Tại sao động cơ điện bị cháy?

Tiếng rít của động cơ điện là sự kết hợp của hai nguồn vật lý: các tông điện từ do các lực từ bên trong động cơ tạo ra và âm thanh chuyển mạch tần số cao của biến tần; thêm vào đó là đóng góp cơ học của bộ giảm tốc bánh răng và các vòng bi. Khi tăng tốc, cao độ của tiếng rít tăng lên vì các tông này dịch tần số tỷ lệ với tốc độ động cơ. Các nhà sản xuất đang làm dịu âm thanh này bằng chuyển mạch phổ trải, chủ động khử tiếng ồn và thiết kế âm thanh, hoặc chủ động định hình nó.

Khi bạn khởi động động cơ đốt trong, nguồn gốc của âm thanh không thể tranh cãi: các vụ nổ, ống xả, chuyển động cơ khí. Khi bạn bước lên một chiếc xe điện, hầu hết những tiếng ồn quen thuộc biến mất, nhường chỗ cho một tiếng rít sắc, mang tông, tăng nhanh theo tốc độ. Âm thanh này đặc trưng đến mức nhiều người cho rằng nó phát ra từ chính động cơ. Điều đó phần nào đúng; nhưng phần thú vị nhất của câu chuyện là một phần lớn âm thanh không phải của động cơ, mà là công trình của các bộ phận điện tử công suất dẫn động động cơ. Xét về mặt kỹ thuật, tiếng rít này thực ra không phải bằng chứng của một lỗi hỏng, mà là bằng chứng thính giác cho thấy hệ thống hoạt động đúng.

Tiếng rít của xe điện đến từ đâu?

Nguồn gốc của tiếng rít được quy tụ vào ba mục chính. Thứ nhất là tiếng ồn điện từ: dòng điện cấp vào động cơ thiết lập một từ trường giữa rô-to và státơ; từ trường này dẫn đến sự dao động của các lực trong khe hở khí, và các lực dao động làm rung thân động cơ. Mọi cấu trúc rung động đều phát ra âm thanh. Đặc tính của tiếng ồn này ổn định và mang tông, vì tần số của nó được xác định trực tiếp bởi tần số điện cấp nguồn và các bội số - tức là các bậc hài - của nó.

Nguồn thứ hai là biến tần. Bộ phận điện tử công suất chuyển đổi dòng một chiều của pin thành dòng xoay chiều phù hợp cho động cơ hoạt động bằng cách bật và tắt các transistor ở tốc độ rất cao. Quá trình chuyển mạch này tạo ra tiếng ồn ở tần số chuyển mạch và các bội số của nó; các phép đo cho thấy khoảng này thường rơi vào dải 5-15 kHz. Tai chúng ta nhạy cảm nhất đúng ở khoảng này - vì vậy tiếng rít của xe điện có thể gây khó chịu mặc dù năng lượng âm học tuyệt đối của nó thấp. Sự dao động lực phát sinh từ chuyển mạch cũng tạo ra rung động kết cấu; thêm vào đó là một cảm giác tinh tế có thể cảm nhận được cùng với âm thanh. (Độ tinh tế này thực tế còn xâm nhập vào trong khoang cabin: ảnh hưởng của ba kỹ thuật PWM khác nhau lên tiếng ồn, rung động và độ cứng có thể được đo lường riêng lẻ.)

Mục thứ ba là tiếng ồn cơ khí: bộ giảm tốc bánh răng và các vòng bi. Động cơ xe điện, khác với động cơ đốt trong, có thể đạt tới hàng chục nghìn vòng/phút nên các bộ phận này quay ở tốc độ vòng quay rất cao. Ở các bộ truyền nam châm vĩnh cửu, nguồn gốc của tiếng ồn điện tử đều đều đi kèm với tốc độ thường là việc sóng chuyển mạch của bộ biến tần được áp vào động cơ; một số bộ truyền có âm điện từ bậc 8. được biết đến rõ ràng và dạng nhẹ của nó hoàn toàn bình thường.

Tần số chuyển mạch quyết định âm thanh như thế nào?

Để hiểu chữ ký âm thanh của bộ biến tần, cần nhìn vào logic của PWM - Điều chế Độ rộng Xung. Các transistor đóng ngắt ở một tần số cố định, bằng cách thay đổi thời gian mở (duty cycle) trong mỗi chu kỳ, điện áp trung bình cấp cho động cơ được điều chỉnh. Thứ đến tai bạn chính là quá trình chu kỳ này: một tiếng ị ị có cao độ cố định, mang tính điện tử. Âm ngắn, cố định được nghe trước khi xe điện bắt đầu tăng tốc chính xác là tiếng hoạt động bình thường của mạch PWM; sau đó, khi xe tăng tốc, cao độ âm thanh sẽ tăng lên.

Sự dịch chuyển cao độ theo vòng quay là một kết quả toán học. Tần số điện áp dụng cho động cơ tăng tỉ lệ với vòng quay và các lực điện từ dao động ở các bội của tần số này. Hãy đi qua một ví dụ cụ thể: một bội âm ở bậc 24 tại 4500 rpm tương ứng với 1800 Hz. số bội ở bậc này tương ứng với 1800 Hz. Nói cách khác, việc cao độ âm thanh nghe được tăng lên khi tốc độ tăng không phải là khuyết điểm mà là yêu cầu vật lý. Giữa việc giữ tần số chuyển mạch cố định và biến thiên có một sự căng thẳng về mặt kỹ thuật.

Giữa việc giữ tần số chuyển mạch cố định và việc giữ tần số biến thiên có một sự đánh đổi về mặt kỹ thuật. Tần số cố định giúp việc lọc nhiễu điện từ (EMI) trở nên dễ dự đoán; nhưng gây ra một tiếng ồn cao tần, có tính điệu hình và khó chịu luôn tồn tại ở cùng một điểm. Trong khi đó, các chiến lược PWM có tần số chuyển mạch thay đổi được sử dụng để giảm cả tổn thất chuyển mạch của biến tần lẫn tiếng ồn của hệ thống. Sự cân bằng này vẫn còn là một lĩnh vực phát triển tích cực; các phương pháp mới điều chỉnh động tần số đảo chiều một cách linh hoạt để nâng cao chất lượng âm thanh gần đây đã nằm trong số những giải pháp kỹ thuật đã được đăng ký.

giải phẫu của tiếng ồn cơ khí Hộp số trên xe điện thường là một bộ giảm tốc một cấp, nhưng về mặt tiếng ồn thì không phải là nhiệm vụ trống hoàn toàn.

Tiếng ồn bánh răng có hai cơ chế chính: lỗi truyền động và rung động ma sát từ các mặt bánh răng. Khi các răng tiếp xúc với nhau, tiếp xúc kim loại-kim loại kết hợp với các sai lệch vi mô dưới tải và rung động phát sinh được truyền từ vỏ bộ giảm tốc vào khoang cabin. Dầu che khuất một phần âm thanh do tiếp xúc này tạo ra; vì độ nhớt của dầu thay đổi trong thời tiết lạnh nên việc âm thanh rõ ràng hơn vào buổi sáng không có gì đáng ngạc nhiên. Về mặt thiết kế, vũ khí hiệu quả nhất là bánh răng helical.

Về mặt thiết kế, vũ khí hiệu quả nhất chính là các bánh răng helical. Không giống bánh răng thẳng, bánh răng helix tiếp xúc một cách từ từ và liên tục, và sự êm dịu khi chuyển tiếp này làm giảm đáng kể độ ồn; một trong những phương pháp tiêu chuẩn để giảm tiếng ồn ở hộp số xe điện.

Còn vòng bi là một phần của âm thanh vì hai lý do. Về mặt cơ học, nguồn gốc của tiếng rít tần số cao có thể là vòng bi động cơ hoặc nhóm bánh răng hộp giảm tốc; mức tăng của mức âm thanh hoặc sự thay đổi đặc tính là một chỉ báo cảnh báo sớm tốt cho tình trạng sức khỏe của vòng bi. Về mặt điện, ở động cơ được biến tần điều khiển, việc đóng tắt tần số cao có thể gây hư hại điện cho các ổ vòng bi - nghĩa là những linh kiện này vừa là nguồn phát âm thanh, vừa là chủ đề của câu chuyện mà âm thanh kể lại. Tiếng rít đặc trưng mà các động cơ chịu tải phát ra độc lập với tải cũng được tính vào đóng góp cơ học này; trong khi tiếng ồn của quạt làm mát phụ thuộc vào tốc độ động cơ nhưng độc lập với tải trọng.

Loại động cơ có thay đổi đặc tính âm thanh không?

Câu trả lời ngắn gọn: có, ở mức độ có thể đo lường được. Trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, từ trường rôto được thiết lập sẵn dựa trên nam châm chứ không phụ thuộc vào điện cảm stato; điều này mang lại hiệu suất và mật độ mô-men xoắn cao hơn. Nhờ khả năng tạo ra mô-men xoắn ổn định mà không có dao động trong chu kỳ mô-men, các động cơ này có thể được thiết kế rất êm và rung động thấp. Mặt khác, động cơ nam châm vĩnh cửu bắt buộc phải hoạt động với biến tần - nghĩa là tiếng ồn đóng tắt luôn hiện diện. Ở những động cơ này, hai nguyên nhân chính của rung động và tiếng ồn là các yếu tố điện tử và cơ học; các tổ hợp cực và rãnh, tức là sự khớp giữa số cực rôto với số rãnh stato, là trọng tâm của các nghiên cứu NVH.

Động cơ không đồng bộ thì tạo ra từ trường rôto bằng cảm ứng; chúng thường lớn hơn, nặng hơn và hiệu suất thấp hơn nhưng chi phí thấp. Đặc tính âm thanh của chúng cũng khác biệt tương ứng: các thành phần bổ sung phụ thuộc vào tần số trượt có thể được nghe thấy. Ảnh hưởng của thiết kế động cơ đến âm thanh không chỉ giới hạn ở loại động cơ; các thông số thiết kế như độ nghiêng rôto, dạng rãnh stato và rôto, và độ rộng khe hở rãnh xác định trực tiếp hình dạng của sóng lực trong khe hở khí và được tính là những phương pháp cổ điển để giảm tiếng ồn.

Trải phổ: kỹ thuật phân tán âm thanh

Một trong những giải pháp thanh lịch nhất cho tiếng ồn âm sắc do đóng tắt gây ra là kỹ thuật đóng tắt trải phổ, có nền tảng lý thuyết từ năm 1992. Logic rất đơn giản: bạn cố ý điều chế tần số đóng tắt của biến tần trong một dải nhỏ. Nhờ đó, năng lượng tiếng ồn tập trung ở một tần số cố định được phân tán ra phổ rộng hơn và năng lượng đỉnh ở bất kỳ tần số đơn lẻ nào giảm xuống. Tai nghe được dải hẹp gây khó chịu hơn nhiều; trong khi dễ dàng chịu đựng được tiếng ù nhẹ dải rộng. Kỹ thuật này cũng đã được chứng minh trong việc giảm EMI ở các nguồn năng lượng đóng tắt; nó có thể loại bỏ hoàn toàn tiếng ồn nghe được ở đầu ra và giảm đáng kể ở đầu vào.

Vị trí của kỹ thuật này trong thế giới EV đang ngày càng lớn. Trong xe điện, điện áp cao và số lượng chip dày đặc khiến hệ thống đặc biệt nhạy cảm với nhiễu điện từ; các công nghệ cảm biến thông minh nhằm phát hiện và giảm thiểu độ nhạy này cũng đã được phát triển. Các phương pháp chất lượng âm thanh điều khiển động tần số chuyển mạch là sự mở rộng của cùng triết lý với spread spectrum: thay vì một tông cố định, dễ đoán, là một nhiễu được trải rộng trên phổ hoặc định vị theo kiểu động.

Chống ồn chủ động và thiết kế âm thanh có chủ đích

Cũng có những công nghệ cố định triệt tiêu hoàn toàn tiếng ồn. Nguyên lý của chống ồn chủ động là kinh điển: các sóng âm được tạo ra với biên độ bằng nhưng ngược pha so với nguồn ồn, và hai sóng triệt tiêu lẫn nhau. Trong xe điện, vai trò của cách tiếp cận này khác với xe động cơ đốt trong. Tiếng ồn động cơ cổ điển vốn không có; năng lượng âm thanh của tiếng ồn tần số cao từ các động cơ điện tương đối thấp. Vì vậy, các hệ thống hiện đại liên tục theo dõi tiếng ồn môi trường từ đường, gió và lốp lọt vào khoang cabin và tạo ra sóng ngược. Nhiều nhà sản xuất đang cung cấp các giải pháp trọn gói trong lĩnh vực này; ở một số mẫu xe, thiết kế âm thanh chủ động không chỉ dập tắt tiếng ồn mà còn thêm một đặc tính âm thanh có chủ đích cho cabin.

Vậy còn âm thanh bên ngoài thì sao? Vì tiếng ồn của động cơ điện thấp, ở tốc độ thấp người đi bộ có thể không nghe thấy sự hiện diện của xe. Vì vậy, các âm thanh cảnh báo nhân tạo - AVAS - được thiết kế để báo cho người đi bộ biết sự hiện diện của xe hybrid và xe điện đã trở thành tiêu chuẩn: một âm thanh hovering giống chuyển động của không khí, được tạo ra bởi loa ở tốc độ thấp. EU đã gắn việc bắt buộc các âm thanh này với quyết định của mình vào năm 2014; ở Mỹ, âm thanh nhân tạo cũng là bắt buộc dưới một số tốc độ nhất định. Thiết kế âm thanh đang phát triển như một lĩnh vực kết hợp nghĩa vụ an toàn này với trải nghiệm người dùng - và đây cũng là cơ hội để mỗi thương hiệu tạo ra chữ ký âm học riêng của mình.

Khi nào tiếng rú là bình thường, khi nào là sự cố?

Một quy tắc chung: tiếng rú theo tốc độ, đều đặn và có tông là bình thường. Tông tăng lên khi tăng tốc là sự dịch tần số tự nhiên của các hài băng từ; tiếng ù điện tử có cao độ cố định là âm thanh công việc của bộ biến tần. Những trường hợp sau đây thì xứng đáng được lắng nghe:

• Tiếng rú mới xuất hiện hoặc tăng lên rõ rệt so với trước,
• Tiếng ồn đi kèm với rung động hoặc mất công suất,
• Đặc tính âm thanh thay đổi bất thường theo tốc độ và tải.

Những dấu hiệu này chỉ ra phía cơ khí - đặc biệt là các vòng bi và cụm bánh răng hộp giảm tốc. Mức độ ồn là một cách thực tế và không tốn kém để theo dõi sức khỏe của vòng bi; khi âm thanh thay đổi, việc kiểm tra kịp thời tạo cơ hội can thiệp trước khi hỏng hóc lan rộng.

Tiếng ê không phải là một khuyết điểm, mà là một không gian thiết kế

Tiếng ê của động cơ điện không phải là lỗi của một bộ phận duy nhất; mà là sự chồng lấp của các đóng góp từ lực điện từ, quá trình đóng cắt của biến tần, bánh răng và vòng bi. Mỗi bước tiến trong lĩnh vực kỹ thuật - spread spectrum, các tần số đóng cắt biến đổi, bánh răng xoắn, chống ồn chủ động - đang làm giảm áp lực của âm thanh này trong khoang cabin hoặc định hình nó một cách có chủ đích. Lần tới khi tăng tốc trên một chiếc xe điện, khi lắng nghe tông âm phát ra, bạn đã biết mình đang nghe thấy gì: không phải động cơ, mà là dấu ấn âm thanh của toàn bộ một hệ thống.

Nguồn tham khảo

• EV Motor Noise, Whine & Overheating: Causes & Fixes
• NVH Electric Vehicles
• Vibration and noise characteristics of an inverter for electric vehicle application
• New Inverter Switching Control Method to Enhance Sound Quality in Electric Vehicles
• Inverter Acoustic Noise: PWM Strategy, Magnetostriction and Cabin Perception in EVs
• Understanding the Operating Noise of Electric Motors
• Noise in Electric Motors: A Comprehensive Review
• Tackling EV noise reduction
• Noise Reduction Techniques for EV Transmissions
• Low noise modulation technique for PWM inverter drives
• The pros and cons of spread-spectrum implementation
• Researchers Develop Technology To Protect EVs from Chip Noise
• Active Sound Management
• What Is Active Sound Design On The EV6 & EV9
• Vehicle Electrification and Active Noise Cancellation
• Electric vehicle warning sounds
• Induction vs. Permanent Magnet Motors
• What Does Noise Tell You About Your Electric Motor?