Nâng cao tính năng khởi động cho xe đạp điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

VŨ HỒNG ĐĂNG

NÂNG CAO TÍNH NĂNG KHỞI ĐỘNG CHO XE ĐẠP ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

VŨ HỒNG ĐĂNG

NÂNG CAO TÍNH NĂNG KHỞI ĐỘNG CHO XE ĐẠP ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM VĂN HÙNG

Hà Nội - 2005

Luận văn Thạc sĩ

Mục lục
Mục lục ........................................................................................................... 1
Mở đầu............................................................................................................ 3
Ch-ơng 1 Tổng quan về Xe đạp - Xe đạp điện........................................... 5
1.1 Xe đạp .................................................................................................... 5
1.2 Xe đạp điện ............................................................................................ 6
1.2.1 Khảo sát thông số kĩ thuật của một số chủng loại xe đạp điện hiện
có ở thị tr-ờng Việt nam .......................................................................... 7
1.2.2 Máy điện một chiều ...................................................................... 14
1.2.3 Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều ...... 17
1.2.4 Từ tr-ờng và sức điện động của máy điện một chiều .................... 19
1.2.5 Các mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều ............................ 20
A. Mạch điều khiển động cơ một chiều dùng chổi than ......................... 20
B. Mạch điều khiển động cơ một chiều không chổi than........................ 29
C. Các mạch điều khiển động cơ một chiều khác ................................... 36
Ch-ơng 2 Phần mềm và hệ thống đo khảo sát tốc độ và gia tốc động cơ xe
đạp điện ........................................................................................................ 42
2.1 Mô hình đo ............................................................................................ 42
2.2 Phần cứng của hệ thống đo ................................................................... 44
2.3 Phần mềm của hệ thống đo(Ph-ơng pháp đo quay- phân tích) ............. 61
2.3.1 H-ớng dẫn tạo đ-ờng biên tốc độ (The Tacho Spline fit wizard) . 61
2.3.2 Chuyển đổi đo dòng một chiều DC sang ®o xung (Converting a DC
Tacho to a Pulse Train Tacho)................................................................. 62
2.3.3 Më Tacho Spline Fit Wizard .......................................................... 62
2.3.4 Chän kh«ng gian làm việc và phép đo tốc độ ( Selecting a
Workspace and Tacho Measurement) ..................................................... 63
2.3.5 Lựa chọn các thông sè cho Tacho Spline Fit Wizard (Selecting
Tacho Spline Fit Parameters) .................................................................. 65

2.3.6 Điều chỉnh đ-ờng biên của Phép đo tốc ®é (Spline Fit of Tacho
Measurement).......................................................................................... 72
2.3.7 L-u RPM víi Sù điều chỉnh đ-ờng biên thời gian ......................... 75
2.3.8 Đóng Tacho Spline Fit Wizard ...................................................... 75
2.3.7 The RPM Spectral Map Wizard .................................................... 76
2.3.8 Chọn các thông số cho The RPM Spectral Map Wizard ................ 79
Vũ Hoàng Đăng

1


Luận văn Thạc sĩ
2.3.9 Tính toán và vẽ đồ thị phỉ RPM .................................................... 82
2.3.10 L-u phỉ tÝnh to¸n ......................................................................... 84
2.3.11 The Frequency Order Tracking Wizard ...................................... 84
2.3.11.4 Chän Phæ RPM để thêm vào phần mảnh .................................. 87
2.3.12 Chọn các thông số cho đồ thị phổ ................................................ 87
2.3.13 Dò bậc tần sè trong Browser Project ............................................ 89
2.3.14 §ãng The Frequency Order Tracking Wizard ............................. 90
Ch-¬ng 3 Sè liƯu thÝ nghiƯm vỊ khảo sát khả năng khởi động của động
cơ xe đạp điện............................................................................................... 92
3.1 Mô hình khảo sát ................................................................................... 92
3.2 Thiết kế bệ thử ....................................................................................... 92
3.3 Lựa chọn các thông số để thÝ nghiƯm ................................................... 94
3.4 Tr×nh tù thÝ nghiƯm. ............................................................................. 94
3.5 Tiến hành thí nghiệm ............................................................................ 95
3.6 Kết quả khảo sát .................................................................................... 95
3.6.1 Bảng quan hệ giữa I (A), n (v/p) và thời gian t (s) ......................... 95
3.6.2 Bảng quan hệ giữa Tải trọng (kG), I (A) và vận tốc góc (rad/s) . 97
3.6.3 Bảng quan hệ giữa Tải trọng (kG), I (A) và vận tốc góc .......... 100

3.6.4 Bảng quan hệ giữa Mô men cản (kGm), I (A) và n (vòng/phút) . 102
Ch-ơng 4 Tính toán, thiết kế bộ ly hợp để Cải tiến tính năng khởi động
của xe đạp điện ....................................................................................... ...106
4.1. Lựa chọn mô hình cải tiến tính năng khởi động ................................ 106
4.2. Tính toán bộ ly hợp bi văng ............................................................... 109
4.2.1 Mô men cản lăn của xe đạp điện .................................................. 109
4.2.2 Xe đạp khảo sát ............................................................................ 111
4.2.4 Tiến hành thí nghiệm ................................................................... 112
4.2.5. Mô men truyền động từ đĩa ma sát ............................................. 113
Kết luận ...................................................................................................... 118
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 119

Vũ Hoàng Đăng

2


Luận văn Thạc sĩ

mở đầu
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi tr-ờng đang là hiểm hoạ thật sự cho con
ng-ời sống trên trái đất. Các nhà sản xuất giờ đây, ngoài các khoản chi phí
nâng cao chất l-ợng của sản phẩm,họ phải còn đầu từ t-ơng đối nhiều tiền vào
các hệ thống xử lý iô nhiễm môi tr-ờng. Chính vì vậy mà các sản phẩm phục
vụ lợi ích con ng-ời hiện nay, phải thân thiện và không gây hại ra môi tr-ờng
sống ở xung quanh chúng ta
Đi lại là một hoạt động th-ờng xuyên của con ng-ời, tr-ớc đây xe đạp
là một ph-ơng tiện di chuyển rất quan trọng trong việc vận tải l-ơng thực
chống quân xâm lăng. Hiện nay, xe đạp vẫn là một là một ph-ơng tiện đi lại
chủ yếu của ng-ời dân Việt nam trong khi mức thu nhập trung bình và nền

kinh tế còn ch-a phát triển. Một đặc điểm của n-ớc ta là cơ sở hạ tầng giao
thông còn yếu kém và lạc hậu, do đó xe đạp vẫn là ng-ời bạn thân thiết của
lứa tuổi học sinh và các cụ già. Hiện nay, mẫu mà xe đạp thay đổi từng ngày
đáp ứng nhu cầu và thị hiếu của ng-ời dân ngày càng cao.
Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học xe đạp giờ đây đà đ-ợc
ứng dụng những công nghệ mới trở thành sản phẩm hoàn toàn mới lạ và giải
quyết đ-ợc cơ bản những vấn đề nóng hổi về môi tr-ờng hiện nay. Xe đạp
điện đà ra đời, với kích th-ớc và hình dáng cơ bản gần giống với xe đạp thông
th-ờng, chỉ khác một điều là không cần phải đạp, không cần đổ xăng, chỉ một
binh ắc qui nhỏ là đủ để xe chạy với vận tốc 30 km/h và gần 100 km đ-ờng đi
mới phải nạp lại ắc qui víi chi phÝ rÊt nhá. Nã thËt sù lµ cc cách mạng đÃ
thay đổi t- duy cũ kĩ của ng-ời dân về một hình ảnh xe đạp cổ x-a cà tàng
ngày nào.
Bên cạnh những lợi ích của xe đạp điện thì vẫn còn một số tồn tài cần
phải giải quyết đó chính là khả năng khởi động của xe đạp điện trong tình
hình thực tế với mạng giao thông của n-ớc ta hiện nay. Chính vì vậy cần phải
có một số thay đổi trong kết cấu để khắc phục cácd tồn tại và đề tài Nâng
Vũ Hoàng Đăng

3


Luận văn Thạc sĩ
cao tính năng khởi động cho xe đạp điện ra đời nhằm tháo gỡ những v-ớng
mắc trên.
Đề tài đi sâu vào việc khảo sát và thiết kế mới bộ ly hợp cho động cơ.
Các thí nghiệm thực nghiệm sẽ là những thông số cần thiết cho việc nghiên
cứu và cải tiến xe kết cấu xe đạp sau này. Đề tài cơ bản đáp ứng đ-ợc mục
tiêu đề ra và đ-ợc chia làm 4 ch-ơng nh- sau:
Ch-ơng 1: Tổng quan về xe đạp-xe đạp điện.

Ch-ơng 2: Giới thiệu về phần mềm và hệ thống đo tốc độ và gia tốc
động cơ xe đạp điện.
Ch-ơng 3: Các số liệu thí nghiệm về khảo sát khả năng khởi động của
động cơ xe đạp điện.
Ch-ơng 4: Tính toán thiết kế bộ ly hợp để cải tiến khả năng khởi động
cho xe đạp điện
Với bệ thử động cơ đà đ-ợc thiết kế và chế tạo cùng với sự hỗ trợ của các thiết
bị đo hiện đại, chính xác đà đ-a ra các số liệu phục vụ đắc lực cho việc thiết
kế bộ li hợp khởi động cho động cơ xe đạp điện.
Tôi chân thành cám ơn T.S Phạm Văn Hùng Giáo viên trực tiếp
h-ớng dẫn đà giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài , để hôm nay tôi
hoàn thành luận văn theo đúng nh- yêu cầu và mục đích của đề tài đà lập ra.
Hà nội, ngày 10/4/2005

Vũ Hoàng Đăng

Vũ Hoàng Đăng

4


Luận văn Thạc sĩ

Ch-ơng 1
Tổng quan về Xe đạp - xe đạp điện
Ch-ơng này lần l-ợt giới thiệu về xe ®¹p, xe ®¹p ®iƯn ë ViƯt Nam.
1.1 Xe ®¹p

Giíi thiƯu chung
Có rất nhiều n-ớc phát triển trên thế giới hiện nay đang khuyến khích

ng-ời dân đi lại bằng ph-ơng tiện xe đạp do l-ợng khi thải của ôtô ngày càng
tăng. Xe đạp ra đời từ rất sớm nh-ng hiện nay nó vẫn đ-ợc sử dụng nhiều nhở Trung Quốc, Hà Lan..., và đang trở thành ph-ơng tiện đi lại chủ u ë mét sè
thµnh phè lín nh- Amsterdam (Hµ lan) khi ô nhiễm môi tr-ờng ngày càng tăng
ở thành thị.
Hiện nay, ngành giao thông chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng đối với
sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Cùng với sự tham gia giao thông của
nhiều ph-ơng tiện đi lại đang trở thành vấn đề đau đầu cho các nhà chức trách
ở nhiều thành phố lớn nh-: Bangkoc, Bắc kinh, Luân đôn, .. . Và ở n-ớc ta thì
sự bùng nổ về xe máy cùng với sự phát triển mạng l-ới đô thị chậm trễ và
không ®ång bé ®ang dÉn ®Õn sù mÊt c©n b»ng sinh thái và ô nhiễm môi tr-ờng
hiện nay.
Xe đạp là ph-ơng tiện giao thông hết sức cần thiết khi ch-a có xe đạp
điện, xe máy. Nó giúp chúng ta trong việc đi lại và đôi chân chỉ là gián tiếp
truyền lực. Tuy xe đạp có vận tốc không cao, phụ thuộc vào chất l-ợng của xe
và sức khở ng-ời đạp xe. Nh-ng xe đạp đ-ợc dùng rất nhiều ở Việt Nam vì nó
có giá thành phù hợp, dễ đi, không gây ô nhiễm môi tr-ờng.
Với xe đạp Thống Nhất đ-ợc lắp ráp đạt TCVN 1692 - 91 và tiêu chuẩn
an toàn về xe đạp TCVN 4954 - 91. Khung - phuốc đ-ợc sản xuất bằng thép

Vũ Hoàng Đăng

5


Luận văn Thạc sĩ
chịu lực cao trên dây truyền hiện đại của Nhật Bản, Đài Loan. Đ-ợc hàn bằng
khí bảo vệ Argon và sơn theo công nghệ 3 sơn - 3 đảm bảo độ bền cao.
Đặc tính kỹ thuật của xe một số loại xe đạp thông dụng
Lực đ-ợc truyền từ đôi chân của ng-ời điều khiển, thông qua bàn đạp,
bộ truyền xích líp, sau đó tới bánh xe làm cho xe đạp di chuyển

Sau đây là những thông số cơ bản của xe đạp.
Thông số cơ bản

Xe mi ni

Xe đạp thống nhất

- Kích th-ớc tổng thể

1660 x 1030 x 660

1700 x 690 x 1010

- KÝch th-íc vµnh

550 x 40

600 x 40

- Trọng l-ợng

20 kg

21 kg

- Tải trọng

80 kg

90 kg

Với điều kiện mức sống hiện nay của ng-ời dân Việt nam thì xe đạp
vẫn là một trong những ph-ơng tiện đi lại chủ yếu. Tuy nhiên, ở một khía
cạnh nào đó, đạp xe đi học, đi chơi vẫn là một trong những nhu cầu ngày càng
tăng của đại đa số ng-ời già, học sinh phổ thông. Từ nhu cầu đó, xe đạp điện
đà ra đời, không mất công làm quen, không cồng kềnh, kích th-ớc cơ bản vẫn
giống xe đạp th-ờng, chỉ có khác là không phải mất công đạp bằng đôi chân
của mình mà điều khiển bằng tay ga giống nh- xe máy. Đó chính là một trong
những -u điểm để xe đạp điện phát triển và trở thành một ph-ơng tiện đi lại
phổ thông trong giai đoạn hiện tại của ng-ời dân.
1.2 Xe đạp điện

Các nhà sản xuất đà đặt lợi ích kinh tế, lợi ích về môi tr-ờng lên hàng
đầu nên đà thiết kế, chế tạo đ-a ra thị tr-ờng loại xe đạp điện. Nó đà giải
phóng cho chiếc xe đạp sử dụng hoàn toàn cơ bắp. Ngoài ra với kích th-ớc và
khối l-ợng t-ơng đối nhẹ của mình, xe đạp điện trở nên thân thiện hơn với
Vũ Hoàng Đăng

6


Luận văn Thạc sĩ
ng-ời dân trong khi đ-ờng giao thông đi lại của Việt nam còn quá nhỏ hẹp.
D-ới đây xin trình bày một số đặc tính kĩ thuật cơ bản của xe đạp điện.
Đặc tính kỹ thuật chung của xe đạp điện
Động cơ quay truyền động trực tiếp tại ổ bánh sau, không có bánh răng,
không tiếng ồn, ít tiêu hao điện, không gây ô nhiễm môi tr-ờng.
ắc quy khô chất l-ợng cao, dung l-ợng lớn, không cần bảo d-ỡng, thời
gian sử dụng dài (sử dụng lần đầu cần nạp đầy từ 6 - 8h).
Các thiết bị điều khiển điện, điện tử đà đ-ợc thiết kế hoàn hảo tạo sự

tiện lợi tối -u cho ng-ời sử dụng, xạc điện khi đầy tự ngắt (có đèn báo
màu xanh). Với bộ nạp điện công suất 100 - 150w tự động ngắt khi ắc
quy đầy điện, không gây tổn thất khi nạp và với thời gian để nạp đầy ¾c
quy tõ 4 - 6 giê. Ng-êi sư dơng sÏ chỉ phải chi phí từ 300 - 600 đồng
cho mỗi quÃng đ-ờng từ 40 - 50 km.
Tất cả các loại xe đều có giảm sóc tr-ớc và giảm sóc sau.
Kích th-ớc nhỏ gọn, cơ động trong mọi địa hình công tác.
Khi hết điện thì trở thành xe đạp thông th-ờng, tiện lợi và không phải lo
lắng nh- hêt nhiên liệu đối với xe máy.
Rất phù hợp ®èi víi ng-êi cao ti khi kÝch th-íc vµ träng l-ợng của xe
máy là quá nặng so với ng-ời già.
1.2.1 Khảo sát thông số kĩ thuật của một số chủng loại xe đạp điện hiện
có ở thị tr-ờng Việt nam
D-ới đây là một số mẫu xe đạp điện hiện có tại thị tr-ờng Việt nam do
các cơ sở trong và ngoài n-ớc sản xuất. Một số Model có hình dáng gần
giống với xe đạp th-ờng và đ-ợc cải tiến đi một chút cho phù hợp với kết cấu

Vũ Hoàng Đăng

7


Luận văn Thạc sĩ
của xe đạp điện. Trong phần này, sẽ khảo sát những thông số cơ bản của xe
đạp điện do Công ty xe đạp Thống nhất sản xuất
1.2.1.1 Xe đạp điện Model VT1

Dùng động cơ 36v - 180w, tốc độ tối đa 25 - 28Km/h, khoảng cách xa
nhất đi đ-ợc khi nạp đủ điện là 50 - 60Km. Đặc biệt, với bộ điều khiển ba chế
độ, ng-ời sử dụng có thể chuyển sáng chế độ cấp điện trợ lực giúp cho ng-ời

sử dụng có thể đạp nhẹ nhàng với tốc độ 30 Km/ h và đi đ-ợc quÃng đ-ờng
dài 75Km mới hết điện.

Hình 1.1 Xe đạp điện VT1
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của Model VT1
Tổng thể xe
Trọng
l-ợng

Mô tơ điện

ắc quy
Tốc độ cao

28 kg

Vũ Hoàng Đăng

Hình thức

với động
cơ điện

ắc quy

ắc quy
khô

8

Luận văn Thạc sĩ

Trọng tải
Kích th-ớc
tổng thể
Tốc độ xe

130 kg
1680 x
620 x
1060

leo dốc
Kích th-ớc
bánh xe

vòng quay

vòng/phút

Điện áp
tiêu thụ
Hiệu suất

km/h

sử dụng

36 V

74%

Điện năng
50 - 60km tiêu thụ

đ-ợc
Khả năng

230

25- 28

Khoảng
cách đi

Tốc độ

14 x 1,75

Công suất
tiêu thụ
Mô men
xoắn

36V

Điện dung

12AH

Bộ xạc

AC 220V
50-60HZ

Điện năng
1kw/h

100km
15 - 200

Điện áp

tiêu thụ 1

< 0,5kw/h

lần xạc
180 w
5N.m

Thời gian
1 lần xạc
Điều kiện
vận hành

8h
31,5V/14A

1.2.1.2 Xe đạp điện Model VT2

Đ-ợc dùng ®éng c¬ 36 V - 180W, tèc ®é tèi ®a 28km/h. Khoảng cách
xa nhất liên tục đi đ-ợc khi nạp đủ điện là 90 km vì nhờ trang bị thêm 1 bộ ắc
quy phụ. Nhờ bộ điều khiển 3 chế ®é, ng-êi sư dơng cã thĨ sư dơng chÕ ®é
cÊp ®iƯn trỵ lùc, gióp cho ng-êi sư dơng cã thĨ đạp nhẹ nhàng với tốc độ
30km/h và đi đ-ợc quÃng đ-ờng dài 135km mới hết điện.

Vũ Hoàng Đăng

9


Luận văn Thạc sĩ

Hình 1.2 Xe đạp điện VT2
Bảng 1.2 Tthông số kỹ thuật của Model VT2

Tổng thể xe
Trọng
l-ợng

Trọng tải

Mô tơ điện

ắc quy

Tốc độ cao
37 kg

Hình thức

với

động ắc quy

Vũ Hoàng Đăng

Tốc

độ 240

vòng quay

vòng/phút

quy

khô

cơ điện
140 kg

ắc

Điện áp

36V

10


Luận văn Thạc sĩ

Kích th-ớc
tổng thể

1680

x

620

x

1060

Tốc độ xe

25-

áp

tiêu thụ

28 Hiệu suất

km/h

Khoảng
cách

Điện

đi 80 - 90km

đ-ợc

sử dụng

36 V

74%

leo dốc

15 - 200

1,75

AC 220V
Bộ xạc

Điện năng

Điện năng

tiêu

tiêu thụ 1 < 0,5kw/h

thụ 1kw/h

lần xạc

Công suất
tiêu thụ

Kích th-ớc 20 - 22 x Mô
bánh xe

12AH

50-60HZ

100km

Khả năng

Điện dung

men

xoắn

180 w

5N.m

Thời gian
1 lần xạc
Điều kiện
vận hành

8h

31,5V/14A

1.2.1.3 Xe đạp điện Model VT9

Đ-ợc dùng loại động cơ 48V - 350W, gia tèc lín, tèc ®é tèi ®a 35 38km/h, víi hệ thống cấp điện gồm 1 bộ bình chính và 1 bộ bình điện phụ.
Khoảng cách xa nhất đi đ-ợc khi nạp đủ điện là 100km.
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của Model VT9
Tổng thể xe
Trọng
l-ợng

Mô tơ điện

ắc quy

Tốc độ cao
46 kg

Hình thức

với động

ắc quy

khô

cơ điện

Trọng tải

170 kg

Kích th-ớc

1680 x

Vũ Hoàng Đăng

Tốc độ

250

vòng quay

vòng/phút

Điện áp

48 V

ắc quy

Điện áp

48V

Điện dung

15AH
11


Luận văn Thạc sĩ
tổng thể

620 x

tiêu thụ

1060
Tốc độ xe

35- 38

Hiệu suất

km/h

sử dụng

Khoảng

Điện năng

cách đi

100

đ-ợc
Khả năng
leo dốc
Kích th-ớc
bánh xe

74%

tiêu thụ

350 - 10

Công suất
tiêu thụ
Mô men
xoắn

AC 220V
50-60HZ

Điện năng
1kw/h

100km
15 - 200

Bộ xạc

tiêu thụ 1

0,5kw/h

lần xạc
180 w
5N.m

Thời gian
1 lần xạc
Điều kiện
vận hành

8h
48V/15A

Hình 1.3 Xe đạp điện VT9

Vũ Hoàng Đăng

12


Luận văn Thạc sĩ
Tuy nhiên, bên cạnh sự tiện lợi mà xe đạp điện mang lại còn có một số
vấn đề cần giải quyết. Đó là khả năng gia tốc tức thời của xe đạp khi bắt đầu
chuyển bánh. Với kết cấu hiện tại, mỗi lần xuất phát thì ng-ời dùng phải dùng

bàn đạp để trợ giúp khởi động cho xe đạp đi từ từ, nếu không đôi khi xe đạp
không di chuyển và sẽ làm tổn hại đến tuổi thọ của mô tơ điện. Động cơ
chiếm tỉ trọng cao trong giá thành của chiếc xe (chiếm tới 60% chi phí trong
tổng thành xe). Vì vậy mà việc giữ gìn và nâng cao tuổi thọ của động cơ là
một vấn đề cần phải xem xét. Với nút giao thông hình mạng nhện của n-ớc ta
hiện nay, việc xe đạp không đi đ-ợc liên tục mà phải dừng ở nhiều nút đèn đỏ
là chuyện bình th-ờng, chính vì vậy mà tuổi thọ của mô tơ càng bị rút ngắn và
ắc qui sẽ nhanh hỏng bởi hay phải làm việc trong tình trạng quá tải. Ngoài ra,
việc di chuyển nh- vậy sẽ gây sự khó chịu cho ng-ời sử dụng. Vì vậy, giải
pháp hiện nay mà đề tài này đề cập tới là lắp thêm một kết cấu ly hợp để trợ
giúp việc tăng mô men quay, nâng cao tính năng khởi động của xe đạp điện.
Nếu đ-ợc, nó sẽ giúp giảm bớt rất nhiều thời gian khởi động và an toàn cho
động cơ , nâng cao đ-ợc tuổi thọ cho ắc qui . HiƯn nay, trong thiÕt kÕ bé ®iỊu
khiĨn cđa xe đạp điện, bộ phận chống quá dòng (quá tải) là -u tiên luôn có
trong mạch điều khiển. Vì tình trạng quá tải và quá dòng sẽ liên tục xảy ra,
nếu không có thì nó sẽ phá huỷ động cơ cũng nh- bộ điều khiển. Do hạn chế
dòng khởi động không v-ợt quá đ-ợc giới hạn cho phép nên mô men mở máy
của động cơ không đáp ứng đ-ợc với yêu cầu gia tốc. Với bộ ly hợp thiết kế
thêm, thì chức năng này sẽ đ-ợc hỗ trợ bởi bộ ly hợp góp phần giải quyết toàn
bộ vấn đề quá tải, quá dòng. Để có thể chế tạo đ-ợc bộ ly hợp nh- vậy, cần
phải khảo sát kĩ đặc tính khởi động, mô men và thời gian khởi động đạt vận
tốc của mô tơ để từ đó tiến hành tính toán bộ ly hợp cho phù hợp với từng
động cơ cụ thể. Trong luận văn này, sẽ khảo sát cụ thể động cơ dùng cho mẫu
xe VT1 của Công ty Thống Nhất. Phần tiếp theo sẽ đề cập đến động cơ điện
một chiều là loại động cơ sử dụng trong xe đạp điện.
Vũ Hoàng Đăng

13

Luận văn Thạc sĩ

1.2.2 Máy điện một chiều [1], [2], [7]
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều đ-ợc sử dụng rất rộng rÃi, song
máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ một chiều.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều đ-ợc sử dụng ở những nơi
yêu cầu mômen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và
phạm vi rộng
Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp
hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy
trong các thiết bị ôtô, tàu thuỷ, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp
thấp dùng trong các thiết bị điện hoá, thiết bị hàn điện có chất l-ợng cao.
Nh-ợc điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu
tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin cËy, nguy hiĨm trong m«i tr-êng dƠ nỉ. Khi
sư dơng động cơ một chiều, cần phải có nguồn điện một chiỊu kÌm theo (bé
chØnh l-u hay m¸y ph¸t mét chiỊu)
1.2.2.1 Cấu tạo máy phát điện một chiều

Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, rôto
với dây quấn và cổ góp với chổi điện.

Hình 1. 4. Stato (a), nắp (c,d) và cổ góp (b).
Vũ Hoàng Đăng

14


Luận văn Thạc sĩ
Trên hình stato (a) rôto (b) , nắp (c, f), cổ góp (d).
Trên hình b vẽ mặt cắt ngang trục.

Hình 1.5 Mặt cắt ngang trục máy

1.2.2.2 Stato

Stato còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ
vừa là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ nh- hình 1. 4 (a)
1.2.2.3 Rôto

Hình 1.6 Rô to của máy điện một chiều

Vũ Hoàng Đăng

15


Luận văn Thạc sĩ
Rôto của máy điện một chiều đ-ợc gọi là phần ứng, gồm lói thép và dây
quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5
mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép đ-ợc dập có lỗ thông gió và rÃnh
để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.5). Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có
nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây
quấn đặt trong hai rÃnh d-ới hai cực khác tên. hình 1.6 (a, b) vẽ bốn phần tử
dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử đ-ợc nối
thành mạch vòng khép kín. ở dây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số
cực từ. Dây quấn trên hình vẽ có hai cực từ và có hai nhánh song song (nhhình vẽ c) Ngoài dây quấn xếp, ở máy điện một chiều còn kiểu dây quấn sóng
(hình 1.7) vẽ hai phần tử dây quấn kiểu sóng.
Các phần tử đ-ợc nối thành mạch vòng kín. ở đây quấn sóng đơn chỉ có
hai mạch nhánh song song, th-ờng thấy ở máy có công suất nhỏ.
1.2.2.4 Cổ góp và chổi điện

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng đ-ợc ghép cách điện, có dạng
hình trụ,
gắn ở đầu trục rôto ( hình 1.8) vẽ mặt cắt cổ góp để thấy rõ hình dáng của
phiến chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit. Các chổi tỳ chặt lên cổ góp
nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.

Hình 1.7 Kiểu dây quấn sóng

Vũ Hoàng Đăng

Hình 1.8 Cæ gãp

16


Luận văn Thạc sĩ
1.2.3 Nguyên lý làm việc của máy phát và động cơ điện một chiều [1], [6]
1.2.3.1 Nguyên lý làm việc và ph-ơng trình điện áp máy phát điện một chiều

Hình 1.9 mô tả nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều, trong
đó dây quấn phần øng chØ cã mét phÇn tư nèi víi hai phiÕn đổi chiều.
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần
ứng cắt từ tr-ờng của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sđđ xác định
theo quy tắc bàn tay phải. Nh- hình 1.9, từ tr-ờng h-ớng từ cực N đến S (từ
trên xuống d-ới) chiều quay phần ứng ng-ợc chiều kim đồng hồ, ở thanh đẫn
phía trên, sđđ có chiều từ b đến a. ë thanh dÉn phÝa d-íi, chiỊu s®® tõ d ®Õn c,
s®® cđa phÇn tư b»ng hai lÇn s®® cđa thanh dÉn. NÕu nèi hai chỉi ®iƯn A ®Õn
B, ®iƯn áp của máy phát điện có cực d-ơng ở chổi A và âm ở chổi B.
Khi phần ứng quay đ-ợc nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, thanh ab

ë cùc S, thanh dc ë cùc N, s®® trong thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện
đứng yên, chổi ®iƯn A vÉn nèi víi phiÕn gãp phÝa trªn, chỉi B nối với phiến
góp phía d-ới, nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không đổi. Ta có máy phát
điện một chiều với cực d-ơng ở chổi A, cực âm ở chổi B
Nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực (hình 1.10a). Để điện áp
lớn và ít đập mạnh (hình 1.10b), dây cuốn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến
đổi chiều.
ở chế độ máy phát, dòng điện phần ứng I- cùng chiều với sđđ phần ứng
E-. Ph-ơng trình điện áp là: U = EƯ - RƯ. IƯ
Trong đó: -

I - là điện rơi trong dây quấn phần ứng .

- R- là điện trở của dây cuốn phần ứng.
- U là điện áp phần điện máy; E- là sức điện động phần ứng.

Vũ Hoàng Đăng

17


Luận văn Thạc sĩ

Hình 1.9 Nguyên lý làm việc

Hình 1.10 Sơ đồ sóng

1.2.3.2 Nguyên lý làm việc và ph-ơng trình điện áp của động cơ điện một chiều

Hình 1.11 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi

cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây cuốn phần ứng
có dòng điện I -. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ tr-ờng, sẽ
chịu lực Fđ t tác dụng làm cho rôto quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn
tay trái, hình 1.11a.
Khi phần ứng quay đ-ợc nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ
nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không
đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi, nh- hình 1.11b.

Hình 1.11Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Vũ Hoàng Đăng

18


Luận văn Thạc sĩ
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ tr-ờng, sẽ cảm ứng sđđ E - .
Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải. ở động cơ chiều sđđ E - ng-ợc
chiều với dòng điện I -, nên E- còn đ-ợc gọi là sức phản điện.
Ph-ơng trình điện áp sẽ là:

U = E-+ R-. I -

1.2.4 Từ tr-ờng và sức điện động của máy điện một chiều
Khi máy điện một chiều không tải, từ tr-ờng trong máy chỉ do dòng
điện kích từ gây ra gọi là từ tr-ờng cực từ. Từ tr-ờng cực từ phân bố đối xứng,
ở trung tính hình học mn thanh dẫn chuyển động qua đó không cảm ứng sđđ.

Hình 1.12 Từ tr-ờng và sức điện động

Khi máy điện có tải, dòng điện I - trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ
tr-ờng phần ứng hình 1.12b. Từ tr-ờng phần ứng h-ớng vuông góc với từ
tr-ờng cực từ.
Tác dụng của từ tr-ờng phần ứng lên từ tr-ờng cực từ gọi là phản ứng
phần ứng, từ tr-ờng trong máy là từ tr-ờng tổng hợp của từ tr-ờng cực từ và từ
tr-ờng phần ứng hình 1.12c. Trên hình 1.12c vẽ từ tr-ờng tổng hợp. ở một
mỏm cực, từ tr-ờng đ-ợc tăng c-ờng (ở đó từ tr-ờng phần ứng trùng chiều với

Vũ Hoàng Đăng

19


Luận văn Thạc sĩ
từ tr-ờng cực từ), trong khi đó ở mỏm cực kia, từ tr-ờng bị yếu đi (ở đó từ
tr-ờng phần ứng ng-ợc chiều với từ tr-ờng cực từ).
Hậu quả của phản ứng phần ứng là: Từ tr-ờng trong máy bị biến dạng.
Điểm trung tính dịch chuyển từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi lµ
trung tÝnh vËt lý m,n,. Gãc lƯch  th-êng nhá và lệch theo chiều quay rôto khi
là máy phát điện, và ng-ợc chiều quay rôto.
1.2.5 Các mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều [18], [20], [21]
A. Mạch điều khiển động cơ một chiều dùng chổi than
Hoạt động cho các điện áp thấp và sử dụng các bộ phận tiêu chuẩn,
mạch kế điều khiển tốc độ động cơ một chiều chổi than đ-ợc thiết kế d-ới
đây là một mạch điện đ-ợc thiết kế tốt theo sự hiểu biết các loại điều khiển
động cơ một chiều. Chúng ta sẽ nghiên cứu từng bộ phận của mạch thiết kế.

Hình 1.13 Mạch điều khiển tốc độ động cơ

Vũ Hoàng Đăng

20


Luận văn Thạc sĩ
A.1 Điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Mạch điều khiển động cơ đ-ợc minh họa bằng hình 1.14 đ-ợc kết hợp
bởi 3 thiết bị chính - đầu vào sử dụng hoặc các tín hiệu phản hồi động cơ, tín
hiệu điều khiển logic (bao gồm cả máy phát PWM- Pulse Width Modulation)
và một mức năng l-ợng làm thay đổi đa dạng nh-ng hình thành nên cấu
trúc hệ thống điều khiển động cơ cơ sở. Nhiều hệ thống điều khiển động cơ
phức tạp hơn sử dụng thêm các thiết bị để nhận biết đ-ợc các tính năng của
động cơ. Mạch điện động DC sử dụng IC điều khiển động cơ PWM là
MC33033, cho phép dễ dàng chuyển sang chế độ mạch test động cơ có chổi
than, vấn đề này sẽ đ-ợc đề cập ở ch-ơng này. MC33035 cũng đ-ợc sử dụng
nếu một tín hiệu phanh và chức năng đầu ra là cần thiết. (Chú ý rằng
MC33035 là linh kiện 24 chân trong khi MC33033 là dạng hộp 20 chân đều
của hÃng Motorola. Nó có chức năng t-ơng tự nh- các IC điều khiển BLM
cũng đ-ợc cung cấp tại Công ty này).

Hình 1.13 Mạch điều khiển tốc độ động cơ

Vũ Hoàng Đăng

21


Luận văn Thạc sĩ
A.2 Đầu vào sử dụng (Input user)

Hình 1.14 Mạch giới hạn tốc độ động
cơ
Mạch test sử dụng 3 loại điều khiển tín hiệu sử dụng chính:
- Đo áp điều khiển tốc độ
- Khoá thuận nghịch
- Khoá cho phép
Mạch điều chỉnh tốc độ tạo ra bộ chia điện áp từ nguồn cung cấp xác định
6,2V của MC33033. Điều này đảm bảo điện áp xác định của mạch là ổn định.
Nếu vì một vài lý do, nguồn xác định 6,2V hoặc nguồn V CC bị sút giảm, Bộ
phát hiện d-ới mức điện áp xây dựng từ MC33033 sẽ tác động, cắt mạch điều
khiển đầu ra, sau đó tắt cấp năng l-ợng và động cơ. Bộ phát hiện d-ới điện áp
ngăn cản hoạt động không ổn định của IC trong sự mất dao động bất ổn của
nguồn cung cấp và các trạng thái đóng cắt. Nếu nh- nguồn cung cấp cho IC bị
sụt xuống d-ới 8,9V hoặc điện áp xác định là d-ới 4,5V, các đầu ra điều
khiển sẽ bị khoá và các mạch điều khiển cổ góp mở phía trên sẽ mở ra, cho

Vũ Hoàng Đăng

22


Luận văn Thạc sĩ
phép các transito phía trên khoá lại, và mạch điều khiển phía d-ới chuyển
xuống trạng thái thấp, khoá các transito N-FET phía d-ới.
Điện áp đầu ra điều chØnh tèc ®é cđa pot trong thiÕt kÕ cã thay ®ỉi tõ
6,2V xng 0V lµm cho chu kú lµm viƯc của PWM thay đổi. Giới hạn khoảng
tốc độ là có thể thực hiện bằng việc mắc thêm các điện trở nối tiếp giữa Port
tới nguồn xác định 6,2V và chân Common chỉ ta trong hình 1.14c cột dữ liệu
của MC 33033 chỉ ra rằng đầu vào PWM 1.5V tới 4V làm thay đổi chu kỳ làm
việc từ 0 tới 100% ).

Một kiểm tra khác là thay đổi tần số PWM từ tần số 100 Hz rất chậm
lên 100 kHz rất nhanh. Chú ý rằng tần số PWM chậm trở thành tần số âm
thanh trong khi tần số cao PWM làm tăng tổn thất năng l-ợng của cấp nguồn.
Một thí nghiệm làm giảm nhiễu trong đ-ờng điện áp điều khiển tốc độ.
Điều này có thể thực hiện bằng cách mắc thêm tụ nối tín hiệu từ máy phát bên
ngoài vào chân số 9. Tốc độ động cơ sẽ trở nên không ổn định và tạo ra âm
thanh liên quan đến tần số của máy phát nhiễu bên ngoài và khuếch đại .
Khoá đảo chiều thay đổi tín hiệu của cấp năng l-ợng cầu H, làm đảo
chiều điện áp động cơ. Một điện trở trong IC sẽ đ-a chân 3 lên trạng thái cao
trong khi khoá đảo chiều đang mở. Tất cả các đầu vào của MC 33033 (chân 3
tới chân 6, chân 18, 19). Các đầu vào có quy định là 2,2V cho mức cao và
1,7V cho mức thấp. Chân 19 điều khiển mạch đầu ra. Đ-a chân 9 về trạng thái
thấp không cho phép mạch điều khiển đầu ra và khoá tất cả các transito trong
cầu H. Việc này cũng cho phép động cơ dừng quay.
A.3 PWM máy phát và ®iỊu khiĨn logic
IC MC33033 gièng nh- c¸c IC ®iỊu khiĨn tốc độ động cơ khác, có bộ
tạo dao động PWM bên trong mà các đầu ra của nó đ-ợc nối tới bộ so sánh.
Đầu vào bộ so sánh này đ-ợc đặt một điện áp ngoài (chân 11), chân xác định
chiều rộng xung so sánh. Tần số của bộ tạo dao động PWM (xấp xỉ 25 kHz)
đ-ợc xác định bởi cặp RC (điện trở - tụ điện) nối với chân 8. Một bộ khuếch
Vũ Hoàng Đăng

23