CHÁY XE MÁY ĐIỆN THỰC TRẠNG HAY NỖI OAN - PHẦN 2 ĐỘNG CƠ TRÊN XE ĐIỆN

Thời gian gần đây có liên quan tới các vụ cháy xe gây ra các thảm họa thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Các cơ quan chức năng gặp rất nhiều khó khăn để có thể xác định được chính xác nguyên nhân gây cháy bởi mọi thứ đã bị cháy rụi hết tất cả. Báo chí, các lời đồn đoán rằng có thể xuất phát từ xe máy điện... Bài viết này cùng nhau tìm hiểu về động cơ điện trên xe và khả năng gây ra cháy xuất phát từ động cơ.

Giới thiệu và phân loại động cơ điện trên các phương tiện giao thông sử dụng điện

Hiện nay, nhiều loại động điện cơ đang được sử dụng phổ biến (động cơ có chổi than, động cơ không chổi than, động cơ bước), mỗi loại động cơ lại chia ra nhiều các nhánh nhỏ khác nhau tùy vào mục địch sử dụng. Các động điện cơ điện này đều thực hiện nhiệm vụ chung là chuyển đổi năng lượng điện năng trở thành năng lượng cơ học. Trong số các loại động cơ này thì động cơ không chổi than (BRUSHLESS DC MOTOR - viết tắt là BLDC) có hiệu suất làm việc cao và khả năng điều khiển tốt, do vậy nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong giao thông vận tải.

Giới thiệu về động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC- BRUSHLESS DC MOTOR)

Động cơ BLDC được một tử tù thiên tài người Trung Quốc tên Lý Hồng Đào phát minh ra và thử nghiệm thành công vào năm 1993 trong những ngày tháng ngồi trong tù và chờ thi hành án tử hình. Chính phát minh này của ông đã đen lại nhiều giải thưởng danh giá và cứu ông khỏi án tử…

Động cơ BLDC có hiệu suất cao và nhiều ưu điểm vượt trội hơn động cơ có chổi than, bởi động cơ có chổi than có quá nhiều nhược điểm như ma sát lớn, tổn hao nhiều năng lượng, sinh nhiệt lớn, tuổi thọ ngắn… nên được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, tự động hóa, cơ khí, thiết bị y tế, thiết bị đo đạc và giao thông vận tải. Đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải sự ra đời của động cơ BLDC mở ra một kỷ nguyên mới trong phương tiện giao thông sử dụng điện của Trung Quốc, đến ngày nay Trung Quốc vẫn đang là một quốc gia có tỷ lệ, tốc độ chuyển đổi phương tiện xanh cao nhất thế giới, động cơ BLDC được ứng dụng trên xe máy điện, ô tô điện, tàu điện…

Động cơ điện BLDC lắp trên phương tiện giao thông có gì khác so với động cơ BLDC thông thường

Điểm khác biệt duy nhất là đối với động cơ BLDC lắp trên xe máy bị đảo ngược so với động cơ BLDC thông thường. Đối với động cơ thông thường thì stator là vỏ động cơ còn rotor là trục động cơ, tuy nhiên đối với động cơ lắp trên xe đạp, xe máy, ô tô điện… thì động cơ được tích hợp trong bánh xe chủ động nên yêu cầu vỏ động cơ phải là bộ phận chuyển động quay vậy nên được thiết kế ngược, stator là trục của động cơ (đứng im cố định với khung xe), rotor lại là vỏ của động cơ là bộ phận chuyển động quay.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ trên ô tô điện, xe máy điện, xe đạp điện

Động cơ không chổi than (BLDC) là loại động cơ điện hoạt động dựa vào từ trường vĩnh cửu và cảm biến Hall để xác định vị trí, hoàn toàn không sử dụng chổi than (bàn chải) nhằm giúp triệt tiêu ma sát. Từ đó giúp giảm tiếng ồn cho động cơ được vận hành êm ái, đồng thời tiết kiệm điện sử dụng. Động cơ BLDC có cấu tạo khá đơn giản, gần gống với động cơ có chổi than, cấu tạo của động cơ BLDC trên xe điện gồm các bộ phận chính như sau:

• Stator: Là tổ hợp các bộ phận được gắn cố định trên trục của động cơ, trục này không quay như các động cơ thông thường khác mà được giữ cố định với khung xe. Stator bao gồm các lõi là các lá thép từ tính được ghép cách điện với nhau và dây quấn, các lõi thép này bị nhiễm từ và trở thành nam châm điện khi có dòng điện chạy trong dây dẫn.
• Rotor: Là vành bánh xe đối với xe đạp, xe máy điện, được bắt bulong cố định với vành đối với ô tô điện. Các nam châm vĩnh cửu được gắn cố định lên rotor, các nam châm vĩnh cữu này trái dấu với nam châm điện tại stator và sinh ra lực hút, lực hút này bản chất chính là lực Lorentz được sinh ra trên khung của dây dẫn vuông góc với các đường sức từ trường và có dòng điện chạy qua, chiều của lực Lorentz được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Rotor sẽ liên tục chuyển động nếu dòng điện dịch chuyển sang một cuộn dây liền kề, cấp điện tuần tự cho mỗi cuộn dây như vậy sẽ làm cho rotor quay theo từ trường quay dẫn động theo bánh xe quay và làm xe có thể di chuyển.

• Hall sensor: Do đặc thù của sức phản điện động của động cơ BLDC có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của nó cũng cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor trong tương quan với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó, người ta thường sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall, có thể gọi tắt là Hall sensor.

• Bộ điều khiển động cơ (bộ điều tốc): Còn được gọi là bộ điều khiển hoặc IC, ECU, CONTROLLER … là một trong ba bộ phận quan trọng nhất trong xe điện. Bộ điều khiển Chức năng chính là chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy sang dòng điện 3 pha cấp cho động cơ (gọi là dòng điện 3 pha nhưng bản chất là dòng điện một chiều cấp lệch pha nhau). Bên cạnh đó bộ điều khiển có chức năng điều khiển tất cả các thiết bị chiếu sáng và tín hiệu của xe giúp các thiết bị vận hành một cách tối ưu và tiết kiệm năng lượng nhất. Ngoài ra bộ điều khiển còn đảm nhiệm chức năng giữ an toàn cho động cơ, bất kỳ sự cố nào có nguy cơ như dòng điện cao đột biến, điệp áp thấp hay ngắn mạch có thể ảnh hưởng tới động cơ của xe… nếu xe đang gặp một số trường hợp như xe bị giật khi tăng ga hay khi tăng ga mà xe không di chuyển thì đó là những dấu hiệu cho việc bộ điều tốc xe đang gặp hỏng hóc.

Những sự cố lỗi của động cơ điện BLDC thường gặp trên các phương tiện giao thông (xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện): Giống như hầu hết các máy móc khác, động cơ BLDC thường được sử dụng để làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu được quá tải và quá nhiệt. Do đó, việc xảy ra lỗi theo thời gian là điều bình thường. Trên 40% lỗi liên quan đến cuộn dây rotor là lỗi phổ biến nhất ở động cơ BLDC. Nguyên nhân chính của chúng là nhiệt độ cao, mất lớp cách điện, lão hóa và bụi bẩn. Các lỗi có thể được phân loại thành:

• Lỗi rotor: do cấu tạo của rotor rât đơn giản, nó chính là vành bánh xe có gắn các nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực từ trường (lực Florentz) nên không có gì để hỏng hóc tại đây.
• Lỗi từ: Liên quan tới vị trí kích từ tại các cuộn dây trên stator, những lỗi này đều xuất phát từ sự cố của cảm biến Hall hoặc bộ điêu khiển làm cho vị trí cuộn dây kích từ không chính xác gây ra sự không liên tục trong chuyển động của rotor.
• Lỗi điện: là lỗi cách điện gây ra đoản mạch đa phần được ghi nhận tại cuộn dây của stator: Đoản mạch giữa các vòng thường được gọi là lỗi liên vòng. Đoản mạch giữa hai cuộn dây dưới cùng một pha được gọi là lỗi cuộn dây-cuộn dây. Đoản mạch giữa hai vòng hoặc hai cuộn dây có pha khác nhau được gọi là lỗi pha-pha hoặc lỗi liên pha. Một sự cố đứt dây (hoặc một hoạt động bất thường làm thay đổi giá trị điện trở thành một giá trị cực cao, ngừng dòng điện chạy qua) là lỗi mạch hở.
• Lỗi cơ học: một nguyên nhân nào đó như đổ xe, va chạm làm biến dạng, cong vênh phần ổ trục liên kết giữa rotor và stator làm cho nó lệch chuẩn và cọ sát với nhau. Ở trạng thái bình thường thì khoảng cách giữa rotor và stator là rất nhỏ nên chỉ cần một biến dạng nhỏ thôi cũng đủ để chúng ma sát với nhau. Đối với lỗi này nhẹ thì gây ra tiếng kêu, gây ma sát và sinh nhiệt (đây là nguyên nhân chính xuất phát từ động cơ có thể gây ra cháy lan sang các bộ phận khác), nặng thì kẹt cứng và không thể có chuyển động của rotor.
• Lỗi cảm biến Hall: Khi cảm biến Hall bị lỗi, hỏng thì bộ điều khiển sẽ không biết vị trí chính xác của stator để ra lệnh cấp điện cho pha nào trên các cuộn dây, trường hợp bị lỗi cảm biến Hall xe sẽ có hiện tượng giật và khựng lại khi ga và sau đó dừng lại xe không thể di chuyển được.

• Lỗi tại bộ điểu khiển động cơ:
  • Nguyên nhân chính dẫn đến bộ điều tốc bị hỏng thường là do thời tiết mưa lớn ngập lụt gây nên chập bo mạnh và hỏng hóc. Dấu hiệu nhận biết khi bộ điều khiển động cơ bị hỏng là bật khóa lên điện nhưng ga không chạy hay xe vặn ga nhưng không chạy hoặc xe đang chạy thì bị mất điều khiển tay ga và từ từ dừng lại.
  • Sử dụng sai ắc quy cũng là một trong những lý do dẫn đến hư hỏng, có thể do ắc quy sau khi sửa chữa hoặc thay thế không tương thích với bộ điều khiển động cơ như vượt quá dòng điện quy định, thời gian lâu dài sẽ dẫn đến sự xuống cấp của bộ điều khiển và bộ điều khiển quá cũ cũng khiến cho chức năng vận hành của nó bị kém đi, đây là một vấn đề bình thường bởi mỗi thiết bị đều có tuổi thọ riêng của nó.

Kết luận khả năng gây cháy nổ của động cơ điện:

Qua các phân tích nên trên thì động cơ điện được nhận xét là ít có khả năng gây cháy nổ hơn động cơ đốt trong rất nhiều và không phát thải, không sinh nhiệt lớn, không ồn…Tuy nhiên vẫn có khả năng (rất thấp) gây cháy xuất phát từ ma sát giữa stator và rotor khi phát sinh lỗi ở ổ trục trong quá trình sử dụng (đã phân tích ở trên). Các sự cố khác khi xảy ra các lỗi đã phân tích nên trên thì bộ điều khiển động cơ đã có các tính năng bảo vệ động cơ khi sụt áp, quá dòng, ngắn mạch...nên khả năng gây ra cháy nổ xuất phát từ các lỗi này là gần như không có khả năng xảy ra.