MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH
Các nguyên lý cơ bản về điện
Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt, được sinh ra xung quanh các điện tích chuyển động, sự biến thiên của điện trường, hoặc từ các momen lưỡng cực từ như nam châm Mỗi điểm trong từ trường được mô tả bằng toán học qua hướng và độ lớn, và thường được diễn đạt dưới dạng trường vector Để định nghĩa từ trường, người ta thường sử dụng khái niệm lực Lorentz tác động lên một điện tích điểm chuyển động Ký hiệu của từ trường là
B hoặc H cho từng trường hợp cụ thể
Hình 2.1 Từ trường của nam châm sinh ra
Mọi điện tích di chuyển đều tạo ra từ trường, với các điện tích điểm như electron sinh ra từ trường phức tạp phụ thuộc vào điện tích, vận tốc và gia tốc của hạt Khi có dòng điện cường độ I chạy qua dây dẫn, các đường sức từ hình thành các vòng tròn đồng tâm quanh dây dẫn điện hình trụ Hướng của từ trường được xác định theo quy tắc bàn tay phải, và độ lớn của từ trường giảm dần theo khoảng cách từ dây dẫn.
Khi uốn dây dẫn điện thành cuộn dây solenoid, từ trường bên trong cuộn dây trở nên mạnh mẽ, trong khi từ trường bên ngoài lại yếu Cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ hoạt động như một nam châm điện, tạo ra từ trường mạnh và có thể điều khiển Nam châm điện hình trụ dài vô hạn có từ trường đồng đều bên trong, trong khi bên ngoài không có từ trường Ngược lại, nam châm điện hình trụ dài hữu hạn tạo ra từ trường tương tự như nam châm vĩnh cửu, với độ lớn và cực từ phụ thuộc vào hướng dòng điện trong cuộn dây.
Hình 2.2 Từ trường của ống dây có dòng điện chạy qua và quy tắc bàn tay phải xác định dòng điện và từ trường
Từ trường sinh ra bởi dòng điện không đổi I (luồng điện tích chảy đều đặn) miêu tả bởi định luật Biot–Savart:
Tích phân trên toàn bộ chiều dài của dây cho phép xác định vectơ dℓ theo hướng dòng điện, với hằng số từ môi (độ từ thẩm của chân không) có giá trị 4π × 10^-7 T.m/A Khoảng cách r giữa vị trí của dℓ và điểm cần tính toán độ lớn từ trường, cùng với r̂ là vector đơn vị chỉ theo hướng của r, đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán này.
Một cách hơi tổng quát hơn, liên hệ dòng I với trường B là định luật Ampère: enc
Định luật Ampère áp dụng cho dòng điện ổn định, cho phép tính toán trường B trong các trường hợp có tính đối xứng cao như dây dẫn dài vô hạn và solenoid vô hạn Trong đó, Ienc là dòng điện đi qua mặt giới hạn bởi vòng tích phân đường.
Từ thông là đại lượng đo lường đường sức từ đi qua một diện tích nhất định và liên hệ trực tiếp với mật độ từ thông (B) Đối với một bề mặt S được chia thành các phần tử vô hạn trong từ trường, tổng từ thông qua bề mặt được tính bằng tích phân của phép nhân vô hướng giữa mật độ từ thông và vector diện tích Công thức toán học mô tả mối quan hệ này là:
Trong trường hợp đơn giản dưới đây, một mặt phẳng có diện tích S được đặt trong một từ trường đều Vector pháp tuyến của mặt phẳng S có thể được chọn theo ý muốn.
Góc α giữa vectơ (n,B) có thể được sử dụng để xác định đại lượng Φ bằng công thức đơn giản: Φ = B.S.cos(α) Nếu cuộn dây có N vòng, công thức sẽ trở thành: Φ = N.B.S.cos(α).
Biến thiên thuận của từ thông phụ thuộc vào số vòng dây quấn, cảm ứng từ B, và tiết diện của vòng dây Khi sử dụng cùng một lượng từ trường, vòng dây có tiết diện nhỏ sẽ tạo ra từ thông thấp hơn so với vòng dây có tiết diện lớn hơn, mặc dù số vòng dây là như nhau.
2.1.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Để thực hiện thí nghiệm, nối một ống dây điện với điện kế G thành mạch kín Đặt một thanh nam châm có cực bắc (N) và cực nam (S) trên ống dây Khi di chuyển thanh nam châm vào trong ống dây, kim của điện kế sẽ bị lệch, chứng tỏ trong ống dây đã xuất hiện dòng điện cảm ứng, ký hiệu là Ic.
Hình 2.4a,2.4b Mô tả thí nghiệm Faraday
Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 2.b)
Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng IC càng lớn
Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không
Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự
Từ các thí nghiệm, Faraday đã rút ra những kết luận quan trọng: (a) sự biến đổi của từ thông qua mạch kín theo thời gian là nguyên nhân tạo ra dòng điện cảm ứng; (b) dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện khi từ thông thay đổi; (c) cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông; và (d) chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hoặc giảm của từ thông.
Thay đổi theo thời gian của từ thông qua một vòng dây điện gây ra lực điện động, theo định luật cảm ứng Faraday Định luật này phát biểu rằng suất điện động cảm ứng trong một mạch kín bằng âm biến thiên theo thời gian của từ thông bao quanh nó, được thể hiện qua công thức: dΦm/ dt = -ε.
11 ε: lực điện động d m :là sự thay đổi từ thông qua cuộn dây dt: thời gian
Khi thay đổi chiều chuyển động của nam châm, giá trị điện áp cũng thay đổi theo chiều ngược lại Điều này cho thấy dòng điện khi di chuyển liên tục qua cuộn dây là dòng xoay chiều.
Ngay từ đầu, khi nghiên cứu cách tạo ra dòng điện, chuyển động của rotor (nam châm) được coi là chuyển động tịnh tiến Tuy nhiên, do chuyển động quay dễ dàng hơn, nên chuyển động tịnh tiến ít được áp dụng trong máy phát điện Cùng với Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng đã nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và phát hiện ra định luật Lenz, giúp xác định chiều của dòng điện cảm ứng Chúng ta sẽ tiếp tục với thí nghiệm của Faraday.
Khi đầu cực Bắc của nam châm gần ống dây, số đường sức từ tăng lên và dòng điện cảm ứng Ic xuất hiện trong cuộn dây với chiều như hình 2.4a Áp dụng quy tắc bàn tay phải, ta xác định từ trường BC do dòng điện cảm ứng sinh ra ngược chiều với từ trường B của nam châm.
Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính
Máy phát điện tuyến tính hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ của Faraday, trong đó khi số đường sức từ của nam châm xuyên qua tiết diện cuộn dây, sẽ tạo ra dòng điện.
Khi nam châm hoặc cuộn dây quay tròn, sẽ xảy ra hiện tượng tăng giảm từ trường một cách luân phiên Điều này dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây, với dòng điện này cũng đổi chiều theo chu kỳ.
= là hằng số không đổi ( ls là chiều dài hành trình piston và được cho nó là hằng số)
= v(t) dt là vận tốc chuyển động qua lại của translator.Giả sử translator có chuyển động qua lại là dao động điều hòa thì ta có:
Suy ra:E = N.ω. max cos(ω.t) N.2.πf.= max cos(ω.t)(V) max max
Tuy nhiên khi nói đến dòng điện xoay chiều người ta thường nói đến giá trị hiệu dụng: max
Hầu hết các máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên chuyển động quay, trong khi máy phát điện "tuyến tính" sử dụng chuyển động theo đường thẳng.
Khi nam châm di chuyển gần cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây sẽ thay đổi, tạo ra dòng điện Máy phát điện tuyến tính là thiết bị phổ biến nhất để chuyển đổi chuyển động qua lại trực tiếp thành năng lượng điện, loại bỏ nhu cầu về tay quay hoặc liên kết để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay, phù hợp với máy phát quay.
Phân loại máy phát điện tuyến tính
2.4.1 Máy phát điện cảm ứng tuyến tính
Máy phát điện cảm ứng tuyến tính, hay còn gọi là động cơ cảm ứng tuyến tính (LIM), hoạt động như một máy phát điện Điểm khác biệt chính của LIM là chiều dài trục sơ cấp hoặc thứ cấp có giới hạn, trong khi động cơ cảm ứng thông thường được thiết kế theo một vòng lặp vô tận.
Hình 2.12 Động cơ cảm ứng tuyến tính
Phần stator của động cơ bao gồm các cuộn dây 3 pha, mang lại hiệu suất cao hơn so với cuộn dây một pha, được lắp ráp trên các lớp thép kỹ thuật và bọc trong epoxy cách điện Rotor, thường gọi là tấm phản ứng, được làm từ nhôm hoặc đồng dẫn điện, với mặt sau bằng thép; tuy nhiên, nếu bỏ qua thép, lực động cơ sẽ giảm đáng kể.
Trong động cơ cảm ứng tuyến tính, khi dòng 3 pha cân bằng được cung cấp cho stator, từ thông sẽ phát triển và di chuyển dọc theo stator Dòng điện cảm ứng được tạo ra trong rotor, và sự tương tác giữa từ thông của stator và dòng điện cảm ứng của rotor tạo ra lực tuyến tính Đáng lưu ý, động cơ cảm ứng tuyến tính là không đồng bộ, với rotor di chuyển chậm hơn từ trường của stator, và sự khác biệt tốc độ này được gọi là sự trượt.
Trong quá trình hoạt động của máy phát, thông lượng stator tạo ra dòng điện trong rotor Khi thông lượng rotor cắt qua cuộn dây stator, một dòng điện hoạt động được sinh ra trong cuộn dây stator, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện, cung cấp điện năng.
22 trở lại lưới điện Máy phát điện cảm ứng tuyến tính cần một vòng lặp điều khiển sự kích thích nên phức tạp
2.4.2 Máy phát điện đồng bộ tuyến tính
Dòng điện được tạo ra sẽ đồng bộ và tỉ lệ thuận với vận tốc của rotor, trong đó nam châm vĩnh cửu thường được gắn trên rotor để tối ưu hóa hiệu suất.
Ống có thân hình trụ mang lại hiệu suất cao nhưng có thiết kế phức tạp và chi phí sản xuất lớn Cấu tạo của máy phát điện hình ống được minh họa trong hình 2.13.
Máy phát điện tuyến tính hình ống có ưu điểm là lực xuyên tâm giữa mover và stator bằng không, đồng thời không có cuộn dây cuối Tuy nhiên, việc sản xuất nam châm dạng vòng và stator dạng ống gặp khó khăn, và kích thước bên ngoài cũng bị giới hạn Khu vực của cuộn dây bị giới hạn bởi đường kính của ống stator và nam châm vòng.
Loại hình phẳng có hình lăng trụ mang lại thiết kế đơn giản và chi phí sản xuất thấp, nhưng hiệu suất và công suất đầu ra cao hơn so với hình ống Các LPMG loại phẳng được phân loại dựa trên hình dạng lõi stator, với ba trục phẳng có stator hình tam giác và phẳng tương tự như stator hình chữ nhật Hình 2.14 minh họa loại bốn mặt phẳng.
Hình 2.14 Mặt trước của máy phát tuyến tính dạng phẳng gồm 4 mặt(trái) và ba mặt (phải)
Hình 2.15 Cấu trúc stator 4 mặt
Mặc dù sản xuất máy phát tuyến tính dạng phẳng có quy trình đơn giản, nhưng nó vẫn tồn tại một số nhược điểm trong cấu trúc, đặc biệt là ở cuộn dây cuối Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu cả hai dạng máy phát để tìm ra hình dạng tối ưu nhất.
2.4.3 Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLA) Đây là một phiên bản phức tạp hơn của thí nghiệm Faraday, nó chính là chế độ máy phát của động cơ điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu Vỏ của máy phát có thể bao gồm nhiều miếng sắt ép mỏng ghép lại với nhau để tránh mất mát công suất dòng Eddy gây ra Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu có cấu tạo đơn giản, cung cấp mật độ năng lượng cao hơn so với máy phát điện tuyến tính nam châm điện (EMLA) với cách điều khiển ít phức tạp hơn Việc gia công chế tạo cũng đơn giản với nguyên vật liệu và nam châm được
Nam châm 24 là sản phẩm phổ biến trên thị trường, nhờ vào khả năng tự kích từ mà không cần các kết nối vật lý phức tạp, giúp giảm thiểu nguy cơ hư hỏng.
Khối lượng của nam châm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ, trong khi từ trường của rotor là cố định và không thể điều khiển Công suất dòng điện ra phụ thuộc mạnh vào nguồn cung cấp cơ năng, điều này có thể gây ra tăng đột biến điện áp không mong muốn khi chuyển đổi từ chế độ motor sang chế độ máy phát Hơn nữa, nhiệt độ buồng đốt truyền tới khối nam châm có thể làm giảm từ tính của nam châm, dẫn đến giảm công suất, vì vậy cần có các biện pháp cách nhiệt bổ sung.
Hình 2.16 Cấu tạo máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu
2.4.4 Máy phát điện tuyến tính nam châm điện (EMLA)
Máy phát EMLA có ưu điểm nổi bật là khả năng điều chỉnh thông lượng trường thông qua dòng điện trong nam châm điện, giúp điều chỉnh điện áp đầu ra mà không bị ảnh hưởng bởi chuyển động của nguồn cung cấp cơ năng Thiết kế này cho phép khởi động động cơ dễ dàng nhờ lực điện từ có thể điều khiển Tuy nhiên, nhược điểm của EMLA là cần nguồn điện để kích từ, dẫn đến việc phải sử dụng tiếp xúc cơ khí như chổi than, gây hao mòn Ngoài ra, dòng điện trong cuộn dây có thể làm nóng cuộn kích, giảm cường độ dòng điện và độ mạnh từ trường, cùng với số vòng dây quấn có thể làm tăng khối lượng của thiết bị.
Hình 2.17 Một máy phát điên có stator là các nam châm điện còn rotor là các cuộn dây
2.4.5 Máy điện nam châm vĩnh cửu thông lượng dọc,ngang
Loại máy này có cấu tạo gồm stator với các cực từ vật liệu sắt từ và vòng dây quấn xung quanh, cùng với rotor chứa hai hàng nam châm vĩnh cửu được ngăn cách bởi chất cách điện Khi các cực của stator trùng với nam châm, khoảng cách giữa chúng nhỏ nhất, tạo ra từ thông liên kết theo nguyên tắc vào Nam ra Bắc quanh cuộn dây stator Khi rotor quay, chiều từ thông thay đổi liên tục, sinh ra dòng điện trong cuộn dây Một số TFM được ứng dụng trong các turbine điện gió qua hệ truyền động direct – drive.
Hình 2.18 Cấu tạo và chiều của từ thông trong TFM (trái) và một TFM ngoài đời thực
2.4.6 Máy phát điện nam châm vĩnh cửu thông lượng dọc
Mặt phẳng đường thông lượng có vị trí dọc theo trục chuyển động, mang lại độ tin cậy cao nhờ vào cấu trúc đơn giản và chắc chắn Nó nổi bật với đặc điểm mật độ lực cao và hiệu suất vượt trội.
MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO
Động cơ piston tự do
Cơ chế hoạt động của động cơ đốt trong với trục khuỷu thường gặp phải tổn thất nhiệt và ma sát cao, ảnh hưởng đến hiệu suất Nhiệt độ và áp suất cao nhất duy trì lâu dài, trong khi tổn thất ma sát đến từ sự tương tác giữa các bộ phận như séc măng, thân piston và bạc lót trục cam Để khắc phục những nhược điểm này, động cơ không trục khuỷu đã được phát triển, cho phép piston chuyển động tự do trong xi lanh mà không phụ thuộc vào trục khuỷu Thiết kế này tối ưu hóa quá trình cháy, nâng cao hiệu quả tải và giảm tổn thất ma sát nhờ vào cấu trúc đơn giản với ít bộ phận chuyển động, từ đó giảm thiểu tác động của lực ngang và cải thiện hiệu suất tổng thể của động cơ.
Chuyển động của piston trong động cơ được điều khiển bởi lực tương tác giữa buồng đốt và buồng đẩy Động cơ piston tự do có cấu tạo đặc biệt giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
2 phần: phần động cơ và máy phát tuyến tính hoặc máy nén khí tùy vào phân loại động cơ.
Phân loại động cơ piston tự do
FPE có thể được cấu thành từ động cơ hai thì hoặc bốn thì, nhưng động cơ hai thì thường được nghiên cứu nhiều hơn do động cơ bốn thì gặp khó khăn trong việc điều khiển chuyển động Điều này xuất phát từ yêu cầu phức tạp về điều khiển điện tử liên quan đến thời điểm mở và đóng xu páp nạp và xả Nếu không có sự điều khiển chính xác, có thể xảy ra va chạm giữa đỉnh piston và xu páp Hơn nữa, ở cùng một chế độ mở bướm ga, động cơ hai thì cung cấp công suất và năng lượng điện cao hơn so với động cơ bốn thì.
28 ra bởi động cơ bốn thì được sử dụng trong quá trình di chuyển, hành trình sinh công bằng một nữa hai thì
Phân loại động cơ piston tự do có 3 loại: piston đơn, piston kép, hai piston đối đỉnh
3.2.1 Piston đơn Động cơ piston tự do kiểu piston đơn được thể hiện trong hình 2.1.Động cơ này cơ bản bao gồm ba phần: một xi lanh đốt, một thiết bị nạp và một buồng đẩy Một thiết kế đơn giản với khả năng kiểm soát cao là đặc điểm chính của kiểu piston đơn so với các hình dạng động cơ piston tự do khác Buồng đẩy có thể đưa ra các thời điểm để kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu đưa vào quá trình nén và bằng cách đó để điều chỉnh tỉ lệ nén hành trình của piston Tuy nhiên nhược điểm là độ cân bằng động kém do nó chỉ có một piston, một xi lanh [3]
Hình 3.1 Cấu tạo của động cơ piston tự do loại piston đơn
Top dead center: điểm chết trên
Bottom dead center: điểm chết dưới
Gas spring: lò xo khí
Động cơ piston kép với hai buồng đốt đang được nghiên cứu nhiều gần đây, giúp loại bỏ thiết bị đẩy lại Piston làm việc cung cấp lực để điều khiển quá trình nén trong xi lanh khác, cho phép thiết kế thiết bị đơn giản và nhỏ gọn hơn, đồng thời nâng cao tỷ lệ công suất trên trọng lượng.
Hình 3.2 Cấu tạo động cơ piston tự do loại piston kép
Permanent magnet: nam châm vĩnh cửu
Carburetor: bộ chế hòa khí
Coil: cuộn dây đánh lửa
Scavenge port: cửa quét khí
Việc điều khiển chuyển động của piston trong động cơ là một quá trình phức tạp do sự biến đổi áp suất đốt cháy ở từng xi lanh và trong mỗi chu kỳ Nếu không được điều khiển chính xác, đỉnh piston có thể va chạm với đầu xi lanh, gây hư hỏng Do đó, việc trang bị thêm các thiết bị hỗ trợ là cần thiết để tăng cường hiệu quả hoạt động và bảo đảm an toàn cho động cơ.
30 êm dịu (lò xo kim loại) lắp đặt trong xi lanh để tránh sự va đập hoặc thiết kế thêm cơ cấu chặn, để giới hạn hành trình piston [1] [4]
3.2.3 Loại 2 piston đối đỉnh Ở kiểu thiết kế này thì động cơ sẽ có hai piston đơn nhưng chỉ có một buồng đốt chung Mỗi piston sẽ có một buồng đẩy riêng biệt và hai piston phải chuyển động tương xứng với nhau, bằng các liên kết cơ học để loại bỏ rung động cơ học, không được tìm thấy trên bất kỳ động cơ tuyến tính khác Ưu điểm chính của thiết kế này là giúp động cơ cân bằng, giảm dao động khi hoạt động và giảm nhiệt truyền cho các đầu xi lanh Động cơ này lớn hơn nhiều so với các loại FPLE khác do thiết kế của nó phức tạp Tuy nhiên, cơ chế đồng bộ hóa của piston cùng với các thành phần cấu tạo của nó làm cho động cơ trở nên phức tạp và cồng kềnh [1]
Hình 3.3 Cấu tạo động cơ piston tự do loại 2 piston đối đỉnh
Nguyên lý piston đối đỉnh được sử dụng hầu như chỉ trong thiết kế động cơ piston tự do sớm (1930-1960)
Phiên bản đầu tiên của FPLE đối đỉnh với piston được giới thiệu bởi Ostenberg vào năm 1943 Đến năm 2015, với sự tiến bộ trong các hệ thống làm mát và bôi trơn cho piston đối đỉnh, công nghệ này đã được ứng dụng trong xe điện hybrid.
• Combustion chamber: buồng đốt chung
• Piston synchronization: liên kết cơ khí
Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do
Động cơ phát điện piston tự do kết hợp động cơ piston tự do và máy điện tuyến tính, đang thu hút sự chú ý do nhu cầu ngày càng tăng từ ngành công nghiệp ô tô đối với công nghệ xe điện lai.
Với tính linh hoạt, trọng lượng nhẹ và hiệu quả cao, máy phát tuyến tính piston tự do đang thu hút sự chú ý đặc biệt từ ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là như một bộ mở rộng phạm vi cho xe điện và xe lai Tổng hiệu suất của nó, bao gồm cả động cơ và máy phát, có thể vượt trội hơn đáng kể so với động cơ đốt trong truyền thống và có thể so sánh với pin nhiên liệu.
Trong một hệ thống FPLE, máy phát điện tuyến tính đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động động cơ và cung cấp năng lượng điện Nghiên cứu chủ yếu về máy phát điện FPLE piston kép thường sử dụng máy phát điện tuyến tính dạng ống, nhờ vào giá trị cấu trúc của chúng, giúp tăng độ tin cậy so với máy phát điện tuyến tính loại phẳng.
Máy phát điện tuyến tính được phân loại theo pha thành một pha và ba pha, trong đó máy phát điện tuyến tính ba pha yêu cầu ít đồng hơn trong cuộn dây để truyền cùng một công suất, dẫn đến kích thước nhỏ hơn so với máy phát điện một pha Mặc dù máy phát điện ba pha phức tạp và đắt hơn, nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng chúng cho máy FPLE công suất cao, trong khi máy phát điện một pha thường được sử dụng cho công suất nhỏ Các loại máy phát điện tuyến tính khác nhau còn được phân biệt bởi cách sắp xếp nam châm, bao gồm nam châm chuyển động, lõi sắt di chuyển và cuộn dây di chuyển Trong đó, nam châm chuyển động và cuộn dây di chuyển thường nhẹ hơn lõi sắt, nhưng máy phát điện cuộn dây di chuyển cần dây dẫn linh hoạt, dễ hao mòn, đặc biệt trong ứng dụng công suất cao, và không phù hợp cho các nguồn phát điện quan trọng.
Máy phát điện tuyến tính sử dụng nam châm chuyển động có độ dịch chuyển thấp và khối lượng nhẹ, nhưng cũng gặp phải một số nhược điểm Một trong những vấn đề chính là rò rỉ nam châm, do tiếp xúc với nam châm vĩnh cửu trong điều kiện rung động liên tục có thể làm mất tín hiệu Ngoài ra, khả năng chuyển đổi năng lượng bị hạn chế bởi chiều dài hành trình và chiều dài của nam châm, trong khi độ dày của nam châm phụ thuộc vào khe hở không khí Kích thước của nam châm cũng bị giới hạn bởi khối lượng của máy phát điện tuyến tính Máy phát điện tuyến tính với động cơ piston tự do được minh họa trong hình 3.4.
Hình 3.4 Máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do
Ứng dụng máy phát điện tuyến tính và ưu nhược điểm của máy phát tuyến
3.4.1 Ứng dụng máy phát tuyến tính
3.4.1.1 Biến đổi năng lượng sóng biển
Máy phát điện tuyến tính không chỉ cung cấp cơ năng thông qua động cơ tuyến tính mà còn hoạt động như một thiết bị biến đổi năng lượng sóng biển, được gọi là Wave Energy Converter.
Biến lực mặt sóng thành chuyển động tịnh tiến của PMLA, sau đó chuyển hóa thành áp suất không khí, giúp quay cánh quạt hoặc tác động vào piston, tạo ra chuyển động tịnh tiến của piston truyền động.
Từ đó các thiết bị chuyển đổi năng lượng này cũng có nhiều dạng và nguyên lý hạt động khác nhau
Phao điện nam châm vĩnh cửu có cấu trúc gồm một trục dài 4m với nhiều thanh nam châm mạnh, được bao quanh bởi các cuộn dây đồng Phao được neo ở độ sâu 30m dưới đáy biển, với vỏ làm từ sợi thủy tinh và composite Khi sóng biển tác động, phao di chuyển lên xuống, khiến cuộn dây di chuyển trên trục nam châm và tạo ra dòng điện Với nguyên tắc truyền động trực tiếp, phao đạt hiệu suất năng lượng gần 90%.
Phao được neo chặt ở đáy biển có khả năng hoạt động liên tục trong 5 năm, thu năng lượng từ sóng biển tương tự như cách thu năng lượng từ gió, nhưng với mật độ năng lượng lớn hơn 50 lần Điện áp AC không ổn định thu được từ phao sẽ được chuyển tiếp đến hộp kết nối, sau đó được chuyển đổi thành điện DC, rồi truyền tải vào bờ và chuyển đổi thành điện AC chuẩn.
Hình 3.5 Mô hình máy phát điện tuyến tính lợi dụng sự nhấp nhô của sóng biển để phát ra điện
3.4.1.2 Ứng dụng trong xe lai (hybrid)
Hệ thống lưu trữ năng lượng, chủ yếu là pin (chì, NiMH, Li-ion, NiZn, NiCd) hoặc siêu tụ điện, là vấn đề chính liên quan đến xe điện, với hiệu suất lưu trữ và số chu kỳ sạc - xả khác nhau Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng đầu tư vào xe điện có thể không hiệu quả do chi phí mua sắm cao và nhu cầu thay pin định kỳ.
Hầu hết các xe hybrid hiện nay sử dụng động cơ đốt trong kết nối trực tiếp với máy phát điện để cung cấp năng lượng điện Tuy nhiên, một giải pháp tiên tiến hơn là tích hợp máy phát điện tuyến tính vào động cơ piston tự do, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn, nhưng sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong toàn bộ vòng đời của xe.
Sự chuyển động của xe, có thể sử dụng hai hoặc bốn động cơ điện ở bánh xe [11]
Hình 3.6 Mô hình máy điện tuyến tính piston tự do do trên xe hybrid
Có nhiều giải pháp để tạo ra công suất trong xe điện hybrid, bao gồm sự kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện.
Hybrid song song (parallel hybrid) sử dụng động cơ đốt trong để cung cấp lực kéo cho bánh xe, trong khi động cơ điện hỗ trợ khi cần gia tốc nhanh Khi pin đủ, động cơ điện có thể thay thế động cơ xăng trong điều kiện di chuyển chậm, giúp tiết kiệm năng lượng Việc sạc pin được thực hiện thông qua hệ thống tái tạo năng lượng từ phanh (Regenerative Braking) thay vì từ mô tơ điện Mặc dù xe hybrid song song mang lại khả năng vận hành tốt, nhưng hiệu quả nhiên liệu chỉ cải thiện một phần.
Hybrid nối tiếp (series hybrid) là loại xe sử dụng mô tơ điện trực tiếp dẫn động bánh xe, trong khi động cơ đốt trong chỉ đóng vai trò chạy máy phát điện Đây là dạng nguyên thủy của động cơ hybrid, nhưng do hiệu suất vận hành kém và hiệu quả năng lượng ở mức trung bình, nên hiện nay loại hybrid này không còn được ưa chuộng.
Hybrid nối tiếp/song song là loại xe kết hợp cả động cơ đốt trong và động cơ điện, tạo nên một cơ cấu hybrid phức tạp với chi phí sản xuất cao Nhờ vào bộ chia công suất, năng lượng từ hai nguồn này được điều chỉnh linh hoạt, hỗ trợ lẫn nhau để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của xe Cấu trúc hoạt động luân phiên giúp gia tăng hiệu suất sử dụng cụm pin trên xe.
Xe hybrid hiện đại luôn được sạc đầy và có khả năng vận hành ở chế độ lái thuần động cơ điện (EV-mode), rất tiện lợi cho việc di chuyển trong điều kiện giao thông đông đúc Đây là tính năng nổi bật của nhiều mẫu xe hybrid hiện nay.
Năm 2014, nhóm nghiên cứu tại Toyota Central R&D Labs Inc đã phát triển nguyên mẫu Máy phát điện tuyến tính động cơ Piston tự do 10 mã lực (FPEG) cho xe điện phân khúc B/C, bao gồm động cơ đốt trong hai thì, máy phát tuyến tính và buồng lò xo khí Họ đã chỉ ra rằng FPEG có tiềm năng về cấu trúc nhỏ gọn, hiệu quả cao và linh hoạt nhiên liệu Đặc biệt, nghiên cứu của họ tập trung vào phương pháp điều khiển mới để ổn định chuyển động của pít-tông, giúp tạo ra năng lượng điện hiệu quả Việc điều khiển máy phát tuyến tính là yếu tố quyết định cho hoạt động ổn định của FPEG, do quá trình đốt cháy phụ thuộc vào chuyển động của pít-tông và lực của máy phát Mặc dù phương pháp kiểm soát hồi vị vị trí đã thành công ở công suất thấp, nhưng không duy trì được chuyển động khi công suất tăng Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng rung động từ pít-tông là một thách thức lớn trong ứng dụng thực tế của FPEG, và họ đề xuất lắp đặt hai bộ FPEG đối diện với nhau để đồng bộ hóa chuyển động pít-tông, nhưng cần phát triển phương pháp kiểm soát chính xác trước khi thực hiện.
Hình 3.7 Mô hình máy tính tuyến free-piston đơn của Toyota
3.4.2 Ứng dụng của máy phát trên các hãng ô tô
Các ứng dụng bằng sáng chế gần đây của General Motors giới thiệu các khái niệm về piston tự do dạng đối đỉnh, hoạt động trên chu trình hai kỳ.
Máy phát điện tuyến tính piston tự do đối đỉnh có cấu trúc tương tự như máy nén piston tự do thế hệ đầu tiên và máy phát điện khí gas Sigma GS-34, nhưng không sử dụng cơ chế đồng bộ cơ khí hóa Đặc điểm nổi bật của nó là công suất điện năng được tạo ra bởi một máy điện tích hợp, với nam châm vĩnh cửu trong piston và cuộn dây được lắp đặt trong vỏ xi lanh.
Thế hệ động cơ piston tự do đầu tiên của GM sử dụng giải pháp đồng bộ hóa cơ khí, với mục tiêu điều khiển hiệu quả cả hai piston thông qua các buồng đẩy và phanh điện Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên piston giúp duy trì nhiệt độ tối ưu nhờ lớp bọc không khí từ buồng quét khí thải xung quanh Việc điều khiển các kỳ được thực hiện thông qua phanh điện và điều chỉnh áp suất trong buồng đẩy.
Ưu, nhược điểm của máy phát điện tuyến tính động cơ piston tự do
Thiết kế đơn giản với ít bộ phận chuyển động giúp động cơ nhỏ gọn và nhẹ, giảm chi phí bảo trì và tổn thất ma sát Điều này không chỉ giảm yêu cầu bôi trơn xi lanh mà còn làm giảm chi phí sản xuất, tăng tuổi thọ và tính nhỏ gọn của sản phẩm.
Khác với động cơ đốt trong truyền thống, điểm chết và hành trình piston trong FPLG không bị giới hạn bởi cấu trúc cơ học, cho phép điều chỉnh tỉ số nén thông qua việc kiểm soát vị trí của phần dịch chuyển phát điện và điểm chết Điều này giúp tối ưu hóa hoạt động của động cơ trong mọi điều kiện vận hành và hỗ trợ hoạt động đa nhiên liệu.
Hình 3.20 cho thấy động cơ piston tự do có một chút lợi thế về hiệu suất so với động cơ thông thường Sự khác biệt này xuất phát từ gia tốc piston cao hơn xung quanh điểm chết trên (TDC), dẫn đến sự thay đổi thể tích lớn hơn trong quá trình đốt cháy và thời gian nhiệt độ cao trong chu trình ngắn hơn, từ đó giảm tổn thất do truyền nhiệt Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng nhiệt mất mát do truyền nhiệt trong xi lanh động cơ piston tự do thấp hơn khoảng 7% so với động cơ thông thường, mang lại lợi thế về hiệu suất nhiên liệu cho động cơ piston tự do khoảng 1%.
Hình 3.20 Ảnh hưởng của sự thay đổi thời điểm phun nhiên liệu
Kết quả cho thấy rằng việc giảm tổn thất truyền nhiệt trong động cơ piston tự do sẽ mang lại lợi ích lớn hơn so với những bất lợi do sự tăng thể tích trong quá trình đốt cháy.
Sự hình thành khí NO trong buồng đốt phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tồn tại của khí ở nhiệt độ cao Tăng cường chuyển động khí trong xi lanh giúp hòa trộn nhiên liệu, không khí và sản phẩm cháy tốt hơn, từ đó giảm nhiệt độ trong xi lanh Tốc độ chuyển động nhanh và hành trình sinh công ngắn hơn sẽ làm giảm thời gian hình thành NOx Thông thường, hơn 90% oxit nitơ trong quá trình đốt cháy động cơ và khí thải là ở dạng oxit nitric (NO).
Hình 3.21 Nồng độ khí NO trong xi lanh
Hình 3.21 cho thấy ước tính nồng độ khí NO trong xi lanh, cho thấy động cơ piston tự do có lợi thế rõ rệt với nồng độ NO thấp hơn khoảng 17% so với động cơ thông thường tại thời điểm mở van xả Lợi ích này xuất phát từ sự kết hợp tốc độ cao, tăng cường hòa trộn nhiên liệu-không khí trong buồng đốt và giảm nhiệt độ do sự giãn nở, tất cả đều là kết quả của việc tăng tốc piston cao hơn ngay sau TDC ở động cơ piston tự do.
Piston di chuyển tự do giữa TDC và BDC, với chuyển động được xác định bởi lực tổng hợp, bao gồm lực áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại Sự xuất hiện của các biến thể và rối loạn theo chu kỳ trong quá trình cháy gây khó khăn trong việc điều khiển động cơ Vì vậy, việc đảm bảo piston hoạt động với tốc độ chính xác và ổn định vẫn là một thách thức lớn đối với FPLG.