Chương II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.5. Động cơ điện một chiều dùng trên xe cải tiến
2.5.1. Giới thiệu động cơ điện một chiều không chổi than
Động cơ điện một chiều (hay động cơ DC) có hiệu suất cao được sử dụng trong mơ hình xe gắn máy lai làm nguồn động lực ở chế độ sử dụng năng lượng điện. Tuy nhiên, hạn chế của loại động cơ điện DC truyền thống là cần phải có cổ góp và chổi than, là hai bộ phận sẽ mau chóng bị mài mịn do ma sát và yêu cầu một chế độ bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Hơn thế nữa, khi động cơ làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi than và cổ góp, tia lửa điện có thể gây ra vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi than và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác. Nhằm loại bỏ những nhược điểm này, người ta thay thế chức năng của cổ góp và chổi than thơng qua việc chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (ví dụ như biến tần sử dụng transitor cơng suất chuyển mạch theo vị trí roto). Từ đó động cơ điện một chiều khơng chổi than- BLDC
28 (Brushless DC motor) ra đời, là một dạng động cơ điện đồng bộ, kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator. Do được thiết kế khơng có cổ góp và chổi than nên động cơ này đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ điện một chiều truyền thống. Thực tế sử dụng cho thấy hiệu suất của một động cơ BLDC thường khoảng 85-90%, trong khi động cơ chổi than thông thường chỉ đạt 75-80% hiệu suất. Động cơ BLDC cũng thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao (10.000 rpm hoặc cao hơn), bên cạnh đó các động cơ BLDC cũng được kiểm soát tốc độ tốt hơn [27]. Về cơ bản, động cơ BLDC giống như động cơ xoay chiều đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator. Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ BLDC là phương pháp điều khiển dùng cảm biến Hall xác định vị trí rotor hoặc dùng Encoder và phương pháp điều khiển không cảm biến (Sensorless Control). Đối với phương pháp điều khiển dùng cảm biến Hall, nguyên tắc điều khiển là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì ngun tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ. Một động cơ BLDC loại này gồm: phần ứng là Stator, phần cảm là Rotor và cảm biến Hall. Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo hai cách cơ bản là gắn trên bề mặt lõi và gắn ẩn bên trong lõi. Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rotor có kết cấu đơn giản trong chế tạo nhưng khơng chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp. Ngược lại, các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe
29 dọc trục trong lõi rotor có kết cấu khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao. Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra từ trường hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở khơng khí giữa stato và rotor. Loại nam châm vĩnh cửu thường được dùng nhất hiện nay là nam châm Ferrite từ cứng, được chế tạo từ các ferittừ cứng như chất ferit Ba, Sr… Nam châm loại này có ưu điểm là dễ chế tạo và gia công, giá thành rẻ nhưng độ bền cao.
Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha. Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây là nối theo hình sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe, phân bố đều nhau và chúng nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của stator động cơ khác nhau cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau. Sự khác nhau trong
Hình 2.15: Rotor với nam châm gắn trên bề mặt lõi.
30 cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Dịng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang. Momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục, cịn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.
Động cơ điện một chiều khơng chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/qn tính lớn, tỷ lệ cơng suất trên khối lượng cao, vận hành nhẹ nhàng thậm chí ở tốc độ thấp, có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn, hiệu suất cao, kết cấu gọn, vận hành ở tốc độ cao. Tuy nhiên, do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao. Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì khả năng tích từ khơng cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm giảm khi tăng nhiệt độ.
2.5.2. Động cơ điện tích hợp trong bánh xe (Wheel-hub Motor)
Hiện nay, để tiện lợi hơn trong việc bố trí động cơ lên xe với tiêu chí nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, người ta đã tích hợp động cơ điện vào bên trong bánh xe. Cùng với đó hệ thống này sẽ được vận hành dưới dạng điện tử (Drive-by-Wire), tức là không thông qua các kết cấu cơ học như hiện nay. Với hệ thống này, bánh xe sẽ là một cụm vận hành độc lập, motor dẫn động trực tiếp lên bánh xe để giúp xe chuyển động từ đó loại bỏ được tồn bộ hệ thống truyền lực của xe, góp phần làm giảm khối lượng của xe và tăng không gian trống cho xe. Động cơ điện được sử dụng để tích hợp có thể là
31 động cơ điện một chiều, xoay chiều hoặc một số loại động cơ đã được giới thiệu như trên. Cơng việc tính tốn, thiết kế xe gắn máy Hybrid dựa trên nền xe Honda Lead 110cc đã lựa chọn động cơ điện khơng chổi than tích hợp vào bánh xe trước làm nguồn động lực cho chế độ chạy điện. Loại động cơ này có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ dàng bố trí vào xe, cơng suất và dãy tốc độ được thiết kế tương ứng các chế độ vận hành của xe trên đường. Mặt khác động cơ tích hợp trong bánh xe hiện đang được sử dụng rộng rãi và trở thành xu thế trong phát triển xe điện, xe lai.
Thông số kỹ thuật của động cơ điện được lựa chọn [28]:
Loại động cơ: Brushless Hub Motor Model: BLW-16B
Nhà sản xuất: Leaf Motor Technology Co.Ltd
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Điện áp đầu vào 48 V
2 Công suất 1000 W
3 Mômen cực đại 24,09 N.m
4 Khối lượng 11,98 kG
Hình 2.18: Kết cấu động cơ BLW-16B Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật động cơ điện BLW-16B.
32