5 - Speciale motoren PDF

Preview

Summary

Download 5 - Speciale motoren PDF

Description

3 Speciale motoren 3.1 Inleiding Bij deze motoren wordt er veelvuldig gewerkt met permanente magneten. De sterkste magnetische materialen die vandaag beschikbaar zijn in de wereld zijn “Rare earth magnets” (zeldzame aardmagneten). De eerste dateren van 1960. De “Rare earth magneten” die vandaag beschikbaar zijn hebben uitstekende magnetische eigenschappen en worden wijd gebruikt in de industrie waaronder de automobielindustrie. Zij zorgen o.a. mee voor de doorbraak in hybride en elektrische wagens. De bekendste zijn: NdFeB en SMCo magneten. Neodymium-Ijzer-Boor (Nd-Fe-B) - krachtigste zeldzame magneet - temperatuurgebied tot 180°C - voorzien van beschermende coating tegen oxidatie - hoge weerstand tegen demagnetisatie Samarium-Kobalt (Sm-Co) - bij kleine afmetingen zeer hoge magneetkracht - temperatuurgebied tot 250°C - oxideren niet - hoge weerstand tegen demagnetisatie

http://www.magnetndfeb.com/ http://www.goudsmit-magnetics.nl/

3.2 Borstelloze gelijkstroommotor (BLDC) BLDC = Brushless DC motor 3.2.1 Principe Bij een klassieke gelijkstroommotor wordt een stilstaand magnetisch veld bekomen door de bekrachtigingswikkeling of de permanente magneten in de stator. Door dit magnetisch veld worden er lorentzkrachten uitgeoefend op de stroomvoerende geleiders van de rotor of het anker. De borstels en de collector of de commutator zorgen ervoor dat de stroom in de rotorgeleiders omkeert als ze het andere poolgebied intreden. Bij een borstelloze gelijkstroommotor bestaat de rotor uit een permanente magneet en bevat de stator een meer-fasige wikkeling.

Wilfried Vissers

augustus 2013

1-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Om de rotor te laten ronddraaien moet de stroom in de stator op de juiste ogenblikken omgekeerd worden. Deze commutatie gebeurt niet met borstels maar elektronisch. Daarom spreekt men ook soms van ECDC-motoren (electronic commutated DC-motor). Het moment dat de stroom moet omkeren is afhankelijk van de positie van de rotormagneet. Daarom is er bij een dergelijke motor altijd een positieopnemer of encoder ingebouwd. Deze gelijkstroommotor bevat dus geen borstels, vandaar de naam borstelloze gelijkstroommotor. 3.2.2 Samenstelling

fig. 3-1

Samenstelling van de motor De stator bevat een driefasenwikkeling. Op het schema van figuur 3.1 is die inwendig in ster verbonden. Dit kan ook een andere schakeling zijn, afhankelijk van de spanning en de rotatiefrequentie van de motor. De rotor bestaat uit permanente magneten van keramisch materiaal of op basis van zeldzame aardmetalen. Op de as van de rotor bevindt zich een optische of een magnetische positieopnemer (B). Het geheel zit meestal in een aluminium huis met koelvinnen . Samenstelling van de vermogenstuurkring De vermogenstrap, is opgebouwd uit 6 elektronische schakelaars (figuur3.2). Het is een driefasen-invertor die het mogelijk maakt om 6 verschillende stappen uit te voeren. Telkens zijn er steeds twee schakelaars in dienst. 3.2.3 Werking De stroom die door de wikkelingen vloeit, wekt een magnetisch veld op. Het ‘geheim’ bestaat uit het in de juiste volgorde aansturen van de 3 wikkelingen van de motor om een draaiveld en een resulterende magnetische rotatie op te wekken. Met de drie wikkelingen en de invertor zijn we in staat om in 6 verschillende richtingen een magnetisch veld op te W.Vissers

augustus 2010

2-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

wekken; de geïnduceerde magnetische velden (van de wikkelingen) en de magneetvelden (van de rotor) streven er naar om in één lijn te gaan staan en dat resulteert uiteindelijk in een complete omwenteling. Om dit voor elkaar te krijgen volstaat het om 6 schakelaars (bv. MOSFET’s), in de bekende volgorde, ook bekend als ‘trapezium methode’ hun werk te laten doen. Figuur 3.2 toont de stroom in de wikkelingen in de loop van de 6 stappen en de magnetische resultante is te zien in figuur 3.3.

U1

U2 W2 V2 W1 V1 T5 en T4 T5 en T2 T3 en T2 T3 en T6 T1 en T6 T1 en T4

ON ON ON ON ON ON

STAP 1 T1-T4

STAP 4 T3-T2

STAP 2 T1-T6

STAP 5 T5-T2

STAP 3 T3-T6

STAP 6 T5-T4

fig. 3-3 W.Vissers

augustus 2010

3-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

3.2.4 Detectie van rotorpositie en synchronisatie Er bestaan verschillende manieren om de rotorpositie te bepalen: a) met sensoren: (Hall-sensoren) Het plaatsen van de Hall-sensoren in de stator is een vrij complexe aangelegenheid. De uitlijning van de Hall-sensoren t.o.v. de rotormagneet is hiervan de oorzaak. Daarom worden de Hall-sensoren buiten de stator geplaatst en op de rotoras extra magneten geplaatst (zie figuur 3.4)

fig. 3-4

b) volledig sensorloos: Dit kan gebeuren op basis van de gemeten tegen-emk in de niet aangesloten fase. De rotormagneet zorgt immers voor een inductiespanning in de statorwikkelingen. In functie van de grootte van deze spanning kan men de rotorpositie bepalen. In figuur 3.5 zijn zowel de signalen van de Hall-sensoren als deze van de tegen-emk opgenomen. Telkens een noord- of zuidpool van de rotor een Hall-sensor passeert, verandert het uitgangssignaal van laag naar hoog respectievelijk van hoog naar laag. Als we figuur 3.5 bekijken, merken we ook het volgende op: de uitgang van de Hall-sensor A verandert van teken wanneer de tegen-emk in Uc door 0 gaat. Hieruit kunnen we besluiten dat men met de juiste technieken uit de tegen-emk grafieken de rotor positie kan afleiden. Het grote voordeel van deze techniek is dat men geen sensoren nodig heeft.

fig. 3-5 W.Vissers

augustus 2010

4-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

3.2.5 Voor- en nadelen voordelen: ▪ Door het ontbreken van borstels en collector is hij betrouwbaar en vergt weinig onderhoud. lange levensduur ▪ De regeling van de rotatiefrequentie kan zeer precies en over een groot bereik gebeuren. ▪ Het rendement is groter dan bij een klassieke gelijkstroommotor en de asynchrone motor. ▪ Stuurt weinig stoorspanningen in het net. ▪ Een BLDC-motor geeft geen vonken, waardoor hij veiliger is bij gebruik in exposieve omgevingen. Er is ook minder storing voor EMC-gevoelige circuits ▪ Eenvoudig opbouw waardoor een compacte bouw mogelijk is. ▪ Thermisch gunstige opbouw. De warmte ontwikkeling geschiedt op de stator en is daardoor gemakkelijk af te voeren. ▪ Te leveren vermogen per bouwvolume is beter benut. ▪ Maken weinig lawaai (BLAC) nadelen: ▪ Een BLDC-motor wordt steeds met behulp van een elektronische sturing (Brushless DC controller) aangedreven. Voor deze aansturing zijn er meestal sensoren nodig.

3.2.6 Karakteristieken BLDC-motoren en klassieke gelijkstroomshuntmotoren met borstels zijn fundamenteel gelijkaardig, waardoor ze vergelijkbare karakteristieken hebben. Bij een constante temperatuur , en als de ankerreactie en de ijzerverliezen verwaarloosbaar zijn, vertonen beide motoren een lineair verband tussen motorsnelheid en stroom. De stroom is evenredig met het koppel.

fig. 3-6

3.2.7 BLDC versus BLAC-motor Het verschil tussen een BLAC en een BLDC motor zit hem in de mechanische structuur en het magnetisch circuit. Bij een BLAC wordt door een geschikte magnetisatie of vormgeving van de magneten en de opbouw van de statorwindingen, een sinusoïdale fluxverdeling in de luchtspleet gecreëerd. Dit komt door de vorm van de tegen-emk die in de windingen wordt opgewekt. Bij een BLDC is de tegen-emk trapeziumvormig (figuur 3.7), bij een BLAC sinusvormig (figuur3.8). W.Vissers

augustus 2010

5-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Ook de stroom in de fasen zal deze vorm aannemen waardoor het koppel bij een BLAC minder koppelrimpel vertoont dan bij de BLDC. Zowel bij de BLDC als de BLAC vloeit er een wisselstroom door de spoelen van de stator wat soms voor verwarring zorgt als we AC en DC in de benaming al te letterlijk opnemen. BLAC

BLDC

fig. 3-8

fig. 3-7

3.2.8 Uitvoeringsvormen Er bestaan twee types: In-runner: Het draaiveld omvat de rotor die dus binnen de wikkelingen draait (figuur 3.9) Out-runner: het draaiveld wordt binnenin gevormd,de rotor draait hier dus rond (figuur 3.10)

fig. 3-9: In-runner

W.Vissers

augustus 2010

6-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

fig. 3-10 : out-runner

W.Vissers

augustus 2010

7-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

3.3 De axiale flux motor met permanente magneten (AFPM) 3.3.1 Inleiding Axiale flux motoren verschillen wezenlijk van conventionele motoren qua richting van de magnetische flux in de luchtspleet. Bij axiale flux motoren is die richting evenwijdig aan de mechanische as van de motor (zie figuur 3.12 ). Bij de conventionele motoren (figuur 3.11) is de fluxrichting evenwijdig met de straal (radiaal) .

fig. 3-11

fig. 3-12

3.3.2 Voor-nadelen Voordelen: ▪ de zeer korte axiale lengte van een motor met axiale fluxdistributie, typisch 20 tot 30 cm, zorgt voor een aanzienlijke besparing van het volume ten opzichte van een asynchrone motor. Bij een motor met radiale fluxdistributie draagt namelijk een groot deel van het interne volume niet bij aan het vermogen dat de motor levert; ▪ het minimaliseren van de lengte van het fluxpad door de ijzeren delen van de motor leidt tot een reductie van de ijzerverliezen (hysteresis- en wervelstroomverliezen). ▪ omdat de magnetische flux door permanente magneten wordt opgewekt, is de koppelmassaverhouding bij deze motor hoger dan een bij een motor met een ijzeren rotor: de flux stroomt niet radiaal door de rotor waardoor het ijzer uit de rotor verwijderd kan worden. ▪ de motor met axiale fluxdistributie is in het algemeen tenminste vier keer lichter dan een qua vermogen vergelijkbare asynchrone motor; ▪ ฀het rendement van een axiale flux motor is hoog, over het algemeen 95% of hoger. Nadelen: ▪ de axiale flux schijfmotor vereist een ingewikkelder regelsysteem dan de gelijkstroommotor met borstels. Een rotorpositiesensor is nodig om een efficiente regeling bij hoge snelheden te bereiken. Dit type motor heeft in het algemeen een microprocessorregeling nodig voor efficiënte aanwending van het vermogen. ▪ de constructie van de motor is vrij complex

W.Vissers

augustus 2010

8-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

3.3.3 Samenstelling Axiale flux motoren bestaan in zeer veel verschillende uitvoeringen. Ze kunnen enkel- of dubbelzijdig uitgevoerd worden, met interne of externe rotors (zie figuur 3.13). Ook de magneten kunnen ingebed zijn of op de oppervlakte van de schijf gemonteerd. Stator PM-rotor

fig. 3-13

Daar er zoveel verschillende types en varianten zijn is het praktisch onmogelijk om deze allemaal afzonderlijk te bespreken. 3.3.4 Double-side AFPM motor with external rotors (figuur 3.14)

fig. 3-14

W.Vissers

augustus 2010

9-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

In figuur 3.15 zie je de 12 stator polen met hun bijbehorende winding.

fig. 3-15

Het wikkelschema wordt weergegeven in figuur 3.16. De stroomrichting bepaalt de polariteit van de statorpool (N of Z). Deze aansturing gebeurt met de invertor van figuur 3.17. De sturing kan enkel correct gebeuren als de rotorpositie gekend is. Hiervoor zijn sensoren (Hall, encoder,....) nodig.

fig. 3-16

fig. 3-17

W.Vissers

augustus 2010

10-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Principewerking: Stel op tijdstip t1 worden de transistoren T1 en T4 aangesproken. De statorpolen worden gemagnetiseerd zoals in figuur 3.18a. Door de wisselwerking van de magneetfluxen afkomstig van de stator en de rotor zal de rotor zich positioneren volgens de figuur 3.18 b.

fig. 3-18

Vervolgens wordt op tijdstip t2 de transistoren T2 en T3 aangesproken (figuur 3.19a). De stroom in de statorwikkeling keert om waardoor de polariteit van de magneetpolen omwisselt. De rotor zal zich positioneren volgens figuur 3.19 b

t2 +

fig. 3-19

W.Vissers

augustus 2010

11-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Voorbeeld van een AFPM motor ontworpen door “ Apex drive Laboratory” http://www.apexdrivelabs.com

fig. 3-20

W.Vissers

augustus 2010

12-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Opmerking: Van dit type motor (dubbelzijdige motor met interne stator) bestaat nog een andere uitvoering . We bespreken kort de opbouw en werking: De standaard lay-out van dit type motor bestaat uit twee rotorschijven die stijf gemonteerd zijn aan de as van het werktuig en een stator die tussen de rotorschijven is geplaatst (figuur 3.21a).

fig. 3-21

Rotor De rotor bestaat uit twee zachtijzeren schijven waarop axiaal gepolariseerde permanente magneten zijn bevestigd. Deze magneten kunnen op het oppervlak van de rotorschijf gemonteerd worden, maar er kan ook gekozen worden om de magneten in de rotorschijf te plaatsen. De laatste optie geeft een robuustere structuur. Typische fluxpaden worden gegeven in figuur 3.21b : de magneten sturen flux door de twee luchtspleten naar de statorkern. In de stator loopt de flux dan langs de omtrek en gaat weer terug door de luchtspleet, via de magneet, naar het ijzeren deel van de rotorschijf. De stroom in de statorwinding heeft een wisselwerking met de flux die opgewekt wordt door de magneten. Hierdoor wordt een tangentiele kracht opgewekt. Het motorkoppel bestaat uit de bijdragen van alle krachten die werken op beide oppervlaktes van de statorkern. Stator zonder windinggroeven (figuur 3.21) Bij deze configuratie is de stator een kern zonder groeven die bestaat uit een ijzeren opgerolde strip met daaromheen de fasewikkelingen. Deze windingen worden ook wel luchtspleetwindingen of gleufloze windingen genoemd. De luchtspleet is relatief groot waardoor de maximale fluxdichtheid niet boven de 0,6 T uitkomt. Om deze fluxdichtheid te bereiken is een groot volume aan permanente magneten nodig. Tevens is het snelheidsgebied waar de motor een constant vermogen kan leveren klein vanwege de lage fluxdichtheid. De statorwindingen liggen niet in groeven, waardoor die gevoelig zijn voor verschuivingen door elektromagnetische krachten en mechanische vibraties Deze motorstructuur is dus niet erg robuust en is dan ook niet geschikt voor een naafmotor. W.Vissers

augustus 2010

13-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Stator met windinggroeven (figuur 3.22) In de ringvormige statorkern kunnen ook groeven voor de windingen aangebracht worden (figuur 3.22). De luchtspleet tussen stator en rotor is dan een stuk kleiner dan bij de configuratie waarbij de statorwindingen op het oppervlak liggen. De magnetische fluxdichtheid die haalbaar is in de luchtspleet wordt dan 0,85 T en de dikte van de magneten is vijftig procent minder dan bij het voorgaande ontwerp. Doordat de statorwindingen in de statorring liggen, is deze uitvoering een stuk robuuster. Deze motor is wel geschikt voor toepassing als naafmotor.

fig. 3-22

3.4 Naafmotoren (wheelmotoren) 3.4.1 Inleiding Een naafmotor behoort ook tot de axiale flux motoren. Een naafmotorsysteem bestaat uit een motoraandrijving die direct gekoppeld is aan het aangedreven wiel zonder tussenkomst van een reductiemechanisme of een verbinding met de ophanging. Het gebruik van een naafmotor bij elektrische voertuigen heeft een verbetering van de vermogensoverdracht tot gevolg, evenals een verlaging van de massa, een verhoging van het totale rendement en de betrouwbaarheid van het voertuig. Tevens kan het gebruik van een naafmotor leiden tot verlaging van de assembleertijd van het aandrijfsysteem. Als gevolg van de directe koppeling tussen motor en wiel is er een één-op-één overbrenging tussen de aandrijfmotor en het aangedreven wiel. Een dergelijke samenstelling versimpelt het aandrijfsysteem maar verandert de eigenschappen van de ophanging van het voertuig.

Bij een conventionele aandrijving (elektrische of interne verbrandingsmotor) zijn de wielen en kleine delen van de aandrijving de enige ongeveerde delen van het voertuig. Bij een naafmotor is de aandrijfmotor in het algemeen een deel van de ongeveerde massa. De meeste elektrische motoren en alle interne verbrandingsmotoren zijn te zwaar om van de carrosserie van het voertuig verwijderd te worden en samengevoegd te worden met één of W.Vissers

augustus 2010

14-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

meer aangedreven wielen. Een elektromotor die geschikt is om direct aan het aangedreven wiel bevestigd te worden moet een relatief lage massa hebben en een hoog koppel per gewicht. Bovendien moeten naafmotoren afmetingen hebben die klein genoeg zijn voor plaatsing nabij of in het wiel. Door onder andere de compacte uitvoering is de axiale flux schijfmotor een geschikte kandidaat voor toepassing in een naafmotorsysteem. Tevens heeft deze motor twee belangrijke voordelen ten opzichte van andere typen elektromotoren: ▪ het specifiek vermogen en het rendement zijn hoger dan bij elke vergelijkbare andere motor; ▪ aan het wiel dient slechts de rotor direct gekoppeld te worden in plaats van de gehele motor. Dit zorgt dus voor een reductie van de ongeveerde massa van het wiel .

3.4.2 Naafmotor met dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor Door de toepassing van de dubbelzijdige motor met interne schijfrotor als naafmotor in elektrische voertuigen kunnen kostbare mechanische componenten en verbindingen in het transmissiesysteem van het voertuig achterwege blijven. Om de motor aan het wiel te koppelen worden de twee statorkernen van de motor direct aan het voertuig bevestigd (zie figuur 3.23. De rotor is aan de wielas gekoppeld en is vrij om in verticale richting te bewegen als reactie op variaties in de hoogte van het wegdek. Dit heeft echter koppelpulsaties tot gevolg en deze moeten, met een geschikt regelsysteem, geëlimineerd worden om een veilig werking van het voertuig te garanderen .

fig. 3-23

W.Vissers

augustus 2010

15-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

Enkele voorbeelden van Wheel-motoren:

Het hybride truck prototype van DAF met naafmotoren va n traction

direct Wheel drives van e-traction

fig. 3-24 W.Vissers

augustus 2010

16-42

Autotechnologie 3PB-AU

Hoofdstuk 3: Speciale motoren

3.5 De schijfmotor De schijfmotor is ook een type van axiale fluxmotor. 3.5.1 Samenstelling De schijfankermotor is een gelijkstroommotor. De rotor (figuur 3.25) bestaat uit een schijf isolatiemateriaal (a) waarop aan beide zijden geleiders (b) onder de vorm van dunne koperen banen aangebracht zijn (figuur 3.26). De koperen banen kunnen geëtst zijn zoals bij printplaten. De koperen banen komen allemaal samen in het centrum van de schijf. Op die plaats drukt een stel borstels (c) rechtstreeks tegen de schijf en maakt contact met de geleidende ankerbanen. Het centrum van de schijf doet dus dienst als collector. Op de borstels wordt een gelijkspanning aangesloten. Elke stroombaan die zich aan de rechterkant van de schijf bevindt, is via de ra...