Chƣơng 3 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN
3.2 Động cơ điện sử dụng trê nô tô điện
3.2.1 Truyền động của động cơ điện một chiều (DC motor)
3.2.1.1 Tổng quan về truyền động bằng động cơ điện DC
Động cơ điện DC đƣợc sử dụng rất nhiều cho truyền động trên xe điện trong những năm 1900. Nhiều loại động cơ điện một chiều khác nhau đƣợc ứng dụng trên các loại xe điện khác nhau bởi vì những đặc tính nhƣ sự hồn thiện về mặt công nghệ kỹ thuật cũng nhƣ đơn giản trong việc điều khiển. Tuy nhiên, chúng thƣờng gặp phải các vấn đề nhƣ hiệu năng và công suất thấp hơn so với động cơ điện xoay chiều. Ngồi ra cịn một vấn đề lớn nữa của động cơ điện DC đó là bộ phận cổ góp và chổi than của chúng hao mịn nhanh cần phải bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Vì thế nên động cơ điện một chiều có chổi thanbị các loại động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều không chổi than vƣợt mặt trong việc ứng dụng trên các dòng xe điện. Với sự phát triển nhanh chóng của các
19 thiết bị điện tử, việc điều khiển động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện trở trở nên lỗi thời. Phƣơng pháp điều khiển biến đổi điện thế cho động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rộng rãi cho việc truyền động bằng động cơ điện một chiều bởi vì những lợi ích nhƣ kích thƣớc nhỏ gọn, trọng lƣợng nhẹ, hiệu suất cao và khả năng điều khiển [4].
Hình 3.6 cho thấy mơ hình hệ thống cơ bản của hệ truyền động bằng động cơ điện một chiều. Trong đó, bộ biến đổi DC – DC dùng để điều khiển cƣờng độ dòng điện phần ứng, vì thế mà mơ-men đầu ra của động cơ điện một chiều cũng đƣợc điều khiển. Sự phản hồi tín hiệu điều khiển chỉ là tốc độ động cơ, trong khi sự phản hồi cƣờng độ dòng điện phần ứng chỉ mang ý nghĩa bảo vệ động cơ.
Hình 3.6: Mơ hình cơ bản của hệ truyền động động cơ điện một chiều [4]
Động cơ điện một chiều thƣờng sử dụng thiết kế của động cơ tốc độ cao để đạt đƣợc mật độ cơng suất cao. Thơng thƣờng, nó quay ở tốc độ lên đến 5000 vịng/phút và vì thế phải sử dụng một hộp giảm tốc để giảm số vòng quay xuống còn 1000 vòng/phút ở đầu ra trục bánh xe. Để có thể quay ngƣợc động cơ cho việc lùi đậu xe, động cơ phải đƣợc đảo chiều quay hoặc sử dụng một hộp số lùi. Tất nhiên, việc đảo chiều quay động cơ đƣợc ƣu tiên hơn là sử dụng hộp số lùi vì hộp số lùi rất cồng kềnh, không hiệu quả và phức tạp. Hơn nữa, có rất nhiều lựa chọn cho bộ biến đổi DC – DC và nhiều loại động cơ điện một chiều, tùy thuộc vào khả năng vận hành và hiệu suất mong muốn [4].
20
3.2.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Hình 3.7: Cấu tạo của động cơ điện một chiều [4]
Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thƣờng gồm những bộ phận chính nhƣ sau: - Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.
- Rotor: phần lõi đƣợc quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện. - Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
- Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor. Số điểm tiếp xúc tƣơng ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor.
21 Sự sắp xếp khác nhau của các mạch phần cảm và phần ứng tạo ra các loại động cơ DC khác nhau, do đó cung cấp các đặc tính tốc độ mơ-men xoắn khác nhau.
Hình 3.9: Sơ đồ phân loại các loại động cơ DC [5]
a) Động cơ DC kích từ độc lập
Dịng điện phần ứng khơng chạy qua các cuộn dây phần cảm, vì cuộn dây phần cảm đƣợc cấp nguồn từ một nguồn điện bên ngồi khác của DC do đó cƣờng độ dịng điện của chúng đƣợc điều khiển độc lập.
22
b) Động cơ DC tự kích từ
Động cơ DC kích từ song song:
Mạch cảm và mạch ứng đƣợc nối song song với nhau và đƣợc cấp điện từ chung một nguồn cho nên dịng điện đƣợc điều khiển cùng lúc.
Hình 3.11: Động cơ DC kích từ song song [5]
Động cơ DC kích từ nối tiếp:
Mạch cảm và mạch ứng đƣợc mắc nối tiếp với nhau cho nên cƣờng độ dòng điện của phần cảm và phần ứng bằng nhau và đƣợc điều khiển đồng thời với nhau.
23 Động cơ DC kích từ hỗn hợp:
Gồm có một mạch mắc nối tiếp và một mạch còn lại mắc song song với phần ứng với từ thông trong 2 mạch phần cảm cùng chiều với nhau.
Hình 3.13: Động cơ DC kích từ hỗn hợp tích lũy [5]
c) Động cơ DC nam châm vĩnh cữu
Bằng cách thay cuộn dây phần cảm bằng nam châm vĩnh cữu, động cơ DC nam châm vĩnh cữu có mật độ cơng suất và hiệu suất cao hơn các loại sử dụng cuộn dây kích từ nhờ vào lợi ích tiết kiệm khơng gian của nam châm vĩnh cữu và không bị tổn thất lực từ.
24
3.2.1.3 Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều [4]
Trong hình 3.16, ta thấy stator là nam châm vĩnh cữu tạo ra 1 từ trƣờng khơng đổi. Phần ứng, hay là phần quay, nó là một cuộn dây đơn giản.
25 Phần ứng đƣợc kết nối với một nguồn điện một chiều thông qua cổ góp. Khi có dịng điện chạy trong cuộn dây thì một lực điện từ đƣợc tạo ra theo định luật Lorentz. Do đó cuộn dây bắt đầu quay. Lực điện từ gây ra do dòng điện đƣợc đặt trong từ trƣờng đƣợc đánh đấu màu đỏ nhƣ hình 3.17 [6].
Hình 3.17: Lực điện từ sinh ra trên cuộn dây [6]
Khi cuộn dây quay, cổ góp đƣợc kết nối với nguồn bắt đầu đổi cực tính. Kết quả là ở bên trái ln là cực dƣơng và ở bên phải luôn là cực âm. Điều này đảm bảo rằng mô- men quay luôn cùng một hƣớng trong suốt quá trình chuyển động. Vì vậy cuộn dây sẽ luôn quay.
Nhƣng khi bạn quan sát kỹ lực điện từ tạo ra mô-men quay bạn sẽ thấy rằng khi cuộn dây vng góc với từ trƣờng đƣợc tạo ra bởi nam châm vĩnh cữu thì mơ-men quay gần nhƣ bằng khơng [6].
26 Kết quả là động cơ chuyển động không đều và cách khắc phục trƣờng hợp này sẽ là thêm một cuộn dây nữa vào rotor. Trong trƣờng hợp này, khi cuộn dây thứ nhất vuông góc với từ trƣờng thì cuộn dây thứ 2 sẽ đƣợc cấp điện do đó động cơ ln hoạt động trong mọi trƣờng hợp.
Hình 3.19: Cuộn thứ 2 được cấp điện khi cuộn thứ nhất vng góc từ trường [6]
Hơn nữa khi có nhiều cuộn dây hơn, động cơ sẽ chuyển động mƣợt hơn. Trong một động cơ thực tế, các cuộn dây đƣợc đặt trong rãnh của lõi thép có độ từ thẩm cao, điều này làm tăng sự tƣơng tác từ. Chổi than và cổ góp đảm bảo cho phần ứng ln đƣợc kết nối với nguồn điện [6].
27
3.2.1.4 Đặc tính của động cơ điện một chiều
• Động cơ DC kích từ nối tiếp:
(a) (b)
(c)
Hình 3.21: Đường đặc tính tốc độ - mơ-men xoắn và dòng điện phần ứng của động cơ
DC kích từ nối tiếp [7]
Trong động cơ DC kích từ nối tiếp, mơ-men xoắn tăng tỉ lệ thuận với bình phƣơng của dịng điện phần ứng hình 3.21a, loại động cơ này u cầu mơ-men khởi động cao.
28 Trong hình 3.21b, ta thấy khi dòng điện phần ứng rất nhỏ tốc độ động cơ trở nên cao, rất nguy hiểm. Đó là lý do tại sao động cơ DC kích từ nối tiếp khơng bao giờ đƣợc khởi động mà khơng có tải cơ học. Nhƣng ở tải nặng, tốc độ thấp dẫn đến giảm suất phản điện động. Do suất phản điện động giảm, cho phép có nhiều dịng điện phần ứng hơn.
Từ hai đƣờng đặc tính của động cơ dịng điện một chiều kích từ nối tiếp ở hình 3.21a và 3.21b, ta có thể thấy rằng khi tốc độ cao thì mơ-men xoắn thấp và ngƣợc lại (hình 3.21c) [7].
• Động cơ DC kích từ song song:
(a) (b)
(c)
29 Trong trƣờng hợp động cơ DC kích từ song song, có thể giả sử từ thơng trƣờng là không đổi. Mặc dù ở tải nặng, từ thông giảm một lƣợng nhỏ do phản ứng phần ứng tăng. Bỏ qua sự thay đổi của từ thơng, có thể nói rằng mơ-men xoắn tỷ lệ với dịng điện phần ứng. Do đó, đặc tính Ta-Ia đối với động cơ DC kích từ song song sẽ là một đƣờng thẳng (hình 3.22a). Vì khởi động khi tải nặng cần dịng khởi động lớn, do đó động cơ DC kích từ song song khơng bao giờ đƣợc khởi động khi tải nặng.
Một động cơ DC kích từ song song có thể đƣợc coi là một động cơ tốc độ không đổi. Đặc tính tốc độ và dịng điện phần ứng đƣợc thể hiện trong hình 3.22b, đƣờng thẳng nằm ngang biểu thị đặc tính lý tƣởng và đặc tính thực tế đƣợc thể hiện bằng đƣờng chấm. Từ hai đƣờng đặc tính của động cơ dịng điện một chiều kích từ nối tiếp ở hình 3.22a và 3.22b, ta có đƣợc đƣờng đặc tính tốc độ - mô-mencủa động cơ Dc kích từ song song (hình 3.22c) [7].
3.2.1.5 Ƣu và nhƣợc điểm
• Ƣu điểm:
- Ƣu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều đó là dễ dàng điều khiển và dễ thay đổi tốc độ.
- Có khả năng làm việc trong điều kiện quá tải. • Nhƣợc điểm:
- Động cơ điện một chiều có nhƣợc điểm chủ yếu là có hệ thống cổ góp - chổi than cần thiết bảo trì bảo dƣỡng thƣờng xuyên nên vận hành kém độ chính xác và khơng đảm bảo an tồn trong các mơi trƣờng rung chấn, dễ cháy nổ.
- Cấu trúc cồng kềnh, hiệu suất thấp, nhiệt sinh ra do chổi than. Hơi nóng cũng khó loại bỏ vì nó đƣợc tạo ra ở tâm của rotor. Hiện tại, một số bộ truyền động động cơ DC, chẳng hạn nhƣ bộ truyền động động cơ DC kích từ độc lập vẫn đƣợc sử dụng bởi các EV mini hiện đại. Tuy nhiên, với sự cải tiến liên tục của cơng nghệ truyền động động cơ AC, có thể dự đốn rằng truyền động động cơ DC sẽ đƣợc thay thế hoàn toàn bằng truyền động động cơ AC hoặc động cơ DC không chổi than cho động cơ xe điện trong tƣơng lai gần [4].
30
3.2.2 Truyền động động cơ cảm ứng (IM)
Động cơ cảm ứng hay cịn đƣợc gọi là động cơ khơng đồng bộ đƣợc phát minh bởi Nikola Tesla vào năm 1887. Trong 130 năm qua, nó liên tục đƣợc cải tiến và đã chiếm ƣu thế trong các ứng dụng công nghiệp. Truyền động IM khơng sử dụng cổ góp có một số ƣu điểm hơn so với truyền động động cơ DC sử dụng cổ góp. Hiện tại, truyền động IM có cơng nghệ hồn thiện nhất trong số các bộ truyền động động cơ khơng cổ góp. Đƣợc thúc đẩy bởi các cơng cụ thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, cơng nghệ điện tử cơng suất và các hệ thống điều khiển tinh vi, truyền động động cơ cảm ứng trở thành một công nghệ ƣa chuộng cho xe điện.
Có hai loại động cơ cảm ứng là động cơ rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Do chi phí cao, cần bảo trì và thiếu độ bền, động cơ cảm ứng rotor dây quấn ít đƣợc sử dụng hơn so với các động cơ rotor lồng sóc, đặc biệt là đối với động cơ xe điện. Vì vậy, trong phần này chúng ta chỉ tìm hiểu về động cơ cảm ứng rotor lồng sóc [4].
3.2.2.1 Tổng quan về truyền động bằng động cơ cảm ứng
Cấu hình cơ bản của truyền động động cơ cảm ứng đƣợc trình bày trong hình 3.23. Bao gồm một động cơ cảm ứng, một biến tần điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation - PWM) ba pha đƣợc cấp nguồn điện áp, một bộ điều khiển điện tử và một số cảm biến.
31
3.2.2.2 Cấu tạo động cơ cảm ứng
Hình 3.24: Cấu tạo của động cơ cảm ứng [4]
Hình 3.25: Mặt cắt ngang của động cơ cảm ứng [4]
Động cơ cảm ứng gồm 2 bộ phận chính:
- Phần tĩnh (stator): bao gồm lõi thép và dây quấn.
- Phần quay (rotor): rotor lồng sóc cấu tạo từ các thanh đồng đƣợc đúc thành các rãnh ở ngoại vi bên ngoài của rotor. Các thanh đồng đƣợc nối ngắn mạch với nhau ở cả hai đầu của rotor bằng các vòng ngắn mạch bằng nhôm, các vịng ngắn mạch cũng có thể đƣợc tạo hình nhƣ quạt. Rotor lồng sóc bao gồm những lá thép kỹ thuật điện đƣợc ghép lệch với nhau mà không phải là ghép thẳng song song với dọc trục. Bởi vì chúng khơng cho từ trƣờng stator cắt qua các thanh dẫn 1 góc 90 độ. Các rãnh của rotor lồng sóc đƣợc
32 ghép lệch với nhau nhằm triệt tiêu lực điện từ họa tần bậc cao, từ đó sẽ làm cho rotor quay đƣợc êm hơn [4].
Hình 3.26: Cấu tạo của rotor lồng sóc trong động cơ cảm ứng [4]
3.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng
Xét dây quấn 3 pha đơn giản với chỉ 3 cuộn dây. Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua dây quấn stator, mỗi dây dẫn mang dòng điện tạo ra một trừ trƣờng xung quanh nó. Dịng điện AC sẽ thay đổi theo thời gian, xét 3 thời điểm đƣợc thể hiện ở hình 3.27, ở đây do sự thay đổi của dòng điện AC, từ trƣờng cũng thay đổi theo, mỗi từ trƣờng có một hƣớng khác nhau ở một thời điểm, nhƣng mà độ lớn là giống nhau. Từ 3 thời điểm thì rõ ràng nó giống nhƣ một từ trƣờng quay (Rotating Magnetic Field - RMF), tốc độ quay của từ trƣờng đƣợc gọi là tốc độ đồng bộ.
Đặt một vòng dây dẫn kín bên trong từ trƣờng quay nhƣ vậy. Khi từ trƣờng biến thiên thì một sức điện động (Electromotive Force - EMF) đƣợc tạo ra trong vịng kín theo định luật Faraday. EMF sẽ sinh ra một dịng điện chạy trong vịng dây kín. Do đó nó trở thành trƣờng hợp một vịng dây kín có dịng điện đi qua đƣợc đặt trong từ trƣờng. Điều này dẫn đến sẽ có một lực điện từ trong dây dẫn kín theo định luật Lorentz, vì vậy vịng dây kín sẽ bắt đầu quay dƣới tác dụng của lực điện từ.
Tƣơng tự, thay vì một vịng dây kín đơn giản, động cơ cảm ứng sử dụng một rotor lồng sóc. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn đƣợc nối ngắn mạch 2 đầu bởi 2 vòng ngắn mạch. Dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn stator tạo ra một từ trƣờng quay. Do vậy giống nhƣ hiện tƣợng nhắc đến phía trên, dịng điện sẽ đƣợc tạo ra trong các thanh
33 dẫn của rotor lồng sóc và nó bắt đầu quay. Dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn sẽ thay đổi, điều này là do từ thông cắt qua mỗi một cặp thanh dẫn là khác nhau, và hƣớng khác nhau của chúng. Sự thay đổi của dòng điện trên các thanh dẫn sẽ thay đổi theo thời gian. Dòng điện trong rotor sinh ra do cảm ứng chứ không phải đƣợc cấp trực tiếp. Đây là lý do tại sao gọi là động cơ điện cảm ứng [4].
Hình 3.27: Cách tạo ra từ trường quay trong stator động cơ cảm ứng [4]
Thời điểm mà tốc độ từ trƣờng quay bằng tốc độ rotor ta có thể thấy rằng khi đó thì rotor sẽ chịu một từ trƣờng khơng đổi, do đó sẽ khơng có suất điện động hay dòng điện
34 cảm ứng đƣợc sinh ra trong rotor. Điều này có nghĩa sẽ khơng có lực điện từ nào sinh ra trong thanh dẫn của rotor, do đó rotor sẽ quay chậm dần. Nhƣng tại lúc nó quay chậm