(Luận văn thạc sĩ) thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Tầm quan trọng của xe máy

Mặc dù đã tồn tại từ lâu, xe máy vẫn là phương tiện giao thông phổ biến nhất trên các tuyến đường ở Việt Nam, từ thành phố đến nông thôn Theo nghiên cứu khảo sát, đến năm 2020, xe máy vẫn là lựa chọn chính của người dân trong việc di chuyển.

Theo chiến lược đảm bảo an toàn giao thông đường bộ quốc gia đến năm

Đến năm 2030, để phát triển bền vững cơ sở hạ tầng giao thông, cần chú trọng phát triển các loại hình giao thông công cộng như đường sắt, tàu điện ngầm, tàu trên cao và xe buýt tốc hành, nhằm biến chúng thành phương tiện chủ yếu tại các đô thị lớn Tuy nhiên, việc thực hiện chiến lược này đòi hỏi thời gian và ngân sách lớn, vì vậy cần cải thiện từng bước hạ tầng giao thông, đặc biệt là hệ thống vận chuyển công cộng tại các thành phố lớn Các ý kiến hạn chế sử dụng mô tô, xe máy để giảm ô nhiễm và ùn tắc giao thông được cho là ngắn hạn và không khả thi, vì chưa có phương tiện thay thế phù hợp và các loại hình giao thông công cộng hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu đi lại.

Hiện nay, mô tô và xe máy đã trở thành phương tiện giao thông chủ yếu tại Việt Nam, được sử dụng rộng rãi bởi mọi đối tượng, ngành nghề và độ tuổi Đặc biệt, trong các khu đô thị, mô tô và xe máy chiếm ưu thế nhờ tính cơ động, tiết kiệm diện tích và phù hợp với hạ tầng giao thông hiện có.

Phát triển ô tô và xe máy là một nhu cầu thiết yếu, đòi hỏi các nghiên cứu để hoàn thiện phương tiện này, phù hợp với yêu cầu thực tế của cộng đồng xã hội.

1.1.2 Phát triển nguồn động lực sạch

Bảo vệ môi trường hiện nay là ưu tiên hàng đầu, với các vấn đề như hiệu ứng nhà kính, sự nóng lên toàn cầu và băng tan đang trở nên cấp bách Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm là khí thải từ phương tiện giao thông Do đó, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường để trang bị cho các phương tiện là cần thiết Bên cạnh đó, khủng hoảng dầu mỏ ở Trung Đông và Bắc Phi đã làm tăng giá dầu, khiến chúng ta cần giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng này Việc nghiên cứu các nguồn năng lượng mới và cải tiến động cơ để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng trong bối cảnh hiện tại.

- Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel

Cải tiến hệ thống đánh lửa từ phương pháp truyền thống sang đánh lửa điều khiển điện tử, đồng thời nâng cấp hệ thống cung cấp nhiên liệu từ chế hòa khí sang phun xăng điều khiển điện tử, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.

- Nghiên cứu sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế nhƣ: LPG (Liquidfied Petroleum Gas), methanol, ethanol, fuel cell, biodiesel, khí thiên nhiên, điện và năng lƣợng mặt trời

- Nguồn động lực lai (hybrid)

Các giải pháp xe điện và xe sử dụng pin nhiên liệu hiện đang được đánh giá cao vì không gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất tốt và cung cấp mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi hai loại xe này vẫn gặp khó khăn do khoảng cách hoạt động ngắn, thời gian sạc điện dài, thiếu cơ sở hạ tầng sạc và chi phí cao, cũng như sự thiếu hụt trạm tiếp hydrogen cho xe pin nhiên liệu Những vấn đề này là nguyên nhân chính khiến xe điện và xe sử dụng pin nhiên liệu chưa thể thay thế hoàn toàn xe sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ truyền thống.

Hiện nay, xu hướng trang bị nguồn động lực lai (hybrid) trên phương tiện giao thông đang ngày càng nổi bật Động cơ lai kết hợp nhiều loại động cơ, mang lại hiệu suất cao và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường Chính vì vậy, công nghệ xe lai đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu từ các hãng sản xuất xe trên toàn cầu.

1.1.3 Tổng quan về xe hybrid

Xe hybrid là loại phương tiện kết hợp giữa động cơ đốt trong (sử dụng xăng hoặc diesel) và động cơ sử dụng các nguồn năng lượng khác như điện, nhiệt hoặc khí.

Ôtô hybrid nhiệt - điện, kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, hiện là loại ôtô hybrid phổ biến nhất Dòng xe này sử dụng năng lượng từ một ắc quy cao áp, với bộ điều khiển điện tử quản lý hoạt động của cả hai động cơ, bao gồm cả việc đồng bộ hóa và nạp điện cho ắc quy Đặc biệt, ắc quy được nạp điện thông qua cơ chế "thông minh" khi xe phanh và xuống dốc, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng Nhờ vào công nghệ này, xe có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi hoạt động bằng động cơ điện đồng thời nạp điện cho ắc quy.

* Theo thời điểm phối hợp công suất

Motor điện chỉ hoạt động ở tốc độ chậm, cung cấp công suất cho ôtô khởi hành và tăng tốc lên khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng khởi động Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng sẽ được khởi động ngay lập tức, cung cấp công suất tối đa khi cần thiết, đặc biệt là trong các tình huống như leo dốc hoặc vượt xe khác Việc sử dụng motor điện chủ yếu ở tốc độ thấp giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn khi lái trên đường phố so với đường cao tốc Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là những ví dụ tiêu biểu cho loại xe này.

Motor điện hỗ trợ động cơ xăng khi cần công suất cao, như trong quá trình tăng tốc nhanh, leo dốc hoặc vượt xe khác, trong khi xe vẫn sử dụng động cơ xăng trong điều kiện bình thường Điều này giúp những chiếc hybrid như Honda Civic Hybrid và Honda Insight tiết kiệm nhiên liệu hơn trên đường cao tốc, khi động cơ xăng ít bị gánh nặng Cả hai mẫu xe này đều sử dụng công suất từ ắc quy khi motor điện hoạt động, dẫn đến việc giảm hiệu suất động cơ.

Hình 1.1: Một mẫu xe hybrid của hãng Toyota [2]

5 suất của Accu Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc

* Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện

Trong kiểu nối tiếp, động cơ điện truyền lực trực tiếp đến các bánh xe chủ động, trong khi động cơ nhiệt chỉ có nhiệm vụ kéo máy phát điện để sản xuất điện năng Điện năng này được sử dụng để nạp cho ắc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện.

Dòng điện được chia thành hai phần: một phần để nạp accu và phần còn lại để vận hành động cơ điện Động cơ điện không chỉ chạy xe mà còn hoạt động như một máy phát điện, tái sinh năng lượng khi xe xuống dốc và trong quá trình phanh.

Động cơ đốt trong hoạt động liên tục, không bao giờ ở chế độ không tải, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, người dùng có thể lựa chọn chế độ hoạt động phù hợp để tối ưu hiệu suất.

Hình 1.2 : Hệ thống hybrid nối tiếp [3]

Hình 1.3 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp [3]

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai chạy bằng năng lượng điện và xăng trên xe tay ga nhằm tạo ra một mẫu xe gắn hybrid có hiệu suất sử dụng năng lượng cao Đề tài này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn hạn chế ô nhiễm môi trường, đồng thời góp phần phát triển ngành công nghiệp sản xuất xe máy trong nước Mục tiêu hướng tới là phát triển một sản phẩm công nghiệp đặc thù có tính cạnh tranh, phục vụ nhu cầu thị trường và bảo vệ môi trường.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu về lý thuyết hệ thống truyền động trên xe tay ga

Hình 1.10: Mẫu xe FA – 801 (Hybrid 80 CC – 500 W) [6]

- Nghiên cứu, tính toán, lựa chọn nguồn động lực lai (động cơ điện)

- Tính toán, thiết kế, gia công chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh cơ cấu truyền động lai của động cơ điện

- Kiểm tra thực nghiệm, đánh giá kết quả của xe cải tạo

1.3.2 Giới hạn của đề tài Đề tài đƣợc nghiên cứu dựa trên nguyên tắc kế thừa và phát triển tiếp những kết quả đã có đƣợc Chỉ thực hiện cải tiến trên loại xe tay ga đã qua sử dụng có sẵn trên thị trường Người thực hiện đề tài sẽ không tính toán, thiết kế lại kết cấu, hệ thống truyền động và điều khiển của loại xe này mà chỉ mô phỏng, tính toán thiết kế và lắp đặt thêm một hệ thống truyền động bằng năng lƣợng điện trên xe để cùng phối hợp hoạt động với động cơ xăng

Việc lắp ráp và bổ sung các bộ phận cho một chiếc xe gắn máy đã có sẵn sẽ dẫn đến sự thay đổi nhất định về hình dáng và tính tiện nghi của xe.

Phương pháp nghiên cứu và thực hiện

Phương pháp nghiên cứu tài liệu bao gồm việc thu thập thông tin về các loại xe hybrid, xe điện, xe gắn máy và công nghệ điều khiển tự động thông qua các phương tiện truyền thông.

- Tham khảo ý kiến các chuyên gia

Sử dụng phần mềm Microsoft Office, AutoCAD, Pro ENGINEER và Protues 7.8, chúng tôi thực hiện lập trình điều khiển, thiết kế bảng vẽ gia công, lắp ghép và mô phỏng cơ cấu cho xe.

Phương pháp thực nghiệm bao gồm gia công, chế tạo và lắp đặt các chi tiết trong cơ cấu truyền động lai, sử dụng thiết bị kiểm tra để đo các thông số sản phẩm và đối chiếu với các tính toán ban đầu Quá trình này giúp điều chỉnh các thông số cho hợp lý hơn và rút ra kết luận, làm cơ sở cho việc cải tiến sản phẩm trong tương lai.

So sánh và đánh giá kết quả vận hành ở các mức tốc độ khác nhau trên một địa hình cụ thể giúp xác định hệ số hiệu chỉnh tối ưu và an toàn nhất cho hoạt động.

Hệ thống truyền động trên xe tay ga

2.1.1 Cấu tạo và sơ đồ truyền lực

2 Má puli sơ cấp di động

4 Má puli sơ cấp cố định

5 Má puli thứ cấp di động

6 Trục sơ cấp của hộp giảm tốc (hộp cầu)

8 Má li hợp (bố ba càng)

10 Má puli thứ cấp cố định

Hình 2.1: Cấu tạo và sơ đồ truyền lực [7]

2.1.2.1 Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng

Khi động cơ hoạt động với tốc độ thấp, lực kéo và chuyển động được truyền từ trục khuỷu qua puli sơ cấp, dây đai V, puli thứ cấp đến cụm má ma sát (bố ba càng) Tuy nhiên, do lực ly tâm của cụm ma sát chưa đủ để thắng lực lò xo của các má ma sát, nên chúng không tiếp xúc với vỏ nồi li hợp Hệ quả là lực kéo và chuyển động không được truyền tới bánh xe sau, dẫn đến việc xe không di chuyển.

2.1.2.2 Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp

Hình 2.2: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ cầm chừng [7]

Hình 2.3: Sơ đồ truyền lực ở chế độ khởi động và tốc độ thấp [7]

Khi động cơ đạt tốc độ khoảng 2.700 – 3.000 v/ph, lực ly tâm của cụm ma sát đủ mạnh để thắng lực lò xo kéo, khiến các má ma sát tiếp xúc với nồi ly hợp Lực ma sát giữa các má ma sát và nồi ly hợp giúp truyền lực kéo qua bộ bánh răng giảm tốc tới bánh xe sau, bắt đầu quá trình chuyển động Tại thời điểm này, dây đai V nằm ở vị trí trong cùng của puli sơ cấp và ngoài cùng của puli thứ cấp, tạo ra tỉ số truyền lớn nhất, giúp bánh xe sau có đủ lực kéo để khởi động từ trạng thái dừng và tăng tốc.

2.1.2.3 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ trung bình

Khi tăng tốc độ động cơ, lực li tâm lớn khiến các con lăn ở puli sơ cấp văng ra xa, đẩy má puli di động tiến về puli cố định và làm dây đai V di chuyển ra xa tâm Do độ dài dây đai không đổi, dây đai ở puli thứ cấp sẽ di chuyển vào gần tâm cho đến khi đạt được sự cân bằng với lực ép của lò xo nén lớn Điều này dẫn đến tỉ số truyền động giảm dần, làm tăng tốc độ của puli thứ cấp và từ đó tăng tốc độ của xe.

Hình 2.4: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ trung bình [7]

2.1.2.4 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ cao

Khi tăng tốc độ động cơ, lực li tâm lớn khiến các con lăng văng ra xa tâm, ép má puli sơ cấp di động lại gần má puli sơ cấp cố định Kết quả là, đường kính tiếp xúc của dây đai V với puli sơ cấp đạt mức lớn nhất, trong khi đường kính phía puli thứ cấp nhỏ nhất Tỉ số truyền động của bộ truyền giảm xuống mức thấp nhất, dẫn đến tốc độ puli thứ cấp đạt tối đa Tại thời điểm này, xe sẽ đạt được tốc độ cao nhất.

Hình 2.5: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ cao [7]

2.1.2.5 Động cơ hoạt động ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc lên ga đột ngột

Khi xe hoạt động ở chế độ tải nặng, tải tác động lên bánh xe sau tăng cao, khiến puli thứ cấp cố định theo tốc độ của bánh xe sau Nếu tài xế tiếp tục tăng ga, momen tác động lên má puli thứ cấp di động sẽ gia tăng, dẫn đến việc puli thứ cấp di động trượt theo rãnh dẫn hướng Quá trình này giúp puli thứ cấp di động tiến gần hơn đến puli cố định, làm cho dây đai V di chuyển ra xa tâm, trong khi dây đai ở puli sơ cấp lại vào gần tâm, từ đó tăng tỷ số truyền động và giúp xe dễ dàng leo dốc.

Nguồn điện trên xe gắn máy

Khi khởi động xe gắn máy, nguồn điện đầu tiên được sinh ra là điện xoay chiều, thường có hiệu điện thế thấp từ 6 volts đến 12 volts Nguồn điện này được gọi là nguồn điện cảm ứng từ.

2.2.1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều gồm các bộ phận sau đây:

Phần chuyển động là một volant hay một rotor có gắn các miếng nam châm, có thiết kế quay đồng tốc với trục khuỷu động cơ

Hình 2.6: Sơ đồ truyền lực ở chế độ tải nặng , leo dốc hoặc lên ga đột ngột [7]

Phần cố định của hệ thống bao gồm một mâm nhôm được gắn chặt vào catte máy, trên đó có các thành phần quan trọng như cuộn nguồn (bô bin lửa), cuộn đèn (bô bin đèn) và cuộn khiển, với cuộn khiển có thể được đặt bên trong hoặc bên ngoài mâm tùy thuộc vào từng loại xe.

2 Vô lăng điện 6 Đai ốc 12 mm

3 Cuộn dây bộ phát điện 7 Bulon 6 x 8

2.2.2 Nguyên lý sinh ra điện Đối với cuộn nguồn và cuộn khiển: Khi volant hay rotor quay khiến từ trường của nam châm dao động và từ thông của nam châm bị biến thiên nên cuộn nguồn và cuộn khiển cảm ứng sự biến thiên đó mà sinh ra xung điện xoay chiều Các xung điện này đƣợc dẫn đến CDI để đổi thành điện một chiều và nạp vào bobine sườn, tăng thành điện cao áp rồi đến bougie phóng tia lửa điện

Hình 2.7: Cấu tạo máy phát điện trên xe Attila [8]

Cuộn đèn hoạt động theo nguyên lý tạo ra xung điện xoay chiều, sau đó chuyển đổi thành điện một chiều Nguồn điện này không chỉ cung cấp cho phụ tải mà còn được sử dụng để nạp điện cho ắc quy.

2.2.3 Nguồn điện xoay chiều đƣợc đổi thành điện một chiều

Các xung điện xoay chiều từ cuộn đèn có thể được dẫn đến diode thường hoặc diode ổn áp để chuyển đổi thành dòng điện một chiều, phục vụ cho việc nạp accu hoặc cung cấp điện cho các phụ tải điện.

Diode nắn dòng là một linh kiện điện tử được làm từ Germanium và Silicium, có hai cực dương (+) và âm (-) Chức năng chính của diode nắn dòng là chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) Diode cho phép dòng điện đi theo một chiều nhất định từ dương sang âm, gọi là chiều thuận, và ngăn cản dòng điện đi theo chiều ngược lại Bên cạnh đó, điện trở (R) là linh kiện nhận dòng điện, với hai tác dụng chính là tăng hoặc giảm hiệu điện thế.

Accu

2.3.1 Nhiệm vụ và phân loại Accu

Bình ắc quy trên xe điện chủ yếu cung cấp điện cho động cơ điện một chiều, thường sử dụng loại ắc quy có điện áp danh định 12V Các yêu cầu cơ bản cho bình ắc quy này bao gồm khả năng hoạt động liên tục và độ tin cậy cao.

- Cung cấp điện áp ổn định và dung lƣợng đủ lớn để xe hoạt động

- Thời gian sử dụng lâu, bảo trì đơn giản, hoặc không cần bảo trì

- Chịu được rung xóc và các điều kiện của môi trường khi xe chạy

Ắc quy cho xe điện là loại ắc quy phóng điện liên tục, được sử dụng cho động cơ điện và các phụ tải khác mà không cần dòng nạp bổ sung thường xuyên.

Ắc quy Deep Cycle thường bị phóng cạn kiệt đến 80% trước khi được nạp lại, và được thiết kế đặc biệt để chịu đựng nhiều lần phóng cạn mà không bị hư hại Trong khi đó, ắc quy trên ô tô thường không bao giờ phóng điện cạn kiệt, chỉ phóng điện ngắn hạn để khởi động động cơ, sau đó máy phát điện sẽ nạp lại ắc quy và cung cấp điện cho các phụ tải Ắc quy Deep Cycle có các hoạt chất đậm đặc và bản cực dày hơn, cùng với vỏ bọc và vách ngăn bằng nhựa có lưới thuỷ tinh hấp thụ (Absorbed Glass Mat) giúp giảm thiểu sự rơi rụng của hoạt chất, đảm bảo hiệu suất và độ bền trong quá trình sử dụng.

Accu khởi động sử dụng hoạt chất xốp và bản cực mỏng, cho phép phát ra dòng điện cường độ lớn trong thời gian ngắn, mang lại năng lượng khởi động tối ưu Tuy nhiên, quá trình lặp lại này sẽ làm yếu đi bản cực dương và gây ra sự rơi rụng của các hoạt chất khỏi bản cực.

Thường phân loại theo thành phần bản cực ta có:

- Accu axít - chì (loại kín) có hai loại:

Loại kiểu SLA (Sealed Lead-Acid battery) có dung lƣợng trong dãy từ 8

Bình ắc quy 35 Ah / 12 V có cơ chế tự bảo vệ, ngăn chặn hơi axít thoát ra ngoài và không cần bổ sung nước hay dung dịch trong suốt quá trình sử dụng.

Ắc quy VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery) có dung lượng tương đương với ắc quy SLA, nổi bật với van chống nổ giúp kiểm soát áp suất Loại ắc quy này có khả năng chống mất nước cao, do đó không cần bổ sung nước hay dung dịch trong suốt quá trình sử dụng.

Accu Ni-Cd (Nikel Cadmium) là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất, nổi bật với độ tin cậy và sức mạnh vượt trội Tuy nhiên, loại pin này chứa cadmium (Cd), một chất độc hại, điều này cần được lưu ý khi sử dụng.

Điện dung thấp của loại pin này so với các loại pin nạp khác, nhưng khả năng phóng điện cao khiến nó trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng Giá thành của nó thường cao gấp ba lần so với ắc quy axit-chì loại kín, trong khi khối lượng chỉ bằng khoảng 5/7 khối lượng của ắc quy axit-chì loại kín.

Accu Ni-MH (Nikel Metal Hydride) có dung lượng lớn hơn 10 - 25% so với loại NiCd và thân thiện với môi trường hơn vì không chứa cadmium Năng lượng tối đa mà Accu này có thể tích trữ lên đến 336 Wh Mặc dù giá thành cao gấp 30 lần so với accu axít - chì loại kín, nhưng khối lượng của nó chỉ bằng khoảng 3/7 khối lượng của accu axít - chì loại kín.

Accu Li-Ion (Lithium Ion) là công nghệ mới cho các loại ắc quy nạp lại, với khả năng phát ra dung lượng cao hơn 40% so với ắc quy NiCd cùng kích thước Đây là một trong những ắc quy nạp lại nhẹ nhất hiện nay, nhưng giá thành lại khá cao, thường gấp 100 lần so với ắc quy axít-chì loại kín Khối lượng của ắc quy Li-Ion chỉ bằng 2/7 khối lượng của ắc quy axít-chì loại kín.

Hiện nay, hầu hết các xe điện phổ biến sử dụng ắc quy axít-chì kín kiểu SLA hoặc VRLA, nhờ vào chi phí thấp và thời gian hoạt động hợp lý.

Bảng 2.1: Điện thế và dung lƣợng một số loại Accu

Loại Accu Điện thế trong một ngăn Dung lƣợng riêng

2.3.2 Cấu tạo của Accu chì axit loại kín

Cấu tạo Accu chì axit loại kín về cơ bản cũng tương tự như Accu chì axit loại truyền thống, nhƣng có một số điểm khác biệt ( Hình 2.9 )

Bản cực dương trong ắc quy được làm từ khung lưới hợp kim chì - thiếc - canxi, mang lại độ bền cao Bề mặt của bản cực này được phủ lớp bột dioxide chì PbO2 dạng xốp, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng điện hóa của ắc quy.

Bản cực âm trong ắc quy được chế tạo từ khung lưới hợp kim chì - thiếc - canxi, và được phủ lớp bột chì nguyên chất Pb dạng xốp, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng điện hóa.

- Chất điện phân (electrolyte): là axit sulfuric H2SO4, đƣợc dùng nhƣ là môi trường cho các ion dẫn trong phản ứng điện hóa trong Accu

Các vách ngăn bằng nhựa có lưới thủy tinh hấp thụ AGM (Absorbed Glass Mat) có khả năng chịu oxy hóa và nhiệt độ cao, giúp ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch giữa các bản cực âm và dương Chúng còn giữ và duy trì chất điện phân, hỗ trợ cho các phản ứng hóa học diễn ra hiệu quả trong các bản cực.

Van thoát, hay còn gọi là lỗ thông hoặc van một chiều, thường được làm từ cao su neoprene Khi áp suất trong Accu vượt quá mức cho phép do nạp không đúng hoặc sự cố của bộ nạp, van sẽ mở ra để phóng thích áp suất dư, duy trì áp suất khí ổn định Trong quá trình hoạt động bình thường, van thoát sẽ bít lại, ngăn không cho không khí bên ngoài xâm nhập và tránh oxy phản ứng với các hoạt chất trên bản cực âm, từ đó ngăn chặn hiện tượng phóng điện bên trong.

Nguyên lý hoạt động và đặc tính của máy điện DC

2.4.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều bao gồm ba thành phần chính: phần tĩnh (stator) với cực từ, phần quay (rotor) với dây quấn và cổ góp cùng chổi điện Hình 2.15 minh họa mặt cắt dọc và cắt ngang của một động cơ điện một chiều điển hình.

Stator còn gọi là phần cảm gồm các phần sau:

Cực từ chính là thành phần tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt từ và cuộn dây kích từ quấn xung quanh Lõi sắt thường được chế tạo từ các lá thép hợp kim silic, thép cacbon hoặc thép nguyên khối và được gắn chặt vào vỏ máy bằng bu-lông Các cuộn kích từ được mắc nối tiếp, trong khi đối với động cơ điện một chiều nhỏ, cực từ chính thường sử dụng nam châm vĩnh cửu.

Mạch từ, hay còn gọi là gông từ, là thành phần nối liền các cực từ và tạo thành vỏ máy Trong các động cơ điện cỡ nhỏ và vừa, vật liệu thường được sử dụng cho mạch từ là thép tấm hoặc vỏ gang.

12 Dây quấn cực từ chính

15 Dây quấn cực từ phụ

Hình 2.15: Mặt cắt dọc và cắt ngang của động cơ điện một chiều điển hình

Chổi điện, hay còn gọi là chổi than, là thiết bị dùng để dẫn điện vào phần quay của động cơ, thường được chế tạo từ than graphit Chổi than được đặt trong một hộp có lò xo, giúp ép chổi than tiếp xúc với cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi và cách điện với giá để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.

Phần quay (rotor) của động cơ điện một chiều thường gọi là phần ứng gồm:

- Lõi thép phần ứng: lõi thép dẫn từ, làm bằng các tấm thép kỹ thuật điện phủ cách điện hai mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

Dây quấn phần ứng là loại dây đồng được bọc cách điện, có chức năng sinh ra sức điện động trong động cơ điện Đối với động cơ điện nhỏ, dây quấn thường có tiết diện tròn, trong khi động cơ điện lớn sử dụng dây có tiết diện chữ nhật.

Cổ góp là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, bao gồm các phiến góp bằng đồng được cách điện và sắp xếp theo hình trụ Nó được gắn ở đầu trục rotor, với các đầu dây của các phần tử dây quấn được hàn vào các phiến góp.

2.4.2 Phân loại và mô tả đặc tính động cơ điện một chiều

Phân loại theo cách kích thích từ, gồm có các loại sau:

Động cơ điện kích từ độc lập sử dụng dòng điện kích từ từ một nguồn điện riêng biệt, không liên quan đến phần ứng của máy Ngoài ra, động cơ này cũng có thể được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

- Động cơ điện kích từ song song: dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng (hình 2.16b)

- Động cơ điện kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng (hình 2.16c)

Động cơ điện kích từ hỗn hợp bao gồm hai loại dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, tạo ra hiệu suất hoạt động tối ưu.

2.4.2.2 Động cơ điện kích từ độc lập và kích từ song song

Động cơ kích từ độc lập có dòng kích từ và từ thông không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, với nguồn điện mạch kích từ UKT tách biệt khỏi nguồn điện phần ứng Uƣ Khi sử dụng nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện trở trong gần bằng 0, điện áp nguồn sẽ không đổi và không bị ảnh hưởng bởi dòng điện trong phần ứng Trong trường hợp này, động cơ kích từ song song cũng được xem như là động cơ kích từ độc lập.

Hình 2.16: Sơ đồ đấu dây động cơ điện [13]

Hình 2.17: Sơ đồ nối dây động cơ điện kích từ độc lập và song song

* Phương trình đặc tính cơ:

Phương trình cân bằng điện áp động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

U u là điện áp nguồn đặt vào phần ứng

R u là điện trở mạch phần ứng động cơ

R fu là điện trở phụ trong mạch phần ứng

I u là dòng điện mạch phần ứng

E là sức điện động phần ứng động cơ; E = KΦω

K là hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo động cơ; K = pN/ 2πa p là số đôi cực từ chính

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a là số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng

Do đó phương trình đặc tính cơ điện của động cơ là: u f u u Φ I K

Phương trình này biểu thị mối quan hệ giữa đại lượng cơ học ωvà đại lượng điện Iƣ của động cơ

Khi bỏ qua các tổn thất trong động cơ như tổn thất ma sát, tổn thất cơ và tổn thất thép, moment điện từ và moment cơ trên trục được coi là bằng nhau, tức là M = Mcơ Thay thế M bằng KΦ Iư, ta có được phương trình đặc tính cơ.

* Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện:

Khi không tính đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng, từ thông động cơ sẽ giữ nguyên, tức là Φ = const Dưới điều kiện này, các phương trình (2.3) và (2.4) trở nên tuyến tính, dẫn đến việc đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trở thành những đường thẳng, như thể hiện trong hình 2.18.

Khi M = 0 hoặc Iƣ = 0, nghĩa là khi động cơ hoàn toàn không tải, ta có: Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ ωo:

(2.5) Khi ω = 0, dòng điện ngắn mạch phần ứng I nm :

Và moment ngắn mạch M nm là: Φ M K

  (2.7) a) Đặc tính cơ; b) Đặc tính cơ điện

2.4.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp

* Động cơ điện kích từ nối tiếp:

Hình 2.18: Đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Sơ đồ đấu dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp trên hình 2.19, cuộn dây kích từ CK lắp nối tiếp với cuộn dây phần ứng

Tương tự, ta có phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ: Φ I K

Do quan hệ Φ = f(I kt ) phức tạp, nên nếu không tính đến phản ứng phần ứng, thường xem từ thông tỉ lệ với dòng điện động cơ theo biểu thức:

Hình 2.19: Sơ đồ đấu dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Hình 2.20: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ động cơ điện DC kích từ nối tiếp

Với c là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc hệ số góc đường đặc tính từ hóa và số vòng dây cuộn kích thích W kt

Do đó phương trình đặc tính cơ điện có dạng:

* Động cơ điện kích từ hỗn hợp:

Sơ đồ đấu dây động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp trên hình 2.21, với hai cuộn dây kích từ cùng tạo ra từ thông kích thích: Φ = Φs + Φn

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét từ thông do cuộn kích từ song song CKs tạo ra (Φs) và từ thông do cuộn kích từ nối tiếp CKn tạo ra (Φn) Đồ thị biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ được thể hiện trong hình 2.22.

Hình 2.21: Sơ đồ đấu dây động cơ điện kích từ hỗn hợp

2.4.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều khiển tốc độ linh hoạt và dễ dàng, vượt trội hơn so với các loại động cơ khác Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của nó đơn giản, đồng thời đảm bảo chất lượng điều chỉnh cao trong dải tốc độ rộng Các phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác.

- Điều khiển bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng Rƣ

- Điều khiển bằng từ thông kích thích Φ

- Điều khiển bằng điện áp phần ứng Uƣ

- Điều chế độ rộng xung để thay đổi cường độ dòng điện trung bình

Việc điều khiển thực chất là quá trình biến đổi các đặc tính cơ của động cơ, nhằm tạo ra những đặc tính nhân tạo để điều chỉnh cường độ dòng điện cung cấp cho động cơ.

2.4.3.1 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện trở phụ mạch phần ứng

Sử dụng một điện trở phụ có ba cấp (ba đoạn) Rf1, Rf1, Rf1 và các tiếp điểm

K1, K2, K3 song song với các đoạn điện trở, xem hình 2.23

Hình 2.22: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ động cơ điện kích từ hỗn hợp

Khi thêm điện trở Rfƣ vào mạch, tốc độ làm việc sẽ giảm xuống dưới mức định mức (ωlv < ω đm) Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ làm việc ωlv tương ứng với moment phụ tải Mc, cần xác định giá trị điện trở phụ Rfƣ cần lắp vào mạch.

Thay ω=ω lv và M = M c vào phương trình đặc trưng ta có: u đm ut 0 u đm ut đm đm I Φ K ω R Φ I K

- β r : độ cứng đặc tính cơ nhân tạo

- R ư , R fư : điện trở phần ứng và điện trở phụ đƣa vào mạch phần ứng

- R ưt = R ư + R fƣ : điện trở tổng của mạch phần ứng

R U u c lv đm đm đm fu    (2.14)

Linh kiện điện tử

- Tính năng: chuyển đổi từ tần số sang điện áp

- Tính năng: là IC có 4 Opamp

- Tính năng: Điều chế độ rộng xung

- Giản đồ thời gian tạo PWM:

2.5.4 Cảm biến tiệm cận Fotek PM12-02P-S: Đặc tính kỹ thuật:

- Cảm biến tiệm cận điện cảm

- Khoảng cách phát hiện: 2.0mm

- Bảo vệ ngắn mạch, phân cực ngƣợc

- Tần số đáp ứng: 2.5KHZ

- Đặc tính: là IC liên kết quang dùng để thúc FET và IGBT tốc độ cao

- Thời gian đáp ứng: 0,5uS

- Đặc tính kỹ thuật: là IC liên kết quang ngõ ra NPN Dòng ra 5mA