EV Motor: Xe điện cũng như xe truyền thống hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của khoa học: chuyển đổi năng lượng. Năng lượng điện được biến đổi thành cơ năng. Động cơ điện được sử dụng trong hệ thống điện để thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi này. Nói đến động cơ điện thì ai cũng biết, nó rất cơ bản. Vậy động cơ dành cho xe điện thì có gì đặc biệt không? Hãy cùng tìm hiểu các loại động cơ điện khác nhau được sử dụng trên xe điện.
Động cơ không đồng bộ
Động cơ cảm ứng không đồng bộ không phải là một cái gì đó mới. Nó được phát minh bởi hai nhà nghiên cứu độc lập – Nikola Tesla và Galileo Ferraris. Mặc dù dường như nhà phát minh người Ý đầu tiên phát triển động cơ này vào năm 1885, Nikola Tesla là người đầu tiên nộp bằng sáng chế vào năm 1888.
Việc phát minh ra động cơ cảm ứng, là một trong những thành tựu vĩ đại nhất trong việc khai thác điện năng để cung cấp năng lượng cho cuộc sống của chúng ta. Ngày nay, việc áp dụng loại động cơ này phổ biến đến mức rất khó tưởng tượng cuộc sống hàng ngày mà không có nó. Nhiều thiết bị điện sử dụng các động cơ đó và đại đa số các động cơ công nghiệp là loại cảm ứng không đồng bộ.
Động cơ cảm ứng không đồng bộ hoạt động như thế nào?
Tất cả các động cơ điện đều có hai bộ phận chính. Phần tĩnh được gọi là stato và phần quay được gọi là rôto. Stator – là một hình trụ bằng sắt từ có các rãnh và cuộn dây đồng được dệt với một hình dạng cụ thể. Các cuộn dây này được cung cấp năng lượng bằng dòng điện xoay chiều 3 pha đã được chuyển đổi từ điện một chiều (do pin cung cấp) trong thiết bị điện tử công suất. Dòng điện này tạo ra từ trường quay trong stato và tốc độ của từ trường quay đó được gọi là tốc độ đồng bộ.
Điện áp xoay chiều được đặt vào các cuộn dây đồng và kết quả là chúng ta nhận được một từ trường quay, từ trường đó tạo ra điện áp trong rôto, từ đó tạo ra dòng điện chạy qua. Dòng điện đó tạo ra từ trường quay của chính nó trong rôto, từ trường này chậm hơn từ trường của stato. Lực giữa hai từ trường kết thúc chuyển động của rôto được gọi là Lực Lorentz. Chuyển động của rôto sau đó được chuyển đến các bánh xe của ô tô thông qua việc giảm tốc thích hợp.
Động cơ này được gọi là động cơ không đồng bộ vì từ trường quay của rôto và stato không đồng bộ. Phần cảm ứng xuất phát từ từ trường quay, điện áp và dòng điện do stato gây ra. Khi chúng ta nhấn bàn đạp ga, từ trường của rôto trễ hơn một chút so với từ trường của stato. Khi chúng ta giảm tốc và động cơ hoạt động như một máy phát điện (hãm tái sinh), thì từ trường quay của rôto đi trước stato. Sự khác biệt này trong từ trường quay được gọi là “độ trượt” và thường lên đến 5% tùy thuộc vào thiết kế động cơ.
Hiệu suất điển hình của động cơ cảm ứng không đồng bộ 3 pha được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô là khoảng 90%. Do tính mạnh mẽ, đơn giản, tuổi thọ cao và không yêu cầu vật liệu lạ (exotic material), động cơ này hầu như chỉ được sử dụng trong các quy trình công nghiệp. Ngoài ra, đặc tính sử dụng quá tải tốt của nó làm cho nó trở thành một động cơ hoàn hảo theo yêu cầu và đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng làm động cơ phía trước trong xe ô tô điện AWD.
Ưu điểm:
- Hiệu quả tốt
- Chi phí sản xuất thấp
- Không cần vật liệu đất hiếm
- Độ tin cậy gần như hoàn hảo
Nhược điểm:
- Nhu cầu làm mát lớn hơn
- Mật độ năng lượng thấp hơn
- Hiệu suất thấp hơn so với các động cơ khác
Một số xe sử dụng động cơ cảm ứng không đồng bộ là: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, X và Y trên cầu trước và VW Group MEB cũng sử dụng chúng trên cầu trước.
Động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ
Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ cảm ứng không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ là cách mà từ trường quay trong rôto và stato được tạo ra và tương tác. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ, có một từ trường quay tự nhiên, được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu trong rôto. Từ trường quay của rôto và stato trong các động cơ này được khóa lại và không có hiện tượng trượt.
Nam châm vĩnh cửu trong rôto là một trong những yếu tố quan trọng giúp tăng mật độ công suất và cải thiện hiệu suất của động cơ. Mật độ công suất tăng lên có nghĩa là công suất cao với khối lượng thấp, đó là lý do tại sao động cơ nam châm vĩnh cửu được sử dụng riêng trong PHEV. Động cơ điện trong những chiếc xe này được đặt trong hộp số và có những hạn chế về không gian.
Nam châm vĩnh cửu được làm từ vật liệu đất hiếm với Trung Quốc kiểm soát phần lớn trong số đó. Có những câu hỏi về các khía cạnh đạo đức của quá trình khai thác và vì lý do đó, nhiều nhà sản xuất cố gắng giảm việc sử dụng các vật liệu này trong động cơ của họ. Tuy nhiên, động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ là vua của hiệu suất – nó có thể đạt tới 94-95% và khi chỉ có một động cơ trong xe, thì đây là loại động cơ được sử dụng.
Ưu điểm:
- Hiệu quả rất cao
- Nhu cầu làm mát thấp hơn
- Mật độ công suất cao
Nhược điểm:
- Chi phí sản xuất cao
- Cần vật liệu đất hiếm
- Sự nguy hiểm về mặt lý thuyết của quá trình khử từ
Động cơ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X và Y trên trục sau. Những chiếc xe MEB của VW Group cũng sử dụng chúng trên cầu sau, Jaguar i-speed, Audi e-tron GT và Porsche Taycan.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng điện
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mang lại hiệu quả tốt nhất, nhưng các vật liệu đất hiếm cần thiết cho việc chế tạo chúng có những tác động lớn. Để giải quyết những vấn đề này, một số nhà sản xuất, cụ thể là BMW, Renault Groupe và Smart hiện đang sử dụng thiết kế động cơ hybrid – họ sử dụng động cơ đồng bộ không yêu cầu vật liệu đất hiếm.
Vậy, những động cơ này hoạt động như thế nào? Thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu trong rôto để tạo ra dòng điện, các động cơ này sử dụng chổi than và vòng trượt cổ góp. Theo BMW, loại động cơ này mang lại hiệu suất lên tới 93%, rất gần với hiệu suất mà động cơ nam châm vĩnh cửu mang lại. Mặc dù loại động cơ này có vẻ rất hứa hẹn, nhưng thực tế là nó sử dụng chổi than có nghĩa là một lúc nào đó nó sẽ yêu cầu thay thế các thành phần này. Chúng ta hy vọng rằng các nhà sản xuất phát triển loại động cơ này sử dụng chổi than với tuổi thọ đủ lâu.
Ưu điểm:
- Hiệu quả rất cao
- Rẻ hơn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Không có rủi ro về khử từ
- Không cần vật liệu đất hiếm
Nhược điểm:
- Vấn đề độ tin cậy sử dụng của chổi than
