Các thông số ban đầu cho việc tính toán và chọn công suất của động cơ điện. - Tổng tải trọng của ô tô là : 578 (Kg).
- Vận tốc ô tô : Vmax = 30 (Km/h). - Khả năng vượt dốc với α = 10%. - Bán kính bánh xe: rbx = 0,21(m).
3.5.3.1. Xác định công suất của động cơ điện
Ô tô thiết kế với động cơ điện dùng để chạy trong phạm vi cơ quan có khuôn viên đi lại rộng (nhu các khu khách sạn du lịch bãi biển, Resorts, trong khuôn viên các trường có diện tích lớn). Tốc độ thiết kế chỉ giới hạn trong phạm vi từ (25 ÷30) km/h.
Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo tiếp tuyến ở các bánh ô tô chủ động (hai bánh ô tô sau) của ô tô thiết kế được sử dụng để khắc phục các lực cản chuyển động sau: lực cản lăn, lực cản dốc, lực cản không khí và lực quán tính.
Hình 3.28: Các loại lực tác dụng lên ô tô
Trường hợp tổng quát, ta có phương trình cân bằng lực kéo như sau: Pk = Pf ± Pi + Pω ± Pj (3-9) Trong đó:
Pk - lực kéo tiếp tuyến phát ra ở các bánh ô tô chủ động. Pf - lực cản lăn.
Pi - lực cản dốc.
Pω - lực cản không khí. Pj- lực cản quán tính.
Tính cho trường hợp ô tô lên dốc (cho độ dốc là 10%): sinα = 0,1 => α ≈ 6o
1) Lực cản lăn được tính:
Pf = f.(Z1 + Z2) = f.G.cosα (3-10) Trong đó:
f- là hệ số cản lăn (f =0,018: đối với đường nhựa).
G= 578.9,81 = 5670,18 (N) - Là tổng trọng tải của ô tô thiết kế. Pf = 0,018.5670,18.cos6o = 101,51 (N).
2) Lực cản lên dốc được tính:
Pi = Gtb.sinα ,với sinα là độ dốc của mặt đường (10%). Do đó, sinα = 0,1 Ta có: Pi = 5670,18.0,1 = 567,02 (N).
3) Lực cản không khí:
Trong đó:
k - là hệ số cản không khí. Đối với ô tô con vỏ hở k = 0,4 ÷ 0,5 (Ns2/m4), chọn k = 0,4 (Ns2/m4).
F- là diện tích cản chính diện. Đối với ô tô du lịch: S = 0,8.B.H B- chiều rộng toàn bộ ô tô, B = 1420 mm.
H- chiều cao toàn bộ của ô tô, H = 1650 mm. F = 0,8.1,42.1,65 = 1,87 (m2).
V là vận tốc lớn nhất của ô tô, vận tốc lớn nhất của ô tô được chọn là: v = 30(km/h) ≈ 8,33 (m/s).
4) Lực cản quán tính: Pj= Gtb.a với a là gia tốc của ô tô (a = 1m/s2). Ta có: Pj = 578.1 = 578 (N).
Thay các giá trị vào (3-9), ta có:
Pk = Pf ± Pi + Pω ± Pj= 101,51+ 567,02 + 51,9 + 578 = 1298,42 (N). Đó là trường hợp cực đại của công suất. Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi ô tô lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực quán tính và lực cản không khí hoặc khi ô tô đang chạy ở tốc độ tối đa thì không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Như vậy, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính lại là:
P
fi = Pf + Pi = 101,51 + 567,02 = 668,53 (N) (3-11) P
fω = Pf + Pω = 101,51 + 51,9 = 153,4 (N) (3-12) Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của ô tô. Trường hợp ô tô lên dốc, tuy lực cản có lớn hơn nhưng nếu ô tô chạy với vận tốc rất bé thì công suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp ô tô chạy ở tốc độ tối đa (sử dụng hết công suất của động cơ điện). Vì vậy, ta có thể chọn trường hợp ô tô chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ, khi đó Pfω= 166,39 (N) và vận tốc của ô tô v = 8,33 (m/s).
Ta có công suất cản của ô tô lúc này là: Neω= P
fω.v = 153,4.8,33 = 1277,82(W) (3-13) Đây là công cản của ô tô, công suất cần thiết của động cơ để cân bằng với công cản của ô tô trong trường hợp này, công suất cực đại yêu cầu của động cơ:
Hiệu suất trung bình của động cơ điện ηdc80%, chọn ηdc = 0,85 và hiệu suất của hệ thống truyền lực, ta chọn sơ bộ là ηtl = 0,9.
Nect = Neω/( ηdc. ηtl) = 1277,82/(0,85.0,9) = 1670,35 (W) Chọn động cơ lắp trên ô tô ứng với công suất cực đại yêu cầu:
Nemax = (1,1÷1,25).Nect = (1837,38 ÷ 2087,94) (W) (3-15) Vì vậy, để đảm bảo ô tô đạt được các thông số thiết kế, chúng ta chọn động cơ điện có công suất tổng Nemax = 2 (KW).
3.5.3.2. Chọn động cơ điện 1) Yêu cầu
-Động cơ phải có đủ công suất kéo, tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp.
-Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng.
-Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí độc hại, ngoài trời hay trong nhà..).
2) Các loại động cơ điện
Theo phương pháp cung cấp năng lượng thì động cơ điện được phân ra làm: động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC). Tùy theo cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành mà người ta lại phân chia ra thành các loại khác nhau như sau:
Đối với động cơ một chiều DC thì như tên gọi cho thấy sử dụng
nguồn cung cấp là dòng điện một chiều. Nó có ưu điểm là dễ điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng tới công suất và giá cả rẻ hơn, qua phân tích đồ thị đặc tính cơ (hình 4-6) thì ta thấy động cơ điện một chiều có khả năng cung cấp một mômen khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng. Nhưng bên cạnh đó thì nó lại có kích thước và trọng lượng lớn hơn động cơ AC.
Đối với động cơ xoay chiều AC thì ưu điểm chính động cơ này là thường đạt được hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, nhưng các mạch điện tử phức tạp cần phải lắp thêm bộ biến tần. Tuy nhiên, thiết bị này chỉ cải thiện việc điều khiển tốc độ
M(Nm) n(v/p) Động cơ AC không động bộ Động cơ DC Động cơ AC đồng bộ
nhưng chất lượng dòng điện lại giảm và có hệ số tỷ lệ công suất/ trọng lượng là cao (gấp đôi so với tỷ lệ công suất: trọng lượng của động cơ điện một chiều).
Hình 3.30: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện
Qua các phân tích ở trên ta chọn loại động cơ một chiều (DC) cho ô tô thiết kế. Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than. Loại có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không chổi than có rất nhiều ưu điểm nhưng giá thành rất cao. Vì vậy xét về mặt kinh tế thì ta chọn loại động cơ điện một chiều có chổi than làm nguồn động lực cho ô tô thì giá thành của ô tô sẽ giảm bên cạnh đó vẫn đảm bảo được các đặc tính kỹ thuật cần thiết cho ô tô thiết kế.
Theo cách kích thích từ thì động cơ điện một chiều có rất nhiều loại. Theo cách phân loại này thì có các loại động cơ điện như:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Bao gồm động cơ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay kích thích điện từ. Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu chỉ dùng cho các loại động cơ có công suất nhỏ (cỡ vài chục W). Loại kích thích điện từ có dây quấn lấy điện từ ắc quy lưới điện một chiều và được dùng trong trường hợp điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn và điện áp thấp hoặc điện áp cao.
+ Động cơ điện một chiều tự kích thích: Tuỳ theo cách nối các dây quấn kích thích ta có:
o Động cơ điện một chiều kích thích song song.
o Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp.
U It Ut Iø I Rdc Iø It U I Iø I U Rt Rt Iø I U Rd c It a b c d
Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
(a): Kích thích độc lập; (b) : Kích thích song song; (c) : Kích thích nối tiếp (d): Kích thích hỗn hợp.
Đối với động cơ điện một chiều kích thích độc lập mặc dù nó có ưu điểm là khả năng điều chỉnh dòng kích thích thuận lợi và kinh tế. Tuy nhiên, ta phải sử dụng thêm một nguồn kích thích phụ bên ngoài, điều này sẽ gây khó khăn trong việc bố trí và sắp xếp các chi tiết nên ta không chọn loại động cơ điện loại này.
Trong các loại động cơ điện tự kích thích do phạm vi hoạt động của ô tô thiết kế chủ yếu chạy ở thành phố nên động cơ điện kiểu kích thích nối tiếp là phù hợp nhất vì có tốc độ quay không tải lý tưởng lớn nên có thể tái sinh năng lượng khi động cơ ở trạng thái hãm. Không những thế động cơ điện kích từ nối tiếp còn có khả năng quá tải lớn về mômen, khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ điện kích từ nối tiếp lớn hơn, mặt khác dòng điện cho phép của động cơ điện loại này có thể lớn đến 2,5Iđm. Do vậy ta chọn loại động cơ điện này để lắp cho ô tô đang thiết kế.
Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc. Trong các loại đặc tính thì quantrọng nhất là đặc tính cơ: là đặc tính biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mômen ( n = f(M) ) khi U = const.
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng của đường hyperbol bậc hai (hình 3.48). Ta thấy rằng ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ (n) giảm rất nhanh khi mômen (M) tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0) có trị số rất lớn. Với đặc tính cơ mềm mại như vậy nên động cơ điện một chiều rất có ưu việt trong những điều kiện cần khởi hành với mômen lớn hay cần tốc độ thay đổi trong một phạm vi rộng.
Hình 3.32: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện
n0 - Số vòng quay không tải lý tưởng;
nđm - Số vòng quay định mức (hay số vòng quay cơ bản);M0- mômen của động cơ ở tốc độ không tải lý tưởng; Mđm - mômen định mức, nđm<< n0.
Vậy loại động cơ điện được sử dụng sẽ là động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có chổi than, có công suất định mức là Nđm = 2(KW).Và trên thị trường ta tìm được động cơ điện một chiều với công suất định mức là 2(Kw), số vòng quay định mức nđm
= 6000 (vòng/phút), hiệu điện U = 24(V), loại kích từ nối tiếp có chổi than.