Chƣơng 3 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN
3.2 Động cơ điện sử dụng trê nô tô điện
3.2.3.5 Đặc tính của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hầu hết các bộ truyền động cho ô tô điện, xe lửa, xe buýt và xe địa hình đƣợc thiết kế để cung cấp mô-men xoắn truyền động khơng đổi đến tốc độ cơ bản và sau đó cung cấp mô-men xoắn tỷ lệ nghịch với tốc độ lên đến tốc độ tối đa nhƣ trong hình 3.34. Phạm vi hoạt động liên tục của công suất này đƣợc xác định bởi giới hạn của hệ thống cung cấp năng lƣợng và đặc tính của động cơ.
44
Hình 3.34: Đặc tính tốc độ - mơ-men - cơng suất của động cơ PMSM [9]
Đối với truyền động động cơ xoay chiều tốc độ thay đổi đƣợc cấp từ nguồn điện áp và biến tần đƣợc điều khiển PWM, vùng mô-men không đổi bắt đầu từ 0 đến tốc độ cơ bản ωb nhƣ thể hiện trong hình 3.34. Giới hạn điện áp danh định đạt đƣợc ở tốc độ cơ bản. Trong vùng tiếp theo, điện áp động cơ phải đƣợc duy trì ở điện áp danh định này, do đó khả năng mơ-men xoắn cực đại của bộ truyền động này giảm. Vì suất phản điện động tỷ lệ thuận với tốc độ, cần phải giảm từ thông nếu muốn suất phản điện động đƣợc duy trì khơng đổi [9].
3.2.3.6 Ƣu và nhƣợc điểm
Ƣu điểm:
- Cấu tạo nhỏ gọn.
- Hiệu suất cao ở mọi dải tốc độ nhỉnh hơn so với động cơ cảm ứng (92-97%).
- Mô-men xoắn cao ngay cả khi ở tốc độ thấp: thuận lợi cho việc di chuyển trong thành phố, đó là điểm mà động cơ IM kém hơn động cơ PMSM.
- Khơng cần bảo dƣỡng thƣờng xun, có thể hoạt động thƣờng xuyên, liên tục trong suốt 1 thời gian dài mà không hề làm giảm công suất.
- Hoạt động êm ái. Nhƣợc điểm:
45 - Vì nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao đƣợc chế tạo các nguyên tố đất hiếm nên giá thành cao hơn nhiều so với động cảm ứng.
3.2.4 Truyền động động cơ một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu (PM BLDC)
Động cơ PM BLDC là động cơ đồng bộ, điều này có nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trƣờng. Động cơ BLDC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động, ô tô, máy in, tiêu dùng, y tế và thiết bị đo đạc.
Động cơ điện một chiều với hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mịn và yêu cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dƣỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor cơng suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Do khơng có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều có cổ góp thơng thƣờng[4].
3.2.4.1 Tổng quan về truyền động động cơ khơng chổi than
Hình 3.35: Mơ hình hệ thống của truyền động trên động cơ PM BLDC [4]
Mơ hình hệ thống của truyền động động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu cho động cơ xe điện tƣơng tự nhƣ mơ hình của truyền động động cơ cảm ứng. Về cơ bản, mơ hình hệ thống một động cơ bao gồm một động cơ không chổi than nam
46 châm vĩnh cửu, một biến tần cấp điện áp, một bộ điều khiển điện tử và một số cảm biến nhƣ trong hình 3.35.
Động cơ điện một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu hoạt động giống nhƣ động cơ một chiều nhƣng khơng có chổi than. Việc điều khiển tốc độ tƣơng đối đơn giản. Cảm biến vị trí là bắt buộc để đảm bảo sự đồng bộ của dịng điện với từ thơng, vì vậy ngƣời ta thƣờng sử dụng một cảm biến vị trí Hall có chi phí thấp.
3.2.4.2 Cấu tạo động cơ PM BLDC
Hình 3.36: Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than [4]
Cấu trúc cơ bản của động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu đƣợc mơ tả trong hình 3.36. Nó chủ yếu bao gồm một stator kết hợp với cuộn dây phần ứng ba pha và một rotor kết hợp với các cực nam châm vĩnh cửu. So với động cơ cảm ứng, nó tƣơng đối đơn giản hơn vì khơng có lồng sóc và vịng ngắn mạch. Ngồi ra, vì tổn thất nhiệt liên quan trong rotor khơng đáng kể, nên thƣờng không yêu cầu lắp cánh quạt trên rotor hoặc trục để làm mát bằng khơng khí cƣỡng bức.
Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu sử dụng chuyển mạch điện tử để thay thế chuyển mạch cơ học. Do đó, ƣu điểm rõ ràng nhất của động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu là loại bỏ cổ góp và chổi than, giúp loại bỏ nhiều vấn đề liên quan đến chúng. Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu thƣờng sử dụng cuộn dây tập trung thay vì cuộn dây phân tán. Việc sử dụng cuộn dây tập trung đã giúp tiết kiệm vật liệu đồng và tổn thất đồng liên quan [4].
47 Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt nhƣ đƣợc mơ tả trong hình 3.37, có những ƣu điểm nhất định về tính đơn giản trong cả cấu trúc và điều khiển. Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng các loại rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn khác nhƣ cấu trúc liên kết xuyên tâm và chu vi bên trong.
Hình 3.37: Mặt cắt ngang của động cơ BLDC có nam châm gắn trên bề mặt rotor [4]
Cảm biến Hall
Vì khơng có chổi than trong động cơ PM BLDC nên việc chuyển mạch đƣợc điều khiển bằng điện tử. Để quay động cơ, các cuộn dây của stator phải đƣợc cấp điện theo thứ tự và phải biết vị trí của rotor (tức là cực Bắc và cực Nam của rotor) để cấp điện chính xác cho một bộ cuộn dây stator cụ thể.
Cảm biến vị trí, thƣờng là cảm biến Hall (hoạt động trên nguyên tắc hiệu ứng Hall) thƣờng đƣợc sử dụng để phát hiện vị trí của rotor và biến đổi nó thành tín hiệu điện. Hầu hết các động cơ BLDC sử dụng ba cảm biến Hall đƣợc gắn vào stator để cảm nhận vị trí của rotor.
Đầu ra của cảm biến Hall sẽ là CAO (High) hoặc THẤP (Low) tùy thuộc vào việc cực Bắc hay cực Nam của rotor đi qua gần nó. Bằng cách kết hợp các kết quả từ ba cảm biến, có thể xác định chính xác trình tự cung cấp năng lƣợng [10].
3.2.4.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Ba cuộn dây sắp xếp trong stator đƣợc ký hiệu A, B và C. Để dễ hình dung ta thay thế rotor bằng một nam châm duy nhất minh họa trong hình 3.38.
48
Hình 3.38: Cấu tạo đơn giản của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu [10]
Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây, một từ trƣờng đƣợc tạo ra và hƣớng của các đƣờng sức từ (các cực của nam châm đƣợc tạo ra) sẽ phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện chạy qua cuộn dây.
Nếu chúng ta cung cấp dòng điện cho cuộn dây A để nó tạo ra từ trƣờng và hút nam châm rotor. Vị trí của nam châm rotor sẽ dịch chuyển nhẹ theo chiều kim đồng hồ và sẽ thẳng hàng với A. Tiếp theo dòng điện lần lƣợt qua các cuộn B và C (theo thứ tự đó), thì nam châm rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ.
Hình 3.39: Sơ đồ đơn giản hóa nguyên lý hoạt động của động cơ PM BLDC [10]
Để tăng hiệu suất, chúng ta có thể quấn các cuộn dây đối diện bằng cách sử dụng một cuộn dây đơn để chúng ta có đƣợc lực hút kép. Để tăng hiệu suất hơn nữa có thể cấp điện cho hai cuộn dây đồng thời để một cuộn dây hút nam châm và cuộn dây kia sẽ đẩy nam châm. Trong thời gian này, cuộn thứ 3 sẽ không hoạt động.
49 Để nam châm rotor quay hoàn toàn 3600
, có thể áp dụng kết hợp 6 pha của các cuộn dây A, B và C và đƣợc thể hiện trong hình 3.40 sau đây.
Hình 3.40: Sơ đồ hoạt động của các pha và cảm biến Hall của động cơ BLDC [10]
Để biết thời điểm chính xác để chuyển đổi dịng điện là nhờ cảm biến vị trí. Nhiều nhà sản xuất động cơ BLDC cung cấp động cơ có 3 cảm biến vị trí Hall. Mỗi cảm biến xuất ra mức cao 180 độ cho một cuộn dây và mức thấp 180 độ cho cuộn dây khác. Mỗi cảm biến hoạt động cách nhau 60 độ để mỗi đầu ra cảm biến phù hợp với một trong các mạch điện từ. Biểu đồ thời gian thể hiện mối quan hệ giữa các đầu ra cảm biến và điện áp truyền động động cơ đƣợc thể hiện trong hình 3.40[10].
3.2.4.4 Đặc tính của động cơ PM BLDC
Mơ-men xoắn và hiệu suất so với cƣờng độ dòng điện phần ứng đƣợc thể hiện trên hình 3.41. Khi biên độ dòng điện phần ứng bằng giá trị định mức là 18,2 A thì mơ-men tạo thành có thể đạt giá trị mong muốn là 200 Nm. Trong khi đó, động cơ có thể duy trì hiệu suất cao, hầu hết là trên 90%, để hoạt động bình thƣờng. Hiệu suất tổng thể của truyền động động cơ PM BLDC này tƣơng tự nhƣ của truyền động động cơ đồng bộ PM.
50
Hình 3.41: Đặc tính hiệu suất - mơ-men xoắn so với cường độ dịng điện của động cơ
PM BLDC [4]
Đặc tính tốc độ - mơ-men xoắn của truyền động động cơ PM BLDC đƣợc thiết kế, bao gồm cả hoạt động mô-men xoắn không đổi và hoạt động công suất không đổi, đƣợc thể hiện trên Hình 3.42. Động cơ PM BLDC có thể cung cấp hoạt động mô-men xoắn không đổi với mô-men xoắn định mức 200 Nm từ 0 đến 300 vòng/phút và hoạt động công suất không đổi với công suất định mức 6,3 kW từ 300 đến 900 vịng/phút. Trong khi đó, bằng cách sử dụng điều khiển góc theo pha, bộ truyền động động cơ PM BLDC có thể mở rộng đáng kể phạm vi tốc độ để vận hành công suất liên tục, điều này rất thuận lợi cho ứng dụng trên EV [4].
51
3.2.4.5 Ƣu và nhƣợc điểm
Ƣu điểm:
- Vì từ trƣờng đƣợc kích từ bởi nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao, trọng lƣợng và khối lƣợng tổng thể có thể giảm đáng kể đối với cơng suất đầu ra nhất định, dẫn đến mật độ công suất cao hơn.
- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên mang lại hiệu suất cao hơn.
- Vì nhiệt chủ yếu phát sinh trong stator nên có thể đƣợc tản ra xung quanh hiệu quả hơn, dẫn đến việc làm mát dễ dàng hơn.
- Vì kích từ nam châm vĩnh cửu khơng có rủi ro về lỗi sản xuất, quá nhiệt hoặc hƣ hỏng cơ học, có độ tin cậy cao hơn.
- Do khơng có cuộn dây đồng trong rotor nên nó đáp ứng động lực học tốt hơn. Nhƣợc điểm:
- Vì nam châm vĩnh cửu năng lƣợng cao đƣợc chế tạo các nguyên tố đất hiếm, nên giá thành cao hơn nhiều so với động cảm ứng.
- Vì các nam châm vĩnh cửu nằm trong rotor, đặc biệt là loại nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt, có vấn đề đối với hoạt động tốc độ cao.
- Do từ thông của nam châm vĩnh cửu vốn có khơng thể kiểm sốt, phạm vi hoạt động công suất liên tục bị hạn chế.
- Trong trƣờng hợp động cơ đƣợc thiết kế hoặc vận hành không đúng cách, các nam châm vĩnh cửu có thể vơ tình bị khử từ.
3.2.5 Truyền động động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM)
Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi đƣợc phát triển vào những năm 1980 với những ƣu điểm vƣợt trội hơn về tính năng, cơng suất trên một đơn vị trọng lƣợng và khối lƣợng, độ mạnh mẽ và tính linh hoạt khi vận hành. Mặc dù tƣơng đối mới, công nghệ này đã đƣợc áp dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm truyền động công nghiệp đa năng, máy nén, thiết bị gia dụng và thiết bị văn phòng và doanh nghiệp.
52 Động cơ từ trở thay đổi là một loại động cơ nổi bật hơn hẳn. Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi không thể phát huy hết tiềm năng của nó cho đến khi có sự ra đời của điện tử công suất, điều khiển kỹ thuật số và mạch cảm biến. Hệ thống truyền động động cơ từ trở thay đổi hiện đại ngày càng đƣợc sử dụng nhiều cho động cơ xe điện vì chi phí hệ thống thấp, cấu trúc máy mạnh mẽ, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản và hiệu quả cao. Mặt khác, nó có hạn chế lớn nhất là gây ra tiếng ồn âm thanh khó chịu [1].
3.2.5.1 Tổng quan về truyền động động cơ từ trở thay đổi
Bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi bao gồm bốn thành phần chính: động cơ từ trở thay đổi, bộ biến tần từ trở thay đổi, cảm biến và bộ điều khiển nhƣ trong hình 3.43. Trong số đó, động cơ từ trở thay đổi đóng vai trị chủ đạo, đó là chuyển hóa năng lƣợng điện thành chuyển động cơ học. Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển đến các thiết bị nguồn của bộ biến tần với tín hiệu lệnh, thuật tốn điều khiển và tín hiệu phản hồi cảm biến [4].
Hình 3.43: Mơ hình cơ bản của hệ truyền động bằng động cơ từ trở thay đổi [4]
Động cơ từ trở thay đổi thƣờng đƣợc thiết kế để hoạt động ở tốc độ cao lên đến 10.000 vòng/phút. Để phù hợp với tốc độ bánh xe, thƣờng nhỏ hơn 1000 vòng/phút, một hộp số cố định thƣờng đƣợc sử dụng để giảm tốc độ động cơ từ trở thay đổi khoảng 10 lần. Vì rotor khơng có cuộn dây đồng hoặc nam châm vĩnh cửu nên bộ truyền động động cơ từ trở thay đổi mang lại tính tồn vẹn cơ học vƣợt trội, điều này rất đƣợc mong đợi cho động cơ xe điện [4].
53
3.2.5.2 Cấu tạo động cơ từ trở thay đổi
Động cơ từ trở thay đổi có các cực từ lồi trên cả stator và rotor nhƣ thể hiện trong hình 3.44. Stator có các cuộn dây tập trung nhiều pha, nhƣng khơng có cuộn dây đồng hoặc nam châm trong rotor. Stator có một chồng các lớp thép silicon, trên đó có các cuộn dây quấn. Thơng thƣờng, nó là dây quấn cho ba pha đƣợc chia giữa các cặp cực. Rotor khơng có cuộn dây và thuộc loại cực lồi đƣợc làm hồn tồn bằng các tấm thép có rãnh. Các cực của rotor có chiều rộng tƣơng đƣơng với các cực stator. Số cực trên stator khác với số cực của rotor, cung cấp khả năng tự khởi động và quay hai chiều của động cơ [4].
Hình 3.44: Cấu tạo của động cơ từ trở thay đổi [4]
Trong hình 3.45 bên dƣới, stator có 12 cực chia cách đều nhau trong đó mỗi cực đƣợc quấn bằng một cuộn dây. Ba pha này đƣợc cung cấp năng lƣợng từ nguồn DC.
54 Mối quan hệ của các cực rotor với các cực của stator đối với động cơ bƣớc ba pha đƣợc tính bằng cơng thức sau: Nr = Ns ± (Ns / q) (3.5) Trong đó: Nr là số cực của rotor Ns là số cực của stator q là số pha
Có thể có nhiều cấu trúc liên kết cho động cơ từ trở thay đổi, chủ yếu phụ thuộc vào số pha cũng nhƣ số cực của stator và rotor. Hình 3.46 cho thấy hai cấu trúc liên kết cơ bản của động cơ từ trở thay đổi: cấu trúc liên kết ba pha 6/4 cực, có sáu cực stator và bốn cực rotor và cấu trúc liên kết bốn pha 8/6 cực, có tám cực stator và sáu cực rotor. Động cơ từ trở thay đổi ba pha 6/4 cực có ƣu điểm là giá thành thấp hơn và vận hành tốc độ cao tốt hơn. Tuy nhiên, nó bị gợn mơ-men xoắn (ripple torque) và tiếng ồn âm thanh cao hơn. Mặt khác, động cơ từ trở thay đổi bốn pha 8/6 cực có mơ-men xoắn khởi động tốt hơn và độ gợn mơ-men xoắn thấp hơn, nhƣng địi hỏi nhiều thiết bị điện hơn và chi phí cao hơn.