặt trong hầu hết các ứng dụng là vì vậy. 

Việc lắp ráp chỉ có 1 vòng xoắn: Các thanh đồng được xiên, hoặc nghiêng, để giảm âm thanh, tiếng ồn từ tính và làm hài hòa các khe để giảm thiểu xu hướng khóa. Nằm bên trong stator, răng rotor có thể khóa lại khi chúng đạt được số lượng bằng nhau và các nam châm được thiết kế nằm cách đều nhau, quay ngược chiều với nhau theo cả 2 hướng. 

Vòng bi ở mỗi đầu được gắn vào rotor trong vỏ của nó, với 1 đầu của trục được làm nhô ra để cho phép gắn tải. Trong 1 số loại động cơ, có 1 phần mở rộng ở đầu không lái sẽ cho cảm biến tốc độ điều khiển các thiết bị điện tử khác. Các mômen xoắn lúc này sẽ tạo ra lực chuyển động đến tải thông qua các cánh quạt quay.

Đặc điểm: 

• Rotor lúc này sẽ quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay trong stato hoặc là tốc độ đồng bộ. Rotor cung cấp những tín hiệu cảm ứng cần thiết của dòng rotor cho mômen xoắn của động cơ, đồng thời tỷ lệ với độ trượt. 
• Khi tốc độ cánh quạt tăng lên thì độ trượt sẽ giảm. Việc tăng độ trượt cũng sẽ làm tăng dòng điện của động cơ, do đó sẽ làm tăng dòng rotor, điều này dẫn đến tình trạng mômen xoắn cũng cao hơn để tăng cường nhu cầu tải.

b) Motor có rotor dây quấn (tiếng Anh: Wound rotor)

Rotor dây quấn là 1 cục nam châm lớn cùng với các cực được chế tạo ra từ cán thép chiếu chạy ra khỏi lõi rotor. Các cực từ được cung cấp bởi dòng điện một cách trực tiếp hoặc từ hóa bằng 1 cục nam châm vĩnh cửu khác. 

Phần ứng cùng với cuộn dây 3 pha được để nằm trên stator chính là nơi điện áp được cảm ứng. Dòng điện một chiều (ký hiệu là DC), từ 1 bộ kích bên ngoài hoặc từ 1 cầu diode cũng sẽ được gắn trên trục rotor, chúng sẽ tạo ra 1 từ trường và cung cấp năng lượng cho cuộn dây bên trong trường quay. Lúc này dòng điện xoay chiều sẽ cung cấp năng lượng cho các cuộn dây của phần ứng một cách đồng thời.

Đặc điểm:

• Rotor được hoạt động ở tốc độ nhất định không đổi và có dòng điện khởi động thấp hơn. Điện trở ngoài cũng được thêm vào trong mạch rotor, từ đây làm tăng mômen xoắn cho quá trình khởi động.
• Hiệu suất chạy của động cơ sẽ được cải thiện khi sức cản từ bên ngoài giảm xuống mỗi khi động cơ tăng tốc. Mômen xoắn và tốc độ cũng được kiểm soát tốt hơn.

2. Điểm khác nhau của roto lồng sóc và rôto dây quấn

– Loại rôto dây quấn motor: 

• Có loại dây quấn tương tự như dây quấn stato bên trong máy điện loại có công suất trung bình trở lên. Do đó, dây quấn rôto thường dùng là kiểu dây quấn sóng 2 lớp vì bớt được phần dây đầu nối, đồng thời kết cấu dây quấn ở trên rôto càng chặt chẽ hơn. Trong các loại máy điện cỡ nhỏ, người ta thường dùng dây quấn đồng tâm chỉ có 1 lớp. 

• Dây quấn 3 pha của rôto thường được đấu hình sao (chữ Y), 3 đầu còn lại được nối với 3 chiếc vành trượt được làm bằng đồng gắn vào 1 đầu trục, cách điện với nhau cũng như với trục. Thông qua chiếc chổi than và vành trượt, bạn có thể nối dây quấn rôto vào điện trở phụ bên ngoài để có thể cải thiện được tính năng mở máy, thông qua đó, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện được hệ số công suất của máy. 
• Khi đang hoạt động bình thường, dây quấn rôto sẽ được nối ngắn mạch. Cách nối dây của rôto dây quấn vào điện trở bên ngoài và ký hiệu của nó cũng tương tự như trong các sơ đồ điện.
• Dây quấn cũng được đặt trong rãnh của phần lõi thép roto. Dây quấn 3 pha của rôto thường được đấu nối theo hình sao (Y), 3 đầu còn lại thì được nối với 3 vòng trượt làm bằng đồng được cố định ở đầu trục (như hình 8-6a dưới đây), sau đó tỳ lên 3 vòng trượt là 3 chiếc chổi than (như hình 8-6b). 
• Thông qua chổi than, roto dây quấn có thể ghép thêm 1 điện trở phụ hoặc là đưa sức điện động phụ vào bên trong mạch rôto để cải thiện được đặc tính mở máy của chúng, đồng thời điều chỉnh tốc độ động cơ hoặc cải thiện giá trị của cosϕ. Khi làm việc bình thường thì dây quấn rôto cũng sẽ được nối ngắn mạch.

Loại rôto lồng sóc motor: (còn gọi là rôto ngắn mạch)

• Kết cấu của loại dây quấn lồng sóc này rất khác với cuộn dây quấn stato. Loại rôto lồng sóc có công suất đạt giá trị >100kW, ở trong các rãnh của lõi thép có đặt các thanh đồng, trong 2 đầu nối ngắn mạch sử dụng 2 chiếc vòng đồng để tạo thành lồng sóc. 
• Ở động cơ có công suất nhỏ, lồng sóc cũng được chế tạo bằng phương pháp đúc nhôm vào bên trong các rãnh lõi thép rôto, từ đó tạo thành thanh nhôm, còn 2 đầu đúc vòng ngắn mạch. Động cơ điện có rôto lồng sóc còn được gọi là động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc.
• Trong mỗi khe  rãnh của lõi thép rôto được đặt vào phần thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm, còn 2  đầu dài đưa ra khỏi phần  lõi thép. Các thanh dẫn cũng được nối tắt lại với nhau ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch cũng được làm bằng đồng hoặc bằng nhôm để tạo thành một cái lồng (thường gọi là roto lồng sóc) giống như ở hình 8-7a.
• Để cải thiện tính năng mở máy của động cơ, trong các máy điện có công suất tương đối lớn thì phần rãnh rôto thường được làm thành rãnh sâu hoặc có hình dáng lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc). Trong động cơ máy điện cỡ nhỏ, rãnh của roto thường được làm chéo đi 1 góc so với phần tâm trục để cải thiện được dạng sóng s.đ.đ (như hình 8-7b). 

3. Ưu nhược điểm của motor roto lồng sóc và motor rôto dây quấn

Động cơ roto dây quấn:

•  Ưu điểm: Có ưu điểm về quá trình mở máy và khả năng điều chỉnh tốc độ.
• Nhược điểm: Giá thành cao và động cơ vận hành kém tin cậy.

Động cơ roto lồng sóc:

• Ưu điểm: Hoạt động đảm bảo và giá thành rẻ.
• Nhược điểm: Điều chỉnh tốc độ khó và dòng điện khởi động lớn.

Vậy tại sao roto lồng sóc lại bao gồm những lá thép kỹ thuật điện được ghép lệch với nhau mà không phải là ghép thẳng song song và dọc theo trục? Bởi lẽ, làm như vậy sẽ không cho từ trường stator cắt qua các thanh dẫn 1 góc 90 độ. Các rãnh của rotor lồng sóc cũng được ghép lệch với nhau nhằm mục đích triệt tiêu lực điện từ các họa tần bậc cao và làm cho roto quay được êm hơn.

4. Làm sao để điều chỉnh tốc độ của động cơ kiểu roto dây quấn?

Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu:

• Trên stato: Bằng cách thay đổi điện áp đưa vào trong dây quấn stato, chúng ta có thể thay đổi số đôi cực của dây quấn stato hoặc thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ.
• Trên rôto: Tiến hành thay đổi điện trở hoặc mắc nối tiếp trên mạch của rôto 1 hay nhiều chiếc máy điện (còn gọi là nối cấp).
• Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi các số đôi cực. Động cơ điện không đồng bộ khi làm việc bình thường thì sẽ có hệ số trượt (s) nhỏ nên n ≈ n1 = 60f1/ p.
• Khi tần số f1 = const, tiến hành thay đổi p thì sẽ thay đổi được tốc độ n (tốc độ tỷ lệ nghịch cùng với số đôi cực p). Dây quấn stato lúc này có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì tốc độ động cơ sẽ có bấy nhiêu cấp.
• Như vậy tốc độ của động cơ chỉ có thể thay đổi theo từng cấp, nhưng không bằng phẳng. Có nhiều cách để thay đổi các số đôi cực của dây quấn stato, chẳng hạn như đổi cách nối để có được các số đôi cực khác nhau, đây là cách dùng trong động cơ điện có 2 cấp tốc độ.

5. Ứng dụng của rotor lồng sóc và rotor dây quấn trong các lĩnh vực cụ thể

Rotor lồng sóc và rotor dây quấn là hai loại rotor phổ biến được sử dụng trong các động cơ điện, máy phát điện và máy biến áp. Chúng có ưu nhược điểm khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

5.1 Công nghiệp

Trong lĩnh vực công nghiệp, cả hai loại rotor đều được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị như máy bơm, quạt, máy nén khí, băng tải, máy công cụ và các máy móc công nghiệp khác.

Rotor lồng sóc thường được dùng cho các máy công suất lớn, tốc độ cao như máy bơm, quạt gió công nghiệp, máy nén khí piston… nhờ khả năng chịu tải tốt. Trong khi đó, rotor dây quấn phù hợp với các máy công suất trung bình, tốc độ thấp hơn như máy kéo, máy cắt kim loại, băng tải… do chi phí thấp hơn.

5.2 Giao thông vận tải

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, rotor dây quấn được ứng dụng nhiều hơn cho các phương tiện như xe điện, xe nâng hàng, tàu điện, tàu hoả… do khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn. Trong khi đó, rotor lồng sóc chủ yếu dùng cho các máy phát điện trên tàu thuỷ, máy bay.

5.3 Nông nghiệp

Trong nông nghiệp, cả hai loại rotor đều có thể được tìm thấy trong các thiết bị như máy bơm tưới tiêu, máy gặt đập liên hợp, máy cày, máy xới… Tùy theo yêu cầu về công suất và điều kiện làm việc mà rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn sẽ được lựa chọn.

5.4 Gia dụng

Trong các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy sấy, điều hoà, quạt điện, máy hút bụi… thì rotor dây quấn là lựa chọn phổ biến hơn nhờ kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp. Trong khi đó, rotor lồng sóc hiếm khi được sử dụng trong các thiết bị gia dụng.

5.5 Ví dụ cụ thể một số thiết bị sử dụng hai loại rotor:

**Rotor lồng sóc:**

– Máy giặt Samsung Inverter: sử dụng rotor lồng sóc cho động cơ inverter công suất lớn, tốc độ cao.

– Quạt công nghiệp Panasonic: sử dụng rotor lồng sóc chịu tải tốt ở tốc độ cao.

– Máy bơm nước Pentax: rotor lồng sóc cho độ bền và độ tin cậy cao.

**Rotor dây quấn:**

– Xe nâng điện Toyota: sử dụng rotor dây quấn nhẹ, gọn, chi phí thấp.

– Cần cẩu Liebherr: rotor dây quấn đáp ứng tải trọng vừa phải.

– Máy tời Palfinger: rotor dây quấn đảm bảo hoạt động êm, bền.

Như vậy, tùy thuộc vào đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật và chi phí của từng thiết bị mà rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn sẽ được lựa chọn phù hợp. Cả hai loại rotor này đều có những ưu điểm riêng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.