Có bao nhiêu phương pháp thiết kế động cơ điện?

Bất kỳ người mê xe nào cũng có thể thuyết trình về những đặc tính của khối động cơ mà họ yêu thích. Từ mức momen khổng lồ trên những khối tăng áp của thập niên 80, tới những cỗ máy hút khí tự nhiên với vòng tua cao của Honda, hay mức momen lớn từ dải tua máy thấp trên những khối V8 đến từ thành phố công nghiệp Detroit. Mỗi dòng động cơ đốt trong lại có một đặc trưng riêng trong cách sản sinh công suất.

Sự đa dạng này khiến thế giới xe hơi trở nên thú vị. Vậy nên không khó hiểu khi nhiều người cho rằng xe điện sẽ đánh mất sự phong phú đó khi động cơ điện chỉ còn một loại mà thôi.

Trên thực tế, động cơ điện – giống như nhiều chi tiết khác trên xe – không chỉ có một loại, và cách cấu tạo có ảnh hưởng không nhỏ tới đặc tính truyền tải công suất và momen.

Sự yêu thích dành cho nam châm vĩnh cửu hay động cơ từ thông hướng trục chưa thể nồng nhiệt như những bộ tăng áp hay những cỗ máy V8. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn có thể thay đổi khi công nghệ tiếp tục phát triển, cùng với đó là sự xuất hiện của những động cơ điện nhẹ hơn, mạnh mẽ hơn và đem tới nhiều cảm xúc hơn khi cầm lái.

1. Đôi nét về lịch sử

Để hiểu cách động cơ điện có thể phân hóa ra sao, chúng ta cần hiểu về nguyên lý hoạt động cơ bản của chi tiết này. Mục đích chính của động cơ điện là chuyển hóa điện năng thành cơ năng, và có nhiều cách để đạt mục tiêu đó.

Hầu hết động cơ điện sử dụng hai thành phần chính: stator và rotor, trong đó stator là một nam châm đứng yên, rotor là hệ thống quay bị hút và đẩy bởi trường của stator. Bằng cách biến thiên từ trường trong động cơ (thông qua việc thay đổi cực tính của rotor hoặc stator), rotor sẽ xuất hiện chuyển động quay và đó là cách mà động cơ điện giúp các phương tiện – bao gồm xe hơi – di chuyển.

Tuy nhiên, trên thực tế, có nhiều cách để từ hóa các chi tiết và tạo ra chuyển động quay cho rotor.

Những chiếc xe điện đầu tiên không phải Tesla Roadster hay Nissan Leaf, mà là những cỗ xe kéo từ đầu thế kỷ XX. Chúng sử dụng loại động cơ điện đơn giản nhất, đó là động cơ điện một chiều có chổi than.

Những động cơ này sở hữu cuộn dây gắn trực tiếp trên rotor và nam châm trên stator. Chuyển động quay của rotor đến từ việc thay đổi chiều của dòng điện qua cuộn dây trên đó và thay đổi điện từ trường để liên tục đối lập với nam châm trên stator.

Quá trình đổi chiều dòng điện được thực hiện bởi chổi than trên rotor (ban đầu, chổi được làm từ một bó dây tạo nên hình dạng như một cây chổi quét, nhưng trong các thiết bị hiện đại, chúng được tạo ra từ các tấm carbon graphite cứng).

Chổi than tiếp xúc với chuyển mạch trên stator, sau đó chuyển mạch đảo chiều dòng điện đi tới cuộn dây rotor, thay đổi điện từ trường và gây ra chuyển động quay của rotor. Động cơ điện chổi than sử dụng dòng một chiều, cũng là cách năng lượng được truyền từ gói pin của xe.

Theo Parvalux, hãng sản xuất chế tạo những động cơ điện sử dụng chổi than, lợi thế của cách sắp xếp này là momen lớn ngay từ thời điểm ban đầu và chi phí thấp hơn đáng kể so với những loại động cơ điện khác nhờ sự đơn giản trong thiết kế.

Nhưng một nhược điểm lớn của nó là sự tiếp xúc vật lý giữa chổi than và cạnh bên ngoài của động cơ sẽ tạo ra ma sát dẫn tới giảm hiệu suất. Thêm vào đó, ma sát này còn làm mòn chổi than và cần phải thay đổi sau một khoảng thời gian sử dụng. Nhiệt lượng tạo ra từ sự tiếp xúc đó cũng khiến tốc độ tối đa loại động cơ này có thể hoạt động ổn định bị giới hạn.

Vì những lý do đó, động cơ sử dụng chổi than không được ưa chuộng trong ngành công nghiệp xe hơi suốt nhiều thập kỷ, cho tới khi BMW cho ra mắt hệ dẫn động eDrive phiên bản mới nhất. Thiết kế của động cơ này có phần phức tạp hơn so với động cơ một chiều sử dụng chổi than kiểu truyền thống.

Trong đó, điểm khác biệt đầu tiên là việc động cơ này sử dụng dòng xoay chiều, cho phép tạo ra công suất lớn hơn đáng kể so với động cơ điện một chiều các thế hệ trước. Tiếp đến là hiệu suất tuyệt vời, có thể thấy từ việc BMW khẳng định hệ dẫn động điện thứ hệ thứ năm sở hữu tỷ lệ công suất trên trọng lượng “cải thiện khoảng 30% so với thế hệ trước đó”. Đồng thời loại bỏ các kim loại đất hiếm đang ngày càng đắt đỏ và hạn chế về nguồn cung.

Trước đó, hãng cũng chia sẻ rằng phần vỏ được thiết kế đặc biệt nhằm giảm lượng bụi sinh ra từ chổi than, qua đó cải thiện tuổi thọ của hệ dẫn động. Ngoài ra, công suất lớn không phải vấn đề đối với loại động cơ này, chẳng hạn như trên mẫu iX M60, hai động cơ điện sản sinh tới 610hp và 1.100Nm.

2. “Sảnh danh vọng” trong thế giới xe điện

Những loại động cơ điện khác đều không sử dụng chổi than. Thay vì trang bị chuyển mạch để đổi chiều dòng điện, quá trình thay đổi từ trường giờ đây diễn ra mà không sử dụng bất kỳ sự tiếp xúc vật lý nào. Điều này có thể thực hiện thông qua việc thay đổi từ tính của stator hoặc rotor tùy theo thiết kế.

Dù cho một số mẫu xe hybrid thế hệ trước trang bị động cơ điện một chiều không chổi than, hay việc thay đổi chiều dòng điện được thực hiện bằng điện tử thay vì chuyển mạch, hầu hết xe điện hiện đại sử dụng thiết kế động cơ điện xoay chiều không chổi than.

Hiện nay, một số thiết kế khác nhau của động cơ điện xoay chiều xuất hiện trên thị trường, nhưng hai loại phổ biến nhất có thể kể tới là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PSM) và động cơ không đồng bộ.

Động cơ điện không đồng bộ vận hành bằng cách quay từ trường của stator với nguồn điện xoay chiều. Trong loại động cơ này, cả stator và rotor được cấu tạo từ các cuộn dây.

Nguồn điện xoay chiều được cấp cho stator, tạo ra một từ trường quay liên tục. Chính từ trường này tạo ra dòng điện cho rotor. Dòng điện trong rotor cũng có từ trường riêng ngược chiều với stator, từ đó tạo ra chuyển động quay. Sự biến đổi từ trường của stator luôn phải nhanh hơn tốc độ quay của rotor (nguồn gốc của tên gọi không đồng bộ), và từ đó chuyển động quay diễn ra liên tục cho tới khi nguồn điện ngắt.

Ưu điểm của loại động cơ này là thiết kế của nó đã được chứng minh độ hiệu quả. Sau khi Nikola Tesla hình dung ra cỗ máy này vào năm 1888, loại động cơ này nhanh chóng được sử dụng.

Hầu hết các động cơ điện xoay chiều trong công nghiệp từ cuối thập niên 1800 cho tới đầu thế kỷ XXI đều là loại cảm ứng từ không đồng bộ. Và nhờ nguyên lý hoạt động đơn giản sử dụng dòng điện để tạo ra từ trường, các động cơ này dễ sản xuất và tạo ra năng lượng đủ lớn để sử dụng cho xe hơi.

Nhược điểm của loại động cơ này, theo Wally Rippel, Kỹ sư trưởng về Điện tử Công suất của Tesla đã giải thích vào năm 2007, là “các động cơ cảm ứng từ khó điều khiển hơn so với hệ thống sử dụng dòng điện một chiều không chổi than”. Bên cạnh đó là hiệu suất tối đa thấp hơn hầu hết các loại động cơ cạnh tranh.

Nhìn chung, chúng cũng lớn và nặng do các cuộn dây cồng kềnh cần thiết cho cả stator và rotor. Do đó, động cơ cảm ứng ngày nay ít được sử dụng hơn, ứng dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực ô tô là các dòng xe Tesla, từ chiếc Roadster nguyên bản đến trục trước của mẫu Tesla Model Y dẫn động bốn bánh thế hệ mới.

3. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu đối với rotor. Dòng điện cũng như từ trường quay trong cỗ máy này chỉ được cung cấp cho stator. Trong hệ thống này, từ trường biến đổi và rotor quay với tốc độ tương ứng, đó cũng chính là nguồn gốc của tên gọi “đồng bộ”.

Dù xét về mặt kỹ thuật, loại động cơ này khó thực hiện hơn so với động cơ cảm ứng từ - chúng không có khả năng tự khởi động và cũng không thể ngắt hoàn toàn điện từ trường. Từ đó dẫn tới ma sát lăn khi ở trạng thái tắt – nhưng lại nhỏ, gọn và nhẹ hơn, đồng thời đem tới mức momen lớn hơn đáng kể.

Những lợi thế này thực sự lớn, vì vậy các mẫu xe điện trong những năm gần đây đều đã trang bị động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bao gồm cả Tesla, vốn chỉ sử dụng động cơ cảm ứng từ vào cuối thập kỉ trước.

Vấn đề lớn nhất mà các hãng xe phải đối mặt về động cơ điện nam châm vĩnh cửu là quá trình chế tạo nam châm này, bởi cần có lượng lớn kim loại đất hiếm. Việc khai thác những nguyên liệu này ngày càng trở nên đắt đỏ và nguồn cung chủ yếu trên thế giới đến từ Trung Quốc. Quá trình tiếp cận của các doanh nghiệp phương Tây vì thế mà càng gặp nhiều khó khăn.

4. Công nghệ từ thông hướng trục (nhỏ hơn, tốt hơn, nhanh mạnh hơn)

Trong khi BMW đã hoàn toàn loại bỏ các thành phần kim loại đất hiếm thông qua việc sử dụng động cơ điện xoay chiều sử dụng chổi than, các nhà sản xuất khác tìm cách hạn chế tối đa việc sử dụng các kim loại này mà không ảnh hưởng tới công suất đầu ra.

Vì vậy, bước phát triển tiếp theo trong công nghệ động cơ điện nhiều khả năng sẽ là sự chuyển dịch từ công nghệ từ thông hướng tâm – áp dụng trên các loại động cơ trong bài viết – sang công nghệ từ thông hướng trục.

Nói một cách đơn giản, từ thông chính là từ trường. Từ thông hướng tâm được hiểu là khi từ trường di chuyển và tác dụng theo phương hướng tâm (hiệu quả khi muốn quay rotor bên trong vỏ stator). Động cơ điện từ thông hướng trục đặt dây dẫn theo phương hướng tâm, vì vậy từ trường di chuyển dọc theo trục của rotor.

Rotor trong hệ thống này không còn nằm trong stator, thay vào đó là hai đĩa đặt song song. Động cơ từ thông hướng trục đã tồn tại dưới dạng concept từ 200 năm nay, nhưng từ trường đủ mạnh của nam châm để vận hành ở quy mô công nghiệp chỉ mới xuất hiện gần đây.

Công nghệ nam châm bùng nổ mạnh mẽ cùng quá trình phát triển xe điện, và giờ đây động cơ từ thông hướng trục đã trở thành hiện thực dù chưa quá phổ biến. Động cơ Quark trang bị trên dòng Koenigsegg Gemera là loại hybrid giữa từ thông hướng tâm và hướng trục, đem tới mật độ năng lượng cao hàng đầu thế giới xe điện hiện nay.

Nhà sản xuất động cơ điện YASA (đã được Mercedes-Benz mua lại) tuyên bố rằng động cơ của họ “sản sinh lượng momen lớn gấp 4 lần và mật độ năng lượng cao gấp đôi” so với động cơ từ thông hướng tâm dù chỉ nặng bằng một nửa.

Dòng động cơ YASA này đủ tốt để giúp Rhys Millen cùng chiếc Drive eO PP03 trở thành người chiến thắng đầu tiên sử dụng mẫu xe thuần điện tại giải đua Pikes Peak vào năm 2015. Dù động cơ từ thông hướng trục vẫn yêu cầu nam châm vĩnh cửu đủ mạnh, chúng hiệu quả hơn nhiều so với động cơ từ thông hướng tâm và ít sử dụng kim loại đất hiếm hơn trong quá trình sản xuất.

Từ đó, chi phí giảm xuống và các hãng sẽ cố gắng phát triển công nghệ này nhằm sử dụng trên các mẫu xe điện phổ thông. Trong tương lai, những mẫu xe mà chúng ta sở hữu sẽ trang bị động cơ từ thông hướng trục, đó cũng chính là lúc để bắt đầu hoài niệm về dòng động cơ từ thông hướng tâm của thời điểm hiện tại.