Nguyên lý và đặc tính động cơ điện một chiều (DC) trên ô tô điện

Động cơ điện một chiều (DC Motor) là loại động cơ sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra lực quay, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và phương tiện giao thông, bao gồm cả xe điện đời cũ.

Cấu tạo cơ bản của động cơ DC bao gồm các bộ phận chính sau, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả:

1.1 Stator (Phần tĩnh): Đây là phần cố định, thường gồm nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích từ (field winding) tạo ra từ trường chính. Trong động cơ DC nam châm vĩnh cửu, stator sử dụng nam châm ferrite hoặc neodymium để tạo từ thông ổn định. Nếu là cuộn dây kích từ, dòng điện một chiều được cấp vào để điều chỉnh từ thông.

1.2 Rotor (Phần quay): Còn gọi là phần ứng (armature), gồm lõi sắt từ và cuộn dây quấn quanh. Cuộn dây phần ứng được kết nối với cổ góp (commutator), một bộ phận hình trụ chia thành các đoạn để đảo chiều dòng điện.

1.3 Chổi than (Brushes): Đây là các thanh than tiếp xúc với cổ góp, cung cấp dòng điện một chiều từ nguồn ngoài vào cuộn dây phần ứng. Chổi than đảm bảo dòng điện luôn chảy theo hướng tạo lực quay liên tục.

1.4 Cổ góp và các bộ phận phụ: Cổ góp là bộ phận quan trọng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều cảm ứng trong cuộn dây thành dòng một chiều hiệu quả. Ngoài ra, động cơ còn có vỏ máy, trục quay, vòng bi và hệ thống làm mát để giảm nhiệt độ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC dựa trên hai định luật cơ bản: Định luật Lorentz và Định luật Faraday. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng trong từ trường của stato, theo định luật Lorentz, lực từ (F = B * I * L * sinθ) sẽ tác dụng lên dây dẫn, tạo ra mô-men xoắn làm roto quay. Trong quá trình quay, cuộn dây cắt qua từ trường, cảm ứng ra sức điện động ngược (EMF ngược, E = B * L * v), theo định luật Faraday, giúp cân bằng điện áp cung cấp.

Quá trình hoạt động cụ thể: Dòng điện từ nguồn ngoài qua chổi than vào cổ góp, vào cuộn dây phần ứng, tạo từ trường tương tác với từ trường stato, sinh lực quay. Cổ góp đảo chiều dòng điện mỗi nửa vòng quay để duy trì hướng quay ổn định. Tốc độ quay phụ thuộc vào điện áp cung cấp, từ thông và tải. Động cơ DC có thể hoạt động ở chế độ song song (shunt), nối tiếp (series) hoặc hỗn hợp (compound), mỗi loại có đặc tính khác nhau. Ví dụ, động cơ series có mô-men khởi động cao, phù hợp cho xe điện cần lực kéo lớn ban đầu.

Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý giúp kỹ sư thiết kế và bảo dưỡng động cơ hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh xe điện nơi động cơ DC từng là lựa chọn phổ biến do điều khiển đơn giản.

Đặc tính của động cơ DC được mô tả qua các phương trình toán học, giúp phân tích hiệu suất và điều khiển. Các phương trình cơ bản dựa trên mô hình điện từ, bao gồm phương trình điện áp, mô-men xoắn và tốc độ.

Phương trình cơ bản:

2.1 Điện áp phần ứng: ( U = E + I_a R_a + V_b ), trong đó:

-U: Điện áp cung cấp (V).

-E: Sức điện động ngược (EMF ngược, V), E = k*Phi*n, với k: Hằng số động cơ, Phi: Từ thông (Wb), n: Tốc độ quay (vòng/phút).

-I_a: Dòng điện phần ứng (A).

-R_a: Điện trở phần ứng (Ω).

-V_b: Sụt áp chổi than (thường nhỏ, có thể bỏ qua).

2.2 Mô-men xoắn:

T = k*Phi* I_a, với T: Mô-men xoắn (Nm).

Từ các phương trình trên, ta suy ra đặc tính cơ (mechanical characteristic): Mối quan hệ giữa tốc độ n và mô-men xoắn T.

Từ

U = k*Phi*n + I_a*R_a, thay I_a = T/(k*Phi), ta có:

n = U/(k*Phi)-R_a*T/(k*Phi)^2.

Đây là đường đặc tính cơ tuyến tính, với tốc độ không tải n_0 = U/(k*Phi) và mô-men xoắn ngắn mạch

T_sh= (k*Phi*U)/R_a.

Đường này dốc xuống khi tải tăng, cho thấy tốc độ giảm khi mô-men tăng.

Đặc tính điều chỉnh (adjustment characteristics) cho phép thay đổi tốc độ và mô-men bằng cách điều chỉnh thông số:

2.3 Điều chỉnh điện áp phần ứng (U): Tăng U làm tăng n_0, đường đặc tính dịch chuyển song song lên. Phù hợp cho dải tốc độ rộng, nhưng cần nguồn điện áp biến thiên.

2.4 Điều chỉnh từ thông (Φ): Giảm Φ (bằng cách điều chỉnh dòng kích từ) làm tăng n_0 nhưng giảm T max. Phương pháp này dùng cho tốc độ cao hơn định mức, nhưng có nguy cơ mất ổn định.

2.5 Điều chỉnh điện trở phần ứng R_a: Thêm điện trở ngoài làm dốc đặc tính cơ tăng, giảm tốc độ ở tải lớn. Dùng cho khởi động mềm hoặc điều tốc thấp, nhưng làm giảm hiệu suất do tổn hao nhiệt.

Ví dụ, trong động cơ shunt, đặc tính cơ ổn định với độ dốc nhỏ; động cơ series có độ dốc lớn, mô-men cao ở tốc độ thấp.

Để minh họa, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng như MATLAB để vẽ đồ thị đặc tính: Giả sử k=0.1, Φ=1 Wb, R_a=0.5 Ω, U=100 V, thì n = 1000 – 20 T (với đơn vị phù hợp).

Các phương trình này là nền tảng để thiết kế bộ điều khiển, đảm bảo động cơ hoạt động tối ưu trong xe điện, nơi cần đáp ứng nhanh với thay đổi tải.

Động cơ DC có những ưu nhược điểm rõ rệt, khiến nó từng phổ biến nhưng dần bị thay thế bởi các loại động cơ AC tiên tiến hơn trong xe điện hiện đại. Tuy nhiên, trong các dòng xe điện đời cũ, nó vẫn đóng vai trò quan trọng.

3.1 Ưu điểm:

-Mô-men khởi động cao: Nhờ đặc tính series, động cơ DC cung cấp mô-men lớn ngay từ tốc độ thấp, lý tưởng cho việc khởi động xe nặng hoặc leo dốc.

-Điều khiển đơn giản: Chỉ cần thay đổi điện áp hoặc điện trở để điều tốc, không cần biến tần phức tạp như động cơ AC.

-Chi phí thấp: Cấu tạo cơ khí đơn giản, dễ sản xuất hàng loạt.

-Độ bền cơ học tốt: Ít bộ phận chuyển động phức tạp, dễ sửa chữa.

3.2 Nhược điểm:

a-.Hiệu suất thấp: Thường chỉ 70-85%, do tổn hao ở chổi than và cổ góp (ma sát, tia lửa điện).

b-Bảo dưỡng cao: Chổi than mòn nhanh, cần thay định kỳ; cổ góp dễ hỏng do tiếp xúc cơ học.

c-Tiếng ồn và rung: Do đảo chiều dòng điện, gây nhiễu điện từ và rung động.

d-Giới hạn tốc độ: Khó đạt tốc độ cao mà không mất ổn định từ thông.

e-Không thân thiện môi trường: Chổi than chứa carbon, có thể tạo bụi độc hại.

Ứng dụng thực tế trên xe điện đời cũ: Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các mẫu xe điện đầu tiên từ những năm 1990-2000, khi công nghệ AC chưa phát triển.

Ví dụ:

-GM EV1 (1996-1999): Sử dụng động cơ DC series công suất 102 kW, cho mô-men 149 Nm, quãng đường 100-160 km. Ưu điểm là tăng tốc nhanh (0-100 km/h trong 9 giây), nhưng nhược điểm là bảo dưỡng chổi than thường xuyên dẫn đến thu hồi xe.

-Toyota RAV4 EV (1997-2003): Động cơ DC shunt với pin NiMH, công suất 50 kW, mô-men cao cho địa hình đô thị. Nó chứng minh tính khả thi của xe điện, nhưng hiệu suất thấp (khoảng 80%) khiến quãng đường chỉ 150 km.

-Ford Ranger EV (1998-2002): Động cơ DC compound, phù hợp cho xe tải nhẹ, với khả năng kéo tải tốt nhờ mô-men khởi động cao, nhưng tiếng ồn và bảo dưỡng là vấn đề lớn.

Những ứng dụng này giúp phát triển ngành xe điện, nhưng từ thập niên 2010, động cơ DC bị thay thế bởi PMSM hoặc IM do hiệu suất cao hơn và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, kiến thức về động cơ DC vẫn quan trọng cho việc bảo trì xe cũ và hiểu lịch sử phát triển công nghệ.