Bạn biết gì về động cơ điện trên ô tô?

Bài viết này là về động cơ điện trên ô tô, và nếu nó khó hiểu thì chắc chắn hồi cấp 3 bạn đã đầu tư phần lớn thời gian không phải cho việc học hành (giống tôi), hoặc là nền giáo dục cùng các chương trình vật lý cấp 3 có vấn đề gì đó.

Động cơ điện trên ô tô hiện có 2 loại chính

Nói chung là có 2 loại động cơ điện, để dễ hình dung hãy lấy ví dụ là cái quạt cây góc nhà! Nó có 2 phần: phần đứng im là cái vỏ quạt (stator), phần quay tít là cánh quạt (rotor). Tất nhiên động cơ ô tô không phải là động cơ quạt điện, nhưng làm việc trên nguyên lý như nhau: dòng điện ở cái vỏ (stato) tạo ra từ trường, từ trường làm quay cái lõi (rotor). Dựa vào cấu tạo cái lõi thì hiện động cơ ô tô điện có 2 loại như sau:

1- Induction motor - Động cơ không đồng bộ, hay có thể gọi là động cơ cảm ứng

Được sáng chế bởi Nikola Tesla vào thế kỷ 19, được dùng trên các xe Tesla trừ Model Tesla 3. Rotor được chế tạo như cái lồng chim, thực chất là các vòng dây khép kín.

Nó rất phổ biến trong công nghiệp từ xưa đến nay, sở hữu các ưu điểm là chế tạo rẻ tiền, không đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên. Nhược điểm là thường to nặng, sinh nhiệt khi hoạt động. Hiệu suất 85 - 96% tùy vào cấu tạo và điều kiện vận hành, ví dụ quay nhanh thì hiệu suất tốt hơn so với quay chậm. So với động cơ chạy xăng có hiệu suất 20 - 25% thì động cơ điện rất ấn tượng.

Động cơ điện cảm ứng trên xe Tesla có kích thước nhỏ nhưng công suất rất ấn tượng

Các kỹ sư đã thành công trong việc tạo ra các mô tơ Tesla dạng này với kích thước có thể nói là rất nhỏ so với công suất của nó. Ví dụ trong công nghiệp động cơ dạng này công suất 20hp có thể nặng 200kg, còn trên Tesla thì chỉ với 30kg (70lbs) có thể sinh ra 360hp. Bởi động cơ cảm ứng dựa trên nguồn điện xoay chiều AC 3 pha, vậy trong cấu tạo động cơ điện sẽ đi kèm một bộ biến đổi dòng điện từ một chiều sang xoay chiều 3 pha, ngược lại với cấu tạo sạc pin điện thoại quen thuộc chuyển đổi điện xoay chiều trong ổ cắm tường nhà thành dòng điện một chiều. Tổng cộng bộ biến tần và mô tơ có cân nặng khoảng 150kg (loại dùng cho Tesla).

So sánh bảng giá xe Tesla bản 1 cầu và bản AWD sẽ thấy chênh lệch nhau khoảng 4k USD, ta có thể suy ra mô tơ điện lắp thêm có giá khá rẻ (loanh quanh 2k USD). Điều này nói lên thực chất các chủ xe chạy dạng mô tơ này hoàn toàn không sợ cháy máy. Cháy thay luôn mới.

Tuy nhiên việc mô tơ sinh nhiệt lại đặt ra các nhu cầu về hệ thống làm mát cho động cơ và có thể những chủ xe không hiểu. Các hãng xe sẽ bị các team sử dụng xe kiện vì tội ‘’xe em cứ đi 1km là cầu nóng ran’’, có lẽ họ cần giải thích cho người tiêu dùng là cái chỗ nóng ran chính là động cơ nằm giữa 2 bánh sau.

2 - Động cơ nam châm vĩnh cửu hay Động cơ đồng bộ - Permanent Magnet Motor

Thay cái ruột (rotor) bằng nam châm vĩnh cửu, ta có động cơ nam châm vĩnh cửu. Về nguyên lý hoạt động thì vẫn dựa trên dòng điện 3 pha, nhưng nam châm vĩnh cửu tạo ra động cơ nhỏ gọn hơn và có hiệu suất nhỉnh hơn so với loại trên (92-97%).

Động cơ điện nam châm vĩnh cửu là một trong những thành tựu nổi bật của ngành công nghiệp ô tô

Thực ra loại động cơ này chỉ thực sự trở nên khả thi về kích thước cũng như khả năng, chỉ sau khi các nhà khoa học tìm ra các vật liệu siêu nam châm, đạt được nhờ những thành tựu về công nghệ chế tạo và luyện kim. Nam châm dựa trên luyện kim từ Neodymium Boron được sản xuất từ năm 1984 có giá khá đắt và ảnh hưởng đến giá thành của dạng động cơ này. Theo Alibaba thì 1kg kim loại này có giá tầm 100 USD, chưa kể việc chế tạo thành rotor. Có thể dễ đoán rằng động cơ nam châm vĩnh cửu sẽ có giá trị rất đắt so với dạng phía trên (nguyên cái Rotor đã có thể có giá 10k USD).

So với dạng động cơ không đồng bộ thì động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ nhẹ hơn, tránh được việc sinh nhiệt tốt hơn, đắt hơn, sở hữu hiệu suất nhỉnh hơn, đặc biệt ở các chế độ toàn tải (ví dụ khi đạp hết ga hay chạy nhanh hết cỡ). Cũng dễ hiểu khi các xe đua ở giải Formula E sử dụng động cơ loại này.

Động cơ điện chỉ là một bộ phận rất nhỏ của cả chiếc xe điện

Hiện ngành công nghiệp ô tô điện trên toàn thế giới đang hết ga tiến về phía trước, các thành tựu khoa học và công nghệ được nghiên cứu và ứng dụng liên tiếp, tất cả đều phục vụ mục tiêu chuyển đổi dạng năng lượng dùng trong giao thông. Động cơ điện chỉ là một bộ phận rất nhỏ của cả chiếc xe điện, và còn vô vàn những điều mới lạ mà chúng ta cần nghiên cứu, và mình đang ân hận vì hồi cấp 3 toàn chơi điện tử!