Starter motor​: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách phân loại

Nếu như động cơ được coi là “trái tim” của xe thì starter motor đóng vai trò thiết yếu để động cơ vận hành trơn tru, an toàn và giảm thiểu tiêu hao công suất trong quá trình mở máy. Để tìm hiểu về cấu tạo, cách starter motor hoạt động, bạn hãy theo dõi bài viết sau của BTB Electric. 

Tìm hiểu về Starter motor

Khái niệm Starter motor

Starter motor (Bộ khởi động động cơ) là một thiết bị điện được sử dụng cho các phương tiện có động cơ đốt trong để khởi động hoặc dừng động cơ một cách an toàn. Đây là bộ phận hoạt động đầu tiên trong hệ thống động cơ khi vặn chìa khóa hoặc khởi động đánh lửa. 

Bộ khởi động động cơ hoạt động tương tự một rơ le, ngoài chức năng đóng/ngắt nguồn điện còn cung cấp khả năng bảo vệ điện áp thấp và quá dòng. Về vị trí lắp đặt, Starter motor thường được đặt ở phía sau động cơ để cố định động cơ và các bộ phận liên quan khi xe chuyển động. Tuy nhiên, vị trí này có thể thay đổi tùy theo kiểu xe và hãng xe.

Chức năng chính của Start motor:

• Khởi động/dừng động cơ an toàn
• Đảo ngược hướng động cơ
• Bảo vệ động cơ trước điện áp thấp và quá dòng

Lịch sử phát triển bộ khởi động động cơ

Trước đây, động cơ được khởi động bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm lò xo lên cót, xi lanh thuốc súng và các kỹ thuật dùng sức người như tay quay có thể tháo rời. Tuy nhiên, các phương pháp này rất bất tiện, khó khăn và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm.

Bộ khởi động điện đầu tiên trên thế giới được lắp trên Arnold – phiên bản ô tô đầu tiên được sản xuất tại Vương quốc Anh do kỹ sư điện Herbert John Dowsing chế tạo.

Đến năm 1911, Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động điện và sử dụng trên xe Cadillac vào năm 1912, tích hợp động cơ điện, máy phát điện và hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện, góp phần hiện đại hóa những chiếc ô tô thời đó.

Năm 1949, Chrysler – “Big 3” nhà sản xuất ô tô tại Hoa Kỳ chính thức cải tiến công tắc khởi động đánh lửa kết hợp vận hành bằng chìa khóa thay thế cho cách vận hành bằng nút nhấn gắn trên sàn hoặc bảng điều khiển. Một số dòng xe cũng được thiết kế bàn đạp ở sàn để khớp thủ công bánh răng dẫn động khởi động với bánh răng vành bánh đà, sau đó hoàn thành mạch điện đến động cơ khi bàn đạp đạt đến cuối hành trình. 

Cấu tạo bộ khởi động động cơ

Bộ khởi động động cơ trong hệ thống khởi động – không chỉ là một động cơ điện. Về cơ bản, bộ khởi động này được cấu thành từ 2 bộ chính phối hợp với nhau để điều khiển và bảo vệ động cơ gồm contactor và rơ le quá tải:

• Contactor: Có chức năng Bật/Tắt nguồn điện cung cấp cho động cơ bằng cách đóng hoặc ngắt các cực tiếp điểm.
• Rơ le quá tải: Quá nhiệt và quá dòng có thể gây hư hỏng cho động cơ. Rơ le quá tải có chức năng ngăn điều này xảy ra, cũng như bảo vệ động cơ khỏi mọi nguy hiểm tiềm ẩn.

Tương ứng, Starter motor thường có 2 mạch được nối vào:

• Mạch nguồn: Truyền điện áp chính đến động cơ thông qua các tiếp điểm khởi động và rơ le quá tải. 
• Mạch điều khiển: Có chức năng vận hành cuộn dây contactor, tạo ra một trường điện từ, cho phép đóng ngắt các tiếp điểm nguồn và thao tác một số hoạt động từ xa.

Phân tích một cách chi tiết, bộ khởi động động cơ bao gồm một động cơ DC, một cơ cấu truyền động và một công tắc từ được gọi là solenoid.

• Vỏ động cơ: Lớp bảo vệ bên ngoài bộ khởi động, thường được làm bằng kim loại để tăng khả năng chống chịu tác động cơ học hoặc ảnh hưởng bởi vật liệu ăn mòn. Trong hầu hết các bộ khởi động, lớp vỏ đều được tách thành 2 mảnh và được kết nối với nhau bằng bu lông dài.

• Nam châm điện: Có nhiệm vụ cung cấp từ thông để quay phần ứng. Nam châm gồm các lớp dây đồng quấn quanh lõi từ hoặc đế cực. Ở một số bộ khởi động, nam châm vĩnh cửu được sử dụng thay thế cho nam châm điện.

• Phần ứng động cơ (rotor): Khi động cơ hoạt động, phần ứng sẽ quay. Bộ phận này gồm các dây đồng quấn quanh lõi từ, bộ phận chuyển mạch để dẫn dòng điện đến các cuộn dây và trục để giữ các bộ phận khi phần ứng quay. Trục kết thúc bằng ổ trục để làm trơn vòng quay và bánh răng dẫn động trong một số bộ khởi động.

• Chổi khởi động: Được sắp xếp xung quanh bộ góp điện và được giữ trong giá đỡ chổi than, dùng để kết nối với mạch điện đưa dòng điện đến động cơ. Chổi than có nhiệm vụ truyền dòng điện đến cuộn dây phần ứng, thường được làm bằng carbon hoặc graphite và có khả năng bị mòn theo thời gian.

• Ổ đĩa Bendix: Đây là bộ phận truyền chuyển động quay của động cơ đến bánh răng vành bánh đà. Ổ đĩa Bendix bao gồm một bánh răng pignon và một phương pháp đẩy bánh răng về phía bánh đà. Trong một số trường hợp, Bendix sử dụng quán tính để khớp với bánh đà. Phần lớn các bộ khởi động hiện nay đều có cơ cấu vận hành bằng solenoid, có một bộ ly hợp chạy quá tốc độ để ngăn động cơ dẫn động.

• Solenoid: Bộ phận quan trọng của cụm khởi động, bao gồm 1 bộ cuộn dây, một pít-tông và các tiếp điểm giúp chuyển đổi dòng điện, kết nối động cơ và ắc quy trực tiếp.

• Đòn bẩy: Là phần cánh tay đòn chẻ đôi có trong động cơ khởi động bằng điện từ. Đòn bẩy di chuyển ổ bánh răng để khớp với bánh đà và trở lại khi động cơ có thể tự chạy. 

Tại sao động cơ cần có bộ khởi động?

Thông thường khi khởi động, dòng điện có thể tăng gấp 5 – 8 lần dòng định mức. Dòng khởi động lớn làm hỏng hoặc đốt cháy các cuộn dây của động cơ, gây sụt áp đường dây và ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Vì vậy, bộ khởi động động cơ được sử dụng để giới hạn dòng điện khởi động, bảo vệ động cơ và các thiết bị liên quan khỏi quá tải cho đến khi động cơ đạt đến tốc độ nhất định để hoạt động ở dòng điện định mức.

Mặc dù các động cơ nhỏ công suất dưới 1HP có trở kháng cao, có thể chịu được dòng khởi động lớn nhưng vẫn cần hệ thống bảo vệ quá dòng được cung cấp bởi bộ khởi động trực tiếp DOL (Direct Online). 

Ngoài ra, Starter motor thường được tích hợp cơ chế bảo vệ quá tải, giúp ngắt động cơ trước các sự cố quá tải, ngắn mạch hoặc mất pha, từ đó đảm bảo an toàn cho động cơ. Chưa kể, việc khởi động hoặc dừng động cơ một cách an toàn cũng giảm thiểu được các tác động cơ học và điện từ, giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ. 

Starter motor hoạt động như thế nào?

Một bộ khởi động động cơ thường hoạt động theo quy trình như sau:

• Giai đoạn 1: Động cơ chứa phần ứng quay bên trong một từ trường. Trục phần ứng kết thúc bằng một bánh răng (hoặc bộ bánh răng). Khi bật chìa khóa đánh lửa hoặc nhấn nút khởi động động cơ, một dòng điện chạy qua mạch đánh lửa và kích hoạt rơ le khởi động. Rơ le sau đó sẽ gửi tín hiệu đến solenoid khởi động.
• Giai đoạn 2: Cuộn dây điện từ bộ khởi động hoạt động như một công tắc hoặc rơ le cho phép dòng điện chạy từ ắc quy trực tiếp đến động cơ. Cuộn dây điện từ cũng di chuyển đòn bẩy, đẩy bánh răng pignon ăn khớp với bánh răng vành trên bánh đà hoặc đĩa mềm. Hai hoạt động này xảy ra gần như đồng thời. Sau đó, động cơ quay bánh đà và bắt đầu quá trình khởi động.
• Giai đoạn 3: Khi nhả chìa khóa đánh lửa, mạch đánh lửa ngừng gửi dòng điện và rơle khởi động ngắt nguồn điện đến solenoid. Khi solenoid khởi động không có dòng điện chạy qua sẽ mất từ ​​tính và nhả pít-tông.
• Giai đoạn 4: Pít tông trở về vị trí cũ, ngắt mạch động cơ và kéo bánh răng dẫn động ra khỏi bánh đà hoặc tấm uốn cong. Lúc này, động cơ có thể tự chạy.

Trong một số động cơ, nguyên lý quán tính được sử dụng để làm bánh răng di chuyển dọc theo trục có khía xoắn ốc. Ngay khi động cơ khởi động, tốc độ quay của bánh đà sẽ cao hơn bánh răng. Một lò xo trên trục hấp thụ cú sốc khi khớp và nhả khớp.

Ở hầu hết các bộ khởi động hiện đại, một solenoid được sử dụng để di chuyển bánh răng pignon ăn khớp với bánh đà hoặc flexplate. Để ngăn chặn sự ăn khớp mạnh, động cơ không quay ở tốc độ cao ngay từ đầu mà chỉ tăng tốc sau khi bánh răng pignon đã ăn khớp với bánh đà. Trong các loại này, bộ ly hợp một chiều cũng được lắp đặt để ngăn bánh đà quay và làm hỏng động cơ.

Cách phân loại bộ khởi động động cơ

Starter motor được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. 

Theo loại nam châm

• Bộ khởi động sử dụng nam châm điện: Ưu điểm của loại này là tốc độ khởi động mạnh, không cần bộ truyền động giảm tốc. Tuy nhiên lại dễ làm phồng pin và cạn pin. 
• Bộ khởi động sử dụng nam châm vĩnh cửu: Thay vì nam châm điện, một nam châm vĩnh cửu được lắp trong bộ khởi động dạng này để quay phần ứng. Ưu điểm là cấu trúc khá nhỏ gọn và đa ứng dụng. 

Theo cơ chế khởi động

• Bộ khởi động thủ công: Có một nút (hoặc núm xoay) cho phép người dùng bật hoặc tắt động cơ. Loại này không ngắt mạch điều khiển trong trường hợp mất điện nên có thể gây nguy hiểm cho một số ứng dụng do động cơ tự động khởi động lại khi điện áp đầu vào được phục hồi.

• Bộ khởi động từ (DOL): Hoạt động dựa vào việc cấp điện cho cuộn dây để đóng và giữ các tiếp điểm với 2 nút nhấn đơn giản để khởi động và dừng động cơ. Nếu mất điện, bộ khởi động từ sẽ tự động ngắt mạch, các tiếp điểm giữ cũng sẽ mở ra để ngắt nguồn động cơ. DOL có ưu điểm là nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí lắp đặt. Tuy nhiên do không có bộ giảm điện áp để khởi động động cơ an toàn nên dòng khởi động cao có thể gây hư hỏng cuộn dây và sụt áp đường dây. Do đó, động cơ DOL được giới hạn ở mức dưới 5HP.

• Bộ khởi động điện áp không đảo ngược (FVNR): Yêu cầu khởi động lại khi mất điện hoặc xảy ra sụt áp khiến contactor ngừng hoạt động. Bộ khởi động này cũng có thể được đấu dây để khởi động lại động cơ tự động.

• Bộ khởi động đảo ngược điện áp toàn phần (FVR): Được sử dụng cho các ứng dụng mà động cơ yêu cầu chạy theo cả 2 hướng, đồng thời có thể đảo chiều bằng nút nhấn có tiếp điểm giữ hoặc công tắc chọn được duy trì. Bộ khởi động này kết hợp với 2 contactor từ tính liên động cơ học, có nhiệm vụ ngăn không cho cả hai contactor đóng cùng lúc. Các pha được hoán đổi cho hướng thuận và ngược.

• Bộ khởi động biến áp tự động (RVAT): Được sử dụng để khởi động các động cơ công nghiệp lớn nhờ khả năng cung cấp mô-men xoắn khởi động cao nhất với dòng điện khởi động thấp nhất, phù hợp với cả động cơ được kết nối sao và tam giác.

• Bộ khởi động sao – tam giác: Bộ khởi động cơ bản, giúp làm giảm dòng điện khởi động cho động cơ. Trong quá trình khởi động, các cuộn dây được kết nối theo hình sao để giảm điện áp trên mỗi cuộn dây và giảm mô-men xoắn. Khi động cơ đạt đến tốc độ nhất định, các cuộn dây được kết nối theo cấu hình tam giác và duy trì cho đến khi có lệnh dừng.

• Bộ khởi động mềm: Sử dụng một loạt bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) hoặc thyristor để giới hạn điện áp ở mức phù hợp cho động cơ khi bắt đầu khởi động. Các SCR này có trạng thái BẬT, cho phép dòng điện chạy qua và trạng thái TẮT để kiểm soát và giới hạn dòng điện. Khi bật máy, các SCR sẽ kích hoạt, giới hạn điện áp, sau đó “nhả” khi động cơ đạt công suất tối đa. 

• Biến tần (VFD): Là một thiết bị điện tử được sử dụng để thay đổi tần số của điện áp AC nhằm điều chỉnh tốc độ của động cơ AC. Biến tần cung cấp khả năng điều khiển khởi động/dừng, tăng tốc/giảm tốc và bảo vệ quá tải. Tuy nhiên, bộ khởi động này tương đối đắt và có thể tạo ra sóng hài ảnh hưởng đến hệ số công suất và chất lượng điện.

Một số câu hỏi về bộ khởi động động cơ

Câu hỏi 1: Tuổi thọ trung bình của starter motor là bao lâu?

Trả lời: Tuổi thọ trung bình của bộ khởi động động cơ ô tô thường dao động từ 160.000 đến 250.000 km. Tuy nhiên, tuổi thọ thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tần suất sử dụng, điều kiện vận hành và cách bảo dưỡng. 

Câu hỏi 2: Dấu hiệu nào cho thấy bộ khởi động động cơ sắp hỏng?

Trả lời: Nếu động cơ của bạn rơi vào 5 trường hợp sau đây, khả năng cao bộ khởi động đã có vấn đề: 

• Khó khởi động hoặc không khởi động, phải đề nhiều lần mới nổ máy. 
• Động cơ khởi động mà xe không nổ máy. 
• Xuất hiện tiếng kêu lạ khi khởi động như tiếng rít, tiếng lách cách. 
• Đèn trên xe mờ hoặc tắt khi khởi động.
• Xuất hiện mùi khét hoặc có khói trắng bốc ra từ ống xả.

Trong các tình huống này, hãy đưa xe đến gara để được kiểm tra và sửa chữa kịp thời. 

Câu hỏi 3: Bộ khởi động có làm hao pin không?

Trả lời: Mặc dù starter motor yêu cầu dòng điện đột biến ở giai đoạn khởi động nhưng quá trình này chỉ diễn ra trong vài giây ngắn ngủi, rất khó để làm cạn kiệt nguồn điện từ ắc quy. Trừ khi bộ khởi động động cơ có vấn đề trong thời gian dài mà không được khắc phục. Nếu ắc quy bị hao điện đáng kể, trước hết hãy xác nhận tình trạng của bình ắc quy, sau đó mới kiểm tra bộ khởi động.