Cách hoạt động đơn giản của động cơ điện

Không xi-lanh, piston và khí xả, động cơ ôtô điện được thiết kế để chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng thông qua việc tạo ra từ trường.

Động cơ ôtô điện được chế tạo từ cuối thế kỷ 19, đến ngày nay vẫn dựa trên nguyên lý chung là sử dụng dòng điện tạo ra từ trường tại bộ phận cố định của máy là stato, ở phía kia là roto chuyển động.

Rotor là bộ phận quay bên trong lớp vỏ stator đứng im.

Không chỉ trong ôtô điện, động cơ điện là thiết bị thường thấy trong các vật dụng hàng ngày. Các loại động cơ sử dụng dòng điện một chiều (DC) có chức năng khá cơ bản, kết nối trực tiếp với nguồn năng lượng, tốc độ quay phụ thuộc trực tiếp vào cường độ dòng điện. Dù dễ sản xuất, nhưng loại động cơ này không đáp ứng được yêu cầu về công suất và độ tin cậy để sử dụng. Chúng thường được dùng ở các bộ phận riêng lẻ như cần gạt nước trên kính chắn gió, cửa sổ hay các cơ cấu nhỏ khác trên xe hơi.

Dòng điện di chuyển qua vật dẫn theo hai cách, dòng điện xoay chiều (AC) có các electron (điện tử) chuyển hướng theo chu kỳ. Dòng điện một chiều (DC) tương tự như tên gọi, chỉ chạy theo một hướng. Khối pin bên trong ôtô điện sử dụng dòng điện một chiều. Nhưng khi đi đến động cơ chính của xe điện (cung cấp lực kéo), năng lượng DC này sẽ được biến đổi thành AC, thông qua một bộ biến tần.

Từ đây, động cơ xe điện được chia thành hai loại, động cơ đồng bộ và không đồng bộ. Hai loại động cơ này là lựa chọn riêng của mỗi nhà sản xuất, loại này không nhất thiết phải tốt hơn loại kia.

Hệ thống pin (màu đỏ) đặt trên một chiếc ôtô điện VinFast.

Động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng) dựa vào stato được cấp điện để tạo ra từ trường quay, sau đó kéo roto. Đây là loại động cơ thường sử dụng trên các loại xe yêu cầu có tốc độ cao, sử dụng trong thời gian dài. Tại Việt Nam, Porsche Taycan là mẫu xe điện thể thao sử dụng loại động cơ này.

Với động cơ đồng bộ, roto tự hoạt động như một nam châm điện, tham gia vào quá trình tạo ra từ trường. Tốc độ quay của roto tỷ lệ thuận với tần số của dòng điện cung cấp năng lượng cho động cơ. Điều này làm cho động cơ đồng bộ phù hợp với việc lái xe trong đô thị, vốn thường yêu cầu xe phải dừng, tái khởi động ở tốc độ thấp. Mẫu ôtô điện đầu tiên của VinFast dự kiến sẽ sử dụng loại động cơ này.

Động cơ không đồng bộ trên Porsche Taycan.

Cả hai loại động cơ cũng hoạt động theo phương thức sạc ngược lại, có thể chuyển đổi cơ năng thành điện năng tích trữ. Đây là nguyên tắc của hệ thống phanh tái sinh năng lượng, bắt nguồn từ máy phát điện xoay chiều.

Một số động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu cho roto. Những nam châm này được nhúng vào roto thép, tạo ra một từ trường không đổi, ưu điểm là hoạt động không cần nguồn điện kích thích. Nhược điểm của kết cấu trên buộc phải sử dụng “đất hiếm”, các hợp kim như neodymium, dysprosi… những thứ có giá bán thường rất biến động. Hiện, đất hiếm có trữ lượng tập trung ở Trung Quốc, khiến quốc gia này gần như độc quyền về sản xuất, bán và phân phối.

Đây là một trong những lý do khiến các nhà sản xuất đang nỗ lực tìm kiếm giải pháp thay thế vật liệu cho động cơ xe điện.

Ngoài động cơ, bộ phận quan trọng khác là hệ thống truyền lực, giúp động cơ điện hoạt động. Thiết bị này gồm bộ phân chia công suất PEC, tập hợp tất cả các thiết bị quản lý nguồn điện động cơ và quá trình sạc pin. Các bánh răng sẽ có nhiệm vụ điều chỉnh mô-men xoắn, tốc độ quay do động cơ truyền tới các bánh xe.