“Tiểu luận Động cơ điện induction motor trên xe điện và xe lai”

Động cơ điện Induction motor trên xe điện và xe lai Phần I: Tổng quan về các loại động cơ điện trên ô tô điện và ô tô lai. Phần II: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính, ứng dụng của động cơ Induction trên ô tô. Phần III: Kết luận1.1. Quá trình phát triển động cơ điện

LỜI NÓI ĐẦU

Nền kinh tế nước ta đang phát triển với tốc độ cao, kéo theo đó là sự gia tăng mạnh mẽ nhu cầu về năng lượng Đây là vấn đề đang đặt ra nhiều thách thức rất lớn khi mà các nguồn năng lượng sơ cấp như than đá, dầu khí…đang cạn kiệt Đó mối đe dọa cho nền phát triển ngành công nghiệp cơ khí ôtô

Trong tương lai không xa, khái niệm ô-tô sẽ hoàn toàn thay đổi Không còn bình xăng và động cơ đốt trong nữa, ô-tô sẽ được truyền động bằng động cơ điện Cuối thế kỷ 19 ô tô điện được sử dụng rộng rãi ở các thành phố lớn, taxi ở New York là xe ô tô điện Thế kỷ 20 ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe động cơ đốt trong Thế kỷ 21 sứ mệnh đã lặp lại với ô tô điện, những chiếc xe xanh, tiết kiệm và thông minh nhất hiện nay chính là ô tô điện

Xe điện không chỉ xuất hiện trong đời sống dân sinh mà còn xuất hiện ở mọi lĩnh vực: Xe quân sự đảm bảo được tính bí mật, Xe F1 là hybrid, giải đua F1 cho xe thuần điện

Dự báo năm 2030 lượng xe điện bán ra tại châu Âu sẽ chiếm 95% Xe điện

là xu thế tất yếu và là giải pháp hiệu quả của bài toán an toàn giao thông, môi trường và năng lượng

Tại Việt Nam, khi ô tô điện vào Việt Nam thì có một vài đặc điểm như: Thị trường: người Việt Nam thích công nghệ nhiều hơn, mà ô tô điện là loại xe thông minh nên được người dùng quan tâm rất nhiều

Từ những vấn đề trên em đã được định hướng lựa chọn tiểu luận: “Động cơ điện Induction motor trên xe điện và xe lai”

Nội dung chính đồ án gồm 3 phần:

- Phần I: Tổng quan về các loại động cơ điện trên ô tô điện và ô tô lai

- Phần II: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính, ứng dụng của động cơ Induction trên ô tô

- Phần III: Kết luận

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày ….tháng … năm 2

1

PHẦN I:

TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN

VÀ ÔTÔ LAI 1.1 Quá trình phát triển động cơ điện

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, Jedlik (nhà nghiên cứu vật lý người Hungary) đã chế tạođộng cơ điện đầu tiên vào năm 1828 Kể từ đó, các loại máy móc sử dụng điện năng lần lượt ra đời, trong đó có những thủy tổ của ôtô điện -lúc đầu chỉ là những “cỗ máy có bánh xe và biết chạy” Gần bảy mươi năm sau phát minh của Jedlik, chiếc ô-tô điện đầu tiên mang dáng vẻ hiện đại mới được chế tạo bởi Thomas Parker vào năm 1895 (H 1-a) Ô-tô điện nhanh chóng bước vào thời đại hoàng kim trong những năm đầu thế kỷ 20

Ô-tô điện chạy êm, dễ dàng điều khiển ngay cả với phụ nữ, sạch sẽ, lại không gây tiếng ồn Nếu bước lên cỗ máy thời gian quay lại năm 1905, chúng ta

sẽ thấy ô-tô điện cá nhân và taxi điện trên các con đường tại các thành phố lớn ở

Mỹ và châu Âu Nhưng thời đại hoàng kim ấy không kéo dài lâu Ô-tô dùng động cơ đốt trong tuy rất ồn và thải ra khí quyển nhiều chất độc hại, nhưng lại

có ưu thế vượt trội về tốc độ và độ dài của hành trình

3

1.2 Phân loại Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện

1.2.1 Động cơ một chiều (DC Motor)

Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mômen Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác

1.2.2 Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)

Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài, đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất không lớn Ở

Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy

1.2.3 Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM)

Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với

5

dây quấn và lõi sắt từ Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau như ta thấy trên hình 4 Cấu trúc này khiến cho

từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra mômen từ trở làm động cơ quay

1.2.4 Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor – SRM)

Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau: các dây quấn stator được kích từ lần lượt (gần giống động cơ bước – stepping motor), lực từ trường tác dụng lên rotor làm nó quay từ vị trí có từ trở lớn nhất (vị trí lệch trục) đến vị trí có từ trở nhỏ nhất (vị trí đồng trục) Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa nên ta có thể sử dụng tối đa khả năng của vật liệu từ, do vậy động cơ SRM có tỉ lệ công suất trên khối lượng (kích thước) lớn

1.2.5 Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor)

Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán) Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao

1.2.6 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent

Magnet Motor – IPM motor)

Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor (hình 9), dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục (hình 10), từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) như ta thấy trên hình 11 Đặc tính này khiến động cơ IPM có

7

khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng II như đã phân tích ở mục 2c phía trên

1.2 Động cơ hybrid

cần hiểu động cơ hybrid - xăng lại điện là một giải pháp để đáp ứng những đòi hỏi khắt khe ở các nước phát triển về tiêu chuẩn khí thải, mức tiêu thụ nhiên liệu Hybrid cũng có nhiều loại và loại lắp trên Corolla Cross là dạng

cơ bản dễ sử dụng và "lành" tính Sau hybrid, ngành công nghiệp ôtô còn

có xe thuần chạy điện, pin nhiên liệu, hydro cũng là những cách khác để bảo vệ môi trường Xe hybrid xuất hiện đầu tiên từ năm 1997

hình cấu tạo hệ thống động cơ hybrid của corolla

Về cấu tạo, nếu xe chạy động cơ xăng thông thường sẽ kết nối động cơ với

cơ cấu truyền động làm quay bánh xe, thì với động cơ hybrid, ở giữa cơ cấu này có thêm một môtơ điện cùng chia sẻ nhiệm vụ với động cơ xăng

Để cơ cấu hoạt động trơn tru cần có thêm các bộ phận hỗ trợ khác như bộ đổi điện, bộ chia công suất, bộ giảm tốc môtơ và đặc biệt là khối pin

-nguồn cung cấp năng lượng cho môtơ điện

PHẦN II:

CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, ĐẶC TÍNH, ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG

CƠ INDUCTION TRÊN Ô TÔ

2.1 Định nghĩa Induction motor:

Động cơ cảm ứng là loại động cơ điện phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp và nó được sử dụng trong hầu hết mọi thứ, từ thang máy, thang cuốn, máy bơm, quạt, băng tải, v.v Bất cứ thứ gì cần di chuyển trong tòa nhà đều có thể đang sử dụng một trong những động cơ này

Chúng rất phổ biến vì chúng tương đối rẻ, khá hiệu quả, dễ cài đặt và kiểm soát, bảo trì thấp và sẽ hoạt động trong nhiều năm

2.2 Các bộ phận của động cơ cảm ứng

Trước hết chúng ta có phần thân chính, hoặc khung Phần này được bắt vít xuống sàn hoặc vào khung Khung chính là nơi mọi thứ được bắt vít vào và kết nối với nhau, vì vậy đây là điểm tham chiếu trung tâm

Nó cũng là vỏ cho stator Stato được gọi là stato vì nó đứng yên Bên trong stato, bạn có tất cả các cuộn dây, chúng sẽ được quấn quanh các rãnh bên trong stato,

và chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn điều đó ngay sau đây Nhưng các cuộn dây được quấn quanh bên trong khung stato, thành nhiều vòng quanh chu vi bên trong stato, và dòng điện sẽ chạy qua các cuộn dây này Khi dòng điện chạy qua nó, nó

sẽ tạo ra từ trường và đó là điều sẽ khiến động cơ quay

Chạy qua tâm của động cơ và các cuộn dây là rôto Đây là một trục có gắn một cuộn cảm Cuộn cảm bị ảnh hưởng bởi từ trường, và điều đó sẽ làm cho nó quay Khi nó quay, nó sẽ quay trục, trục mà nó được gắn vào nó về mặt cơ học

và điều này cung cấp năng lượng cơ học mà chúng ta sử dụng để di chuyển mọi thứ Chúng tôi cũng sẽ xem xét điều đó sau một giây

11

Ngoài ra còn có một bộ vòng bi ở mỗi đầu, cái này được kết nối với trục Chúng phù hợp với bên trong các tấm chắn cuối Các ổ trục chỉ đảm bảo rằng trục quay trơn tru và có ma sát tối thiểu Rõ ràng là trục sẽ quay với vận tốc góc rất lớn Sau đó, ở mỗi đầu chúng ta sẽ có một tấm chắn cuối, tấm chắn này sẽ được bắt vít vào khung và đó là những gì các vòng bi nằm bên trong Chúng chỉ bảo vệ bên trong động cơ khỏi các hạt bên ngoài xâm nhập vào các bộ phận quay Họ cũng cố định mọi thứ để đảm bảo rằng rôto, khi nó quay, vẫn ở đúng vị trí của

nó và không bay ra ngoài và bắt đầu chạm vào stato và các cuộn dây, v.v

Sau đó, ở phía sau, chúng ta có một cái quạt, và cái đó được bắt vít trực tiếp vào đầu trục Khi trục quay, quạt cũng vậy Trục quay càng nhanh thì quạt quay càng nhanh Đây là một đặc điểm quan trọng của thiết kế động cơ Quạt sẽ hút không khí xung quanh vào và nó sẽ đưa nó vào các cánh quạt và sau đó ép không khí

đó ra bên ngoài quạt, để lấy đi một phần nhiệt

Các cánh tản nhiệt nhô ra hết xung quanh vỏ ngoài của động cơ, cũng dẫn một phần nhiệt ra khỏi tâm Chúng hoạt động bằng cách tăng diện tích bề mặt của vỏ

và điều đó sẽ giúp hút một phần nhiệt không mong muốn ra ngoài và cho phép

nó nguội đi Nếu không, nó sẽ làm chảy lớp cách điện trên các cuộn dây và gây

ra ngắn mạch làm chết động cơ

Bạn có thể thấy từ hình ảnh nhiệt, nó mát hơn nhiều ở nơi không khí đi vào đầu tiên (ngoài cùng bên trái) Có một chút điểm nóng trên cái này và phần còn lại của vỏ máy ấm lên do nhiệt được tạo ra bởi dòng điện đi qua các cuộn dây đồng bên trong

Cuối cùng, ở phía sau, chúng tôi có một bộ phận bảo vệ quạt, và điều đó thực sự chỉ để bảo vệ quạt và cũng bảo vệ bạn và ngăn bạn cắt ngón tay của mình

Nhìn vào rôto, loại rôto này được biết đến là loại lồng sóc Đó là đề cập đến những thanh dẫn điện chạy dọc theo chiều dài của nó Nó được đặt tên như vậy chỉ vì nó trông hơi giống một cái lồng mà bạn sẽ nhốt một con sóc vào… Tôi đoán? Ngày trước, họ chỉ quyết định gọi nó là lồng sóc

Khung lồng sóc có các thanh dẫn chạy từ đầu này sang đầu kia Chúng thường được làm từ đồng hoặc nhôm Chúng sẽ có các vòng cuối được gắn vào một trong hai và điều này sẽ làm ngắn nó, tạo ra một mạch điện và điều đó sẽ cho phép dòng điện cảm ứng chạy qua nó

Điều này tạo ra từ trường riêng của nó trong các thanh cảm ứng của rôto Từ trường bên trong rôto sẽ bị đẩy lùi bởi từ trường của stato Các lực đối nghịch sẽ làm cho rô to quay để cố gắng thoát ra khỏi lực này Các kỹ sư nhận ra rằng nếu

13

họ tiếp tục chuyển động từ trường thì rôto sẽ tiếp tục chuyển động đi, vì vậy chúng ta có thể khai thác năng lượng này để điều khiển máy bơm và quạt

Kẹp giữa các vòng cuối là những tấm sắt dát mỏng Chúng có thể dày nửa milimet Chúng chỉ ở đó để tăng cường từ trường, và chúng cũng làm giảm các dòng điện xoáy Bạn cũng có thể nhận thấy rằng các thanh cuộn cảm không thẳng, chúng bị lệch Điều này được thiết kế để tăng mô-men xoắn Có một độ xiên tối đa mà bạn có thể đặt trên những cái này và góc của độ xiên đó sẽ phụ thuộc vào thiết kế của động cơ

2.3 nguyên lý làm việc

Khi bạn cho dòng điện chạy qua một dây dẫn, chúng ta biết rằng nó cũng tạo ra

từ trường xung quanh nó Điều này cũng thay đổi hướng với dòng điện xoay chiều và cường độ của từ trường đó cũng sẽ thay đổi theo dòng điện khi nó thay đổi giữa giá trị cực đại và cực tiểu của sóng sin Khi đạt đến đỉnh, nó ở cường độ tối đa và sau đó khi đi qua vạch 0, đó là cường độ tối thiểu, và sau đó nó cũng đạt cực đại lại ở đỉnh thấp nhất Chu kỳ này lặp lại liên tục 100 lần mỗi giây đối với 50Hz và 120 lần mỗi giây đối với 60Hz

Bây giờ, khi bạn thêm nhiều dây với nhau được kết nối với cùng một pha, hoặc khi bạn quấn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường mạnh hơn nhiều và nó sẽ khuếch đại từ trường này Vì vậy, nếu chúng ta quấn một loạt dây với nhau và sau đó cho dòng điện chạy qua chúng, tất cả các từ trường cộng lại với nhau và bạn sẽ

có được một từ trường thực sự mạnh

Nếu chúng tôi lấy vỏ động cơ trong stato và chúng tôi tạo hai cuộn dây, và chúng tôi đặt chúng đối diện nhau trong stato, sau đó chúng tôi kết nối chúng với nhau và cho dòng điện chạy qua chúng, điều này sẽ tạo ra cực bắc và cực nam Điều này sẽ lật giữa hai cuộn dây khi nó đi qua mỗi chu kỳ của bước sóng Nếu sau đó chúng ta lấy một nguồn cung cấp ba pha và kết nối mỗi cuộn dây với một pha khác nhau và đặt các cuộn dây quay 120 độ so với cuộn trước

đó, xung quanh bên trong của stato, thì mỗi một trong số các cuộn dây này sẽ đạt công suất cực đại của chúng ở một mức khác thời gian đến các cuộn dây khác Sóng hình sin cho biết cuộn dây nào đạt đến cường độ cực đại, 0 và cực tiểu và theo thứ tự

Điều đó có nghĩa là điểm của từ trường cực đại sẽ chuyển động xung quanh stato từ cuộn dây này sang cuộn dây tiếp theo, điều này sẽ gây ra từ trường quay

và nếu chúng ta đặt rôto ở trung tâm của nó, thì rôto sẽ liên tục bị ép quay Sau

đó, chúng tôi có thể gắn máy bơm và quạt vào rôto và sử dụng chúng để làm việc cho chúng tôi

15

Phần III: Kết luận

phiên bản hybrid luôn tiết kiệm hơn khoảng gần một nửa so với bản xăng

có cùng điều kiện vận hành (người lãi, quãng đường, số km ) Quan trọng hơn, vì tiêu thụ ít nhiên liệu, nên lượng khí phát thải ra môi trường cũng ít hơn