Elmotorens og strømmens ABC Af Lektor Peter Omand Rasmussen Aalborg Universitet Institut for energiteknik Elmotorens og strømmens ABC

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. Patentering fra et forskersynspunkt

Patentering fra et forskersynspunkt Elektrisk Spænding U = W/Q [V = J/C] Kredsløbs symbol (DC spænding) Patentering fra et forskersynspunkt Elektrisk strøm I = Q/t [A = C/s]

Patentering fra et forskersynspunkt Ohms Lov U = RI [V = ΩA] Simpelt batteri Patentering fra et forskersynspunkt UI karakteristik U [V] RL = ∞ Ω RL = 0 Ω I [A]

Effekt (generelt) P = W/t [W = J/s] Effekt (elektrisk) P = UI [W = VA] Strøm og spændings retninger ved ”effekt forbrug”

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

Lidt eksempler Tankning af bil 500 kasser dåse pilsner Aalborg tårnet 55 m Energi til at løfte 4 biler af 1 ton op i tårnet W = m·g·h = 4000·9.82·55 = 2.16 MJ 1 kWh = 3.6 MJ Dvs = 2.16/3.6 => W = 0.6 kWh 12 V, 55 Ah W = 0.6 kWh 1 l diesel ≈ 10 kWh Tankning af bil 1 kWh El koster knap 2 kr.

L AC-kredse Ohm’sk last U + i + P + AVG p i u Induktiv last i p u u i Problem med varierende effekt (1 cylinder knallert motor) Ohm’sk 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 !

To faser forskudt 90° og Ohm’sk last p1 p2 i Idiot formlen Ulempe 2 leder + federe retur leder (3 i alt) til to fasers strøm 8 transistorer i omformeren.

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

Hvad er en elektrisk maskine ? Omformer mellem elektrisk og mekanisk energi Elektrisk system Mekanisk system Elektrisk Maskine T, n u, i Motor Energi flow Generator

Kompasnål påvirkes af strømførende leder 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 F=BIL En spænding vil blive induceret hvis Den bevæger sig i et magnetisk felt e=BLv H. C. Ørsted 1819 Kompasnål påvirkes af strømførende leder Faraday 1821 Induktions loven -bevægelse Note : Volta batteri 1800

Permanent magnet og en elektro magnet

En magnetisk kobling Moment 90° forskudt DC maskinen Ulemper : kommutator, lav moment tæthed En udfasning på vej i mange applikationer

Praktisk DC maskine fra Sauer Danfoss (Thrige)

Teslas tofasede maskine (dreje felt) 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

Patentering fra et forskersynspunkt Moment-hastigheds karakteristik for en Lille/Mellem klasse bil med eksplosions motor Bemærk moment og hastighed omregnet til hjul Patentering fra et forskersynspunkt Matches perfekt af en el-motor med felt svækning Bemærk en el-motor har fuldt moment ved nul omdrejninger F=BIL e=BLv

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 Gensidigt Magnet PM Jern Reluktans Cogging ”kobling” Intet

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 Patentering fra et forskersynspunkt 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

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. Patentering fra et forskersynspunkt

Yderst få detaljerede informationer Siemens VDO “eCorner” system : Direct drive hjul motor Yderst få detaljerede informationer Michelin’s Active Wheel Mekanisk gearet løsning Motor roterer 30000 rpm

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 Patentering fra et forskersynspunkt

Patentering fra et forskersynspunkt Minder meget om en PMSM Kvadratisk magnet, fastlås i rotor blik Både PM og reluktansmoment Gode feltsvæknings egenskaber Patentering fra et forskersynspunkt Anvendes af Toyota i deres første hybrid (Prius) Toyota Camry 2007 (14000 rpm)

HOT Teknologi Både i forskningsverden og industrien Moment per volumen ~20Nm/l

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 Patentering fra et forskersynspunkt Blandt andet anvendt i GM’s EV1 og senest i Tesla Roaster

Patentering fra et forskersynspunkt 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 Patentering fra et forskersynspunkt Punch Powertrain i Belgien har nogle hybrid koncepter med CVT gearkasse WV + Daimler har haft aktiviteter Catapiller har investeret stort i teknologien

Patentering fra et forskersynspunkt Kort om traktions motor forskning på AAU Patentering fra et forskersynspunkt Magnetic forces creates torque Contact forces create torque Torque versus turning angle for a magnetic gear

Patentering fra et forskersynspunkt

Patentering fra et forskersynspunkt Målt moment tæthed : 40 Nm/l Slut samling af maskine Patentering fra et forskersynspunkt 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