Xe điện chủ yếu bao gồm ba phần: hệ thống truyền động động cơ, hệ thống pin và hệ thống điều khiển xe.Hệ thống truyền động động cơ là bộ phận chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành năng lượng cơ, quyết định các chỉ số hoạt động của xe điện.Vì vậy việc lựa chọn động cơ truyền động là đặc biệt quan trọng.
Trong môi trường bảo vệ môi trường, xe điện cũng trở thành điểm nóng nghiên cứu trong những năm gần đây.Xe điện có thể đạt mức phát thải bằng 0 hoặc rất thấp khi tham gia giao thông đô thị và có lợi thế rất lớn trong lĩnh vực bảo vệ môi trường.Tất cả các nước đang nỗ lực phát triển xe điện.Xe điện chủ yếu bao gồm ba phần: hệ thống truyền động động cơ, hệ thống pin và hệ thống điều khiển xe.Hệ thống truyền động động cơ là bộ phận chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành năng lượng cơ, quyết định các chỉ số hoạt động của xe điện.Vì vậy việc lựa chọn động cơ truyền động là đặc biệt quan trọng.
1. Yêu cầu đối với xe điện dùng động cơ dẫn động
Hiện nay, việc đánh giá hiệu suất của xe điện chủ yếu xem xét ba chỉ số hiệu suất sau:
(1) Quãng đường đi được tối đa (km): quãng đường đi được tối đa của xe điện sau khi sạc đầy ắc quy;
(2) Khả năng tăng tốc: thời gian tối thiểu cần thiết để xe điện tăng tốc từ trạng thái đứng yên đến một tốc độ nhất định;
(3) Tốc độ tối đa (km/h): tốc độ tối đa mà xe điện có thể đạt được.
Động cơ được thiết kế cho đặc tính dẫn động của xe điện có các yêu cầu về tính năng đặc biệt so với động cơ công nghiệp:
(1) Động cơ dẫn động xe điện thường yêu cầu các yêu cầu về hiệu suất động cao để khởi động/dừng, tăng/giảm tốc và kiểm soát mô-men xoắn thường xuyên;
(2) Để giảm trọng lượng của toàn bộ xe, hộp số đa tốc độ thường bị hủy, điều này đòi hỏi động cơ có thể cung cấp mô-men xoắn cao hơn ở tốc độ thấp hoặc khi leo dốc và thường có thể chịu được 4-5 lần sự quá tải;
(3) Phạm vi điều chỉnh tốc độ phải càng lớn càng tốt, đồng thời cần duy trì hiệu suất vận hành cao trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ;
(4) Động cơ được thiết kế để có tốc độ định mức cao nhất có thể, đồng thời sử dụng vỏ hợp kim nhôm càng nhiều càng tốt.Động cơ tốc độ cao có kích thước nhỏ, giúp giảm trọng lượng của xe điện;
(5) Xe điện phải có khả năng sử dụng năng lượng tối ưu và có chức năng thu hồi năng lượng phanh.Năng lượng được phục hồi bằng phanh tái tạo thường đạt 10% -20% tổng năng lượng;
(6) Môi trường làm việc của động cơ sử dụng trong xe điện phức tạp và khắc nghiệt hơn, đòi hỏi động cơ phải có độ tin cậy tốt và khả năng thích ứng với môi trường, đồng thời phải đảm bảo giá thành sản xuất động cơ không thể quá cao.
2. Một số động cơ truyền động thông dụng
2.1 động cơ một chiều
Trong giai đoạn đầu phát triển của xe điện, hầu hết các xe điện đều sử dụng động cơ DC làm động cơ truyền động.Loại công nghệ động cơ này tương đối trưởng thành, với các phương pháp điều khiển dễ dàng và khả năng điều chỉnh tốc độ tuyệt vời.Nó từng được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực động cơ điều chỉnh tốc độ..Tuy nhiên, do cấu trúc cơ học phức tạp của động cơ DC, chẳng hạn như: chổi than và cổ góp cơ học, nên khả năng quá tải tức thời và việc tăng thêm tốc độ động cơ bị hạn chế, và trong trường hợp làm việc lâu dài, cấu trúc cơ học của động cơ DC sẽ bị hạn chế. động cơ sẽ bị tổn thất và chi phí bảo trì tăng lên.Ngoài ra, khi động cơ hoạt động, các tia lửa điện từ chổi than làm rôto nóng lên, lãng phí năng lượng, khó tản nhiệt, đồng thời còn gây nhiễu điện từ tần số cao, ảnh hưởng đến khả năng vận hành của xe.Do những nhược điểm nêu trên của động cơ DC nên các loại xe điện hiện nay đã cơ bản loại bỏ được động cơ DC.
2.2 Động cơ không đồng bộ AC
Động cơ không đồng bộ AC là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.Nó có đặc điểm là stato và rôto được dát mỏng bằng các tấm thép silicon.Cả hai đầu đều được đóng gói bằng vỏ nhôm., hoạt động đáng tin cậy và bền bỉ, bảo trì dễ dàng.So với động cơ DC có cùng công suất, động cơ không đồng bộ AC hiệu quả hơn và khối lượng nhẹ hơn khoảng một nửa.Nếu áp dụng phương pháp điều khiển điều khiển véc tơ thì có thể đạt được khả năng điều khiển và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng hơn tương đương với động cơ DC.Do ưu điểm về hiệu suất cao, công suất riêng cao và phù hợp khi vận hành ở tốc độ cao nên động cơ không đồng bộ xoay chiều là động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe điện công suất cao.Hiện nay, động cơ không đồng bộ AC đã được sản xuất trên quy mô lớn và có nhiều loại sản phẩm trưởng thành để bạn lựa chọn.Tuy nhiên, trong trường hợp vận hành tốc độ cao, rôto của động cơ bị nóng lên nghiêm trọng và động cơ phải được làm mát trong quá trình vận hành.Đồng thời, hệ thống truyền động và điều khiển của động cơ không đồng bộ rất phức tạp và giá thành của thân động cơ cũng cao.So với động cơ nam châm vĩnh cửu và điện trở chuyển mạch Đối với động cơ, hiệu suất và mật độ công suất của động cơ không đồng bộ thấp, không có lợi cho việc cải thiện quãng đường tối đa của xe điện.
2.3 Động cơ nam châm vĩnh cửu
Động cơ nam châm vĩnh cửu có thể được chia thành hai loại theo dạng sóng dòng điện khác nhau của cuộn dây stato, một loại là động cơ DC không chổi than, có dòng sóng xung hình chữ nhật;cái còn lại là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có dòng điện hình sin.Hai loại động cơ về cơ bản giống nhau về cấu tạo và nguyên lý làm việc.Rôto là nam châm vĩnh cửu, giúp giảm tổn thất do kích thích.Stator được lắp đặt các cuộn dây để tạo ra mô-men xoắn thông qua dòng điện xoay chiều nên việc làm mát tương đối dễ dàng.Bởi vì loại động cơ này không cần lắp chổi than và cấu trúc chuyển mạch cơ học nên sẽ không tạo ra tia lửa chuyển mạch trong quá trình vận hành, vận hành an toàn và đáng tin cậy, bảo trì thuận tiện và tỷ lệ sử dụng năng lượng cao.
Hệ thống điều khiển của động cơ nam châm vĩnh cửu đơn giản hơn hệ thống điều khiển của động cơ không đồng bộ xoay chiều.Tuy nhiên, do hạn chế của quá trình chế tạo vật liệu nam châm vĩnh cửu nên dải công suất của động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ và công suất tối đa thường chỉ hàng chục triệu, đây là nhược điểm lớn nhất của động cơ nam châm vĩnh cửu.Đồng thời, vật liệu nam châm vĩnh cửu trên rôto sẽ có hiện tượng phân hủy từ tính trong điều kiện nhiệt độ cao, rung động và quá dòng nên trong điều kiện làm việc tương đối phức tạp, động cơ nam châm vĩnh cửu dễ bị hỏng.Hơn nữa, giá thành của vật liệu nam châm vĩnh cửu cao nên giá thành của toàn bộ động cơ và hệ thống điều khiển của nó cũng cao.
2.4 Động cơ chuyển mạch từ trở
Là một loại động cơ mới, động cơ từ trở chuyển mạch có cấu tạo đơn giản nhất so với các loại động cơ dẫn động khác.Stator và rôto đều có cấu trúc nổi kép được làm bằng các tấm thép silicon thông thường.Không có cấu trúc trên rôto.Stator được trang bị cuộn dây tập trung đơn giản, có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản và chắc chắn, độ tin cậy cao, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp, hiệu suất cao, tăng nhiệt độ thấp và bảo trì dễ dàng.Hơn nữa, nó có những đặc tính tuyệt vời về khả năng điều khiển tốt của hệ thống điều khiển tốc độ DC, phù hợp với môi trường khắc nghiệt và rất thích hợp để sử dụng làm động cơ truyền động cho xe điện.
Xét rằng động cơ dẫn động xe điện, động cơ DC và động cơ nam châm vĩnh cửu có khả năng thích ứng kém về cấu trúc và môi trường làm việc phức tạp, dễ xảy ra hỏng hóc cơ học và khử từ, bài viết này tập trung giới thiệu động cơ từ trở chuyển mạch và động cơ không đồng bộ AC.So với máy, nó có lợi thế rõ ràng ở các khía cạnh sau.
2.4.1 Cấu tạo thân động cơ
Cấu tạo của động cơ từ trở chuyển mạch đơn giản hơn động cơ cảm ứng lồng sóc.Ưu điểm nổi bật của nó là không có cuộn dây trên rôto và chỉ được làm bằng các tấm thép silicon thông thường.Phần lớn tổn thất của toàn bộ động cơ tập trung vào cuộn dây stato, giúp động cơ chế tạo đơn giản, có khả năng cách nhiệt tốt, dễ làm mát và có đặc tính tản nhiệt tuyệt vời.Cấu trúc động cơ này có thể làm giảm kích thước và trọng lượng của động cơ và có thể thu được với khối lượng nhỏ.công suất phát lớn hơn.Do độ đàn hồi cơ học tốt của rôto động cơ, động cơ từ trở chuyển mạch có thể được sử dụng để vận hành tốc độ cực cao.
2.4.2 Mạch điều khiển động cơ
Dòng pha của hệ thống truyền động động cơ từ trở chuyển mạch là một chiều và không liên quan gì đến hướng mô-men xoắn, và chỉ có thể sử dụng một thiết bị chuyển mạch chính để đáp ứng trạng thái hoạt động bốn góc phần tư của động cơ.Mạch biến đổi nguồn được mắc nối tiếp trực tiếp với cuộn dây kích thích của động cơ và mỗi pha cung cấp điện độc lập.Ngay cả khi một cuộn dây pha nào đó hoặc bộ điều khiển của động cơ bị hỏng, nó chỉ cần dừng hoạt động của pha mà không gây ra tác động lớn hơn.Vì vậy, cả thân mô tơ và bộ chuyển đổi nguồn đều rất an toàn và tin cậy nên thích hợp sử dụng trong môi trường khắc nghiệt hơn so với các máy không đồng bộ.
2.4.3 Các khía cạnh hoạt động của hệ thống động cơ
Động cơ từ trở chuyển mạch có nhiều thông số điều khiển, dễ dàng đáp ứng yêu cầu vận hành bốn góc phần tư của xe điện thông qua chiến lược điều khiển và thiết kế hệ thống phù hợp, đồng thời có thể duy trì khả năng phanh tuyệt vời ở khu vực vận hành tốc độ cao.Động cơ từ trở chuyển mạch không chỉ có hiệu suất cao mà còn duy trì hiệu suất cao trong phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, điều mà các loại hệ thống truyền động động cơ khác không thể so sánh được.Hiệu suất này rất phù hợp cho hoạt động của xe điện và rất có lợi cho việc cải thiện phạm vi di chuyển của xe điện.
3. Kết luận
Trọng tâm của bài viết này là đưa ra những ưu điểm của động cơ chuyển mạch từ trở như một động cơ dẫn động cho xe điện bằng cách so sánh các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ dẫn động thường được sử dụng khác nhau, đây là điểm nóng nghiên cứu trong việc phát triển xe điện.Đối với loại động cơ đặc biệt này, vẫn còn rất nhiều cơ hội để phát triển trong ứng dụng thực tế.Các nhà nghiên cứu cần nỗ lực hơn nữa trong việc thực hiện nghiên cứu lý thuyết, đồng thời cần kết hợp nhu cầu của thị trường để thúc đẩy ứng dụng loại động cơ này vào thực tế.
Thời gian đăng: 24-03-2022