Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện độ, moomem. Nhược điểm của động cơ DC 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, kĩ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ DC dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác. Động cơ không đồng bộ (Induction motor – IM): động cơ IM có ưu điểm rẻ tiền, thông dụng, dễ chế tạo.
Với kĩ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáng ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp nhất trong các loại động cơ kể trên, đặc biệt khi chạy ở vùng tốc độ 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 của 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 chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ.
Với môi trường hoạt động như vậy, động cơ IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, momen khởi động nhỏ không tốt khi cần khởi động nhiều, không thể phát huy tối đa hiệu suất và gây ra tổn thất lớn. Động cơ từ trở (Switched Reluctance Motor - SRM): động cơ từ trở có cấu tạo chắc chắn, đơn giản, kích thước nhỏ, không có chổi than và vành góp, dây quấn chỉ có ở stator, không có dây quấn hay nam châm ở rotor do vậy tiết kiệm được vật liệu. Hơn nữa dây chỉ quấn quanh một cực và không bị phân tán như trong các động cơ xoay chiều khác nên rõ ràng kinh tế hơn, giá thành thấp. Do có cấu tạo rất chắc chắn, đơn giản và phần lớn tổn hao trên stator nên việc làm mát dễ dàng, có thể làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao, rung động, mắt khác không có nam châm vĩnh cửu nên nhiệt độ cho phép và tuổi thọ của động cơ cao hơn các động cơ khác.
Động cơ SRM có thể hoạt động trên cả bốn góc phần tư, momen hiệu xuất cao do tỷ lệ với bình phương dòng điện, khả năng làm việc với tốc độ cao đến 100000v/phút .Tuy nhiên: momen đập mạch lớn, khi hoạt động gây ra nhiều tiếng ồn, động cơ từ trở rất phức tạp trong vận hành và không thể đơn giản cấp điện cho 9 Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện dây quấn stato và động cơ sẽ quay như các loại động cơ khác. Hiện nay SRM mới chỉ dừng lại ứng dụng cạnh tranh trong một số ít lĩnh vực công suất trung bình trở xuống. Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất/khối lượng lớn, khả năng sinh momen cao. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô momen lớn, xuất hiện 6 xung momen trong 1 chu kỳ, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô momen.
Với những ưu điểm của mình, động cơ BLDC được sử dụng nhiều bởi các hãng xe của Nhật Bản và Hàn Quốc. Đây cũng là loại động cơ có nhiều tiềm năng ứng dụng cho xe điện và có thể được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Việt Nam. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM): động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho xe 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, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh momen từ trở cộng thêm vào momen vốn có của động cơ. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh momen/dòng điện rất cao, đặc biệt phù hợp cho xe điện. Mặc dù động cơ IPM hiện nay có giá thành rất cao do chưa được sản xuất hàng loạt rộng rãi và còn đang trong quá trình hoàn thiện nghiên cứu về cấu trúc, nhưng đây là động cơ phù hợp nhất để sử dụng cho xe điện hiện nay và tương lai. 10 Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện 11 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR) Qua tổng hợp và phân tích các ưu điểm, nhược điểm và khả năng ứng dụng của từng loại động cơ trong Chương 1, nhận thấy rằng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM) đáp ứng tốt nhất các yêu cầu trong ô tô điện.
Giới thiệu chung về IPM Về cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cuộn dây stator giống như ở động cơ đồng bộ rotor dây quấn, nhưng cuộn kích từ của rotor được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu. Ưu điểm của động cơ này là triệt tiêu tổn thất đồng ở rotor, nhưng lại mất đi sự linh hoạt trong điều khiển từ thông so với động cơ đồng bộ rotor dây quấn. Với những loại nam châm vĩnh cửu có mật độ năng lượng cao như NdFeB, kích thước động cơ sẽ nhỏ hơn với momen quán tính thấp hơn, rất thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động. Dù giá thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đắt hơn, nhưng bù lại nó có hiệu suất cao hơn.
Trong vài năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng giảm dẫn đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm càng được ứng dụng rộng rãi. Dải công suất sử dụng thường là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100kW. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể chia ra làm hai loại đó là: động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực tròn (SPMSM: Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor). ¾ Ở động cơ SPM, nam châm vĩnh cửu được gắn đều trên bề mặt rotor, khe hở không khí lớn, đồng bộ.
Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục xấp xỉ bằng nhau (Ld = Lq), ảnh hưởng của phản ứng phần ứng cũng bị giảm do điện cảm từ hóa nhỏ, mật độ từ thông khe hở không khí phân phối đều, do vậy độ đập mạch momen nhỏ. 11 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) ¾ Ở động cơ IPM, khe hở không khí không đều do bố trí nam châm trên rotor không đều, ở vị trí trục d lớn hơn trục q (Ld < Lq), phản ứng phần ứng có phần vượt trội, ảnh hưởng của khe hở không khí nhỏ và khá bền vững. Động cơ IPM có những ưu điểm khiến ta phải chú ý như: khả năng momen sinh ra lớn hơn, tốc độ cao hơn, điều chỉnh từ thông được nhiều hơn.1-1: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. Vật liệu dùng để sản xuất nam châm vĩnh cửu khá đa dạng, đầu tiên là thép cứng.
Nam châm được làm từ thép dễ dàng bị từ hóa. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể mang năng lượng rất nhỏ và dễ dàng bị khử từ. Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được các vật liệu làm nam châm mới như Aluminum Nickel, thép Cobalt (ALNICO), Strontium Ferrite hoặc Barium Ferrite, Samarium Cobalt (SmCo), Neodymium – Iron – Boron (NdFeB). Trong số các vật liệu này, nam châm làm từ Neodium – sắt – Boor (NdFeB) có mật độ năng lượng cao nhất, từ dư lớn nhất và độ từ kháng Hc lớn nhất, do đó giảm trọng lượng của máy điện.
Vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Với các tính năng như trên, IPM khẳng định là giải pháp rất đáng quan tâm trong việc sử dụng động cơ điện trong ô tô điện. 12 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 2. Đặc tính góc-momen của động cơ Trong hệ truyền động động cơ đồng bộ, người ta thường sử dụng đặc tính góc- momen M = f(δ).
Đặc tính góc–momen biểu diễn mối quan hệ giữa momen của động cơ với góc lệch giữa vector điện áp pha stator và vector sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường nam châm vĩnh cửu sinh ra.2-1: Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm. Đặc tính M = f(δ) được xây dựng dựa trên đồ thị vector của mạch stator với giả thiết bỏ qua điện trở stator Rs. Từ đồ thị hình 2.2-1, ta có thể viết được: I s cos φ = I sq cos δ − I sd sin δ (2-1) Công suất đầu vào động cơ: P = 3U s I s cos φ (2-2) Suy ra: P = 3U s ( I sq cos δ − I sd sin δ ) (2-3) Ngược lại từ đồ thị ta cũng có thể viết: Us cos δ − Ef I sd = (2-4) Xd Us sin δ I sq = (2-5) Xq U sE f ( Xd − X q ) Từ đó ta có: P = 3 sin δ + 3U s2 sin 2δ (2-6) Xd 2 Xd X q 13 Chương 2: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM motor) 3p p ⎡U sE f ( Xd − X q ) ⎤ Hay: Te = ⎢ sin δ + U s2 sin 2δ ⎥ (2-7) 2ω e ⎢⎣ Xd 2 Xd Xq ⎥⎦ Vì Us = ω e .Ψ f nên từ phương trình (2-7) ta có: 3 p p ⎡ψ sψ f ( L − Lq ) ⎤ Te = ⎢ sin δ +ψ s2 d sin 2δ ⎥ (2-8) 2ωe ⎢⎣ Ld 2 Ld Lq ⎥⎦ Phương trình (2-8) là phương trình của momen Te với góc momen δ ứng với động cơ IPM. Thành phần thứ nhất của phương trình được sinh ra bởi từ thông nam châm vĩnh cửu Ψf hay thành phần momen tích cực.
Thành phần thứ hai được định nghĩa như thành phần momen từ trở, phát sinh do đặc điểm của động cơ cực chìm với L d < Lq.2-2: Đặc tính góc-momen của động cơ. Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ 2.