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