Các công nghệ động cơ điện

Động cơ điện, là máy điện chuyển năng lượng điện (điện áp, dòng điện) thành năng lượng cơ (mômen xoắn, tốc độ vòng/phút). Nguyên lý hoạt động của động cơ điện dựa trên tương tác từ trường giữa phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor) để tạo ra mômen xoắn làm quay rotor. Từ trường được tạo ra trong stator/rotor bởi dòng điện hoặc nâm châm vĩnh cửu, và được dẫn bởi khối thép ghép bởi các tấm tôn silic mỏng từ 0.2mm đến 1mm. Máy điện còn có khả năng hoạt động 2 chiều thuận/nghịch : chế độ động cơ (chuyển năng lượng điện thành năng điện cơ) hoặc chế độ máy phát điện (chuyển năng lượng cơ thành năng lượng điện). Đặc tính này giúp sạc pin cho ôtô điện khi phanh hoặc xe xuống dốc.

Động cơ điện hiện hữu trong rất nhiều ứng dụng ngày nay : tầu điện, tầu cao tốc, thang máy, máy giặt, may khoan, quạt, tủ lạnh, đầu đọc CD, vi tính, máy điện công nghiệp, máy phát điện trong các nhà máy điện, máy phát điện trong ôtô cung cấp điện cho radio, đèn, và để sạc ắc quy axít chì 12V (dùng để khởi động xe và hệ thống điện khi dừng xe),…

Động cơ điện dùng trong ôtô điện có đặc tính nghiêm ngặt : cần vận hành ở tất cả các điểm hoạt động khác nhau trong dải vận tốc lớn từ 0vòng/phút đến 15000vg/ph và dải mômen xoắn từ 0N.m đến vài trăm N.m, hoạt động trong điều kiện thay đổi nhiệt độ từ thấp (-20°C) đến rất cao (+160°C) và chịu đựng được lắc rung theo chuyển động của xe ôtô. Có bốn loại động cơ chính dùng cho ôtô điện, mỗi loại đều có ưu nhược điểm :

  • động cơ một chiều,
  • động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ cảm ứng (lồng sóc)
  • động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu/dây quấn,
  • động cơ xoay chiều 3 pha bước.

                                                 DC            synchronousmotor         MOTORSRIMG

so_sanh_dong_co_2

Động cơ điện một chiều là một trong những động cơ đầu tiên trên thế giới, rẻ, dễ chế tạo và dễ thay đổi vận tốc bởi kiểm soát độc lập từ trường stator và rotor. Nó được sử dụng trong những thế hệ ôtô điện đầu tiên (xe điện đầu tiên trên thế giới Jamais Contente được trang bị động cơ này). Tuy nghiên động cơ điện 1 chiều có nhiều nhược điểm : hiệu suất thấp, tỉ số công suất / khối lượng lớn, tốc độ tối đa hạn chế và độ bền kém do ma sát của hệ thống cổ góp quay cung cấp điện cho rotor.

Từ đầu những năm 1990, với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng cho điện tử công suất, công suất tính toán của các chip điện tử và phương pháp toán ứng dụng máy điện, việc điều khiển chính xác động cơ xoay chiều 3 pha trong dải vận tốc 0vg/ph đến 15000vg/ph trở nên dễ dàng.

Động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ cảm ứng lồng sóc được sử dùng nhiều nhất trong công nghiệp (chiếm tới hơn 90%) bởi cấu tạo đơn giản, bền bỉ bởi rotor rất chắc chắn (gồm các thanh nhôm hoặc đồng được đúc trong khối thép silic và kết nối với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch ở mỗi phía, tạo nên hình dáng lồng sóc), vì vậy có thể quay tới tốc độ và nhiệt độ rất cao. Tuy hiệu suất và tỉ lệ công suất / khối lượng thấp hơn so với 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ nhưng giá sản xuất của loại động cơ này lại rẻ hơn khá nhiều từ 15 đến 30%.

Động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu và đồng bộ dây quấn có ưu điểm về hiệu suất cao và tỉ số công suất / khối lượng thấp, rất thích hợp với ôtô điện thời điểm hiện tại khi muốn tối đa hóa quãng đường đi được cho mỗi lần sạc ác quy. Tuy nhiên 2 loại động cơ này phức tạp, khá nhạy cảm về tốc độ tối đa trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao (>12000 vg/ph & >130°C) và đặc biệt giá thành đắt, đặc biệt là động cơ sử dụng kích từ vĩnh cửu bởi sự bùng nổ giá đất hiếm (dùng sản xuất nâm châm) trong vài năm gần đây.

Động cơ bước xoay chiều 3 pha có rẻ và chắc chắn nhất, có khả năng vận hành ở vận tốc rất cao bởi cấu tạo rất đơn giản của stator/rotor. Rotor chỉ là khối thép, được quay bởi lực hút bởi các cực stator cho dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, điều khiển tối ưu loại động cơ này chưa đạt đến độ chín, vì vậy hiểu suất tổng thể [động cơ + điện tử công suất] còn thấp. Hơn nữa loại động cơ này còn những vấn đề về độ ồn và rung cần giải quyết.

Tùy thuộc vào thiết kế cho những ứng dụng ôtô Hybrid, ôtô 100% điện cỡ to, cỡ nhỏ, năng lượng tích trữ pin acquy và chiến lược của từng hãng mà công nghệ vào của động cơ được lựa chọn. Nissan, Toyota, Volkswagen, Kia, Ford, BMW, Mercedez, Mitsubishi, Bolloré (Autolib Paris) ưu tiên công nghệ động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu cho xe Leaf, Pirus, Golf-Bleu-e, Soul, Focus, i3, Class A-Cell, iMev (Peugeot-Ion), Blue-car. Renault phát triển 2 loại công nghệ : động cơ 3 pha đồng bộ rotor dây quấn (để tránh phụ thuộc vào giá đất hiếm) cho xe Fluence, Kangoo, Zoé và động cơ 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc cho Twizy. GM chọn lựa 2 loại công nghệ : động cơ 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu cho xe Chevrolet Volt và động cơ 3 pha không đồng bộ cảm ứng cho xe 100% điện Chevrolet Spark. Tesla hoặc các loại xe bus điện sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cho phép hoạt động ở vận tốc cao hoặc rất bền bỉ.