Cấu trúc của động cơ xe đạp điện

1/ Cấu trúc cơ học

Do xu thế hiện nay động cơ xe đạp điện, xe máy điện đã được sử dụng hoàn toàn bằng động cơ không chổi than. Chính vì vậy nội dung chương này chỉ tập chung vào động cơ không chổi than.

1. Cấu trúc cơ học của động cơ không chổi than tốc độ cao

Động cơ không chổi than tốc độ cao tích hợp bộ giảm tốc bánh răng hành tinh, bộ ly hợp, bộ phận cảm biến Hall, nắp đầu và vỏ động cơ. Cấu trúc cơ học của động cơ không chổi than tốc độ cao được thể hiện như Hình 3-1.

2. Cấu trúc cơ học của động cơ không chổi than tốc độ thấp

Động cơ không chổi than tốc độ thấp bao gồm nam châm rôto, cuộn dây Stator, trục động cơ, nắp động cơ, vòng bi và ba cảm biến Hall. Cấu trúc cơ học của động cơ không chổi than tốc độ thấp được thể hiện trong Hình 3-2.

3. Cảm biến Hall trong động cơ không chổi than

Bên trong mỗi động cơ xe đạp điện, xe máy điện được gắn 3 cảm biến Hall ở 3 vị trí khác nhau trên Stator. Tín hiệu đầu ra của mỗi cảm biến Hall được kết nối với hệ thống mạch cung cấp năng lượng cho cuộn dây Stator tương ứng (bo điều khiển). Khi Roto quay thì từ trường của nam châm vĩnh cửu làm cho thiết bị Hall được cung cấp năng lượng tạo điện áp đầu ra gửi về bo điều khiển. Bo điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu, phân tích và cung cấp năng lượng cho cuộn dây Stator tương ứng và tạo ra từ trường có cùng cực với từ trường của Roto. Khi Roto tiếp tục quay đến vị trí tiếp theo thiết bị Hall ở vị trí phía trước dừng hoạt động. Thiết bị Hall ở vị trí tiếp theo được bật, tạo năng lượng cho cuộn dây tiếp theo và tạo ra từ trường để tiếp tục quay Roto. Và cứ duy trì lặp lại như thế đảm bảo trạng thái làm việc của động cơ sẽ được làm việc liên tục.

Ở đây, cảm biến hall có chức năng như một cảm biến vị trí nhằm phát hiện vị trí của của cực từ nam châm điện. Đầu ra của nó đóng vai trò cho mạch cấp nguồn cuộn dây Stator được bật và tắt, và hoạt động như một công tắc điện.

2/ Nguyên lý làm việc của động cơ không chổi than

Stator của động cơ không chổi than là một cuộn dây được cố định và không quay, rotor là một nam châm vĩnh cửu và sau khi nam châm đi qua cảm biến vị trí rotor, thiết bị Hall tạo ra một xung. Bo điều khiển thay đổi hướng của dòng điện cuộn dây trong động cơ dựa trên tín hiệu được cung cấp bởi cảm biến vị trí rotor. Nam châm vĩnh cửu của rotor đóng vai trò là phần tử bật tắt cảm biến Hall đê gửi tín hiệu về bo điều khiển. Bo điều khiển nhận tín hiệu từ Hall và cung cấp năng lượng cho ưu điểm của động cơ DC truyền thống, đồng thời giải quyết được các nhược điểm và cuộn dây tương ứng. Hiệu suất của động cơ DC không chổi than vượt qua tất các các hao mòn chổi than của động cơ DC. Đây là động cơ lý tưởng nhất.

Hình 3-3 cho thấy nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ không chổi than DC. Trong hình W1, W2 và W3 là cuộn dây phần ứng của Stator động cơ. N và S là nam châm Rôto. V1, V2 và V3 là bóng bán dẫn được sử dụng làm công tắc điện tử để hoạt động chuyển mạch điện tử. H1, H2 và H3 là 3 cảm biến Hall hoạt động như một cảm biến vị trí. Nguyên lý quay của rôto như sau: Khi H1 phát hiện cực N của rôto, V1 được bật lúc này dòng điện chạy qua V1, W1: W1 tạo thành cực từ S, thu hút cực N của rôto và rôto quay theo hướng mũi tên được hiển thị. Sau đó H2 phát hiện cực S của rôto, V2 dẫn điện dòng điện chạy qua V2, W2: W2 tạo thành cực từ S, thu hút cực N của rôto và rôto tiếp tục quay theo hướng mũi tên hiển thị, lặp lại quá trình trên thì roto sẽ duy trì quay liên tục.

Các cuộn dây Sator chủ yếu là kết nối sao đối xứng ba pha, rất giống với động cơ không đồng bộ ba pha, và nam châm bị từ hóa và gắn cứng trên Rotor, để xác định được cực tính của Rotor cảm biến vị trí được gắn trong động cơ (cảm biến hall).

Số nam châm được sử dụng trong động cơ không chổi than cho xe đạp điện tương đối lớn, nhìn chung có ba cuộn dây và mỗi cuộn có một phần tử hall tưng ứng. Chính vì vậy dây tín hiệu Hall tương ứng thường cùng màu với dây pha động cơ (cuộn dây động cơ). Phần tử hall thường được gắn ở đầu Stator và gần với nam châm của Rotor để động cơ quay trơn tru và hiệu quả hơn.

3/ Truyền dẫn động cơ chạy thuận và ngược lại

1. Động cơ chổi than chạy tiến và lùi

Động cơ chổi than có hai dây tương ứng với dương và âm: đường màu đỏ đóng vai trò là cực dương của động cơ, đường màu đen là cực âm của động cơ (có thể là màu xanh dương tùy từng loại động cơ). Bo điều khiển được kết nối với 2 đầu dẫn của động cơ cho phép động cơ chạy thuận. Nếu cực dương và cực âm được tráo đổi, tức là đường màu đỏ đóng vai trò là cực âm còn đường màu đen đóng vai trò là cực dương thì động cơ sẽ chạy ngược lại mà không hỏng động cơ. Động cơ chổi than được thể hiện như Hình 3-4.

2. Động cơ không chổi than chạy tiến và lùi

Động cơ không chổi than có tổng cộng 8 dây dẫn, trong đó 3 dây to (màu xanh dương, xanh lá và vàng) là các pha động cơ (tức là cuộn dây dẫn). Các yếu tố Hall của động cơ không chổi than có 5 dây trong đó hai dây đỏ và đen là dương chung và âm chung cho 3 cảm biến Hall bên trong động cơ còn lại 3 dây tương ứng với 3 đầu ra. Một đầu ra Hall A màu xanh dương, một đầu ra Hall B màu xanh lá và đầu ra Hall C màu vàng được thể hiện như Hình 3-5.

Động cơ không chổi than có 3 cuộn dây dẫn và 5 dây cảm biến Hall. Chính vì vậy 8 dây này phải đấu tương ứng với 8 dây của bo điều khiển. Nếu không, có thể động cơ sẽ không chạy hoặc chạy không bình thường.

Góc pha động cơ không chổi than

Trị số góc vị trí pha thường gặp trong động cơ không chổi than của xe đạp điện gồm hai loại là 60° và 120°. Có thể xác định góc pha bằng hai phương pháp: Quan sát không gian lắp đặt các phần tử Hall để xác định góc pha của động cơ không chổi than là 60° hay 120. Không gian lắp đặt của hai phần tử góc pha Hall có sự khác nhau. Sự sắp xếp của ba yếu tố Hall của động cơ là như nhau giữa góc pha 60° hay 120° nhưng yếu tố Hall ở giữa động cơ bị đảo ngược 180° như trong Hình 3-6.

Như vậy để động cơ hoạt động tốt và ổn định cần phải có bo điều khiển tương ứng. Nếu động cơ có góc pha 60° điện yêu cầu phải sử dụng bo điều khiển góc pha tương tự cũng với động cơ có góc pha 120° cũng cần phải đi kèm với bo điều khiển 120°. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu bo điều khiển không chổi than 60° được sử dụng trên động cơ không chổi than 120° hoặc bo điều khiển không chổi than 120 được sử dụng trên động cơ không chổi than 60°. Nếu xảy ra trường hợp như vậy động cơ sẽ rơi vào hiện tượng mất pha và động cơ sẽ không hoạt động bình thường gây ra những hiện tượng như động cơ quay giật giật, gầm, …rồi tắt. Tuy nhiên, hiện ay với công nghệ hiện đại đã cho ra những

bo điều khiển đa năng thông minh có thể tự động nhận dạng động cơ góc 60° hay động cơ góc 120°, để có thể tương thích với cả hai loại động cơ. Nhằm mục đích bảo trì thay thế thuận tiện hơn.

Bo điều khiển không chổi than và dây động cơ không chổi than, ngoại trừ đường dây điện dương và âm cấp cho Hall là không thể đảo vị trí được. Còn lại 3 dây pha và 3 dây đầu ra Hall A, Hall B, Hall C có thể đảo được vị trí. 3 dây pha có thể đảo ngược cho nhau đồng thời 3 dây cảm biển Hall A, Hall B, Hall C cũng có thể đảo ngược cho nhau. Với 3 dây pha tổng có 6 cách đảo và 3 dây cảm biến cũng có 6 cách đảo. Do đó tổng cộng có 36 kiểu đấu nối động cơ với bo điều khiển.

Đối với động cơ không chổi than góc pha 120° kết hợp với bo điều khiển góc pha 120° thì trong 36 kiểu đấu nối sẽ có 2 trường hợp đấu nối đúng: một động cơ quay tiến hai động cơ quay lùi còn những trường hợp khác là không bình thường (động cơ không chạy hoặc có hiện tượng khác lạ như giật giật, gầm, nóng dây pha động cơ…).

Riêng đối với động cơ góc pha 60° kết hợp với bo điều khiển góc pha 60 thì trong 36 kiểu đấu nối sẽ có 6 trường hợp đấu nối đúng: 3 kết nối làm cho động cơ chạy thuận và 3 kết nối làm động cơ chạy ngược lại, còn lại các kết nối khác động cơ sẽ chạy không bình thường (động cơ không chạy hoặc có hiện tượng khác lạ như giật giật, gầm, nóng dây pha động cơ…). Cách đảo dây được thể hiện như bảng 3-1. (Trên bảng chỉ là một trong những cách đảo vị trí dây).

Bảng 3-1: Thực hiện đảo chiều động cơ không chổi than

Nhưng hiện nay trên thị trường đã có bo điều khiển đa năng thông minh (bo đa năng) có thể tự động nhận biết góc pha động cơ. Đồng thời nó có thể tự chuyển đổi góc pha 60 và 120° rất tiện cho quá trình sử dụng và bảo trì. Tuy nhiên bo điều khiển đa năng thông minh này vẫn còn hạn chế nhược điểm khi khởi động vẫn bị giật, gằn hoặc có tiếng kêu ở động cơ cho tới khi động cơ chạy có quán tính mới hết. Trong tương lai gần chắc chắn nhược điểm này sẽ được khắc phục.