1
Elm
oto
ren
s og
str
øm
mens
AB
C
Elmotorens og strømmens ABC
Af
Lektor
Peter Omand Rasmussen
Aalborg Universitet
Institut for energiteknik
2
Oversigt over præsentationen
Strømmens (og magnetisk) ABC
DC kredse
AC Kredse
Magnetiske kredse
Elmotorens ABC
Grundlæggende virkemåde
DC motoren og den børsteløse DC motor
AC motorer : Synkron, Asynkron, SR og IPM/hybrid.
Elbils motor forskning på AAU.
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
3
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Elektrisk strøm
I = Q/t [A = C/s]
Elektrisk Spænding
U = W/Q [V = J/C]
Kredsløbs symbol (DC spænding)
4
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt Ohms Lov
U = RI [V = ΩA]
UI karakteristik
Simpelt batteri
U [V]
I [A]
RL = ∞ Ω
RL = 0 Ω
5
Effekt (elektrisk)
P = UI [W = VA]
Strøm og spændings retninger ved ”effekt forbrug”
Effekt (generelt)
P = W/t [W = J/s]
6
Elektrisk energi
W = Pt [J = Ws]
Typisk bruges der kWh til måling af elektrisk energi
W (Kilowatt-hours) = P (kilowatt) · t (timer)
Typisk familie anvender 5000 kWh om året
7
Aalborg tårnet 55 m Energi til at løfte 4 biler af 1 ton op i tårnetW = m·g·h = 4000·9.82·55 = 2.16 MJ1 kWh = 3.6 MJDvs = 2.16/3.6 => W = 0.6 kWh
12 V, 55 Ah
W = 0.6 kWh
1 l diesel ≈ 10 kWh
1 kWh El koster knap 2 kr.
Lidt eksempler
500 kasser dåse pilsner
Tankning af bil
8
AC-kredse
i
v
U + i +
P + AVG
For en sinus kurve er spidsværdien værdien 1.41 større end effektivværdien (230 V giver 325 V i peak)
Problem med varierende effekt (1 cylinder knallert motor)Ohm’sk last
Induktiv last
i
i
L
0 100 200 300 400 500 600 700 800-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
vinkel [geader]
Str
øm
[A
], S
pænd
ing
[V],
Eff
ekt
[W]
u
0 100 200 300 400 500 600 700 800-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
vinkel [geader]
Str
øm
[A
], S
pænd
ing
[V],
Eff
ekt
[W]
Ingen effekt !
u
ui
p
pi
9
To faser forskudt 90° og Ohm’sk last
2 2sin ( ) cos ( ) 1t t Idiot formlen
Ulempe 2 leder + federe retur leder (3 i alt) til to fasers strøm
8 transistorer i omformeren.
0 100 200 300 400 500 600 700 800-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
u
i
p2p1
10
Faser N > 2 giver konstant effekt hvis faser er forskudt 360/N
3 faser er det mindste fase antal uden retur leder
Dvs. 3 ledere til 3 faser
6 transistorer i omformeren
Brugt i 100 år til elektrisk distribution
Omformeren afkobler forsynings nettet og flere faser er
muligt (redundans, tynde kabler og andre små
detaljer)
Gamesa har introduceret en test mølle med 6x3 faser
11
Hvad er en elektrisk maskine ?
Omformer mellem elektrisk og mekanisk energi
Mekanisk systemElektrisk system
T, nu, i
Generator
Elektrisk
Maskine
MotorEnergi flow
12
Virkemåden for elektriske maskiner er baseret toobserverede fænomener
En spænding vil blive induceret hvisDen bevæger sig i et magnetisk felt
En kraft vil blive produceret, hvis en strøm-førende leder er placeret i et magnetisk felt
F=BIL
H. C. Ørsted 1819Kompasnål påvirkes af
strømførende leder
Note : Volta batteri 1800
e=BLv
Faraday 1821Induktions loven
-bevægelse
13
Permanent magnet og en elektro magnet
14
En magnetisk kobling
90° forskudt
DC maskinen
Ulemper : kommutator, lav moment tæthed
En udfasning på vej i mange applikationer
0 50 100 150 200 250 300 350-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Moment
15
Praktisk DC maskine fra Sauer Danfoss (Thrige)
16
Dreje feltet i AC motorer
I DC-maskinen bruger vi kommutatoren til at lave AC
B
A
B
A
Ia
Ib
Teslas tofasede maskine (dreje felt)
Udprægede poler
17
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Moment-hastigheds karakteristik for en Lille/Mellem klasse bil
med eksplosions motor
Bemærk moment og hastighed omregnet til hjul
Matches perfekt af en el-motor med felt svækning
Bemærk en el-motor har fuldt moment ved nul omdrejningerF=BIL e=BLv
18
Oversigt over roterende elektriske maskiner
+ AC versionuniversal
3 byggeklodser i elektriske maskiner- Permanente magneter- Jern- Kobber viklinger (elektromagneter)
6 kombinationer af elektromagnetiske kræfter
Kilde 1 Kilde 2 Moment
Elektromagnet Elektromagnet Gensidigt
Elektromagnet Magnet PM
Elektromagnet Jern Reluktans
Magnet Jern Cogging
Magnet Magnet ”kobling”
Jern Jern Intet
19
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
DC motoren igen
DC-motoren med magneter
Felt svækning er ikke mulig
Med køleskabs magneter (svage ferrit
magneter) fremstilles de ekstremt billigt
”Bevægelses motoren”
Bemærk ingen tab til at lave magnet feltet
DC-motoren med viklet felt (Stator elektromagnet)
Felt svækning er mulig
Anvendes stadig i små el-kørertøjer
Gaffel trucks, Golf biler, Ellerten
Laveste moment tæthed og virkningsgrad
20
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Ydre rotor : Inside-out
Kommutator kan udskiftes med transistorer
til at vende/kommutere strømme
Anvendes der kasseformede AC-strømme
Kalder vi det en børsteløs DC motor.
Inside-out motorer kendes bla. Fra PC ventilator
og harddisk. LG har en DD vaskemaskine motor
Siemens Wind nyeste DD generator er af denne type.
Tændings avancering benyttes til feltsvækning
(vigtig for vaske maskine)
Mere klassisk maskine ydre stator indre rotor
Har lettere ved at komme af med varmen fra viklingerne
Kommutatoren er udskiftet med en elektronisk omformer
Typisk 2-3 gange mere moment per volumen i forhold til
Den normale DC motor.
21
Siemens VDO “eCorner” system : Direct drive hjul motor
Yderst få detaljerede informationer
Michelin’s Active Wheel
Mekanisk gearet løsning
Motor roterer 30000 rpm
22
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Kraftværks generatoren
Principielt samme maskine (klopol) er
Anvendt som generator i biler
Slid i slæbe ringe og Kopper tab i rotoren
(svært ved at komme af med varmen)
Simpelt at lave feltsvækning
Det ser ud til at Renault bruger dem i
deres nye elbiler (LIDT SKUFFET )
Men de havde dem også i deres gamle elbiler
23
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Minder meget om en PMSM
Kvadratisk magnet, fastlås i rotor blik
Både PM og reluktansmoment
Gode feltsvæknings egenskaber
Anvendes af Toyota i deres første hybrid (Prius)
Toyota Camry 2007 (14000 rpm)
24
Moment per volumen
~20Nm/l
HOT Teknologi
Både i forskningsverden
og industrien
25
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Tesla 1883
Induktions/Asynkron motoren
Industriens arbejdshest i 100 år
Robust og veletableret maskine
Perfekt til feltsvækning
Store rotor tab
Kan også operere uden omformer
Danfoss frekvens omformer har kun holdt
40 jubilæum
Blandt andet anvendt i GM’s EV1 og senest i Tesla Roaster
26
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Punch Powertrain i Belgien
har nogle hybrid koncepter
med CVT gearkasse
WV + Daimler har haft aktiviteter
Catapiller har investeret stort i
teknologien
Simpel konstruktion - Specielt rotoren
Virkningsgraden er bedre en IM
Robust og fejltolerant
Billige materialer
Akustisk støj, moment ripple samt en
speciel omformer har hæmmet teknologien
27
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
NSS N
S
Magnetic spur gear
NS
N
Mechanical spur gear
∙ Magnetic forces creates torque • Contact forces create torque
Min
0
MaxT [Nm]
Deg.
T
k =t
Torque versus turning angle for a magnetic gear
Kort om traktions motor forskning på AAU
28
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
29
Pate
nte
ring
fra
et
fors
kers
yn
spu
nkt
Slut samling af maskine
Base point lav hastigheds rotor (gearing 8.83):
600 Nm ved 600 rpm (38 kW)
Første test : Virker efter hensigten MEN
Lidt mindre moment og større tab end forventet
Målt moment tæthed : 40 Nm/l