Kết cấu của động cơ đồng bộ ngược với động cơ không đồng bộ, tức là phần cảm được đặt trên phần quay là rotor, còn phần ứng lại được đặt trên phần tĩnh là stator.
Về cấu tạo phần stator của động cơ đồng bộ hoàn toàn giống với động cơ không đồng bộ ba pha. Rotor của động cơ không đồng bộ có hai loại động cơ đồng bộ rotor cực lồi và động cơ đồng bộ rotor cực ẩn.
Động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosφ = 1, và không cần bù công suất phản kháng từ mạng điện 3 pha, làm giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất ở nguồn điện ba pha. Khi làm việc, động cơ điện không đồng bộ ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp do mô men của động cơ điện đồng bộ chỉ tỷ lệ bậc nhất với điện áp ba pha U đặt vào động cơ, trong khi ở động cơ không đồng bộ mô men sinh ra tỷ lệ với bình phương điện áp U2. Vì vậy, khi điện áp nguồn bị sụt thấp do sự cố (trường hợp này dễ xảy ra trên ô tô do nguồn năng lượng lấy từ pin hoặc acquy luôn suy giảm trong quá trình hoạt động), khả năng giữ tải của động cơ đồng bộ lớn hơn. Hơn nữa, hiệu suất của động cơ điện đồng bộ thường cao hơn động cơ không đồng bộ vì động cơ đồng bộ có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn.
Động cơ điện đồng bộ có nhược điểm là kết cấu phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến giá thành cao. Nhưng trên ô tô nguồn một chiều luôn có sẵn vì chúng được lấy từ ắc quy hoặc pin. Mặt khác, việc mở máy của động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn các động cơ khác, và vấn đề điều chỉnh tốc độ chỉ thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện.
Khi công nghệ điện tử và công nghệ vật liệu chưa phát triển, động cơ điện đồng bộ ít được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu cao điều chỉnh tốc
25
độ. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử và công nghệ vật liệu, việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng thông qua các bộ biến đổi để thay đổi tần số của nguồn điện đầu vào động cơ đồng bộ, hay còn gọi bộ biến tần. Động cơ đồng bộ đang làm loại động cơ được sử dụng nhiều trong các loại xe điện hiện nay.
Dưới đây là một số động cơ đồng bộ đã và đang được nghiên cứu để ứng dụng sử dụng trên ô tô điện.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM Motor):
Động cơ đồng bộ có kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng loại vật liệu từ, có mật độ từ cao (độ dư từ lớn), tổn thất từ và độ nhụt từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao, giá thành hạ. Nên nó cạnh tranh tốt với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong dải công suất nhỏ. Có thể chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ra làm hai loại chính:
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine): Các cực từ này có cấu tạo dạng cực từ lồi. Động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ thấp.
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusodial Interior Magnet Machine)
Hình 1-3: Cấu trúc của động cơ SPM (a) và IPM (b,c) Cực từ
26
Động cơ IPM có ứng dụng rộng trong ô tô điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor , dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque). Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện. Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ. Động cơ IPM đang được sử dụng trên dòng xe Nissan Leaf.
Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từtính đan xen nhau.
Hình 1-4: Động cơ từ trởđồng bộ - SynRM
Cấu trúc Rotor được cấu tạo bởi các lá thép định hướng và được phân cách bởi lớp vật liệu từ tính so cho đểtăng từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay. Mô men này do từ thông stator cảm ứng sang rotor có xu hướng sao cho rotor phải quay tựa theo từtrường stator với vị trí từ trở là nhỏ nhất.
27
Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)
Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng/phút.
Hình 1-5: Động cơ từ trở thay đổi - SRM
Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó. Giống với động cơ BLDC, động cơ SRM không thể cấp nguồn trực tiếp từ nguồn DC hay nguồn AC mà phải sử dụng một bộ chuyển mạch điện tử. Kết cấu động cơ đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có độ nhấp nhô mômen (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch. Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ.
Các trung tâm nghiên cứu của các hãng xe nổi tiếng trên thế giới như Ford, Toyota, BMW, Mitsubishi ... đã chế tạo các mẫu xe thử nghiệm cũng như chế tạo các ô tô điện đã và đang được hoạt động trên thế giới. Một số loại động cơ sử dụng trên ô tô điện được trình bày trong bảng sau.
28 Động cơ một chiều Động cơ từ trởthay đổi Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ Hệ thống truyền lực Mẫu xe HEV
29
1.2.2. Đặc tính tốc độ của động cơ và của ô tô điện
Ngoài ưu điểm là không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch nên không phát thải khí CO2, động cơ điện còn có những ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển (với các phương pháp điều khiển tiên tiến có thể điều khiển động cơ dễ dàng, qua đó nâng cao chất lượng động học của ô tô điện), cụ thể là:
- Khả năng đáp ứng mô men nhanh và chính xác. Động cơ điện có khả năng đáp ứng mô men nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong.
- Khả năng đơn giản hóa hệ thống truyền lực trên ô tô. Sử dụng động cơ điện để truyền lực cho ô tô, động cơ có thể được tích hợp bên trong các bánh xe, nên ô tô điện có thể có một, hai hoặc bốn động cơ truyền động.
- Khả năng kiểm soát mô men và công suất của động cơ điện. Khác với động cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượng một cách chính xác và dễ dàng mômen điện từ của động cơ điện bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp của động cơ. Ước lượng được mômen sẽ giúp ta điều khiển chính xác mômen do động cơ sinh ra, điều rất khó thực hiện trên động cơ đốt trong.
- Đặc tính mô men - tốc độ của động cơ điện gần giống với đặc tính làm việc của ô tô.
Vì vậy, động cơ điện ngày nay được ứng dụng nhiều trong hệ truyền động cho ô tô.
Khi cản chuyển động lớn, động cơ cần phát ra mô men lớn để khắc phục mô men cản nên tốc độ không lớn. Khi cản nhỏ, động cơ có thể hoạt động với tốc độ lớn hơn. Động cơ điện có hai vùng tốc độ làm việc:
Vùng tốc độdưới tốc độcơ bản (vùng mômen không đổi)
30
Đối với ô tô, yêu cầu động cơ luôn phải làm việc ở vùng II. Đặc tính làm việc của động cơ điện sẽ có đường công suất ổn định (đường đẳng công suất). Với đặc tính này công suất có thể đạt lớn nhất tại bất kỳ tốc độ nào của động cơ. Khi khởi động, mô men của động cơ tăng lên rất cao, có thể cao hơn đường định mức. Nhưng mô men này chỉ duy trì trong thời gian ngắn, khi công suất đạt đến cực đại thì mô men giảm dần. Cần mở rộng phạm vi làm việc ở vùng công suất động cơ không đổi.
Động cơ điện thường được sử dụng cho 3 nhóm tải sau:
- Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay đổi cùng với tốc độ hoạt động nhưng mô men quay không đổi. Băng tải, lò quay và các bơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men không đổi.
- Tải mô men thay đổi là những tải mà mô men thay đổi khi tốc độ hoạt động thay đổi. Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải mô men thay đổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ).
- Tải công suất không đổi là những tải mà các yêu cầu mô men thường thay đổi ngược với tốc độ. Những máy công cụ là ví dụ điển hình về tải công suất không đổi hoặc chuyển động của ô tô cũng tương tự.
Để chọn công suất cũng như loại động cơ sử dụng ta cần biết những yêu cầu cơ bản sau:
- Đặc tính phụ tải yêu cầu (Pyc(ω), Myc(ω)) và đồ thị phụ tải thay đổi theo thời gian (Pyc(t), Myc(t), ωyc(t)).
- Phạm vi thay đổi tốc độ của phụ tải (ωmin, ωmax). - Loai động cơ dựđịnh chọn.
Hai yếu tố đầu tiên nhằm xác định Pycmax và Mycmax, từđó lựa chọn loại động cơ và công suất động cơ phù hợp với điều kiện làm việc của tải, và có đặc tính điều chỉnh phù hợp với đặc tính thay đổi của tải.
31
- Khi xe chuyển động, nếu gặp cản lớn thì vận tốc xe sẽ giảm dần, nếu cản tác động tới xe nhỏ thì xe có thể chạy ở tốc độ cao. Khi đó, công suất kéo cấp xuống yêu cầu không đổi (P = const).
- Phạm vi thay đổi tốc độ của xe yêu cầu càng cao càng tốt.
- Khả năng khắc phục cản của xe khi hoạt động yêu cầu càng lớn càng tốt.
Hình 1-6: Đặc tính làm việc của ô tô
Để đáp ứng được điều kiện làm việc này của xe đặc tính công suất và mô men của động cơ lý tưởng như trên hình 1-7.
Hình 1-7: Đặc tính làm việc lý tưởng
Công suất của động cơ phải được giữ không đổi trên toàn bộ dải tốc độ. Do đó, mô men và tốc độ sẽ có quan hệ hypebol. Với đặc tính này, công suất lớn
32
nhất có thể đạt tại bất kỳ tốc độ nào của xe, nên nâng cao hiệu suất xe. Tuy nhiên, tại vùng tốc độ thấp, mô men cấp phải được giữ không đổi và không vượt quá giá trị mô men giới hạn phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa bề mặt lốp và đường (giá trị giới hạn là xác định theo điều kiện độ bám). Với đặc tính này, xe sẽ được cung cấp giá trị lực kéo lớn để có thể tăng tốc xe, khởi hành với điều kiện tải lớn (kéo mooc, leo dốc,...).
Với các xe sử dụng động cơ đốt trong hiện nay, có đặc tính mô men và đặc tính công suất của động cơ không phù hợp với đặc tính hoạt động của xe: phạm vi thay đổi tốc độ của động cơ đốt trong nhỏ hơn so với yêu cầu, hệ số thay đổi mô men nhỏ. Đặc tính này xa với đặc tính làm việc lý tưởng của xe. Động cơ đốt trong làm việc bắt đầu từ giá trị tốc độ không tải, giá trị mô men lớn nhất đạt tại giá trị tốc độ ở giữa. Khi tốc độ tăng nhanh thì mo men động cơ giảm xuống và công suất tăng dần sau đó giảm nhanh. Vì vậy tốc độ cho phép lớn nhất giới hạn tại ngay sau tốc độ mà công suất động cơ đạt cực đại. Vì vậy các xe sử dụng động cơ đốt trong cần có thêm hộp số có cấp hoặc vô cấp để có thể tạo ra lực kéo ở bánh xe có dạng đặc tính gần giống với yêu cầu
chuyển động của xe (hình 1-8). Tuy nhiên để đảm bảo khả năng đáp ứng được ở các điều kiện cản khác nhau thì yêu cầu hộp số phải có nhiều cấp số hoặc sử
Công suất Momen n (rpm) C ông s u ấ t (kW ) M o m en ( N m ) a) b)
Hình 1-8: Đặc tính ngoài động cơ đốt trong (a) và đặc tính lực kéo của xe sử dụng hộp số 4 cấp (b) n (rpm) Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Lực kéo lý tưởng L ự c k éo (N )
33
dụng hộp số vô cấp, điều này làm hệ thống truyền lực trên xe khá cồng kềnh, phức tạp.
Với động cơ điện, đặc tính mô men và đặc tính công suất của động cơ điện phù hợp hơn với điều kiện chuyển động của xe. Do động cơ điện có tính chất dễ điều khiển tốc độ nên đặc tính mô men và đặc tính công suất gần giống với đặc tính lý tưởng yêu cầu.
Động cơ điện có thể hoạt động ngay tại giá trị tốc độ bằng không, tăng dần tới giá trị tốc độ cơ bản mà tại đó công suất động cơ điện đạt đến giá trị cực đại. Lúc này giá trịđiện áp đặt vào động cơ tăng tới giá trị giới hạn (điện áp định mức) trong khi dòng điện được giữ tại giá trị không đổi. Trong vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản này, mô men động cơ được giữ không đổi. Trên xe điện thì vùng tốc độ này không cần quá lớn, vì giai đoạn khởi động ban đầu là ngắn. Khi tốc độ động cơ tăng trên vùng tốc độ cơ bản, điện áp cấp vào động cơ được giữ không đổi (tại giá trị định mức) và dòng điện yếu đi. Điều này khiến công suất đầu ra không đổi trong khi mô men và tốc độ có quan hệ hypebol. Đặc tính lực kéo tại các bánh xe khi sử dụng động cơ điện như trên hình 1-9. Khi sử dụng động cơ điện xe có thể khắc phục được các điều kiện
a)
Hình 1-9: Đặc tính động cơ điện (a) và đặc tính lực kéo của xe khi sử dụng động cơ điện (b) L ự c k é o (kN ) b) n (rpm) Lực kéo Lực cản n (rpm) Công suất không đổi M n cơ bản P
34
cản khác nhau với phạm vi thay đổi momen lớn, và phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn.
Các thông số đánh giá khả năng động lực học của xe gồm có:
Công suất: Nói chung công suất của động cơ càng lớn, ô tô càng có tính năng động lực học cao. Tuy nhiên, tính năng động lực học của xe bị giới hạn bởi điều kiện mặt đường mà xe đang hoạt động,
Lực kéo: Quyết định khả năng chuyển động của xe, khả năng động lực học của xe,
Nhân tố động lực học D: Thể hiện khả năng động lực học của xe,
Thời gian tăng tốc từ0 đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa,
Quãng đường tăng tốc đến 100 km/h và đến vận tốc tối đa.
Khả năng động lực học của một xe phụ thuộc vào động cơ, tỉ số truyền của hệ thống truyền lực, phương thức điều khiển tỉ số truyền, bố trí chung của ô tô và phân bố khối lượng trên các cầu xe. Trong các điều kiện hoạt động cụ thể, nó