Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ. Động cơ đồng bộ thơng thường cĩ cuộn dây quấn phần ứng và cuộn dây quấn kích từ ở rotor được cấp dịng điện một chiều qua chổi than và vành trượt. Điều đĩ gây tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ máy. Đây là lý do chính đỏi hỏi phải phát triển PMSM. Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thơng thường như đã trình bày ở trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ một chiều, chổi than vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu. Vì thế máy PMSM cần phải cĩ sđđ cảm ứng hình sinh, dịng điện phải cĩ dạng hình sin để tạo ra mơ men điện từ khơng đổi giống như ở máy đồng bộ thơng thường. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) cĩ rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác đang sử dụng cho truyền động điện xoay chiều. Ở động cơ dị bộ dịng stator vừa để tạo từ trường vừa để tạo mơ men, Khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở rotor, động cơ PMSM khơng cần cấp một dịng điện kích từ qua stator để tạo từ thơng khơng đổi ở khe hở khơng khí, dịng

54

stator chỉ cần để tạo mơ men. Như vậy, với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số cos lớn vì khơng cần dịng kích từ, dần đến hiệu suất động cơ sẽ cao hơn. Ngồi động cơ PMSM cĩ cấu tạo như trên cịn cĩ một loại động cơ đơng bộ thuộc nhĩm động cơ một chiều khơng cĩ cổ gĩp (BLDC). Sự khác biệt giữa động cơ PMSM và động cơ BLDC ở chỡ: dạng của sđđ cảm ứng trong cuộn dây stator của BLDC cĩ dạng hình thang cịn của PMSM cĩ dạng 23 hình sin. Sự khác nhau về cấu tạo cuộn dân stator ở 2 loại máy này quyết định dạng sức phản điện động của cuộn dây.

-CẤU TẠO CỦA PMSM Về cơ bản cấu tạo của PMSM cũng gần giống như động cơ đồng bộ thơng thường. Stato của PMSM giống như động cơ đồng bộ thơng thường đều sử dựng các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau. Bên trong cĩ xẻ rảnh để đặt dây quấn. Động cơ PMSM cĩ 3 cuộn dây quấn phân tán hình sinh trên chu vi stato. Ba cuộn dây được cấp 3 điện áp xoay chiều. Dạng dịng điện trong cuộn dây là hình sin hoặc gần hình sn. Sự phân bố từ thơng ở khe hở khơng khí cĩ dạng hình sin hoặc gần hình sin. Rotor của PMSM là một nam châm vĩnh cửu đƣợc cấu trúc sao cho sự phân bố độ tự cảm (hoặc mật độ từ thơng) là hình sin. Các thanh nam châm đƣợc làm bằng đất hiếm ví dụ như Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium Iron Boride (NdFeB). Cĩ suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong (cực ẩn) hoặc bên ngồi (cực lồi) lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao. Nhất là khi làm việc với tốc độ cao thì khe hở khơng khí giữa các nam châm cĩ thể đắp bằng vật liệu từ sau đĩ bọc bằng vật liệu cĩ độ bền cao như sợi thủy tinh hoặc bắt vít lên các thanh nam châm

Ta chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ra thành hai loại:

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cĩ từ thơng dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngồi (SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine): Các cực từ này cĩ cấu tạo dạng cực từ lồi. Động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ thấp.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cĩ từ thơng dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Simusodial Interior Magnet Machine)

55

Hình 3.3. Động cơ PMSM cực lồi (trái) và cực ẩn (phải) 1-Lõi thép stator

2-Rotor

3-Nam châm vĩnh cửu

3.2.4.Động cơ cảm ứng (IM)

Động cơ cảm ứng hay cịn gọi là động cơ khơng đồng bộ được sử dụng trong EV đời đầu như GM EV1 [23] cũng như các mẫu hiện tại như Teslas [54,74]. Trong số các hệ thống truyền động động cơ khơng cổ gĩp khác nhau, đây là hệ thống hồn thiện nhất [2. Điều khiển định hướng từ trường cĩ thể làm cho một IM hoạt động giống như một động cơ DC được kích từ độc lập bằng cách tách điều khiển từ trường và điều khiển mơ men xoắn của nĩ. Sự suy yếu từ thơng cĩ thể mở rộng phạm vi tốc độ trên tốc độ cơ bản trong khi giữ cơng suất khơng đổi [30], điều khiển định hướng trường cĩ thể đạt được phạm vi từ ba đến năm lần tốc độ cơ bản với IM được thiết kế phù hợp [76]. Động cơ xoay chiều ba pha, bốn cực với rơto đồng được sử dụng trong các xe điện hiện tại. Các đặc điểm của IM được thể hiện trong Hình 3. 3.

56

Hình 3.4. Đặc tính truyền động động cơ cảm ứng. Mơ men xoắn cực đại được duy trì cho đến tốc độ cơ bản, và sau đĩ giảm theo cấp số nhân [4].

3.2.5.Động cơ điện trở chuyển mạch (SRM)

SRM là động cơ đồng bộ được điều khiển bởi dịng điện đơn cực do biến tần tạo ra. Chúng cĩ cấu trúc cơ học đơn giản và mạnh mẽ, chi phí thấp, tốc độ cao, ít rủi ro hơn, dải cơng suất dài khơng đổi vốn cĩ và mật độ cơng suất cao hữu ích cho các ứng dụng EV. PM khơng cần thiết cho các động cơ như vậy và tạo điều kiện cho độ tin cậy được nâng cao cùng với khả năng chịu lỡi. Mặt khác, chúng rất ồn do bản chất mơmen thay đổi, cĩ hiệu suất thấp, và cĩ kích thước và trọng lượng lớn hơn khi so sánh với máy PM. Mặc dù những chiếc máy như vậy cĩ một xây dựng, thiết kế và điều khiển của chúng khơng dễ dàng do hiệu ứng rìa của các khe và cực và độ bão hịa cao của các đầu cực [4,23,30,70]. Vì những nhược điểm như vậy, những chiếc máy này đã khơng phát triển nhiều như PM hoặc máy cảm ứng. Tuy nhiên, do các vật liệu đất hiếm cần thiết trong máy PM cĩ chi phí cao, sự quan tâm đến SRM ngày càng tăng. Các SRM tiên tiến như loại được Nidec trình diễn vào năm 2012 cĩ hiệu

57

suất gần như máy cố định bên trong (IPM) với chi phí thấp. Giảm tiếng ồn và độ gợn mơ men xoắn là những mối quan tâm chính trong các nghiên cứu liên quan đến SRM [23]. Một trong những cấu hình được đưa ra từ các nghiên cứu này sử dụng hệ thống stato kép, cung cấp quán tính và tiếng ồn thấp, mật độ mơ men xoắn vượt trội và tăng phạm vi tốc độ so với SRM thơng thường [77,78]. Thiết kế bằng cách phân tích phần tử hữu hạn cĩ thể được sử dụng để giảm tổng tổn thất [79], điều khiển bằng chế độ trượt mờ cũng cĩ thể được sử dụng để giảm hiện tượng nhiễu điều khiển và quản lý phi tuyến của động cơ [80].

3.2.6 Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM)

Động cơ từ trở đồng bộ chạy ở tốc độ đồng bộ đồng thời kết hợp các ưu điểm của cả động cơ PM và động cơ cảm ứng. Chúng mạnh mẽ và cĩ khả năng chịu lỡi như IM, hiệu quả và nhỏ giống như động cơ PM, và khơng cĩ nhược điểm của hệ thống PM. Chúng cĩ một chiến lược điều khiển tương tự như chiến lược của động cơ PM. Các vấn đề với SynRM cĩ thể được chỉ ra như những vấn đề liên quan đến khả năng điều khiển, sản xuất và hệ số cơng suất thấp cản trở việc sử dụng nĩ trong EV. Tuy nhiên, các nghiên cứu vẫn đang được tiến hành và một số tiến bộ cũng đạt được, lĩnh vực quan tâm chính là thiết kế rơto. Một cách để cải thiện động cơ này là tăng độ mặn để cung cấp hệ số cơng suất cao hơn. Nĩ cĩ thể đạt được bằng các cấu trúc rơto nhiều lớp dọc trục hoặc ngang, cách sắp xếp như vậy được thể hiện trong Hình 3.4. Các kỹ thuật thiết kế cải tiến, hệ thống điều khiển và chế tạo tiên tiến cĩ thể giúp nĩ tiến vào các ứng dụng EV [23].

58

Hình 3.5. SynRM với rơto nhiều lớp dọc trục [23]

3.2.7.Động cơ từ trở đồng bộ cĩ hỗ trợ PM

Hệ số cơng suất lớn hơn cĩ thể đạt được từ SynRM bằng cách tích hợp một số PM trong rơto, tạo ra động cơ điện trở đồng bộ cĩ hỡ trợ PM. Mặc dù nĩ tương tự như IPM, các PM đã sử dụng số lượng ít hơn và các liên kết thơng lượng từ chúng cũng ít hơn. PMs được thêm đúng lượng vào lõi của rơto làm tăng hiệu suất với EMF trở lại khơng đáng kể và ít thay đổi đối với stato. Khái niệm này khơng cĩ các vấn đề liên quan đến khử từ do quá tải và nhiệt độ cao được quan sát thấy trong IPM. Với kỹ thuật tối ưu hĩa hiệu quả thích hợp, động cơ này cĩ thể cĩ hiệu suất tương tự như động cơ IPM. Một SynRM hỡ trợ PM thích hợp cho việc sử dụng xe điện đã được BRUSA Elektronik AG (Sennwald, Thụy Sĩ) chứng minh. Giống như SynRM, được hỡ trợ bởi PM SynRM cũng cĩ thể trở nên tốt hơn với các kỹ thuật thiết kế cải tiến, hệ thống điều khiển và hệ thống sản xuất tiên tiến [23]. Hình 3.6 minh họa rơto của SynRM được PM hỡ trợ.

59

Hình 3.6. Nam châm vĩnh cửu (PM) hỡ trợ SynRM. Nam châm vĩnh cửu được nhúng trong rơto [23]

3.2.8.Động cơ nam châm vĩnh cửu khơng lõi sắt thơng lượng hướng trục

Theo [70], động cơ này là động cơ tiên tiến nhất được sử dụng trong xe điện. Nĩ cĩ một cánh quạt bên ngồi khơng cĩ rãnh; ở đây cũng tránh sử dụng đồ sắt. Lõi stato cũng khơng cĩ, làm giảm trọng lượng của máy. Khe hở khơng khí ở đây là loại trường xuyên tâm, cung cấp mật độ cơng suất tốt hơn. Động cơ này cũng là một tốc độ thay đổi. Một ưu điểm đáng chú ý của máy này là các cánh quạt cĩ thể được lắp vào các mặt bên của bánh xe, đặt các cuộn dây stato trên trục chính giữa. Thiết kế khơng cĩ khe cắm cũng cải thiện hiệu quả bằng cách giảm thiểu thất thoát đồng vì cĩ nhiều khơng gian hơn [70].

So sánh cơng suất của ba loại động cơ khác nhau được tiến hành trong Bảng 3.1. Bảng 3.2 so sánh mật độ mơ men xoắn của ba động cơ. Bảng 3.3 tĩm tắt những ưu điểm và nhược điểm của các loại động cơ và hiển thị một số loại xe sử dụng các cơng nghệ động cơ khác nhau.

60

Loại động cơ

Cơng suất (KW) Tốc độ cơ bản Tốc độ lớn nhất HEV BEV IM 57 93 3000 12,000 SRM 42 77 2000 12,000 BLDC 75 110 4000 9000

Bảng 3.2. Giá trị mật độ mơmen đặc trưng của một số động cơ [30]

Loại động cơ

Moment/ Thể tích (Nm/ m3)

Moment/ Khối lượng Đồng (Nm/ kg Cu)

Động cơ PM 28860 28.7 – 48

IM 4170 6.6

SRM 6780 6.1

Bảng 3.3. Ưu nhược điểm và cách sử dụng các loại động cơ

Loại động

cơ Ưu điểm Nhược điểm

Phương tiện được sử dụng Động cơ DC cĩ chổi than  Moment lớn nhất ở tốc độ thấp  Cấu trúc cồng kềnh  Hiệu suất thấp  Sinh nhiệt ở chổi than

Fiat Panda Elettra (Dịng động cơ DC), thiết kế G- Van (Động cơ DC kích từ độc lập) Động cơ DC khơng chổi than nam  Khơng cĩ tổn thất đồng ở rotor

 Dải cơng suất cố định ngắn

Toyota Prius (2005)

61

châm vĩnh cửu (BLDC)

 Hiệu quả hơn động cơ cảm ứng

 Nhẹ hơn  Nhỏ hơn

 Tản nhiệt tốt hơn  Độ tin cậy cao hơn  Mật độ moment xoắn nhiều hơn

 Cơng suất cụ thể hơn

 Giảm moment xoắn khi tăng tốc độ  Chi phí cao vì PM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)  Cĩ thể hoạt động ở các dải tốc độ khác nhau mà khơng cần sử dụng hệ thống bánh răng  Cĩ hiệu quả  Gọn nhẹ  Thích hợp cho ứng dụng bánh xe

 Mơ-men xoắn cao ngay cả khi tốc độ rất thấp

 Tổn thất sắt lớn ở tốc độ cao trong suốt quá trình vận hành của bánh xe

Toyota Prius, Nissan Leaf, Soul EV Động cơ cảm ứng (IM)  Hệ thống truyền động động cơ khơng cổ gĩp hồn thiện nhất  Cĩ thể được vận hành giống như một động cơ DC được kích từ độc lập bằng

Tesla Model S, Tesla

Model X, Toyota RAV4, GM EV1

62 cách sử dụng điều khiển hướng trường Động cơ chuyển mạch điện trở (SRM)

 Cấu trúc đơn giản và chắc chắn

 Giá thành thấp  Tốc độ cao  Ít rủi ro hơn

 Dải cơng suất khơng đổi dài

 Mật độ cơng suất cao  Mạnh mẽ

 Khả năng chịu lỡi  Cĩ hiệu quả  Nhỏ  Rất ồn ào  Hiệu quả thấp  Lớn hơn và nặng hơn máy PM  Thiết kế và kiểm sốt phức tạp  Cĩ vấn đề về khả năng kiểm sốt và sản xuất  Hệ số cơng suất thấp Chloride Lucas Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) Động cơ từ trở đồng bộ hỗ trợ PM

 Hệ số cơng suất lớn hơn SynRM

 Khơng cĩ vấn đề khử từ được quan sát thấy trong IPM

BMW i3

Động cơ

nam châm

 Khơng sử dụng sắt bên

63

vĩnh cửu khơng lõi sắt thơng lượng hướng trục

 Khơng cĩ lõi stator  Nhẹ

 Mật độ cơng suất tốt hơn  Giảm thiểu tổn thất đồng  Hiệu quả tốt hơn

 Máy biến tốc

 Rotor cĩ khả năng được cố định vào mặt bên của bánh xe

3.3. Hệ thống sạc

Để sạc EV, cĩ thể sử dụng hệ thống DC hoặc AC. Cĩ các cấu hình dịng điện và điện áp khác nhau để sạc, thường được ký hiệu là “mức”. Thời gian cần thiết để sạc đầy phụ thuộc vào cấp độ đang được người sử dụng. Sạc khơng dây cũng đã được thử nghiệm và nghiên cứu trong một thời gian khá dài. Nĩ cũng cĩ các cấu hình khác nhau. Các tiêu chuẩn sạc được trình bày trong Bảng 3.4. Các tiêu chuẩn an tồn mà bộ sạc phải tuân thủ như sau [46]:

 SAE J2929: Tiêu chuẩn an tồn hệ thống pin đẩy xe điện và xe lai  ISO 26262: Phương tiện giao thơng đường bộ - An tồn chức năng

 ISO 6469-3: Xe điện - Đặc điểm kỹ thuật an tồn - Phần 3: Bảo vệ người khỏi các nguy cơ điện

 ECE R100: Bảo vệ chống điện giật  IEC 61000: Tương thích điện từ (EMC)

 IEC 61851-21: Hệ thống sạc dẫn điện cho xe điện — Phần 21: Yêu cầu Xe điện đối với kết nối dẫn điện với nguồn AC / DC

64

 IEC 60950: An tồn Thiết bị Cơng nghệ Thơng tin  UL 2202: Thiết bị hệ thống sạc cho xe điện (EV)

 FCC Phần 15 Mục B: Bộ Quy định Liên bang (CFR) FCC Phần 15 về Khí thải EMC Dịch vụ Đo lường cho Thiết bị Cơng nghệ Thơng tin.

 Lớp bảo vệ IP6K9K, IP6K7

 Nhiệt độ khơng khí xung quanh từ −40°C đến 105°C

Bảng 3.4. Tiêu chuẩn sạc. Dữ liệu từ [81]

Chuẩn Phạm vi IEC 61851: Hệ thống sạc dẫn điện IEC 61851- 1 IEC 61851- 23 IEC 61851- 24 Xác định thiết lập phích cắm và cáp

Giải thích về an tồn điện, kết nối lưới điện, sĩng hài và kiến trúc truyền thơng cho trạm DCFC (DCFCS)

Mơ tả giao tiếp kỹ thuật số để điều khiển sạc DC

IEC 62196: Ổ cắm, phích cắm, đầu vào xe và đầu nối

IEC 62196- 1 IEC 62196- 2 IEC 62196- 3

Xác định các yêu cầu chung của đầu nối EV

Giải thích các phân loại bộ ghép nối cho các chế độ sạc khác nhau

65 IEC 60309: Ổ cắm, phích cắm và bộ ghép nối IEC 60309- 1 IEC 60309- 2

Mơ tả các yêu cầu chung về CS

Giải thích về kích thước ổ cắm và phích cắm cĩ số lượng chân khác nhau được xác định bởi nguồn cung cấp dịng điện và số pha, xác định mã màu đầu nối theo dải điện áp và tần số.

IEC 60364 Giải thích cách lắp đặt điện cho các tịa nhà

SAE J1772: Hệ thống sạc dẫn điện

Xác định đầu nối sạc AC và đầu nối kết hợp mới