Máy phát điện ô tô xuất hiện lần đầu tiên trên thị trường trên chiếc Chrysler’s Valiant năm 1960. Đóng vai trò là một máy phát năng lượng điện trng xe hơi và là thành phần chính của hệ thống sạc của xe. Máy phát điện xoay chiều thường có thể tìm thấy ở gần phía trước
động cơ và được điều khiển bởi trục khuỷu giúp chuyển đổi chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động tròn. Một số xe mô hình đời đầu đã sử dụng đai truyền động riêng từ ròng rọc trục khuỷu đến ròng rọc máy phát điện, nhưng hầu hết các xe ô tô ngày nay đều có đai serpentine (đai truyền động) và dựa vào khả năng điều khiển của trục khuỷu. Hầu hết máy phát điện đều được gắn bằng cách sử dụng giá đỡ bắt vít vào một điểm cụ thể trên động cơ.
Hình 2.46. Máy phát điện ô tô.
2.4.2. Cấu tạo máy phát điện
Hình 2.47. Cấu tạo của máy phát điện. Chức năng của máy phát điện bao gồm:
- Phát điện: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ khi một nam châm quay trong cuộn dây sẽ tạo ra suất điện động ( điện áp) trong cuộn dây.
- Chỉnh dòng xoay chiều thành dòng một chiều: các thiết bị điện trên ô tô sử dụng dòng
điện một chiều nên máy phát sẽ cần phải chỉnh lưu dòng điện.
- Chỉnh điện áp đầu ra: dòng điện được tạo ra dựa trên nguyên lý quay của một thanh nam châm trong cuộn dây, vì vậy mà dòng điện sẽ phụ thuộc vào tốc độ của nam châm tức tốc độ của động cơ ( vì nó dẫn động từ trục khuỷu động cơ) cho nên dòng điện sẽ thay
đổi theo tốc độ của động cơ. Chính vì vậy mà cần phải điều áp dòng điện ra sao cho ổn
Nhờ vào thành phần cấu tạo đặc trưng mà máy phát điện có các chức năng như trên. Cấu tạo và chức năng các thành phần của máy phát điện gồm:
2.4.2.1. Rotor
Rotor là một thanh nam châm quay bên trong cuộn dây Stator sinh ra từ trường biến thiên
để tạo ra lực điện trường trong cuộn dây Stator. Cuộn dây được quấn xung quanh 6 cặp lõi cực ( 12 cực từ) và lực điện từđược tạo ra khi có dòng điện chạy bên trong. Vì cường độ dòng
điện chạy vào Rotor tăng dần, nên cũng sẽ sinh ra nhiệt. Tùy vào mỗi loại máy phát mà chúng có thể trang bị thêm quạt gió đồng trục với Rotor hoặc chỉ cần thiết kế vỏ bên ngoài tản nhiệt tốt.
Hình 2.48. Rotor của máy phát điện.
2.4.2.2. Stator
Stator tạo ra dòng điện xoay chiều 3 pha nhờ thay đổi từ thông bởi Rotor quay. Stator gồm có lõi và cuộn dây được đặt trong khung phía trước. Vì Stator tạo ra nhiệt nhiều hơn bất kỳ bộ phận nào khác trong máy phát điện nên người ta sử dụng vỏ cách nhiệt để bảo vệ các cuộn dây.
Hình 2.49. Stator của máy phát điện.
2.4.2.3. Chổi than và cổ góp
Chổi than được làm từ Graphit kim loại được sử dụng để giảm điện trở và điện trở tiếp xúc và đồng thời chống sựăn mòn.
Hình 2.50. Chổi than và cổ góp máy phát điện.
2.4.2.4. Bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu thực hiện chức năng chỉnh lưu đầy đủ toàn bộ chu kỳ để chuyển toàn bộ
dòng điện xoay chiều 3 pha được tạo ra từ các cuộn dây Stator thành dòng điện một chiều nhờ
Hình 2.51. Bộ chỉnh lưu của máy phát điện.
2.4.2.5. Bộđiều áp (tiết chế)
Điều chỉnh điện áp ra sao cho ổn định. Có 2 phương pháp điều chỉnh là tăng hoặc giảm từ trường của Rotor và tăng tốc hoặc giảm tốc độ quay của nam châm.
Hình 2.52. Tiết chế IC của máy phát điện.
2.4.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện
Có nhiều phương pháp tạo ra dòng điện, trong những máy phát điện, người ta sử dụng cuộn dây và nam châm làm phát sinh ra dòng điện trong cuộn dây. Sức điện động sinh ra trên cuộn dây càng lớn khi:
- Số vòng dây quấn càng nhiều. - Nam châm càng mạnh.
Khi nam châm được mang lại gần cuộn dây, từ thông xuyên qua cuộn dây tăng lên. Ngược lại, khi đưa cuộn dây ra xa, đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm xuống.
Bản thân của cuộn dây không muốn từ thông qua nó biến đổi nên cố tạo ra từ thông theo hướng chống lại những thay đổi xảy ra.
Đó là những gì chúng ta vừa dựa trên lý thuyết về vật lý cơ bản. Còn trong thực tếđược
ứng dụng:
- Nam châm vĩnh cửu được thay thế bằng nam châm điện ( khi khởi động xe sẽ lấy điện từ acquy).
- Có thêm lõi thép sẽ làm tăng từ thông qua cuộn dây. - Sinh ra từ thông móc vòng làm từ thông thay đổi liên tục.
2.5. Nghiên cứu cách truyền tải công suất từđộng cơ lên máy phát điện
Hình 2.53. Sơđồ khối thu thập dữ liệu từ băng thửđộng cơđiện.
Động cơ BLDC được biết đến với nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, mô – men xoắn cao. Vì lí do đó, BLDC đang dần được lựa chọn để dần thay thế cho động cơ một chiều có chổi than (DC Motor).
Hình 2.54. Sơđồ mạch tượng trưng động cơ BLDC. Dòng điện qua mỗi pha của động cơ BLDC được xác định như sau:
V1 = R1i1 V2 = R2i2 + L1 + L2 di1 + E dt di2 + E dt (1) (2) Với: V3 = R3i3 + L3 di3 + E dt (3) - R1, R2, R3 là kháng trở của các cuộn dây. - L1, L2, L3 là điện cảm của các cuộn dây. - E1, E2, E3 là điện áp cảm ứng trong mỗi cuộn dây.
Các cuộn dây Stator của động cơ BLDC được mắc thành hình sao, chính vì thế không thể xác định được hiệu điện thế giữa dây pha và dây trung tính mà chỉ có thể xác định được hiệu điện thế giữa hai dây pha thông qua công thức:
V = R (i – i ) + L d(i1− i2 ) + E – E (4) 12 1 1 2 1 1 2 dt V = R (i – i ) + L d(i2− i3 ) + E – E (5) 1 2 3
51 Với:
23 2 2 3 2 2 3
- V12 = V1 – V2 - V23 = V2 – V3 - R1 = R2 - R2 = R3 - L1 = L2 - L2 = L3 Hình 2.55. Mạch đấu sao của cuộn dây động cơ BLDC.
Từ công thức (4) và (5), ta giả định rằng động cơ BLDC là một hệ thống cân bằng hay là một động cơ có hệ thống đối xứng ( R1 = R2 = R3 và L1 = L2 = L3). Trong một hệ thống đối xứng với một điểm trung tính thì các dòng pha phải thỏa mãn phương trình sau:
i1 + i2 + i3 = 0 (6) Từ công thức (6) ta có thể suy ra :
i3 = – i1 – i2 (7) Thay công thức (7) vào công thức (5) ta được:
V23 = R2i1 + 2R2i2 + 2L2
d(i1+ 2i2 ) + E
dt – E3 (8)
Từ công thức (4) và công thức (8), ta có thể tính được dòng điện ở các pha 1 và 2 như
sau:
di1
= 1 (2V12 + V23 – 3Ri1 – E23 – 2E12 ) (9)
53
di2
= 1
(– V12 + V23 – 3Ri2 – E23 + E12 ) (10)
dt 3L
Khi động cơ hoạt động, mô – men điện từ trên trục động cơ không thay đổi. Để giữ cho mô – men xoắn không bị thay đổi, ở mỗi pha sẽ sinh ra suất điện động (back EMF) cần thiết
để đồng bộ hóa với dòng điện ở pha đối xứng. Điện áp cảm ứng trong cuộn dây tăng khi tốc
độ động cơ bắt đầu tăng cao. Phương trình tiếp theo thể hiện mối tương quan giữa suất điện
động (back EMF) E và tốc độ động cơω về giá trị từng pha của động cơ:
E = Ke .ω.F(ϴ) (11)
Với:
- Ke là hằng sốđiện động.
- ω là tốc độ của động cơ (rad/s).
- ϴ là vị trí của rotor so với cảm biến Hall.
Hàm F(ϴ) trong phương trình trên có dạng sóng hình thang như trong hình 2.40 với biên
độ tối đa là 1 và nhỏ nhất là –1. Công suất điện từđộng cơ truyền đến Rotor bằng tổng các tích giữa các dòng trong pha với các suất điện động tương ứng theo công thức sau:
Pe = E1i1 + E2i2 + E3i3 (12) Mặt khác công suất điện được tính bởi công thức:
Pe = Mme. ω (13)
Từ công thức (12) và công thức (13), ta có:
Mme. ω = E1i1 + E2i2 + E3i3 (14)
Bên cạnh đó mô – men điện từ bằng tích của hằng số mô – men và dòng điện pha, vì thế:
Mme = Kt.i (15)[6]
Với: Kt là hằng số mô – men của động cơ.
Về cơ bản máy phát điện có cấu tạo và cách thức hoạt động khá tương đồng với động cơ điện một chiều. Điều khác biệt là máy phát điện lấy năng lượng cơ học để tạo ra năng lượng
điện. Vì thế, theo sơđồ khối ở trên máy phát điện được kết nối đồng trục với động cơ BLDC thông qua khớp nối ( khớp nối mềm có tấm đệm cao su), việc kết nối đồng trục đồng nghĩa với tỉ số truyền tốc độ quay của trục từđộng cơ sang máy phát điện là 1:1. Khi máy phát điện
được kích từ bằng bình acquy và đồng thời được kết nối với điện trở tải, lúc này Rotor của máy phát điện trở thành nam châm điện và xuất hiện từ trường xung quanh Rotor. Động cơ
quay làm trục máy phát quay, từ trường của Rotor xuyên qua cuộn Stator lúc này biến thiên và tạo ra một sức điện động (Emf) thay đổi định kỳ do các tính chất của từ thông và tuân theo
định luật Faraday – Lenz: Với: - N: số vòng dây. Emf = – N ∆BA ∆t (16) - ∆ : sự thay đổi của từ thông. - ∆ : sự thay đổi của thời gian.
Dấu trừ trong trong công thức trên có nghĩa sức điện động (Emf) tạo ra dòng điện ( I ) và từ trường ( B ) chống tại sự thay đổi tạo ra nó. Giả sử sức điện động được tạo ra trong cuộn Stator là E, kháng trở của cuộn dây là r, điện trở tải là Rload được kết nối với nhau như hình 2.57 với dòng điện chạy qua là I.
Hình 2.57. Mạch kết nối giữa điện trở tải và kháng trở cuộn dây.
Lúc này điện áp đo được ở hai đầu điện trở tải là V, ta có sự tương quan giữa các đại lượng trên là:
V = E – Ir (17)
Vì điện trở tải (Rload) được mắc nối tiếp với kháng trở ( r ) cuộn dây, theo định luật Ohm ta có:
E I =
r+RLoad (18)
Mặt khác, ứng dụng định luật Lenz, lực từ sinh ra trong cuộn dây dẫn kín đặt trong từ
trường biến thiên có xu hướng cản chuyển động của Rotor và có độ lớn bằng:
F = I.B.l.sinα (19)[1]
Với:
- F: lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn kín (N). - B: cảm ứng từ (T).
- I: cường độ dòng điện (A). - l: chiều dài đoạn dây (m). - α: góc tạo bởi ⃗ và .
Từ công thức (18) và công thức (19), điện trở tải ( Rload ) là một giá trị hằng số không đổi và lực điện từ F tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện ( I ) nên muốn thay đổi giá trị lực từ thì ta chỉ cần thay đổi lượng từ thông xuyên qua cuộn Stator bằng cách thay đổi tốc độ quay của trục Rotor ( hay tốc độ quay của động cơ).
Vì vỏ của máy phát điện được gắn liền với Stator nên khi lực từ xuất hiện và tác dụng vào cuộn, vỏ của máy phát có xu hướng quay theo chiều quay của lực tác dụng. Lúc này Load cell được đặt ở vị trí hấp thụ hoàn toàn lực do vỏ máy phát quay tác dụng vào bằng đúng với lực từ tác dụng vào cuộn Stator. Khi có lực tác dụng vào Load cell sẽ gửi tín hiệu điện áp về
cho máy tính thu thập. Lúc này mô – men do vỏ máy phát tác dụng lên Load cell là:
Mload = F.R (20)
Với:
- Mload: là mô – men tải (N.m). - F: lực do Load cell thu được (N).
- R: khoảng cách từ vỏ máy phát đến điểm tác dụng lên Load cell (m).
Từ giá trị mô – men Mload thu được và giá trị mô – men của động cơ Mme cung cấp, ta có thể nhận thấy rằng hai giá trị này bằng nhau.
2.6. Giới thiệu phần mềm Inventor
Autodesk Inventor, được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk_USA, là phần mềm chuyên cho việc thiết kế các chi tiết trong không gian 3 chiều hay còn gọi là 3D sau khi kết tinh thành các bản vẽ thiết kế. Đây là phần mềm hỗ trợ không thể thiếu của các nhà thiết kế,
đặc biệt là về chuyên ngành cơ khí, linh kiện sản phẩm. Phần mềm cho phép người dùng kiểm soát linh kiện sản phẩm, thuộc tính và chức năng khi thiết kế ra một sản phẩm, giới hạn bớt nhu cầu đối các mô hình vật lý, cũng như giảm bớt chi phí thay đổi thiết kế như khi thiết kế
truyền thống đưa ra sản phẩm.
Autodesk Inventor cung cấp một môi trường thiết kế và phím tắt tương tự như AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG, cho phép người dùng chuyển từ bản vẽ 2D hiện hành sang xây dựng mô hình 3D. Inventor được sử dụng phổ biến trong tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, các mẫu được tạo ra từ bản vẽ 2D AutoCAD được tích hợp và các dữ liệu 3D, hình thành nên sản phẩm ảo. Bằng
cách này, các kỹ sư có thể thiết kế, mô phỏng, sản phẩm mà không phải tạo ra các mẫu vật lý. Người dùng có thể sử dụng các công cụ thiết kế 3D cơ khí trong Inventor để nghiên cứu và
đánh giá mô hình thuận tiện và hiệu quả hơn. Ngoài ra phần mềm còn đưa ra các công cụ và tính năng khác nhằm nâng cao năng suất làm việc.
Autodesk Inventor được sử dụng để rút ngắn khoảng cách giữa thiết kế, kỹ thuật và sản xuất. Phần mềm giúp cắt giảm chi phí sản xuất bằng việc tạo ra các nguyên mẫu và thử nghiệm
ảo, hạn chế lỗi và lao động thủ công, tăng chu kỳ sản xuất và đưa sản phẩm đến thị trường nhanh hơn.
Chương 3. CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU 3.1. Cảm biến Loadcell
3.1.1. Khái niệm Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu
điện. Khái niệm “strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỉ lệ với sự biến dạng này. Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm. Một số trường hợp Loadcell được thiết kếđểđo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.
Hình 3.1. Một số loại Loadcell.
3.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3.1.2.1. Cấu tạo
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần gồm “Strain gage” và “Load”. Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị biến dạng và được nuôi bằng nguồn điện ổn định, được dán chết trên Load – một thanh kim loại chịu tải có tính
Hình 3.2. Cấu tạo cảm biến Loadcell.
3.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.
Hình 3.3. Mạch cầu Wheatstone.
3.1.3. Thông số kỹ thuật cơ bản
Thông số kỹ thuật đại diện cho chất lượng và khả năng hoạt động một cách tối ưu nhất của Loadcell:
- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp.
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thểđo được.
- Dài bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kỹ thuật được đưa ra.
- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP ( ví dụ IP65: chống được độẩm và bụi). - Điện áp: giá trịđiện áp làm việc của Loadcell ( thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và
giá trị nhỏ nhất, ví dụ 5 – 15 V).
- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chếđộ không tải.
- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim