Inhoud. 1. Inleiding 4

Transcriptie

1 1

2 Herziene derde druk Juli

3 Inhoud. 1. Inleiding 4 2.Schepen, voortstuwingssystemen en rendement De scheepsschroef Het rendement van de schroef Elektrisch varen Aanvullende informatie Vermogen en snelheid Conclusies Aanvullende informatie De methode om het benodigde vermogen te berekenen De elektrische aandrijving De elektromotor Aanvullende informatie Vermogen, koppel en toerental Toerental Rendement De gelijkstroommotor Het toerental van de gelijkstroommotor Gelijkstroommotoren en hun magnetisch veld Achteruit varen Welk type motor voor elektrisch varen Motorgegevens interpreteren Borstelloze motoren, de toekomst Samenvatting De regelaar Voor en achteruit varen Hoe zwaar kiezen we de regelaar Aanvullende informatie De accu s Geschiedenis Verschillende soorten accu s De Loodaccu Levensduur van een loodaccu Zelfontlading van accu s Capaciteit van een accu Meten van de accucapaciteit Soorten loodaccu s Welk accutype voor het elektrisch varen Accuschakelingen Hoeveel accu s heb ik nodig om hoe lang te kunnen varen? De plaats van de accu s aan boord Aanvullende informatie Serie schakeling van cellen en accu s Parallel schakeling van accu s De vaartijd afhankelijk van de accucapaciteit en snelheid De lader Snelladers Rendement van de totale installatie Bekabeling Onderhoud Onze elektrische aandrijving in de winter Aanvullende informatie Binnenboord en buitenboord Hybride systemen Diesel met elektrische hulpmotor Elektrische aandrijving met dieselgenerator Aanvullende informatie Brandstofcellen, de toekomstdroom van elke watersporter De brandstofcel De reformer Kostenvergelijking elektrisch varen Elektrisch varen, wanneer wel en wanneer niet 71 3

4 1. Inleiding. Als je zo n 20 jaar beroepsmatig met elektrische aandrijftechniek te maken hebt gehad en je aan het water komt te wonen, is de verleiding groot om elektrisch te willen gaan varen. In 1991 was het voor mij zo ver en hakte ik de knoop door. Er moest een elektrische sloep bij het huis komen. Botenbouwers die ik in die tijd bezocht en over elektrisch varen aansprak, waren weliswaar geïnteresseerd maar erg terughoudend. Veelal kreeg ik opmerkingen te horen zoals: te duur, te moeilijk, te korte actieradius etc. De leveranciers van elektrische systemen voor bootjes, die toen op de markt waren, kwamen vrijwel allemaal uit de vorkheftruck markt. Een vorkheftruck gebruikt in principe dezelfde componenten, zoals gelijkstroommotor, snelheidsregelaar en batterijen. In feite werd een volledige aandrijving van een vorkheftruck, met al zijn specifieke toeters en bellen in een boot gebouwd, nu alleen voorzien van een industriële joystick voor voor-achteruit en regeling van snelheid. Er was echter geen systeem te koop, dat werkelijk voor kleine schepen ontworpen was. Daarom besloot ik er zelf een te bouwen. De laagtoerige gelijkstroommotor werd door een fabrikant van elektromotoren volgens mijn specificatie gebouwd. Voor het regelen van het toerental koos ik een eenvoudige regelaar van het type, dat in elektrische golfcars wordt gebruikt. De joystick, compleet met schakelmechanisme en de schroefasinstallatie maakte ik zelf. Eenvoudige semi-tractie batterijen die voor verlichting in caravans en campers worden gebruikt completeerden het geheel. Silence Electrique, onze 5 meter lange sloep werd in 1992 officieel te water gelaten en heeft tot op heden al mijn verwachtingen ruimschoots overtroffen. Enthousiast over elektrisch varen word je pas echt, als je het een keer gedaan hebt. En dat gebeurde ook met mij, en vanzelfsprekend wilde ik mijn enthousiasme ook met anderen delen. Helaas stel ik daarbij ook nu in 2003 nog steeds vast, dat er veel onbegrip heerst, in het algemeen veroorzaakt door een onvoldoende fundamentele kennis van voortstuwingstechniek voor schepen en elektrische aandrijftechniek. Tel hier een overdosis wildwest verhalen bij op en we hebben de huidige situatie aardig omschreven. Opmerkingen als met mijn 23 pk diesel kan ik dus minstens 4 maal zo snel als jij met je 5 PK elektromotor en je kunt alleen maar van die hele dure tractie batterijen gebruiken die maar 3 jaar mee gaan hoor ik nog vaak. Het wordt pas een interessante discussie, als ik dan ook nog beweer, dat een moderne hoog rendement elektrische aandrijving goedkoper is dan een kleine diesel en dat de totale onderhoudskosten en afschrijvingen ook nog eens lager uitvallen. In dit boekje zullen een aantal onderwerpen behandeld worden, die helpen een beter inzicht in elektrisch varen te krijgen. 4

5 Aan de meeste hoofdstukken is een deel toegevoegd met aanvullende informatie voor de technisch ingestelde liefhebbers. Voor elektrisch varen geldt zeker: Als je het een keer gedaan hebt, wil je nooit meer wat anders. Mobiele elektrische aandrijvingen bestaan al heel lang. Rond 1910 was ca.10% van alle auto s elektrisch. Dit kwam doordat de meeste vrouwen het met de hand aanslingeren van de motor te zwaar of gewoon niet Lady like vonden. Deze elektrische auto s hadden een zeer primitieve snelheidsregeling met weerstanden en ondanks de reusachtige accu s een zeer beperkte actieradius. Met de uitvinding van de elektrische startmotor voor benzinemotoren stierf de elektrische auto. Met de nieuwe trend van elektrische of hybride auto s, scooters en motoren zal ook het elektrisch varen gestimuleerd worden, doordat gelijke componenten in beide toepassingen gebruikt worden. Ook zullen er nieuwe impulsen gegeven worden aan de ontwikkeling en massaproductie van nieuwe batterijen. Zo word aangenomen dat lithium ionen batterijen, die een vijf maal hogere capaciteit hebben als loodaccu s van gelijke afmetingen en gewicht, binnen vijf tot acht jaar prijstechnisch aantrekkelijk worden voor elektrisch varen. Ook wordt er momenteel gewerkt aan hele nieuwe unieke aandrijf concepten, die ook bij elektrisch varen hun toepassingen zullen vinden. Het elektrisch varen op zich is ook zeker niet nieuw. Alle onderzeeërs varen elektrisch. Zo ook vele grote zeeschepen waarbij een diesel of turbine een generator aandrijft, die op zijn beurt de elektriciteit voor de elektrische aandrijving levert. Door de hoge prijs, de beperkte actieradius en de onbekendheid met de mogelijkheden, was elektrisch varen voor kleine schepen in het verleden niet erg populair. Dit is de laatste jaren snel aan het veranderen 2. Schepen, voortstuwingssystemen en rendementen. Voordat we specifiek het elektrisch varen bespreken, moeten eerst een aantal belangrijke punten over de theorie van scheepsvoortstuwing verklaard worden. 2.1 De scheepsschroef Een schroefachtig apparaat, voor het voortstuwen van water, is niet nieuw. In 945 v.c. gebruikten de Egyptenaren al een schroefachtig apparaat voor irrigatie van hun akkers. 5

6 Archimedes ( v.c. ) was de eerste die de schroef als voortstuwingsmechanisme wetenschappelijk beschreef. Leonardo da Vinci ( ) maakte tekeningen van schroeven voor waterpompen. Zijn tekeningen van een helikopter, met een rotor die veel weg heeft van de eerste scheepsschroeven, zijn alom bekend. In het begin van de 19 e eeuw was het schoepenrad de gebruikelijke manier van voortstuwen. De scheepsschroef, zoals die heden ten dage wordt toegepast, werd uitgevonden door Francis Petit Smith, die dit in 1836 vastlegde in een patent. De eerste schroeven hadden, ofwel meerdere achter elkaar gemonteerde wielen, ofwel een schroef met meerdere gangen, als een spiraal. Ze leken daarmee nog niet erg op de schroeven van nu. Francis Petit Smith experimenteerde met een houten schroef met twee complete gangen op het Paddington kanaal. Toen er een stuk hout onder zijn boot kwam, sloeg meer dan de helft van zijn schroef eraf. Het gevolg was dat zijn boot plotseling veel sneller ging varen. Door dit voorval ontstond het idee om een schroef van meerdere smalle bladen te voorzien. De voorvader van de huidige scheepsschroef was geboren. De in Zweden geboren en in Engeland werkende John Ericsson verbeterde het ontwerp en bouwde schepen die van een schroef waren voorzien die al heel veel leek op de huidige schroef. In Engeland werd hij niet erg gewaardeerd en daarom emigreerde hij naar Amerika waar hij zijn experimenten in dienst van de marine voortzette. Pas echt bekend of berucht werd Ericsson toen hij, aangemoedigd door de activiteiten van zijn broodheren, een heel nieuw kanon had bedacht. Het ding werd uitgeprobeerd aan boord van een marineschip, waarbij een groot aantal hoogwaardigheidsbekleders aanwezig was. Het kanon explodeerde en richtte een waar bloedbad aan. Ericsson stond bescheiden, of voorzichtig achteraan en overleefde de explosie. Hierna wilde de marine lange tijd niets meer van hem horen. Een kanon moet een slachting bij de vijand aanrichten en niet onder de eigen manschappen. Later bouwde hij het beroemde schip de Monitor voor de marine waardoor hij weer geheel in ere hersteld werd. J.Ericsson 6

7 2.2 Het rendement van de schroef. Met name bij elektrische aandrijvingen, maar ook bij een diesel of benzinemotor, willen we, dat de energie die in de boot gestopt wordt, zo veel mogelijk wordt omgezet in voortstuwing. Het rendement van de schroef is de verhouding tussen de energie die de schroef levert en de energie die erin gestopt wordt. Dit is een onderwerp waar je veel te weinig over leest. Wellicht komt dat, omdat hier een vrij complexe theoretische achtergrondkennis voor nodig is. Het rendement van scheepsschroeven laat zich, naar mijn mening, toch op een redelijk eenvoudige manier verduidelijken. We gaan ervan uit, dat een scheepsschroef een koker of tunnel water met de diameter van de schroef van voor de schroef naar achter de schroef verplaatst. Hierbij gedragen de bladen van de schroef zich als de vleugels van een vliegtuig. Er ontstaat een onderdruk voor de schroef en een overdruk achter de schroef. Het verschil in druk levert de energie waarmee de boot vooruit gaat. Voor een hoog rendement moet de boot met ongeveer dezelfde snelheid naar voren gaan als de tunnel met water naar achteren verplaatst wordt. Anders gezegd, de tunnel water staat vrijwel stil en de boot schroeft zich hier doorheen naar voren. De spoed van de schroef is de verplaatsing van de tunnel water per omwenteling en wordt meestal in inches opgegeven. Een schroef met grote spoed zal dus een tunnel water sneller verzetten dan een schroef met een kleinere spoed, bij gelijk toerental. De boot zal nooit met dezelfde snelheid naar voren gaan als de tunnel water naar achteren. Het verschil wordt de propellerslip genoemd, en zal bij een juist berekende schroef tussen 10 en 20% liggen. Anders gezegd, 10 tot 20% meer water moet naar achteren worden gestuwd, dan de boot snelheid naar voren maakt. Laten we nu aan de hand van een praktijkvoorbeeld het rendement van een scheepsschroef verduidelijken. 7

8 We nemen een heel licht bootje met een relatief vlakke bodem, dat door zijn vorm en gewicht heel gemakkelijk planeert. Een rubberboot, van het soort dat vaak als bijboot wordt gebruikt, is een goed voorbeeld. Bij deze boot heb ik aan een tunnel water met kleine diameter genoeg om voldoende stuwkracht op te wekken. Wel moet het water met hoge snelheid naar achteren verplaatst worden, om de boot met vrijwel dezelfde, hoge snelheid (planerend) vooruit te laten komen. Voor deze toepassing kiezen we een schroef met kleine diameter en relatief grote spoed. Een buitenboord motor heeft een relatief kleine schroef en een grote spoed en zal op de rubberboot van ons voorbeeld, een hoog rendement hebben. Nu nemen we dezelfde buitenboordmotor en hangen hem aan een zwaar rechthoekig stalen ponton van gelijke afmetingen. Dat wordt schrikken, veel kolkend water achter de schroef, maar nauwelijks snelheid en een zeer laag rendement. Als ik hier een motor met een laag toerental zou hebben gebruikt en een grote schroef met weinig spoed, dan zou mijn ponton met redelijke snelheid vooruit zijn gekomen. Om de logge massa van een ponton vooruit te krijgen heb ik een relatief grote tunnel water nodig die langzaam naar achteren stroomt. Anders gezegd, ik moet bij een zwaar en log schip veel watermassa over een kleinere afstand verplaatsen om een hoog rendement te hebben. Buitenboord motoren worden over het algemeen met een specifieke schroef geleverd. Diameter, spoed en toerental zijn gekozen voor een optimaal rendement bij de meest voorkomende toepassingen. De grootste markt voor buitenboord motoren is Noord Amerika, waar ze bijna altijd in planerende boten worden toegepast. Een drie meter lange aluminium visboot heeft daar minimaal een 10 pk buitenboord motor en vaart met gemak 25 km per uur. Deze motor heeft een kleine schroef met een grote spoed. De keuze van het motorvermogen wordt in de Noord-Amerikaanse markt sterk beïnvloed door de grootte van de motor van de buren, maar dit ter zijde. Als de 10 pk motor van ons voorbeeld nu op een kajuitzeilboot van 7 meter lengte wordt gebruikt, dan zal het schroef rendement aanmerkelijk lager liggen. 8

9 In dit geval zal het rendement zelfs hooguit 20% bedragen. Helaas blijkt uw dure 10 pk motor dan nog maar een 2 pk modelletje te zijn, maar wel met de dorst van zijn veel grotere broer. Hoe komt het dan dat de boot toch redelijk snel vaart met deze motor? Het antwoord is eigenlijk heel eenvoudig. De 7 meter zeilboot haalt met 2 pk door de schroef afgegeven vermogen zeker zijn rompsnelheid. Dit is de snelheid die de boot, niet planerend, reëel kan bereiken. Hierover later meer. Nog even terugkomend op de schroef van een buitenboordmotor. Velen van ons kunnen zich de Seagull buitenboord motoren van vroeger nog wel herinneren. Het 5 pk model had een schroef met een diameter van ca. 30 cm. Die was zeker niet voor een snel varende rubberboot gedacht. Je zag ze achter kleinere kajuitzeilers of houten sloepen. Ze hadden voor deze toepassing een juist gedimensioneerde forse schroef, met een relatief hoog rendement. Theoretisch kan een maximaal schroef rendement van ca.65% behaald worden. In de praktijk is dit echter absoluut onmogelijk. Een heel goed berekende schroef die met uiterste precisie is gegoten en geslepen haalt een rendement van maximaal 60%. Voor normaal in de handel verkrijgbare schroeven is een rendement van 50% al heel goed. In het goedkopere marktsegment is een rendement van 45% al een hele prestatie. Uit bovenstaande wordt duidelijk dat we de helft of zelfs meer van het door de motor geleverde vermogen in de schroef verliezen. Wat dit betekent voor de wat grotere motorschepen laat het volgende voorbeeld zien. Een motorboot van 11 meter lengte en een waterverplaatsing van zo n 10 ton en een diesel van 200 PK gebruikt bij 2/3 vermogen, naar schatting, 40 liter brandstof per uur. Bij de huidige brandstofprijzen kost dit dus ongeveer 34 per uur. Hiervan wordt 17 per uur weggegooid. Het loont dus zeker de moeite om naar het rendement van uw schroef te kijken. Gaat u voor uw schip een nieuwe schroef bestellen, vraag dan om de computeruitdraai van de berekening. Hierop moet het voor uw toepassing berekende schroefrendement vermeld staan. 9

10 Er zijn helaas leveranciers van schroeven die het met het optimale rendement van het door hun geleverde product niet zo nauw nemen. U hebt immers toch genoeg PK s aan boord!!! Ook moet ik constateren dat de kwaliteit van schroeven van de diverse leveranciers sterk uiteen loopt. Bij een elektrische aandrijving is het doel zo stil mogelijk en zonder enige trillingen in het schip te varen. De schroef moet dus dynamisch gebalanceerd zijn en zo exact mogelijk gegoten en geslepen zijn. De meeste kwalitatief hoogwaardige leveranciers laten hun schroeven door een gespecialiseerd bedrijf naslijpen en balanceren. Het is aan te bevelen om dan ook een anti zingrand aan de schroef te laten slijpen. Hiermee wordt voorkomen dat de schroef bij bepaalde snelheden in resonantie komt. Dit laatste wordt ook wel het zingen van de schroef genoemd. Een heel irritant geluid. 2.3 Elektrisch varen. Waarom gaan we elektrisch varen? In de meeste gevallen wordt de keuze van een elektrische aandrijving gemotiveerd door: Stil willen varen Geen stank van een brandstofmotor Geen onderhoud Geen haast hebben Op deze redenen zal in de komende hoofdstukken nader worden ingegaan. Elektrische aandrijvingen zullen vrijwel nooit in planerende toepassingen worden gebruikt. Uit de verderop in dit hoofdstuk gegeven formule voor het berekenen van het rendement van een schroef is te herleiden, dat het rendement toeneemt bij: Grotere schroefdiameter Lager schroeftoerental Op ontwerp technische gronden, kan de schroef niet onbeperkt groot gekozen worden. De ruimte tussen schip en schroef moet voldoende groot zijn, de as niet te schuin omlaag steken en er moet voldoende water boven de schroef staan. Bij te weinig ruimte tussen schroef en boot kan cavitatie optreden. Dit is een verschijnsel, dat we altijd zien als een vooruit varend schip snel achteruit slaat. Gasbellen slaan met kracht tegen de bladen van de schroef. 10

11 2.4 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Het rendement van een schroef van een varend schip wordt berekend met de volgende formule. Afgegeven vermogen schroef R = X 100% Afgegeven vermogen motor Ofwel: V1 X D ( V1 + V/2) X Sg X V R = X 100% M X N In deze formule is: V1 Scheepssnelheid in m/sec. D Diameter van de schroef in m. V Verschil tussen snelheid inkomend en uitgaand water op de schroef Sg Soortelijke massa van het medium ( water) 1000 kg/m 3 M Door de motor geleverde koppel N Toerental van de schroef. Doordat de diameter van de schroef in de teller van de formule staat, zal een grotere diameter van de schroef een groter rendement opleveren. Een hoog toerental geeft een laag rendement. Scheepsschroeven en waterverplaatsing. Zoals in het algemene deel van dit hoofdstuk al is beschreven verplaatst de schroef een tunnel water van voor naar achter de schroef. De hoeveelheid water die per tijdseenheid verplaatst moet worden is gelijk aan de waterverplaatsing over deze tijd. We kunnen ons dit als volgt voorstellen. Stel dat een rechthoekig ponton in een zandbak ligt. Als we het ponton een meter naar voren willen verplaatsen moeten we een gat graven met de breedte en diepte van het ponton en een meter lengte. We schuiven het ponton één meter naar voren en vullen het gat dat achter het ponton is ontstaan weer op met het zand dat uit het gat is gekomen. Verplaatst water Bij een schip in het water werkt het op dezelfde manier. Als we een schip een meter naar voren willen verplaatsen moet de schroef een hoeveelheid water naar achter verplaatsen gelijk aan de waterverplaatsing per meter waterlengte. 11

12 Met dit gegeven kunnen we een formule berekenen die het verband aangeeft tussen de afmetingen van de schroef, het motortoerental en de verwachte rompsnelheid. De formule: W.verpl. D 2 S = 95,54 W.lijn X n Hierin is: D: Diameter van de schroef in meters. S: Spoed van de schroef in meters. W.verpl: Waterverplaatsing in tonnen. W.lijn: Lengte waterlijn in meters. n Toerental schroefas. Als voorbeeld nemen we een boot met de volgende gegevens: Waterverplaatsing: 0,450 ton Waterlijn: 4,5 meter Astoerental 1000 toeren Rompsnelheid 9,52 Km per uur D 2 S = 0, We kiezen een schroef met een diameter D van 12. Dit is 0,3048 meter Door deze waarde in de formule in te vullen vinden we de benodigde spoed S. We vinden de waarde 0,21815 meter. Dit is 8,5 inch. We kiezen dus een schroef met een spoed van 9 inch. Deze formule houdt geen rekening met allerlei verliezen maar geeft toch een heel redelijke benadering voor de afmetingen van een schroef voor een bepaald schip. Cavitatie. Zoals eerder gesteld, slaan, bij cavitatie, gasbellen met kracht tegen de bladen van de schroef. Vaak hoor je zeggen, dat de schroef dan lucht slaat. Dit is echter niet juist. Waar zou immers plotseling onder het schip lucht vandaan moeten komen? Het gas dat bij cavitatie vrij komt, is in feite waterdamp ofwel stoom. Dit fenomeen laat zich eenvoudig als volgt verklaren. Water kookt op zeeniveau (101 kpa) bij 100 C. Als de druk afneemt wordt ook het kookpunt lager. Bij het achteruitslaan van een vooruit varend schip ontstaat een sterke onderdruk achter de schroef. Water kookt bij een verlaagde druk van 1.7 kpa al bij een temperatuur van 15.5 C. Dit verklaart de gasbellen bij cavitatie. 12

13 3. Vermogen en snelheid. Hoe emotie en gevoel kunnen botsen met de wetenschap! Laatst sprak ik een importeur van mooi gelijnde open sloepen. We hadden het, zoals gewoonlijk, over elektrisch varen en hij had er al aardig wat ervaring mee. Vanzelf gaat een gesprek dan in de richting van het vermogen dat bij de boot past. Hij vertelde dat veel klanten voor scheepjes van rond de 6 meter vragen om een diesel van 20 pk of zelfs 40 pk, omdat ze vinden, dat daarmee pas lekker snel gevaren kan worden. De leverancier bouwt standaard 13 pk in en kan de klant niet altijd overtuigen, dat alles boven de 5 pk alleen maar weggegooide energie is. Hij vertelde me zelfs op te moeten passen, dat de klant niet naar een andere leverancier stapt, die wat minder zorgvuldig is met zijn advies. Beste lezers, er is niets in de watersport, dat met meer emotie wordt benaderd dan motorvermogen en snelheid. Een aantal sloepenbouwers laat zelfs zien, dat je met een hele dikke motor en afschuwelijk lelijke trimvlakken achter een sloep, planerend kan varen. Koop dan toch gewoon een mooie klassieke speedboot, die voor dat werk ontworpen is en zeker zoveel uitstraling heeft! De sloepen die tegenwoordig gebouwd worden, zijn vrijwel altijd afgeleid van klassieke ontwerpen, die bedoeld waren om mee te roeien. Ze hebben weinig vermogen nodig om vooruit te gaan maar zijn niet in staat te planeren. Waterskiën achter een roeiboot is volgens mij alleen maar een keer in een Asterix en Obelix verhaal geprobeerd. Daar lukte dat met behulp van toverdrank heel goed. De meeste sloepen, kleine rond gebouwde motorschepen en kajuitzeilers kunnen niet planeren. Dit komt, omdat het vlakke horizontale deel van de romp niet voor voldoende lift kan zorgen, om het gewicht van het schip, bij het beschikbare vermogen, over de boeggolf heen, uit het water te tillen. Deze water verdringende schepen hebben een natuurlijk begrensde reële maximale snelheid, die de rompsnelheid wordt genoemd en afhangt van de lengte van de waterlijn. Als het schip op deze snelheid vaart en het vermogen wordt opgevoerd, zal de snelheid steeds minder toenemen. Wat we zien is dat de achterplecht verder het water in wordt getrokken en er alleen maar hogere golven worden geproduceerd. Het lijkt erop alsof de schroef probeert het schip over zijn boeggolf heen te duwen. Dit effect is heel goed te zien bij een zwaar planerend schip. Als op de rompsnelheid het vermogen wordt opgevoerd, zie je de spiegel eerst verder het water in gedrukt worden waarna het lijkt alsof de boot over zijn eigen boeggolf heen springt. Als het schip niet kan planeren wordt de achterplecht verder het water ingetrokken, wordt de stroomlijn veel slechter en wordt de extra energie vrijwel alleen in golven omgezet. Let wel, dit geldt alleen voor verdringende schepen, bij planerende schepen gaat dit verhaal niet op. 13

14 De consequentie van dit betoog is dat in de praktijk vrijwel alle extra vermogen, boven dat wat nodig is om het schip op rompsnelheid te brengen geheel in golven wordt omgezet. Er moet echter altijd wel wat extra vermogen aan boord zijn om ook bij sterke tegenwind of flinke golfslag extra stuwdruk te kunnen genereren. De rompsnelheid van een verdringend schip kan eenvoudig berekend worden met de volgende formule. V = 2.43 X Wl. Waarin: V = Snelheid in knopen. Wl = Varende waterlijn, ook wet de natte lengte genoemd. ( lengte van het schip op de waterlijn) Wil men de snelheid in km/uur berekenen, dan moet de uitkomst met 1,852 vermenigvuldigd worden. De volgende tabel geeft enige uitkomsten. Eigenaren van schepen met een waterlijn langer dan 12 meter zullen waarschijnlijk wel een rekenmachine hebben om hiermee de rompsnelheid van hun schip zelf uit te rekenen. Het verband tussen motorvermogen en snelheid kan niet eenvoudig met een simpele formule worden berekend. De fabrikanten van scheepsschroeven maken allen gebruik van software programma s. Bij grote schepen of bij voorbeeld zeegaande racers worden sofware modellen gemaakt. Vaak moeten er voor deze toepassingen zelfs de sleeptank en een schaalmodel aan te pas komen. Lengte waterlijn in m. Snelheid in knopen Snelheid in km/hr Het benodigde vermogen hangt af van vele factoren, zoals het natte oppervlak, het gewicht, de lengte breedte verhouding en de vorm van het onderwaterschip. Voor een goed gelijnd schip zoals een sloep kunnen we globaal stellen dat 1kW door de schroef geleverd vermogen nodig is per Kg waterverplaatsing (gewicht) van de boot. Uitgaande van een schroefrendement van 50% zou dus 2 kw motorvermogen per Kg waterverplaatsing voldoende zijn. Er bestaat een redelijk nauwkeurige manier om het benodigde motorvermogen van een bestaand schip bij verschillende toerentallen en snelheden te berekenen. Deze methode wordt in de aanvullende informatie voor liefhebbers uitgebreid beschreven. Daar wordt, aan de hand van een praktijkvoorbeeld, het verband tussen snelheid en het exponentieel stijgen van het benodigde vermogen aangetoond. 14

15 Toerental Snelheid Vermogen in knopen in pk ,35 1, ,00 3, ,70 5, ,35 7, ,95 10, ,40 14, ,85 19, ,15 25, ,55 32, ,90 40, ,15 50,00 Hier een korte samenvatting. Van een ruim 12 meter lang zeilschip met een natte lengte van 11,2 meter, voorzien van een dieselmotor van 50 pk en een rompsnelheid van 8,13 knopen, werden metingen verricht en de benodigde vermogens berekend. Voor elektrisch aangedreven schepen gelden dezelfde wetten en kunnen soortgelijke metingen worden verricht. De volgende tabel geeft een overzicht van de resultaten: 3.1 Conclusies. De laatste 20% snelheidsvermeerdering kost ongeveer 70% van het totaal beschikbare vermogen. Op halve rompsnelheid is maar 7% van het vermogen nodig! We zetten de belangrijkste zaken nog even op een rij. 1. Meer energie van de motor vragen, dan nodig is voor het bereiken van de rompsnelheid, verhoogt de snelheid nauwelijks maar kost wel heel veel meer brandstof. 2. Een kleine verlaging van de snelheid heeft een enorm effect op het benodigde vermogen en dus op de actieradius. Toch wel even schrikken als we ontdekken wat de propellerwet, dat is de natuurkundige wet waarmee het verband tussen toerental en benodigde vermogen wordt berekend, allemaal voor consequenties heeft. Bij elektrisch varen moeten we vanwege de beschikbare capaciteit zuinig met de energie omspringen. Maar ook als we een diesel of zelfs een hybride aandrijving (diesel en elektrisch gecombineerd) hebben, kan het geen kwaad om over het verbruik en snelheid na te denken. Dieselbrandstof is tenslotte ook niet echt goedkoop. Voor het zeilschip van ons voorbeeld hebben we het uitgerekend. De tabel geeft weer hoeveel dieselbrandstof we nodig hebben om 50 mijl af te leggen en hoeveel tijd dat kost. 15

16 Snelheid Vermogen Verbruik Tijd voor in knopen in pk Liters voor 50 mijl 50 mijl in uren 3,35 1,85 6,08 14,93 4,00 3,20 8,80 12,50 4,70 5,08 11,89 10,64 5,35 7,59 15,60 9,35 5,95 10,80 19,97 8,40 6,40 14,18 25,46 7,81 6,85 19,72 31,66 7,30 7,15 25,60 39,38 6,99 7,55 32,55 47,42 6,62 7,90 40,65 56,60 6,33 8,15 50,00 67,48 6,13 We kunnen de helft aan brandstof sparen als we bereid zijn, om een uur later aan te komen. Dit geeft toch wel te denken! Als u nu de volgende keer weer gepasseerd wordt door een kruiser die, ver in het water getrokken, krampachtig aan de wet van de rompsnelheid probeert te ontglippen, niet meteen schreeuwen HEB JE HET BOEKJE ELEKTRISCH VAREN NIET GELEZEN Besef dat de benzinefabrikanten blij zijn met deze klant. 3.2 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Een redelijk nauwkeurige methode om het benodigde motorvermogen te berekenen maakt gebruik van de volgende formule, die ook wel de propellerwet genoemd. Hierin is: P = C x N 3 P Het vermogen in pk C Een constante afhankelijk van het schip en schroef N Het toerental van de schroef /100 Deze formule helpt ons niet veel bij een nieuw schip waar we de waarde voor C niet van kennen. Anders wordt het voor een bestaand schip. Als we van een bestaand schip de snelheid bij maximaal vermogen en toerental kennen, dan kan de waarde van C berekend worden. Met de waarde van C kan dan het opgenomen vermogen voor elk toerental van de motor berekend worden. Een praktijkvoorbeeld. We hebben op een windstille dag en op diep water, de snelheid en het bijbehorende toerental van ons, met een (hulp)dieselmotor aangedreven zeilschip nauwkeurig gemeten. 16

17 Eerst enkele gegevens. Schip. Beneteau Oceanis 40 CC bouwjaar 2001 Lengte waterlijn 11.2 m Max. breedte 4.0 m Gewicht ca Kg. Motor Nanni ( Kubota) 50PK bij Omw/min. De snelheid werd zowel met de Furuno GP1650 GPS als met het B&G log type Network Quad gemeten. In grafiek 1 wordt het resultaat van de meting weergegeven waarbij de waarde voor de gemeten snelheid gemiddeld is tussen log en GPS. 9,00 8,00 7,00 Grafiek 1 60,00 50,00 6,00 40,00 Volgens de formule op blz.12 kan de rompsnelheid voor ons schip berekend worden. 5,00 4,00 30,00 snelheid verm ogen Snelheid in knopen V = 2,43 X 11,2 = 8,13 knopen. We zien dat dit schip bij vol vermogen juist zijn rompsnelheid bereikt. 3,00 2,00 1,00 0, ,00 10,00 Vermogen in Kw 0,00 We berekenen nu de waarde C= 0,00185 en berekenen daarmee het motorvermogen bij verschillende toerentallen. De resultaten zijn eveneens verwerkt in grafiek 1. De grafiek laat duidelijk zien, dat het vermogen exponentieel stijgt met het toerental. De snelheid van het schip stijgt niet lineair met het toerental. Duidelijk is te zien dat de curve vanaf 2800 toeren afvlakt en een maximale waarde, de rompsnelheid, begint te naderen. 12,00 10,00 verbruik en snelheid grafiek 2. Van deze dieselmotor is het brandstofverbruik per pk bekend. verbruik in l/hr 8,00 6,00 In grafiek 2 laten we zien wat voor invloed de snelheid heeft op het brandstofgebruik. 4,00 2,00 Toerental van de motor 0,00 3,35 4,00 4,70 5,35 5,95 6,40 6,85 7,15 7,55 7,90 8,15 snelheid in knopen 17

18 3.2.1 De methode om het benodigde motorvermogen te berekenen bij elektrisch varen. We gaan er van uit dat een soortgelijk schip als dat waarmee we elektrisch willen varen reeds bestaat met een dieselmotor. We gaan als volgt te werk: 1. Met de formule V = 2.43 X Wl. Wordt de rompsnelheid berekend. 2. Met een draagbare GPS of een ingebouwd log wordt bij het schip met dieselmotor de snelheid gemeten. Het toerental wordt zolang opgevoerd, totdat de vooraf berekende rompsnelheid is bereikt. Het toerental waarbij deze snelheid bereikt wordt, wordt genoteerd. 3. We laten nu de motor op absoluut vol toerental draaien. Hierbij nemen we aan dat de schroef dusdanig is berekend dat ook daadwerkelijk het volle vermogen gevraagd wordt. 4. We kunnen nu het opgenomen vermogen bij de rompsnelheid als volgt berekenen. N1 3 P = Pmax X Nmax 3 Hierin is: P Het benodigde vermogen in pk. Pmax Het maximale motorvermogen in pk. N1 Net toerental waarbij de rompsnelheid wordt bereikt /100 Nmax Het maximale toerental van de motor /100 Even een voorbeeld om het geheel te verduidelijken. Een 7 meter lange sloep heeft een waterlijn van 6,20 meter en een 13 pk dieselmotor. De rompsnelheid is: 2,43 X 6,2 = 6,05 knopen. Als we met de sloep met windstil weer en op diep water varen, bereiken we de rompsnelheid bij 2100 toeren. Bij vol vermogen draait de diesel 3600 toeren. Nu gaan we even aan het rekenen. P = 13 X = 2,6 pk ofwel 1,9 KW. 18

19 In de praktijk zien we dan ook dat met een dergelijke combinatie van boot en dieselmotor zelden boven de 2100 toeren gevaren wordt. We gebruiken dan dus maar 20% van het geïnstalleerde vermogen. Wil iemand nu nog een 40 pk aanbevelen voor deze boot? Bij het kiezen van een elektromotor voor deze boot is dus 2 KW voldoende. Een iets lager vermogen zal de topsnelheid nog nauwelijks beïnvloeden. Welke elektromotor we kiezen en waarom, bespreken we in hoofdstuk 5, de elektromotor. 4. De elektrische aandrijving. Een volledige elektrische aandrijving bestaat uit de volgende delen. Lader Joystick Schakel paneel Batterijen Regelaar Motor Elektromotor. Regelaar. Joystick. Deze motor komt in de plaats van de Diesel met zijn keerkoppeling. De elektronische regeling zorgt ervoor dat de motor zowel voor als achteruit kan draaien. De regelaar wordt geschakeld tussen de batterijen en de motor en zorgt ervoor dat het toerental en de draairichting van de motor kunnen worden geregeld. De joystick is het bedieningsorgaan waarmee snelheid en richting worden ingegeven. De joystick vervangt de één handle bediening van de diesel, ook wel Morse bediening genoemd. 19

20 Batterijen. Schakelpaneel. Acculader. Bekabeling. In de batterijen wordt de elektrische energie opgeslagen. Door meerdere batterijen in serie te schakelen wordt de totale spanning verhoogd tot 24, 36, of 48 volt. Door batterijen parallel te schakelen wordt de capaciteit, en daarmee de actieradius verhoogd. Hierop vinden we functies zoals sleutelschakelaar, volt en ampère meter, en of batterij conditie meter, of zelfs de display van de tripcomputer die bij de huidige snelheid de actieradius berekent. Het is aan te bevelen de lader in de boot in te bouwen zodat onderweg bij elk stopcontact kan worden bijgetankt! Een set hoofd- en stuurstroomkabels voor de motorbediening en signaleringen. In de volgende hoofdstukken worden deze componenten in detail behandeld. 5. De elektromotor. De elektromotor is het hart van onze elektrische aandrijving. Voor de motor gelden de volgende eisen: -De elektromotor moet zo stil mogelijk zijn. -Het rendement moet zo hoog mogelijk zijn. Uit de voorgaande hoofdstukken weten we dat het schroefastoerental zo laag mogelijk moet zijn. In de praktijk gaan we uit van een toerental van 700 tot 1200 toeren, afhankelijk van de grootte en het gewicht van het schip. In principe kunnen we dit gewenste toerental op twee manieren bereiken. -Een hoogtoerige motor met reductiekast. -Een direct gekoppelde laagtoerige motor. De hoogtoerige motor is aanmerkelijk kleiner in afmetingen en voordeliger in aanschafprijs. Dit laatste wordt ten dele tenietgedaan door de prijs van de reductiekast. Het nadeel is het lagere rendement door de verliezen in de reductiekast en het iets hogere geluidsniveau. Motor met reductiekast 20

21 De laagtoerige motor is stiller, heeft een hoger rendement maar is duurder in aanschaf. Voor kleinere schepen (tot 7 meter en een motorvermogen tot 3 kw) raad ik de direct gekoppelde laagtoerige aandrijving aan. Daarboven is de aandrijving met reductiekast, uit kostenoogpunt, te prefereren. Voor elektrisch varen worden vrijwel uitsluitend gelijkstroommotoren toegepast. Van alle typen gelijkstroommotoren worden de seriemotor en de permanent magneetmotor het meest gebruikt. De seriemotor is specifiek geschikt voor tractie en wordt in zo goed als alle vorkheftrucks gebruikt. Ze worden in grote aantallen geproduceerd en zijn hierdoor relatief goedkoop. Het rendement van deze motoren is echter relatief laag. (55 tot 75%) De permanent magneet motor heeft de afgelopen jaren enorm in populariteit gewonnen. Dit komt door de introductie van nieuwe magneetmaterialen, waarmee compacte motoren met een zeer hoog rendement gebouwd kunnen worden. Hoewel deze motoren nog duurder zijn dan vergelijkbare seriemotoren, hebben zij mijn voorkeur, met name door het hoge rendement, waarover later meer. Gelijkstroommotoren zijn te herkennen aan de koolborstels die de elektrische verbinding verzorgen met collector. (Een gesegmenteerde koperen ring) Koolborstels slijten en zullen na verloop van tijd vervangen dienen te worden. De nieuwste trend in aandrijftechniek van voertuigen met accu s is de toepassing van borstelloze motoren. Van de vele toegepaste technieken zijn voor elektrisch varen de permanent magneet synchrone motor en de asynchrone motor geschikt. Deze motoren behoeven geen onderhoud, zijn muisstil, compact in bouwvorm en hebben een redelijk tot hoog rendement. Helaas is de regelaar voor het regelen van de snelheid zeer gecompliceerd, hetgeen deze aandrijvingen momenteel nog erg duur maken. De verwachting is dat deze aandrijvingen binnen een aantal jaren in prijs fors zullen dalen waardoor ze een geduchte concurrent voor die goede oude gelijkstroommotor zullen worden. Asynchrone motoren, zoals die veelvuldig in de industrie worden toegepast kunnen ook voor het elektrisch varen worden gebruikt. Deze motoren zijn vrij zwaar en hebben een relatief laag rendement. Enkele jaren geleden zijn er op het gebied van asynchrone motoren ontwikkelingen geweest om het rendement te verbeteren. Deze motoren hebben onder meer een blikpakket met dunner blik. Hierdoor is het rendement aanzienlijk verbeterd. Ten opzichte van de synchrone motor is de elektronische regeling minder gecompliceerd. De permanent magneet synchrone motor heeft een zeer hoog rendement maar is door de toegepaste magneetmaterialen nog vrij duur. 21

22 Korte samenvatting. Bij elektrisch varen wordt meestal een gelijkstroommotor toegepast. Een permanent magneet motor heeft een hoog rendement maar is duurder dan een seriemotor. Een motor met een laag toerental kan direct met de schroefas worden verbonden. Een hoogtoerige motor moet voorzien zijn van een vertraging. Voor motoren tot 3 kw is een directe aandrijving te prefereren door het hogere rendement en lager geluidsniveau. Permanent magneet synchrone motoren zijn duur maar perfect geschikt voor elektrisch varen. Door de gecompliceerde elektronica zijn ze momenteel nog aanmerkelijk duurder dan gelijkstroommotoren. Asynchrone motoren worden overal in de industrie toegepast. Voor het elektrisch varen zijn de standaard motoren minder geschikt door het relatief lage rendement. Motoren met dunner en hoogwaardiger blik (hoog rendement) zijn echter wel geschikt voor elektrisch varen. 5.1 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Er zijn heel veel verschillende soorten elektromotoren op de markt, die in feite allemaal voor specifieke toepassingen zijn ontworpen. Al deze soorten elektromotoren maken gebruik van dezelfde natuurkundige wet. Deze luidt: Op een stroom voerende geleider, die zich in een magnetisch veld bevindt, wordt een kracht uitgeoefend. Als we die geleider, op de omtrek van een trommel, in een magnetisch veld, bevestigen, en er voor zorgen dat de stroom in de juiste richting loopt, dan zal die trommel gaan draaien, de elektromotor is een fijt Vermogen, koppel en toerental. Het vermogen dat door een (elektro) motor wordt geleverd is afhankelijk van het toerental en de bij dit toerental ontwikkelde kracht. Bij roterende machines spreken we niet van kracht maar van koppel. Dit is de kracht die de roterende as op een bepaalde afstand van het hart van de as kan ontwikkelen. Voor het vermogen geldt de volgende formule. P = C x N x K Hierin is: P Het vermogen in kw N Het toerental in omw/min. K Het koppel in Nm.` C 0,

23 Het zal voor een ieder aannemelijk zijn dat een motor die ik in mijn hand kan houden, nooit zoveel koppel kan ontwikkelen, als een motor waar een serieuze takel aan te pas moet komen, om hem van zijn plaats te krijgen. Toch zou ik uit beide motoren hetzelfde vermogen kunnen halen. Als de kleine motor met een extreem hoog toerental draait, en de grote motor met een heel laag toerental, kan het vermogen van beide motoren gelijk zijn. Als voorbeeld: Motor Omw/Min. 1 Nm koppel 2kg gewicht Motor Omw/Min 100 Nm koppel 80kg gewicht Beide motoren leveren hetzelfde vermogen van 1,05 kw. Bij motorraces wordt een hoog vermogen bereikt met hoge toerentallen. Een 50CC motortje heeft maar een klein zuigertje en kan niet zo veel koppel genereren. Met moderne technieken ziet men echter kans, om deze motoren boven de toeren te laten draaien, waardoor een aanzienlijk vermogen uit een klein en licht motortje wordt geperst. Ze gaan daarbij niet zo lang mee, maar dat is bij motorraces niet zo n thema. Jammer is het als de motor juist besluit te overlijden tijdens de race, het voordeel is wel dat de coureur niet helemaal naar de haven terug moet peddelen. Dat is wel ons lot, als onze bootmotor er mee ophoudt Toerental. Vaak zien we in de praktijk, dat een relatief kleine motor wordt gekozen met een laag koppel en een hoog toerental. Het lagere schroeftoerental wordt bereikt door middel van een vertragingskast of poelies met verschillende diameter en een V snaar. De vertragingskast is zeker geen onbekende in de wereld van het varen. De meeste (kleinere) diesels draaien ongeveer 3600 toeren en hebben in de keerkoppeling een set tandwielen waarmee het schroeftoerental verlaagd wordt tot bij voorbeeld 1200 of 900 toeren. We spreken in dit geval over een reductie van respectievelijk 1:3 en 1:4. Elektrische aandrijvingen worden op het moment nog het meest toegepast in kleine schepen met een gewicht van 800 tot 2000 kg, een lengte van 5 tot 8 meter en een motorvermogen van 2 tot maximaal 6 pk. Meestal wordt een accuspanning gekozen van 24, 36 of 48 volt. Motoren van deze vermogens, bij de genoemde spanningen, worden in grote hoeveelheden gefabriceerd voor de aandrijving van hydraulische pompen en voor het rijden van kleine vorkheftrucks. 23

24 Tot 2,5 pk zien we het meest hoogtoerige motoren, die voor pompaandrijvingen ontwikkeld zijn en die voor het varen voorzien zijn van een reductiekast van bij voorbeeld 1:3. Voor de goede orde, een keerkoppeling is bij elektrisch varen gelukkig niet nodig. In tegenstelling tot onze brandstofmotor, kan de elektromotor in beide draairichtingen lopen. Het voordeel van een hoogtoerige elektromotor met aangebouwde reductiekast is, dat hij relatief goedkoop is, wat overigens voor een groot deel teniet wordt gedaan, door de kosten van de reductiekast. Enige nadelen zijn: 1. Een hoogtoerige elektromotor produceert meer geluid dan een laagtoerige. Ook is de reductiekast zeker niet stil. 2. Een reductiekast verliest tot 10% van het vermogen. Daar we met onze accu s zo ver mogelijk willen varen, is het rendement van het totale aandrijfsysteem van groot belang, dus moet onnodig verlies vermeden worden. Persoonlijk geef ik, voor motoren met een vermogen tot 3 KW, de voorkeur aan een direct gekoppelde elektromotor, zonder reductiekast. Een dergelijke motor is weliswaar 30 tot 40% duurder dan zijn kleine broertje, maar door het betere rendement zouden we met minder accucapaciteit kunnen volstaan. Over rendement van het ideale aandrijfconcept wordt later nog uitgebreid gesproken Rendement. Het rendement van een elektromotor is heel eenvoudig te berekenen. We meten het koppel en toerental op de testbank waardoor we het afgegeven vermogen kunnen berekenen. Het opgenomen vermogen wordt eenvoudig berekend door de stroom en motorspanning te meten. De verhouding tussen afgegeven vermogen en opgenomen vermogen geeft ons het rendement. Het is belangrijk dat we ons realiseren dat een elektromotor zijn hoogste rendement afgeeft, bij het nominale vermogen. Als we een te grote motor kiezen voor onze boot, en dus een flink deel van het beschikbare vermogen nooit gebruiken, zal het rendement laag zijn. Het is dus van belang een motor te kiezen met niet te veel overcapaciteit De gelijkstroommotor. Voor elektrisch varen worden tot op heden vrijwel uitsluitend gelijkstroommotoren gebruikt. Deze motoren hebben koolborstels om de elektrische stroom naar de draaiende rotor (ook wel anker genoemd) te voeren en weer terug. De koolborstels maken contact met een gesegmenteerde koperen ring, de collector. Aan de combinatie van koolborstels en collector herkennen we de gelijkstroommotor. 24

25 Zoals in het begin van dit hoofdstuk is vermeld, werken alle elektromotoren op hetzelfde principe. Op een stroom voerende geleider die zich in een magnetisch veld bevindt, wordt een kracht uitgeoefend. De uitgeoefende kracht wordt groter naarmate ofwel het magnetisch veld sterker is, ofwel de stroom hoger. Dit zouden we met de volgende formule kunnen weergeven. K = C x F x I Hierin is: K Het koppel C een constante F Sterkte van het magneetveld, ook wel flux genoemd I De elektrische stroom Uit de formule wordt duidelijk dat het koppel groter wordt, naarmate we meer stroom door de motor sturen en een heel krachtig magneetveld genereren. We bouwen dus heel eenvoudig een motor met een extreem sterk magneetveld, laten er een hoge stroom doorheen razen en we hebben alle pk s die we wensen. Helaas, was het maar zo simpel. Het magneetveld kan niet onbegrensd versterkt worden. Afhankelijk van de gekozen materialen en de constructie van de motor, zal er een verzadiging van het magneetveld optreden. Eenvoudig gezegd, er kan gewoon niet meer in! De elektrische stroom kan ook niet ongelimiteerd hoog worden, omdat de stroom naast kracht ook warmte genereert. Die warmte moet afgevoerd worden. Bij onvoldoende afvoer (koeling) zal de motor te heet worden, waardoor de isolatie tussen de elektrische geleiders verbrandt en er kortsluiting optreedt. Er is dus voldoende warmtegeleiding en koelend vlak nodig. Een grotere motor kan meer warmte afvoeren dan een kleinere. Korte samenvatting met betrekking tot kracht, koppel en vermogen. - Een motor met een hoog toerental en weinig kracht levert evenveel vermogen als een motor met een laag toerental en veel kracht. - De kracht die een gelijkstroommotor kan genereren wordt bepaald door de sterkte van het magneetveld en de maximaal toelaatbare elektrische stroom Het toerental van een gelijkstroommotor. Eigenlijk zou nu een heel gedetailleerde beschouwing moeten volgen over het generatoreffect van een draaiende motor. Ook zou in detail moeten worden ingegaan op de door de motor gegenereerde EMK (Elektro Motorische Kracht) en wat voor een effect dit heeft op het motortoerental. Binnen het kader van dit boekje lijkt het mij echter beter ons te beperken tot de conclusie. Het toerental van een gelijkstroommotor is afhankelijk van de aangelegde elektrische spanning. 25

26 Het verband tussen spanning en toerental is recht evenredig. Een verdubbeling van de spanning geeft in principe ook een verdubbeling van het toerental. Voorbeeld: Een motor draait bij 12 Volt 1000 toeren. Bij 24 volt is dit 2000 toeren en bij 36 volt 3000 toeren. In een formule ziet dit er als volgt uit: N = C x V Hierin zijn: N Het toerental C Een constante factor V De elektrische spanning. In dit hoofdstuk hebben we tot dusver de volgende formules besproken. P = C x N x K Het vermogen is afhankelijk van toerental N en koppel K. I. K = C x F x I Het koppel is afhankelijk van magneetsterkte F en stroom N = C x V Het toerental is afhankelijk van de elektrische spanning V. Als we deze formules samenvoegen krijgen we een duidelijk beeld van de factoren die het vermogen van een gelijkstroommotor bepalen. De uitgewerkte formule wordt: P = C x V x F x I Het vermogen van een gelijkstroommotor is afhankelijk van: -De elektrische spanning V -De flux ofwel sterkte van het magneetveld F -De elektrische stroom I Met deze kennis in huis zijn we meteen toegetreden tot het eliteleger van de motorexperts. Met het volgende praktijkvoorbeeld zullen we de consequenties van de formule eens nader analyseren. Motor 1. Vermogen 2 KW Toerental 5000 Omw/Min Spanning 24 V Stroom 100A Gewicht 15 Kg 26

27 Motor 2. Vermogen Toerental Spanning Stroom Gewicht 2 KW 1000 Omw/Min 24 V 100A 45 Kg Beide motoren zijn conventioneel gebouwd en het ontwerp is gebaseerd op gelijke magneetveld sterktes. We kunnen nu het volgende concluderen: - Het koppel dat motor 2 kan leveren is 5 maal sterker dan dat van motor 1. (het toerental is maar 1/5) - Het is dan ook niet vreemd, dat motor 2, 3 maal zwaarder is en ook aanzienlijk groter zal zijn. We kunnen stellen dat toeren voor een gelijkstroommotor in een industriële omgeving wel zo ongeveer de bovenste grens is. Als we motor 2 met 120 Volt zouden voeden, dan zou het toerental van deze motor tot 5000 toeren zijn opgelopen. De motor levert dan wel 10 KW. In feite is deze motor 5 maal zo groot qua vermogen als motor 1. Hiervoor is gesteld, dat het toerental van gelijkstroommotoren niet al te hoog kan worden opgevoerd. De middelpuntvliegende krachten die werken op de wikkelingen en de collector kunnen de wikkelingen uit de rotor trekken, of de collector uit elkaar laten springen. Dat zoiets er niet erg fraai uitziet kan ik vanuit de praktijk bevestigen. In vaktermen wordt dan over een vogelnest gesproken. De stukgeslagen wikkelingen van de motor lijken daar op Gelijkstroommotoren en hun magnetisch veld. Uit de natuurkunde is bekend dat een elektrische stroom in die spoel een magnetisch veld opwekt. In de elektromotor vloeit een stroom door (veld)spoelen, waardoor het magneetveld wordt opgewekt. Als door de veldspoelen dezelfde stroom loopt als door de rotor, dan spreken we van een seriemotor. De veldspoelen staan in serie met de rotor. Rotor Veldspoel 27

28 Worden de veldspoelen door dezelfde spanning gevoed als de rotor, dan spreken we van een shuntmotor. In dit geval staan het veld en de rotor parallel geschakeld. Rotor Veldspoel Bij stilstand loopt door de rotor van een gelijkstroommotor een heel hoge stroom. Als de motor een seriemotor is, zal dezelfde hoge stroom door de veldspoelen lopen. Hierdoor ontstaat een hoog koppel bij stilstand. Van deze eigenschap van de seriemotor wordt in tractietoepassingen gebruik gemaakt. Treinen, trams, vorkheftrucks en andere elektrisch voortbewogen voertuigen zijn voorzien van seriemotoren. Juist bij het optrekken vanaf stilstand is de meeste kracht nodig. Bij de shuntmotor is het magneetveld van de spanning afhankelijk. Zoals eerder vermeld is het toerental eveneens van de spanning afhankelijk. Bij de shuntmotor neemt het koppel met het toerental toe. Combinaties van shunt en seriewikkelingen komen ook voor. Naast motoren, die spoelen gebruiken om het veld op te wekken, zijn er ook motoren die permanente magneten gebruiken. Permanent magneetmotoren hebben de laatste jaren veel in populariteit gewonnen. Dit komt doordat een aantal nieuwe magneetstoffen zijn ontwikkeld waarmee extreem sterke permanente magneten kunnen worden geproduceerd. Met name het materiaal neodemium-ijzer-boor (NdFeB) is enorm populair. Dit materiaal heeft een zestienvoudige veldsterkte ten opzichte van het oude vertrouwde ferriet. Met dit nieuwe materiaal kunnen zeer compacte motoren met een hoog koppel gebouwd worden. De kracht van deze magneten ondervond ik op hardhandige wijze toen ik bij een constructeur van elektromotoren aan tafel zat. Hij liet me twee magneetsegmenten zien en zei nog, let er op ze zijn al bekrachtigd hoor! De twee magneten wilden met een vaart naar elkaar toe, dit ging niet omdat mijn vingers ertussen zaten!!! Achteruit varen Zoals hiervoor al kort werd vermeld heeft de elektromotor geen keerkoppeling nodig. Een gelijkstroommotor kan heel eenvoudig in beide draairichtingen werken en ook in beide richtingen het nominale vermogen leveren. 28