Magnetisme elektromotoren

Niveau 4 Theorie Magnetisme

Elektromotoren

Inleiding gelijkstroommotoren In de motorvoertuigentechniek hebben we voor de startmotor soms met een seriemotor te maken terwijl de overige elektromotoren voornamelijk bestaan uit motoren met een permanent magnetisch veld. Hoewel de opbouw van een elektromotor bekend mag worden verondersteld laten we in fig. 1 nog even het werkingsprincie zien.

Fig. 1 Een elektromotor is opgebouwd uit het anker (windingen en collector) en een magnetisch veld.

Het magnetische veld dat door de stroomvoerende winding (ab) wordt opgewekt wordt door het magnetische veld van de veldmagneten afgestoten. Het koppel dat dan ontstaat doet de motor draaien. Om er voor te zorgen dat de winding daadwerkelijk roteert moet de stroomrichting na 1800

worden omgekeerd. Dit is de taak van de collector (fig.1 a t/m d).

Het koppel dat een elektromotor produceert hangt af van:

● De sterkte van het magneetveld;● De stroom door de ankerspoel;● De motorconstanten zoals het aantal windingen, ankerdiameter etc.

In formule form: M = C x Φ x Ianker

1 E.Gernaat Copyright © 2001-2006 Steele Consulting Delta Press O p dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/nl/


Het zal duidelijk zijn dat bij een startmotor als seriemotor het veld Φ afhangt van de ankerstroom terwijl bij een motor met permanente magneten het veld Φ een constante grootheid is. Elektromotoren werken uitsluitend op een wisselspanning. Bij een gelijkstroommotor moet de gelijkspanning omgezet worden in een wisselende spanning. Dit gebeurt mechanisch in de commutator (collector).

Fig. 2 Uitvoering startmotor met permanente veldmagneten (Bosch)

De tegen-EMKEen draaiende elektromotor voldoet ook aan de principes van een dynamo (stroomgeleider draaiend in een magnetisch veld). Een draaiende elektromotor is tevens een dynamo. De elektromotor wekt een eigen spanning op die tegengesteld is aan klemspanning. Hoe hoger het toerental, hoe hoger de spanning. Zou in het theoretische geval het toerental zo hoog worden dat de opgewekte spanning gelijk is aan de klemspanning dan stopt de stroom en komt de motor tot stilstand. Dit zal niet gebeuren, derhalve is de tegenspanning (Ut) altijd kleiner dan de klemspanning (Uk). De tegenspanning beïnvloedt in sterke mate de motorstroom en derhalve de draaikracht (koppel) van de motor. In formule vorm:

Uk - Ut = Ia x Ra

waarin Uk de klemspanning is en Ut de door de motor opgewekte spanning. Ia is de motor(anker) stroom en Ra de ankerweerstand (Fig. 3). Uit de formule valt te concluderen dat de motorstroom kleiner wordt als het toerental toeneemt en dat het motorkoppel het grootst is bij geblokkeerde motor.

Fig. 3 De tegenspanning bij draaiende elektromotor. De effectieve spanning is Uk-Ut.




Eigenschappen van elektromotorenDe eigenschappen van een elektromotor kunnen uit een grafiek worden afgelezen. In zo'n elektromotorgrafiek worden het koppel, het vermogen, de stroomsterkte en het toerental in relatie tot elkaar weergegeven (zie fig. 4).

Fig. 4 De eigenschappen van een elektromotor uitgedrukt in een grafiek.

Het aflezen geschiedt als het volgt:Bij een gegeven werkpunt van bijv. 40 Ncm gaat men met een loodrechte lijn omhoog. We snijden dan de stroomlijn, de vermogenslijn en de toerentallijn. Gaan we vanuit het snijpunt horizontaal naar links dan vinden we het bij het draaimoment behorende vermogen, toerental en stroomopname. Elektromotoren moeten volgens Europese richtlijnen voorzien zijn van een CE- kenteken waarin onder meer de EMV-richtlijnen (storingsrichtlijnen) moeten worden aangehouden. Omdat elektromotoren vaak als stelmotoren worden gebruikt zien we ze ook uitgevoerd met een geïntegreerde Hall-sensor voor het vaststellen van het motortoerental en/of de afgelegde weg. Door toepassing van twee Hall-sensoren die onder een hoek t.o.v. elkaar zijn opgesteld kan tevens de draairichting van de motor worden vastgesteld (fig.5).




a

b c

Fig. 5 a, b en c. Opstelling van twee Hall-sensoren H1 en H2. R = ringmagneet, N noordpool, S zuidpool, α = hoek tussen de Hallgevers (Bosch).

Enige symbolen die we kunnen tegenkomen in relatie met gelijkstroom-elektromotoren worden in fig. 6 weergegeven.




Fig. 6 Veel gebruikte symbolen: a) elektromotor met permanente veldmagneten b) elektromotor met elektrisch bekrachtigde veldmagneten c) smoorspoel voor ontstoring d) condensator voor ontstoring e) weerstand f) thermoschakelaar g) eindstand-uitschakelaar h) spanningsafhankelijke weerstand

Toepassing van elektromotoren als stelmotorEr valt in de motorvoertuigentechniek een duidelijke toename te constateren van systemen die comfort-verhogend werken bijvoorbeeld:

● airco's;● elektronisch gestuurde verwarmingssystemen;● standkachels;● stoelverstelling met geheugen;● elektrisch verstelbare buitenspiegels;● elektrische koplampverstelling;● elektronisch gestuurde schuifdaken; ● afstandsbediening; ● centrale portiervergrendeling;● elektronisch gestuurde raambediening;● gasklepaansturing (cruisecontrol).

Veel van deze systemen hebben gemeen dat ze zijn uitgerust met stelmotoren. Stelmotoren zijn meestal uitgevoerd met permanente veldmagneten en hebben als algemene eigenschap dat het toerental oploopt met het verhogen van de voedingsspanning. De sterkte van deze motoren kan sterk uiteenlopen (van een honderd milliampère tot vele tientallen ampères). Uiterst kleine motoren treft men aan bij portiervergrendelsystemen terwijl zwaardere motoren worden gebruikt voor schuifdaken stoelverstelling. Wanneer deze motoren gebruikt worden voor het instellen van posities van onderdelen noemt men ze stelmotoren. Ruitenwissermotoren zijn wel DC-motoren maar zijn bijv. geen stelmotoren. Ruitewissermotoren, ventilatormotoren enz. worden ingedeeld bij de aandrijfmotoren met permanente magneten. DC motoren, gebruikt als stelmotoren hebben veelal:




● een mogelijkheid om de draairichting om te keren;● een mogelijkheid om de verstelstand te registreren;● een ingebouwde beveiliging d.m.v. stroombegrenzing (PTC-weerstand).

Het eerste, het omkeren van de draairichting, kan gebeuren met behulp van een tweetal relais', transistoren of speciaal daarvoor ontwikkelde IC's. Het tweede, de registratie van de verstelstand geschiedt veelal met behulp van een meelopende potentiometer of wanneer het vaste posities betreft d.m.v. nokken en microschakelaars. Ook worden meer en meer Hall-opnemers gebruikt, die als voordeel hebben dat ze niet aan slijtage onderhevig zijn. Stelmotoren kunnen eventueel door microcontrollers worden aangestuurd. We laten in fig. 7, 8 en 9 de eigenschappen van een paar in de motorvoertuigentechniek toegepaste gelijkstroommotoren zien (Bosch).

Fig. 7 Eigenschappen van een ventilatormotor




Fig. 8 Eigenschappen van een universele gelijkstroommotor.




Fig. 9 Eigenschappen van een elektrische waterpomp

Driefasen wisselstroommotoren We zien in de motorvoertuigentechniek meer en meer drie-fasen wisselstroommotoren toegepast. Dit komt omdat we met de moderne elektronica betrekkelijk gemakkelijk wisselspanningen kunnen genereren. Hoewel er een groot aantal wisselstroommotoren te onderscheiden zijn hebben we voornamelijk met a-synchrone motoren te maken. Het principe van een driefasen wisselstroommotor komt in grote lijnen overeen met de werking van de drie-fasendynamo zonder gelijkrichting. Alleen wordt er nu een driefasen spanning (krachtstroom) op de statorwikkelingen gezet waardoor de rotor gaat draaien.

Het begrip draaiveldEen magnetisch draaiveld ontstaat wanneer we een gelijkstroombekrachtigde rotor laten draaien.Het magnetische veld, dat dan ontstaat draait met de rotor mee. Het draaiveld heeft dezelfde snelheid als de rotor (fig.10).




Fig. 10 Een draaiende (elektro)magneet (a) genereert een draaiend veld, het zgn. draaiveld (b) (Pelt en Knol).

Nu is het ook mogelijk om een draaivelden op te wekken met behulp van een driefasenwisselspanning in stilstaande (stator)spoelen. Drie spoelen zijn aangesloten op drie gelijke wisselspanningen die alleen 1200 in fase van elkaar zijn verschoven (driefasenwisselstroom of krachtstroom). De drie spoelen worden genormaliseerd aangeduid met de letters U, V en W. De uiteinden kunnen dan worden aangegeven met U1, U2 etc. ( fig.11).

Fig. 11 Met behulp van een driefasenwisselspanning kunnen we ook draaivelden opwekken (Pelt en Knol).

Wanneer we, als voorbeeld, een sinusvormige wisselspanning op één van de spoelen zetten dan zal de polariteit van het magnetische veld door het wisselen van de stroomrichting geleidelijk van N naar Z overgaan. Het lijkt dan of het veld roteert (fig. 12).




Fig. 12 Door een wisselspanning op een spoel te zetten onstaat schijnbaar een draaiend veld (Pelt en Knol).

Voor drie spoelen ontstaat dus een roterende flux volgens fig. 13.

Fig.13 Verloop van de stroom (dus de magnetische flux) in de spoelen van een driefasenmotor.

Wanneer we nu een rotor aanbrengen met permanente magneten of een rotor voorzien van een door gelijkstroom gevoede spoel dan zal de rotor ten gevolge van het wisselende veld van de stator door het draaiveld worden meegenomen. Het toerental van de rotor zal dan in principe overeenkomen met de frequentie van de wisselstroom op de statorspoelen (fig.14).




Fig. 14 Het principe van een driefasen-elektromotor (Pelt en Knol).

Uiteraard zullen we meer polen gaan aanbrengen voor een krachtiger en gelijkmatiger lopende motor. Fig. 15 laat een vierpolige uitvoering zien. Het toerental van de motor in omw/s kan dan worden bepaald met behulp van de volgende formule:

n (omw/s) = frequentie / aantal poolparen

fig 15 Een meerpolige driefasenwisselstroommotor (Pelt en Knol)




Synchrone draaistroommotorenIn de stator van een synchrone draaistroommotor is een driefasenwikkeling aangebracht. De rotor (poolrad) wordt met gelijkstroom bekrachtigd. De opbouw van een synchrone motor is dus geheel gelijk aan die van een wisselstroomgenerator zonder gelijkrichting. Wordt de statorwikkeling op een draaistroom aangesloten, dan ontstaat er aan de binnenzijde van de statoromtrek een magnetisch draaiveld. Het aantal (fictieve) polen van dit veld wordt bepaald door de uitvoering van de wikkeling. Men maakt het aantal polen van de rotor gelijk aan het aantal fictieve polen van het statordraaiveld.Wordt de rotor op snelheid gebracht, en wel zo dat deze gelijk wordt aan de snelheid van het statordraaiveld, dan zullen deze polen elkaar vasthouden. De rotor wordt als het ware meegesleept en krijgt hetzelfde toerental als het draaiveld. Zou men de rotor niet op snelheid brengen, dan zouden de polen van het draaiveld en van het poolwiel elkaar zeer snel afwisselend aantrekken en afstoten. Een synchrone motor komt hierdoor niet uit zichzelf in beweging. Dit is dus een behoorlijk nadeel van de synchroon-motor. Bij een synchrone motor is het rotortoerental dus precies gelijk aan het draaiveldtoerental vandaar ook de naam 'synchroonmotor'.

Asynchrone draaistroommotorenBij een asynchrone motor is het rotortoerental kleiner dan het draaiveldtoerental. De asynchrone motor wordt ook wel inductiemotor genoemd, omdat de werking berust op het inductieprincipe. De rotor van de asynchrone draaistroommotoren bestaat uit kortgesloten spoelen. Er zijn twee uitvoeringen, een kooi- en een sleepringrotor (fig.16). In geval van een sleepringrotor worden de sleepringen gedurende de werking kortgesloten.

a b

Fig. 16 Zowel bij de kooi- (a) als bij de sleepringrotor (b) is er sprake van kortgesloten geleiders.

De stator van een asynchrone draaistroommotor is echter gelijk aan die van de synchrone draaistroommachine. Sluiten we de statorwikkeling in ster of driehoek aan op een driefasenspanning dan ontstaat aan de binnenzijde van de statoromtrek en draaiveld dat roteert met het toerental dat we n-draaiveld kunnen noemen. Dit draaiveld induceert in de rotorgeleiders spanningen. In de kortgesloten geleiders ontstaan nu relatief grote wisselstromen. Op de stroomvoerende geleiders van de rotor worden door het draaiveld Lorentzkrachten uitgeoefend; de rotor komt uit zichzelf in beweging. De draairchting van de rotor zal zodanig zijn dat, volgens de wet van Lenz, de ontstaansoorzaak van de rotorspanningen wordt tegengewerkt. Het snelheidsverschil van draaiveld ten opzichte van de rotor zal dus verminderen, hetgeen betekent dat de rotor in dezelfde richting als het draaiveld gaat bewegen (fig. 17).




Fig. 17 Bij de asynchrone motor is er altijd een snelheidsverschil tussen het draaiveld (nd) en de rotor (nr) (Pelt en Knol) .

Om de draairichting van een asynchronemotor te veranderen, zal men dus de richting van het draaiveld moeten omkeren. Dit gebeurt door het verwisselen van twee van de drie toevoerleidingen naar de stator.

Op het moment dat de rotor nog stilstaat, is de relatieve snelheid van het draaiveld ten opzichte van de rotor het grootst en hiermee de opgewekte rotorspanning en rotorstroom. Naarmate het toerental van de rotor hoger is, is de relatieve snelheid van het draaiveld kleiner en daarmee de opgewekte rotorspanning en rotorstroom. Tengevolge van lucht- en wrijvingsverliezen kan het rotortoerental nooit het draaiveld-toerental bereiken. Zou dit wel het geval zijn, dan treedt er geen fluxverandering op. De rotorspanning en -stroom zouden dan nul zijn en dus ook het koppel. Bij nullast is als gevolg van bovengenoemde verliezen het rotortoerental nrotor juist iets kleiner dan het draaiveldtoerental ndraaiveld. Het verschil tussen draaiveldtoerental en rotortoerental noemt men de absolute slip. Onder de (relatieve) slip wordt verstaan de verhouding tussen de absolute slip tot het toerental van het statordraaiveld. In formule:

slip = (nd – nr) / nd x 100 %

Op het moment van aanzetten is nrotor 0 omw/s zodat de slip 100% bedraagt. Controleer dit.

De koppel-slipkrommeNu bestaat er een relatie tussen het koppel dat de motor levert en de slip van de motor. Dit verband komt tot uiting in de de zgn. koppel-slipkromme. In fig. 18 zijn een aantal van deze krommen getekend. We zien dat de verhouding koppel-slip afhankelijk is van de rotorweerstand en dat in het onderste slipgebied (0-25%) er een vrijwel lineaire relatie tussen deze grootheden is.




Fig. 18 De koppel-slip kromme van asynchrone motoren bij verschillende rotorweerstanden (Pelt en Knol).

Dit verband tussen het koppel en de slip heeft ook een praktische betekenis. Wanneer we de aanstuurfrequentie van de statorwikkelingen weten en we meten het toerental van de motor dan kan het motorkoppel worden vastgesteld. Dit is dan ook de reden dat we bij driefasenmotoren zoals we bij stuurbekrachtigingssystemen tegenkomen een toerentalsensor aantreffen. Het bekrachtingskoppel van de motor kan dan worden vastgesteld. De tabel van fig. 19 geeft enige meetwaarden zoals gemeten is met de Intelligent tester op een Toyota Auris met stuurbekrachtiging. De letters U,V.W geven aan dat we hier met een driefasen-bekrachtigingsmotor te maken hebben

Motor Terminal Volt (U) 13,818 V

Motor Terminal Volt (V) 13,132 V

Motor Terminal Volt (W) 14,112V

Motorstroom 21,73 A

Motorkoppel 2,7 Nm

Fig. 19 Enige meetwaarden van een Toyota stuurbekrachtiging.




Vragen

1. Teken in fig. 1b de krachtlijnen van de stroomvoerende winding en die van het permanente magnetische veld en wel zodanig dat het draaimoment duidelijk zichtbaar gemaakt wordt. 2. Wat moet men doen wanneer men het motorkoppel van een elektromotor wil vergroten?3. Een startmotor heeft een bijzonder groot aanloopkoppel. Kunt u dat met behulp van de theorie verklaren?4. Wat is de taak van de collector?5. Wanneer we de stroomsterkte door een draaiende elektromotor meten, vinden we dan het opgenomen motorvermogen wanneer we de stroom met de voedingsspanning vermenigvuldigen? Verklaar het antwoord.6. Op welke wijze wordt een tegen-EMK veroorzaakt?7. Bepaal het toerental, het vermogen en de opgenomen stroomsterkte van de elektromotor bij een koppel van 100 Ncm (fig. 4).8. Waarom treft men soms twee Hall-sensoren aan in een elektromotor?9. Wat is de functie van een smoorspoel bij een elektromotor?10. Waarvoor zou een thermoschakelaar bij een elektromotor dienen?11. Fig. 7, 8 en 9 geven de eigenschappen van een drietal elektromotoren weer. Gevraagd wordt::

● Welke ontstoring-elementen treft u bij de motoren aan?● Welke motor is uitgerust met een thermo-schakelaar?● Bij welk toerental (fig. 8) vindt het maximum vermogen plaats ?● Als het toerental maximaal is, is het vermogen nul (fig. 8). Verklaar dit.● Hoeveel Ncm bedraagt het koppel bij geblokkeerde motor (fig. 8) ?● Lees het vermogen, de stroomsterkte en het toerental af bij 50 Ncm (fig. 8).● Waar staat Δp voor in de grafiek van de motor in fig.7?● Onder welke omstandigheden is Δp maximaal?● Hoe kunnen we de relatie tussen de druk en de opbrengst omschrijven (fig. 9)?

12. Omschrijf het verschil en de overeenkomst tussen een stelmotor en een aandrijfmotor.13. Wat is de functie van de potentiometer die men bij stelmotoren kan aantreffen?14. Geef zoveel mogelijk autotechnische toepassingen van DC-stelmotoren.15. Waarom zou het belangrijk kunnen zijn om de opgenomen stroom van een motor te controleren?16. Wat verstaat men onder een draaiveld bij driefasenmotoren?17. Wat is het verschil tussen een synchrone en een asynchone draaistroommotor wanneer we kijken naar:

● a) het toerental; ● b) de uitvoering van de rotor.

18. Wat kan worden beschouwd als een groot nadeel van een synchroonmotor?19. Bij asynchroonmotoren wordt vaak het toerental van de rotor gemeten. Wat kan men uit het gemeten toerental nog meer afleiden?20. Geef een toepassing van een asynchroonmotor in de autotechniek. 21. Een driefasenmotor is uitgerust met 2 poolparen. De aanstuurfrequentie bedraagt 1 00 Hz. Het gemeten uitgaande toerental bedraagt 40 Hz. De motor bezit een rotor van 5Ω. Hoeveel Nm bedraagt volgens fig. 18 het uitgaande motorkoppel?



Documents

Magnetisme elektromotoren