Các loại động cơ điện sử dụng trong hệ thống trợ lực lái điện tử

Bộ trợ lực của các hệ thống lái điện tử đều sử dụng động cơ điện. Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện, được cung cấp bởi hệ thống dây điện trên bo mạch, thành năng lượng cơ học theo yêu cầu của hệ thống lái. Động cơ điện được loại chọn phù hợp với yêu cầu tính toán thiết kế của từng loại cơ cấu trợ lực. Động cơ điện được điều khiển tạo cảm giác lái khi đánh lái.

Động cơ điện được phân loại theo loại chuyển động là động cơ quay và động cơ tịnh tiến (hoặc động cơ tuyến tính). Động cơ chuyển động quay được sử dụng cho các ứng dụng trên hệ thống lái EPS, vì yêu câu hoạt động dễ dàng, công suất cao và không phức tạp điều khiển. Chúng bao gồm một stator đứng yên và một rotor quay, đồng tâm với stator. Tùy thuộc vào cách bố trí stator và rotor, chúng được phân loại thêm thành động cơ có rotor bên trong và bên ngoài. Phân loại theo nguồn cấp điện phân biệt động cơ DC, AC, 3 pha và động cơ bước. Động cơ điện xoay chiều ba pha, hoặc động cơ nhiều pha, có thể được phân biệt bằng đáp ứng vòng quay của rotor với từ trường của stator như động cơ không đồng bộ và đồng bộ.

Các loại động cơ DC có chổi than với nam châm vĩnh cửu ban đầu được sử dụng trong các hệ thống EPS đầu tiên. Do động cơ DC điều khiển rất dễ dàng phù hợp với hệ thống điện một chiều của ô tô. Nhu cầu điện năng ngày càng tăng của các lớp xe cỡ trung và cỡ lớn cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi xử lý và biến tần, động cơ AC 3pha và động cơ điện một chiều không chổi than được sử dụng trên hệ thống lái EPS.

Bộ trợ lực phải đảm bảo yêu cầu của hệ thống lái, ô tô vận hành không theo chế độ định danh ổn định. Khi xe quay vòng bộ trợ lực lái phải hoạt động ổn định tránh lật. Khi xe di chuyển vào vị trí đỗ hệ bộ trợ lực lái hoạt động với mô men xoắn lớn nhất. Lực lái thấp hơn nhiều khi lái xe, nhưng khi đó, tốc độ lái cao hơn.

Động cơ điện dùng cho hệ thống lái EPS có thể được chia 2 vùng hoạt động cơ bản. Vùng tốc độ với mô-men xoắn không đổi và vùng tốc độ thay đổi và công suất không đổi.

Hình 1. Phân loại động cơ điện theo yêu cầu các dòng xe

So sánh đường đặc tính giữa mô men động cơ và tốc độ ta thấy động cơ 3 pha có ưu điểm vượt trội để sử dụng trong EPS, do phạm vi tốc độ rộng hơn của chúng, đạt được bằng cách làm suy yếu từ trường. Từ trường suy yếu cho phép động cơ hoạt động trên tốc độ định danh định mà không cần phải khuếch đại điện áp đầu vào hoặc tăng công suất đầu vào của biến tần. Mô men xoắn động cơ giảm ở tốc độ cao phù hợp với chế độ đánh lái khi ô tô di chuyển ở tốc độ cao.

Động cơ DC được kích từ bên ngoài, cũng cho phép suy yếu từ trường nhưng không được sử dụng cho hệ thống EPS, vì cấu tạo phức tạp hơn và công suất đầu ra vẫn còn hạn chế.

Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với động cơ điện dùng cho hệ thống EPS được liệt kê như sau:

• Công suất đầu ra cao nhất từ 150 đến 1.000 W như một số chức năng của loại xe để bao gồm công suất cao nhất trong quá trình đỗ xe và đánh lái ở tốc độ cao

• Công suất đầu ra cao nhất chỉ được cung cấp trong thời gian ngắn, bởi vì trung bình, lực lái thấp và ít khi xảy ra liên lục , vì vậy công suất đầu ra yêu cầu trong thời gian dài là khá thấp.

• Phạm vi hoạt động rộng (đường đặc tính mô men theo số vòng quay M/n) với công suất đầu ra ổn định để cung cấp lực đánh lái cao khi đỗ xe và tốc độ đánh lái cao để di chuyển và chuyển hướng đột ngột.

• Mô-men xoắn rất cao trong chế độ vận hành và mô-men xoắn thấp để đạt được lực trợ lực lái đồng đều liên tục.

• Động cơ hoạt động ổn định cho việc điều khiển lái, thời gian phản hồi và quán tính của động cơ điện thấp.

• Khi sử dụng động cơ DC PME: Các kết nối cuộn dây đặc biệt để ngăn mômen hãm phanh do đoản mạch trong cuộn dây động cơ.

• Cấu tạo vững chắc cho toàn bộ thời gian sử dụng, vì hệ thống lái được thiết kế như một hệ thống không cần bảo dưỡng trong suốt thời gian sử dụng.

• Nhiễu EMC thấp để duy trì dịch vụ đáng tin cậy của tất cả các hệ thống xe điện, động cơ điện DC hạn chế do chổi phát ra tia lửa điện.

• Nhiệt độ môi trường cao, từ +85 đến +125 ˚C, tùy theo nơi lắp đặt.

• Độ bền cơ học cao liên quan đến gia tốc và rung động.

Hình 2. Đường đặc tính động cơ theo yêu cầu hệ thống lái EPS

2. Động cơ điện DC

Stator của động cơ điện DC dùng để tạo ra từ trường tĩnh. Từ trường này có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc bởi nam châm điện sử dụng một cuộn dây từ trường. Rotor bao gồm một lõi thép kỹ thuật có các rãnh đặt cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều. Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Hình 3. Cấu tạo động cơ DC

Động cơ điện DC có một số hạn chế về việc tạo từ trường yếu, vì vậy động cơ DC PME được sử dụng phổ biến để đạt được số vòng quay cao hơn. Mô-men xoắn của động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện cấp nguồn, nên việc điều khiển dễ dàng hơn. Việc làm mát của các cuộn dây rotor rất khó và quán tính cao của rotor hạn chế nên động cơ điện Dc chỉ được sử dụng đối với các hệ thống lái công suất thấp. Mật độ công suất của động cơ điện một chiều thấp hơn động cơ điện xoay chiều vì tổn hao và không gian bố trí cổ góp. Việc phát sinh tia lửa điện do chổi than và bảo dưỡng động cơ đòi hỏi yêu cầu cao. Một số loại động cơ điện DC sử dụng nam châm vĩnh cửu từ Ferit cứng rẻ tiền. Chúng không đạt được mật độ năng lượng từ trường như nam châm đất hiếm như samarium-coban (SmCo) hoặc neodymium-iron-boron (NdFeB). Các nam châm được dán hoặc kẹp vào vỏ động cơ là phần stator của động cơ. Rotor bao gồm các tấm kim loại được xếp chồng lên nhau và được cách ly về điện để giảm tổn thất sắt do dòng điện xoáy và khử từ. Để đạt được độ gợn mô-men xoắn thấp và mô-men xoắn nhỏ, cuộn dây được bố trí đến càng nhiều rãnh của lõi rotor càng tốt và được kết nối với nhiều thanh cổ góp tương ứng. Hệ thống cổ góp gồm chổi than với dây dẫn chổi than carbon được hỗ trợ bằng lò xo. Động cơ DC điển hình cho hệ thống EPS là động cơ 4 cực với hai hoặc 4 dây dẫn chổi than và 22 thanh cổ góp.

3. Động cơ không đồng

Động cơ không đồng bộ (ASM) là động cơ xoay chiều 3 pha, có cấu tạo đơn giản, an toàn vận hành cao và khả năng chịu lực cao. Điều này đạt được là do rotor là rotor lồng sóc, không chứa các bộ phận bổ sung như cuộn dây hoặc nam châm.

Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn được bố trí song song với trục trong một tấm kim loại. Chúng được nối ngắn mạch ở phía trước bởi các vòng (lồng sóc).

Stator thường được trang bị cuộn dây ba pha tạo ra từ trường quay. Trường quay tạo ra dòng điện trong lồng sóc của rotor, tuân theo định luật Lenz, tác động ngược trở lại stator và do đó tạo ra mômen xoắn trên trục rotor. Do cuộn dậy stator được bố trí trên một vỏ đúc đặc có những khe hở giải nhiệt cho mô tô. Cuộn dây ba pha được làm bằng dây đồng rắn chắc cho kết cấu động cơ rất chắc chắn, phân bố trên chu vi của động cơ. Rotor cũng chứa một lõi, để giảm tổn thất dòng điện xoáy.

Nhôm đúc trong các rãnh của nó tạo nên lồng sóc. Khe hở không khí giữa stator và rotor phải được giữ rất nhỏ để đạt giảm dòng điện từ hóa, do đó, cao hiệu suất động cơ.

Động cơ không đồng bộ có rotor lồng sóc nên không phát điện như động cơ điện DC . Do đó, không cần phải có biện pháp an toàn bổ sung nào để ngắt nguồn điện trong hệ thống EPS. Động cơ điện không động bộ 3 pha có dao động mô-men xoắn thấp và hoạt động không phát sinh tiến ồn cao so với động cơ điện một chiều dao động cơ học. Động cơ điện không đồng bộ có công suất cao hơn và ngược lại với động cơ điện một chiều có nam châm vĩnh cửu, động cơ không đồng bộ có thể được hoạt động với trường suy yếu.

Hình 4. Cấu tạo động cơ không động bộ 3 pha

4. Động cơ đồng bộ

Cũng giống như động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ thuộc nhóm động cơ xoay chiều 3 pha, hoạt động với cuộn dây 3 pha được cấp nguồn bằng dòng điện. Rotor bao gồm một tấm kim loại điện phân tầng và dùng để tạo ra từ trường độc lập với công suất của stator.

Ngoài ra, động cơ điện một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu là một dạng của động cơ đồng bộ (Động cơ đồng bộ PME / PMSM). Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia thành 2 loại: Động cơ (sóng) hình sin và động cơ (sóng) hình thang. Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài cảm biến để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.

Động cơ BLDC được sử dụng như một động cơ tự điều khiển cho bộ truyền động nhanh trong ngành công nghiệp ô tô. Hiện nay, các động cơ BLDC được sử dụng nhiều trên các hệ thống lái EPS.

Hình 5. Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than

Để tránh được tiêu hao công suất và nhiễu mômen do dòng điện tròn trong cuộn dây động cơ bằng cách dấu cuộn động cơ đồng bộ theo kiểu đấu nối sao.

Các cuộn dây được phân bố thành các rãnh stator khác nhau. Động cơ 6, 8 và 10 cực có từ 9 đến 12 rãnh stator thường dùng trên hệ thống lái EPS.

Hình 6. Số cực rotor và số cuộn dây trên stator

Nam châm đất hiếm năng lượng cao neodymium-iron-boron (NeFeB) được sử dụng làm vật liệu tạo từ trường cho rotor. Nam châm được gắn rất chắc chắn như dạng nam châm khối, hoặc trong các khối riêng lẻ của lõi bảo vệ bởi lớp vỏ hoặc trên bề mặt của lõi rotor dưới dạng nam châm vòng hoặc phân đoạn. Động cơ sử dụng nam châm bề mặt có thêm một lớp bảo vệ bên ngoài rotor để ngăn chặn sự giòn nam châm.

Hình 7. Vị trí nam châm trong rotor động cơ điện một chiều không chổi than

Động cơ điện một chiều không chổi than điều khiển từ trường cuộn dây stator cho phép điều khiển chính xác tốc độ và số vòng quay. Ngoài ra, động cơ có thể hoạt động ở chế độ suy yếu trường nếu nam châm đủ mạnh, do đó động cơ hoạt động trên mức tốc độ định danh. Công suất đầu ra ổn định, phù hợp cho hệ thống lái trên dải tốc độ rất rộng.

So với động cơ không đồng bộ, PMSM có dải hoạt đông công suất cao hơn và hiệu suất tốt hơn. Động cơ đồng bộ có mômen quán tính rotor thấp hơn động cơ điện một chiều và động cơ không đồng bộ. Một đường vát trên rotor hoặc stato giúp giảm mô-men xoắn để phù hợp với yêu cầu hệ thống lái EPS.