Elmotorens og str

1
Elmotorens og strømmens ABC
Elmotorens og strømmens ABC
Af Lektor Peter Omand Rasmussen Aalborg
Universitet Institut for energiteknik
2
Patentering fra et forskersynspunkt
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.
3
Patentering fra et forskersynspunkt
Elektrisk Spænding U W/Q V J/C
Kredsløbs symbol (DC spænding)
Elektrisk strøm I Q/t A C/s
4
Patentering fra et forskersynspunkt
Ohms Lov U RI V OA
Simpelt batteri
UI karakteristik
U V
RL 8 O
RL 0 O
I A
5
Effekt (generelt) P W/t W J/s
Effekt (elektrisk) P UI W VA
Strøm og spændings retninger ved effekt forbrug
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
Lidt eksempler
500 kasser dåse pilsner
Energi til at løfte 4 biler af 1 ton op i
tårnet W mgh 40009.8255 2.16 MJ 1 kWh
3.6 MJ Dvs 2.16/3.6 gt W 0.6 kWh
Aalborg tårnet 55 m
12 V, 55 Ah W 0.6 kWh
1 l diesel 10 kWh
Tankning af bil
1 kWh El koster knap 2 kr.
8
AC-kredse
Problem med varierende effekt (1 cylinder
knallert motor)
Ohmsk last
U i P AVG
p
i
v
i
u
For en sinus kurve er spidsværdien værdien 1.41
større end effektivværdien (230 V giver 325 V i
peak)
Induktiv last
i
i
i
p
L
u
u
Ingen effekt !
9
To faser forskudt 90 og Ohmsk last
u
p2
p1
i
Idiot formlen
Ulempe 2 leder federe retur leder (3 i alt) til
to fasers strøm 8 transistorer i omformeren.
10
Faser N gt 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 system
Elektrisk system
Elektrisk Maskine
T, n
u, i
Motor
Energi flow
Generator
12
Virkemåden for elektriske maskiner er baseret
to observerede fænomener
En kraft vil blive produceret, hvis en
strøm- førende leder er placeret i et magnetisk
felt
En spænding vil blive induceret hvis Den bevæger
sig i et magnetisk felt
FBIL
eBLv
H. C. Ørsted 1819 Kompasnål påvirkes af
strømførende leder
Faraday 1821 Induktions loven -bevægelse
Note Volta batteri 1800
13
Permanent magnet og en elektro magnet
14
En magnetisk kobling
Moment
90 forskudt
DC maskinen
Ulemper kommutator, lav moment tæthed En
udfasning på vej i mange applikationer
15
Praktisk DC maskine fra Sauer Danfoss (Thrige)
16
Dreje feltet i AC motorer
I DC-maskinen bruger vi kommutatoren til at lave
AC
Teslas tofasede maskine (dreje felt)
A
Ia
B
B
Ib
A
Udprægede poler
17
Patentering fra et forskersynspunkt
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 omdrejninger
FBIL
eBLv
18
Oversigt over roterende elektriske maskiner

• 3 byggeklodser i elektriske maskiner
• Permanente magneter
• Jern
• Kobber viklinger (elektromagneter)
• 6 kombinationer af elektromagnetiske kræfter

AC version universal
Kilde 1 Kilde 2 Moment
Elektromagnet Elektromagnet Gensidigt
Elektromagnet Magnet PM
Elektromagnet Jern Reluktans
Magnet Jern Cogging
Magnet Magnet kobling
Jern Jern Intet
19
Patentering fra et forskersynspunkt
DC motoren igen
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
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
20
Patentering fra et forskersynspunkt
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
Michelins Active Wheel Mekanisk gearet
løsning Motor roterer 30000 rpm
22
Patentering fra et forskersynspunkt
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
Patentering fra et forskersynspunkt
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
HOT Teknologi Både i forskningsverden og
industrien
Moment per volumen 20Nm/l
25
Patentering fra et forskersynspunkt
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 GMs EV1 og senest i Tesla
Roaster
26
Patentering fra et forskersynspunkt
Simpel konstruktion - Specielt rotoren Virkningsgr
aden er bedre en IM Robust og fejltolerant Billige
materialer Akustisk støj, moment ripple samt
en speciel omformer har hæmmet teknologien
Punch Powertrain i Belgien har nogle hybrid
koncepter med CVT gearkasse WV Daimler har haft
aktiviteter Catapiller har investeret stort
i teknologien
27
Patentering fra et forskersynspunkt
Kort om traktions motor forskning på AAU

• Magnetic forces creates torque

• Contact forces create torque

Torque versus turning angle for a magnetic gear
28
Patentering fra et forskersynspunkt
29
Patentering fra et forskersynspunkt
Målt moment tæthed 40 Nm/l
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