Magnetische toepassingen in de motorvoertuigentechniek (6)

Magnetische toepassingen in de motorvoertuigentechniek (6) E. Gernaat, ISBN 978-90-808907-3-2 1 Elektromotoren 1.1 Inleiding 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. Het magnetische veld dat door de stroomvoerende Figuur 1: Een elektromotor is opgebouwd uit het anker (windingen en collector) en een magnetisch veld. 1

winding (ab) wordt opgewekt wordt door het magnetische veld van de veldmagneten afgestoten. Het koppel dat ontstaat doet de motor draaien. Om er voor te zorgen dat de winding daadwerkelijk roteert moet de stroomrichting na 180 0 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 als het aantal windingen, de ankerdiameter etc. In formule form: M = C x Φ x I anker 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 echter uitsluitend op wisselspanning. Bij een gelijkstroommotor moet de gelijkspanning omgezet worden in een wisselende spanning. Dit gebeurt mechanisch in de commutator (collector). Figuur 2: Uitvoering van een startmotor met permanente veldmagneten 2 De tegen-emk Een 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 de aangelegde of 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 2

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. + Uk Ut Ra M Figuur 3: De tegenspanning bij draaiende elektromotor. De effectieve spanning is Uk-Ut. 3 Eigenschappen van elektromotoren De eigenschappen van een elektromotor laten zich aflezen vanuit een grafiek. In zo n elektromotorgrafiek worden het koppel, het vermogen, de stroomsterkte en het toerental in relatie tot elkaar weergegeven. Zie fig. 4. Het aflezen P(W) I(A) 1500 150 t/min (x 100) 60 nominale spanning 12 V I P 1000 100 40 n 500 50 20 0 0 0 0 40 100 200 300 400 M (N.cm) Figuur 4: De eigenschappen van een elektromotor uitgedrukt in een grafiek. geschiedt als het volgt: Bij een gegeven werkpunt van bijv. 40 Ncm gaat men met een loodrechte lijn 3

omhoog. We snijden dan de stroomlijn, de vermogenslijn en de toerentallijn. Gaan we vanuit het snijpunt horizontaal naar links dan vinden we het vermogen, het toerental en de stroomopname. Elektromotoren moeten volgens Europese richtlijnen voorzien zijn van een CE-kenteken waarin onder meer de EMVrichtlijnen (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). Enige symbolen die we kunnen tegenkomen in relatie met Figuur 5: Opstelling van twee Hall-sensoren H1 en H2. R = ringmagneet, N en S zijn de polen, α = hoek tussen de Hallgevers gelijkstroom-elektromotoren worden in fig. 6 weergegeven. Figuur 6: Veel gebruikte symbolen: a) elektromotor met permanente veldmagneten; b) elektromotor met elektrisch bekrachtigde velkdmagneten; c) smoorspoel voor ontstoring; d) condensator voor ontstoring; e) weerstand; f) thermoschakelaar; g) eindstand-uitschakelaar; h) spanningsafhankelijke weerstand. 4

4 Toepassing van elektromotoren als stelmotor Er 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 kunnen klassieke DC-motoren zijn of stappenmotoren. We beschrijven eerst de stappenmotor. 4.0.1 Stappenmotoren Een stappenmotor is een elektromotor, welke geschikt is gemaakt voor stapsgewijze aandrijving (fig. 7). Hiervoor moeten de spoelen van de motor worden aangesloten op elektrische pulsen. De pulsgewijze aansturing van een dergelijke motor veroorzaakt een stapsgewijze rotatie. Wanneer de aansturing continu plaatsvindt ontstaat er een gelijkmatig draaiveld en werkt de motor als een synchroonmotor omdat de aanstuurfrequentie een maat is voor het toerental. De volgorde van de pulsen staat direct in relatie met de draairichting van de motor. Wanneer men de pulsen laat opwekken door een microcomputer dan kan Figuur 7: Afbeelding van een kleine stappenmotor 5

men stappenmotoren volgens een bepaald programma laten draaien. Ze functioneren dan als stelmotoren. Omdat elke stap een vast aantal graden bedraagt is terugkoppeling van de klepstand niet nodig. Ze werken dan regeltechnisch volgens een open loop regeling. Dit is een belangrijk voordeel van de stappenmotor omdat een potentiometer of Hallgever als terugkoppelelement niet nodig is. In de motorvoertuigentechniek vindt men stappenmotoren vooral toegepast wanneer doorstroomopeningen vergroot of verkleind moeten worden volgens een regelprogramma. Hoewel stappenmotoren de laatste tijd verdrongen worden door DC-stelmotoren komen we ze nog tegen bij de aansturing van bijv. luchtkleppen (klimaatsystemen), regelbare turbocompressoren, kilometertellers en EGR-kleppen. Er zijn drie basisuitvoeringen: motor met tandvormige rotor van weekijzer; motor met gladde rotor en permanente magneten; hybride uitvoering. De uitvoering met permanente magneten is relatief goedkoop De motor heeft 24 tot 48 stappen per omwenteling. De hybride uitvoering is aanmerkelijk duurder, is ook voorzien van tanden op de roter en heeft 100 tot 400 stappen per omwenteling. Wij bekijken hier de meest gebruikte stappenmotor met permanente magneten. 4.0.2 Werking Wanneer door een fasewinding (spoel) in de stator een elektrische stroom loopt dan ontstaat er een magnetisch veld (flux) in deze stator. De richting van de flux kan -zoals bekend- worden bepaald met behulp van de rechterhandregel. Fig. 8 geeft de richting van het veld weer wanneer de statorspoel B wordt bekrachtigd door een stroom met een gegeven richting. De rotor richt zich dan in het veld en wel zodanig dat de magnetische weerstand het kleinst wordt. In dit voorbeeld zal de motor een klein stukje rechtsom draaien. Verdere rotatie moet worden verkregen door de statorpoel A te bekrachtigen en wel zodanig dat pool 4 een noordpool en pool 8 een zuidpool wordt. Voor verdere rotatie zullen dus de fasespoelen afwissend volgens een bepaald patroon moeten worden bekrachtigd. Wanneer we plus laten overeenkomen met een (logische) 1 en de min met een (logische) 0 dan zal voor een volledige omwenteling het stappenpatroon volgens tabel 9 op de motor moeten worden gezet. Deze stapmode-sturing waarbij slechts 1 spoel wordt bekrachtigd wordt wel de wave sturing genoemd. Behalve de wave aansturing kennen we ook nog: de volle stap mode (full step); de halve stapmode (half step); de microstapmode (wordt niet behandeld). Stappenmotoren worden in principe aangestuurd door twee spoelen of fasen ofschoon er ook drie en vijf fasen motoren bestaan. De twee-fasen motoren kunnen verder weer worden onderverdeeld in bipolaire (fig. 10) en unipolaire 6

Figuur 8: Tengevolge van de stroom I B ontstaat een N- en Z-pool waardoor de rotor naar rechts verdraait. Figuur 9: Het stappenpatroon voor een volledige omwenteling. Stap 1 is afgebeeld in fig. 8. 7

motoren (fig. 11). Een bipolaire motor heeft 2 spoelen (1 spoel per fase) terwijl de unipolaire ook twee spoelen heeft maar nu met een middenaftakking zodat men zou kunnen spreken van vier spoelen. Op de middenaftakking komt de plus Figuur 10: Een bipolairemotor met twee spoelen waarvan de stroomrichting in windingen kan worden omgekeerd. Bipolair dus. te staan, de uiteinden kunnen voor de bekrachtiging aan de massa worden gelegd. De stroom gaat dus altijd in dezelfde richting door de spoelhelft. Vandaar de naam: unipolair. We spreken van een half step mode wanneer alle rotorposities van 1 t/m 8 worden benut. Wanneer van een motor alle spoeleinden (dus ook de middenaftakking) naar buiten worden gebracht dan kunnen deze motoren zowel bipolair als unipolair kunnen worden geschakeld. Fig. 10 en 11 zijn vereenvoudigde weergaven. In werkelijkheid bestaat de rotor en stator uit meerdere poolparen waardoor de verdraaiing per stap aanmerkelijk kleiner wordt. De motor met permanente magneten bevat evenveel rotor- als statorpolen. 12 poolparen is niet ongebruikelijk. De stapgrootte kan met de volgende formule worden berekend: staphoek in graden = 360 0 graden / (n-poolparen x n-fasen ) In ons voorbeeld: staphoek = 360 0 / (12 x 2) = 15 0 In de reeds besproken wave-aansturing wordt slechts 1 spoel per stap bekrachtigd. Bij de unipolaire motor gebruik men dan slechts 25% van de capaciteit en bij de bipolaire motor 50%. In de full-step aansturing worden twee spoelen tegelijkertijd bekrachtigd. De full-step mode resulteert in dezelfde hoekverdraaiing als bij de 1 spoel-aansturing alleen de rotorpositie is nu een halve stap verschoven omdat de rotor-magneet zich tussen de gelijknamige polen situeert. Fig. 10 geeft de voorbeeldstand weer. Het koppel van de unipolaire motor is 8

Figuur 11: Bij de unipolaire stappenmotor vloeit de stroom altijd in 1 richting door de spoel. (bij dezelfde winding parameter) kleiner dan de bipolaire motor. De halve-stapaansturing combineert de wave en de full-step aansturing. De halve-stap-mode geeft daardoor een kleinere hoekverdraaiing en zorgt ook voor minder resonantie. De tabel van fig. 12 geeft een overzicht van de verschillende modes. Figuur 12: De tabel laat de verschillende stapmodes zien. 4.0.3 Elektronische aansturing De aansturing kan gebeuren met behulp van een microcomputer en met behulp van speciale driver IC s. Om de spoelen aan te sturen zal gebruik worden 9

gemaakt van transistoren. Zie hiervoor het elektronicadeel. 4.0.4 DC-stelmotoren DC-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 uiteenlopen (een paar honderd milliampère tot vele tientallen ampères). Uiterst kleine motoren treft men aan bij portiervergrendelsystemen terwijl zwaardere motoren worden gebruikt voor schuifdak- en stoelverstelling. Wanneer deze motoren gebruikt worden voor het instellen van posities van onderdelen noemt men ze stelmotoren. Let wel: ruitenwissermotoren, ventilatormotoren etc. zijn ook DC-motoren maar worden ingedeeld bij de aandrijfmotoren met permanente magneten. DCmotoren, 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 omkeren van de draairichting kan gebeuren met behulp van een tweetal relais, transistoren of speciaal daarvoor ontwikkelde IC s. 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. 13, 14 en 15 de eigenschappen van een paar in de motorvoertuigentechniek toegepaste gelijkstroommotoren zien (Bosch). 10

Figuur 13: Eigenschappen van een ventilatormotor 11

Figuur 14: Eigenschappen van een universele gelijkstroommotor 12

Figuur 15: Eigenschappen van een elektrische waterpomp 13

5 Driefasen-wisselstroommotoren We zien in de motorvoertuigentechniek een toename van drie-fasen wisselstroommotoren. 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. 5.0.5 Het begrip draaiveld Een 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. 16). Nu is het Figuur 16: Een draaiende (elektro)magneet (a) genereert een draaiend veld, het zgn. draaiveld (b). Tekening: Pelt en Knol 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 120 0 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. 17). 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. 18). Voor drie spoelen ontstaat dus een roterende flux volgens fig. 19. 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 14

Figuur 17: Met behulp van een driefasenwisselspanning kunnen we ook draaivelden opwekken (Pelt en Knol). Figuur 18: Door een wisselspanning op een spoel te zetten onstaat schijnbaar een draaiend veld (Pelt en Knol). 15

Figuur 19: Verloop van de stroom (dus de magnetische flux) in de spoelen van een driefasenmotor. op de statorspoelen (fig. 20). Uiteraard zullen we meer polen gaan aanbrengen voor een krachtiger en gelijkmatiger lopende motor. Fig. 21 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 5.1 Synchrone draaistroommotoren In 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. 16

Figuur 20: Het principe van een driefasen-elektromotor (Pelt en Knol) Figuur 21: Een meerpolige driefasenwisselstroommotor (Pelt en Knol) 17

5.2 Asynchrone draaistroommotoren Bij 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. 22). In geval van een sleepringrotor worden de sleepringen gedurende de werking kortgesloten. De stator van een asynchrone Figuur 22: Zowel bij de kooi- (a) als bij de sleepringrotor (b) is er sprake van kortgesloten geleiders. 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 een 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. 23). Om de draairichting van een asynchrone motor 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 n rotor juist iets kleiner dan het draaiveldtoerental n draaiveld. Het verschil tussen het draaiveldtoerental en het rotortoerental noemt men de 18

Figuur 23: Bij de asynchrone motor is er altijd een snelheidsverschil tussen het draaiveld (n d ) en de rotor (n r). Tekening: Pelt en Knol absolute slip. Onder de (relatieve) slip wordt verstaan de verhouding tussen de absolute slip en het toerental van het statordraaiveld. In formule: slip = ((n d - n r ) / n d ) x 100 % Op het moment van aanzetten is n rotor gelijk aan nul zodat de slip 100% bedraagt. Controleer dit. 5.2.1 De koppel-slipkromme Nu 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. 24 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. 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. 25 geeft enige meetwaarden van een Toyota Auris met stuurbekrachtiging. De letters U,V en W geven aan dat we hier met een driefasen-bekrachtigingsmotor te maken hebben. 19

Figuur 24: De koppel-slip kromme van asynchrone motoren bij verschillende rotorweerstanden (Pelt en Knol). Figuur 25: Enige meetwaarden van een Toyota stuurbekrachtiging 20

6 Vragen Zie boek 21