Magnetische toepassingen in demotorvoertuigentechniek (6)

E. Gernaat, ISBN 978-90-808907-3-2

1 Elektromotoren

1.1 Inleiding

In de motorvoertuigentechniek hebben we voor de startmotor soms met eenseriemotor te maken terwijl de overige elektromotoren voornamelijk bestaanuit motoren met een permanent magnetisch veld. Hoewel de opbouw van eenelektromotor bekend mag worden verondersteld laten we in fig. 1 nog evenhet werkingsprincie zien. Het magnetische veld dat door de stroomvoerende

Figuur 1: Een elektromotor is opgebouwd uit het anker (windingen en collector) en een magne-tisch veld.

1

winding (ab) wordt opgewekt wordt door het magnetische veld van de veld-magneten afgestoten. Het koppel dat ontstaat doet de motor draaien. Om ervoor te zorgen dat de winding daadwerkelijk roteert moet de stroomrichting na1800 worden omgekeerd. Dit is de taak van de collector (fig. 1 a t/m d). Hetkoppel 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 Ianker

Het zal duidelijk zijn dat bij een startmotor als seriemotor het veld Φ afhangtvan de ankerstroom terwijl bij een motor met permanente magneten het veld Φeen constante grootheid is. Elektromotoren werken echter uitsluitend op wissel-spanning. Bij een gelijkstroommotor moet de gelijkspanning omgezet wordenin een wisselende spanning. Dit gebeurt mechanisch in de commutator (collec-tor).

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 elektromo-tor is tevens een dynamo. De elektromotor wekt een eigen spanning op dietegengesteld is aan de aangelegde of klemspanning. Hoe hoger het toerental,hoe hoger de spanning. Zou in het theoretische geval het toerental zo hoogworden dat de opgewekte spanning gelijk is aan de klemspanning dan stoptde stroom en komt de motor tot stilstand. Dit zal niet gebeuren, derhalve is de

2

tegenspanning (Ut) altijd kleiner dan de klemspanning (Uk). De tegenspanningbeınvloedt 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. Iais de motor(anker)stroom en Ra de ankerweerstand (Fig. 3). Uit de formule valtte concluderen dat de motorstroom kleiner wordt als het toerental toeneemt endat het motorkoppel het grootst is bij geblokkeerde motor.

Ra+ Uk Ut

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 stroomsterk-te en het toerental in relatie tot elkaar weergegeven. Zie fig. 4. Het aflezen

60

P

n

I

0 0

0

P(W) I(A)

40

100 200 300 400

20

0

t/min (x 100)

50

100

500

1000

1500 150

M (N.cm)

40

nominale spanning 12 V

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 vermo-gen, het toerental en de stroomopname. Elektromotoren moeten volgens Euro-pese richtlijnen voorzien zijn van een CE-kenteken waarin onder meer de EMV-richtlijnen (storingsrichtlijnen) moeten worden aangehouden. Omdat elektro-motoren vaak als stelmotoren worden gebruikt zien we ze ook uitgevoerd meteen geıntegreerde Hall-sensor voor het vaststellen van het motortoerental en/ofde afgelegde weg. Door toepassing van twee Hall-sensoren, die onder een hoekt.o.v. elkaar zijn opgesteld, kan tevens de draairichting van de motor wordenvastgesteld (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) elektro-motor met elektrisch bekrachtigde velkdmagneten; c) smoorspoel voor ontstoring; d) conden-sator voor ontstoring; e) weerstand; f) thermoschakelaar; g) eindstand-uitschakelaar; h) span-ningsafhankelijke weerstand.

4

4 Toepassing van elektromotoren als stelmotor

Er valt in de motorvoertuigentechniek een duidelijke toename te constaterenvan 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 stelmoto-ren. Stelmotoren kunnen klassieke DC-motoren zijn of stappenmotoren. We be-schrijven eerst de stappenmotor.

4.0.1 Stappenmotoren

Een stappenmotor is een elektromotor, welke geschikt is gemaakt voor staps-gewijze aandrijving (fig. 7). Hiervoor moeten de spoelen van de motor wordenaangesloten op elektrische pulsen. De pulsgewijze aansturing van een dergelij-ke motor veroorzaakt een stapsgewijze rotatie. Wanneer de aansturing continuplaatsvindt ontstaat er een gelijkmatig draaiveld en werkt de motor als een syn-chroonmotor omdat de aanstuurfrequentie een maat is voor het toerental. Devolgorde van de pulsen staat direct in relatie met de draairichting van de mo-tor . 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 func-tioneren dan als stelmotoren. Omdat elke stap een vast aantal graden bedraagtis terugkoppeling van de klepstand niet nodig. Ze werken dan regeltechnischvolgens een ’open loop’ regeling. Dit is een belangrijk voordeel van de stap-penmotor omdat een potentiometer of Hallgever als terugkoppelelement nietnodig is. In de motorvoertuigentechniek vindt men stappenmotoren vooral toe-gepast wanneer doorstroomopeningen vergroot of verkleind moeten wordenvolgens een regelprogramma. Hoewel stappenmotoren de laatste tijd verdron-gen worden door DC-stelmotoren komen we ze nog tegen bij de aansturing vanbijv. luchtkleppen (klimaatsystemen), regelbare turbocompressoren, kilometer-tellers 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 heeft24 tot 48 stappen per omwenteling. De hybride uitvoering is aanmerkelijk duur-der, is ook voorzien van tanden op de roter en heeft 100 tot 400 stappen peromwenteling. Wij bekijken hier de meest gebruikte stappenmotor met perma-nente magneten.

4.0.2 Werking

Wanneer door een fasewinding (spoel) in de stator een elektrische stroom looptdan ontstaat er een magnetisch veld (flux) in deze stator. De richting van de fluxkan -zoals bekend- worden bepaald met behulp van de rechterhandregel. Fig. 8geeft de richting van het veld weer wanneer de statorspoel B wordt bekrachtigddoor een stroom met een gegeven richting. De rotor richt zich dan in het veld enwel zodanig dat de magnetische weerstand het kleinst wordt. In dit voorbeeldzal de motor een klein stukje rechtsom draaien. Verdere rotatie moet wordenverkregen door de statorpoel A te bekrachtigen en wel zodanig dat pool 4 eennoordpool en pool 8 een zuidpool wordt. Voor verdere rotatie zullen dus de fa-sespoelen 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 vol-gens tabel 9 op de motor moeten worden gezet. Deze stapmode-sturing waarbijslechts 1 spoel wordt bekrachtigd wordt wel de ’wave sturing’ genoemd. Behal-ve 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 fasenofschoon er ook drie en vijf fasen motoren bestaan. De twee-fasen motorenkunnen verder weer worden onderverdeeld in bipolaire (fig. 10) en unipolaire

6

Figuur 8: Tengevolge van de stroom IB ontstaat een N- en Z-pool waardoor de rotor naar rechtsverdraait.

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) terwijlde unipolaire ook twee spoelen heeft maar nu met een middenaftakking zodatmen zou kunnen spreken van vier spoelen. Op de middenaftakking komt de plus

Figuur 10: Een bipolairemotor met twee spoelen waarvan de stroomrichting in windingen kanworden omgekeerd. Bipolair dus.

te staan, de uiteinden kunnen voor de bekrachtiging aan de massa worden ge-legd. De stroom gaat dus altijd in dezelfde richting door de spoelhelft. Vandaarde naam: unipolair. We spreken van een ’half step’ mode wanneer alle rotor-posities van 1 t/m 8 worden benut. Wanneer van een motor alle spoeleinden(dus ook de middenaftakking) naar buiten worden gebracht dan kunnen de-ze motoren zowel bipolair als unipolair kunnen worden geschakeld. Fig. 10 en11 zijn vereenvoudigde weergaven. In werkelijkheid bestaat de rotor en statoruit meerdere poolparen waardoor de verdraaiing per stap aanmerkelijk kleinerwordt. De motor met permanente magneten bevat evenveel rotor- als statorpo-len. 12 poolparen is niet ongebruikelijk. De stapgrootte kan met de volgendeformule worden berekend:staphoek in graden = 3600 graden / (n-poolparen x n-fasen )In ons voorbeeld: staphoek = 3600 / (12 x 2) = 150

In de reeds besproken wave-aansturing wordt slechts 1 spoel per stap bekrach-tigd. Bij de unipolaire motor gebruik men dan slechts 25% van de capaciteiten bij de bipolaire motor 50%. In de full-step aansturing worden twee spoe-len tegelijkertijd bekrachtigd. De full-step mode resulteert in dezelfde hoekver-draaiing als bij de 1 spoel-aansturing alleen de rotorpositie is nu een halve stapverschoven 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-stap-aansturing combineert de wave en de full-step aansturing. De halve-stap-modegeeft daardoor een kleinere hoekverdraaiing en zorgt ook voor minder reso-nantie. 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 be-hulp 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 heb-ben als algemene eigenschap dat het toerental oploopt met het verhogen vande voedingsspanning. De sterkte van deze motoren kan uiteenlopen (een paarhonderd milliampere tot vele tientallen amperes). Uiterst kleine motoren treftmen aan bij portiervergrendelsystemen terwijl zwaardere motoren worden ge-bruikt voor schuifdak- en stoelverstelling. Wanneer deze motoren gebruikt wor-den voor het instellen van posities van onderdelen noemt men ze stelmoto-ren. Let wel: ruitenwissermotoren, ventilatormotoren etc. zijn ook DC-motorenmaar worden ingedeeld bij de aandrijfmotoren met permanente magneten. DC-motoren, gebruikt als stelmotoren hebben veelal:

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

Het omkeren van de draairichting kan gebeuren met behulp van een tweetalrelais’, transistoren of speciaal daarvoor ontwikkelde IC’s. De registratie van deverstelstand geschiedt veelal met behulp van een meelopende potentiometer ofwanneer het vaste posities betreft d.m.v. nokken en microschakelaars. Ook wor-den meer en meer Hall-opnemers gebruikt, die als voordeel hebben dat ze nietaan slijtage onderhevig zijn. Stelmotoren kunnen eventueel door microcontrol-lers worden aangestuurd. We laten in fig. 13, 14 en 15 de eigenschappen vaneen 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 wissel-stroommotoren. Dit komt omdat we met de moderne elektronica betrekkelijkgemakkelijk wisselspanningen kunnen genereren. Hoewel er een groot aan-tal wisselstroommotoren te onderscheiden zijn hebben we voornamelijk met a-synchrone motoren te maken. Het principe van een driefasen wisselstroommo-tor komt in grote lijnen overeen met de werking van de drie-fasendynamo zon-der 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 gelijkstroombekrachtigderotor laten draaien. Het magnetische veld, dat dan ontstaat draait met de ro-tor 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 driefasen-wisselspanning in stilstaande (stator)spoelen. Drie spoelen zijn aangesloten opdrie gelijke wisselspanningen die alleen 1200 in fase van elkaar zijn verschoven(driefasenwisselstroom of krachtstroom). De drie spoelen worden genormali-seerd aangeduid met de letters U, V en W. De uiteinden kunnen dan wordenaangegeven met U1, U2 etc. (fig. 17). Wanneer we, als voorbeeld, een sinus-vormige wisselspanning op een van de spoelen zetten dan zal de polariteit vanhet magnetische veld door het wisselen van de stroomrichting geleidelijk vanN naar Z overgaan. Het lijkt dan of het veld roteert (fig. 18). Voor drie spoe-len ontstaat dus een roterende flux volgens fig. 19. Wanneer we nu een rotoraanbrengen met permanente magneten of een rotor voorzien van een door ge-lijkstroom gevoede spoel dan zal de rotor ten gevolge van het wisselende veldvan de stator door het draaiveld worden meegenomen. Het toerental van derotor 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 driefasenmo-tor.

op de statorspoelen (fig. 20). Uiteraard zullen we meer polen gaan aanbrengenvoor een krachtiger en gelijkmatiger lopende motor. Fig. 21 laat een vierpoligeuitvoering zien. Het toerental van de motor in omw/s kan dan worden bepaaldmet behulp van de volgende formule:

n (omw/s) = frequentie / aantal poolparen

5.1 Synchrone draaistroommotoren

In de stator van een synchrone draaistroommotor is een driefasenwikkelingaangebracht. De rotor (poolrad) wordt met gelijkstroom bekrachtigd. De op-bouw van een synchrone motor is dus geheel gelijk aan die van een wissel-stroomgenerator zonder gelijkrichting. Wordt de statorwikkeling op een draai-stroom aangesloten, dan ontstaat er aan de binnenzijde van de statoromtrekeen magnetisch draaiveld. Het aantal (fictieve) polen van dit veld wordt be-paald door de uitvoering van de wikkeling. Men maakt het aantal polen vande rotor gelijk aan het aantal fictieve polen van het statordraaiveld. Wordt derotor op snelheid gebracht, en wel zo dat deze gelijk wordt aan de snelheid vanhet statordraaiveld, dan zullen deze polen elkaar vasthouden. De rotor wordtals het ware meegesleept en krijgt hetzelfde toerental als het draaiveld. Zoumen de rotor niet op snelheid brengen, dan zouden de polen van het draaivelden van het poolwiel elkaar zeer snel afwisselend aantrekken en afstoten. Eensynchrone motor komt hierdoor niet uit zichzelf in beweging. Dit is dus eenbehoorlijk nadeel van de synchroon-motor. Bij een synchrone motor is het ro-tortoerental 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 draaiveldtoe-rental. De asynchrone motor wordt ook wel inductiemotor genoemd, omdatde werking berust op het inductieprincipe. De rotor van de asynchrone draai-stroommotoren bestaat uit kortgesloten spoelen. Er zijn twee uitvoeringen, eenkooi- en een sleepringrotor (fig. 22). In geval van een sleepringrotor worden desleepringen 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 kortgeslotengeleiders.

draaistroommotor is echter gelijk aan die van de synchrone draaistroommachi-ne. Sluiten we de statorwikkeling in ster of driehoek aan op een driefasenspan-ning dan ontstaat aan de binnenzijde van de statoromtrek een draaiveld datroteert met het toerental dat we ndraaiveld kunnen noemen. Dit draaiveld indu-ceert in de rotorgeleiders spanningen. In de kortgesloten geleiders ontstaan nurelatief grote wisselstromen. Op de stroomvoerende geleiders van de rotor wor-den door het draaiveld Lorentzkrachten uitgeoefend; de rotor komt uit zichzelfin beweging. De draairchting van de rotor zal zodanig zijn dat, volgens de wetvan Lenz, de ontstaansoorzaak van de rotorspanningen wordt tegengewerkt.Het snelheidsverschil van draaiveld ten opzichte van de rotor zal dus vermin-deren, hetgeen betekent dat de rotor in dezelfde richting als het draaiveld gaatbewegen (fig. 23). Om de draairichting van een asynchrone motor te verande-ren, zal men dus de richting van het draaiveld moeten omkeren. Dit gebeurtdoor het verwisselen van twee van de drie toevoerleidingen naar de stator. Ophet moment dat de rotor nog stilstaat, is de relatieve snelheid van het draaiveldten opzichte van de rotor het grootst en hiermee de opgewekte rotorspanningen rotorstroom. Naarmate het toerental van de rotor hoger is, is de relatievesnelheid van het draaiveld kleiner en daarmee de opgewekte rotorspanning enrotorstroom. Tengevolge van lucht- en wrijvingsverliezen kan het rotortoeren-tal nooit het draaiveld-toerental bereiken. Zou dit wel het geval zijn, dan treedter geen fluxverandering op. De rotorspanning en -stroom zouden dan nul zijnen dus ook het koppel. Bij nullast is als gevolg van bovengenoemde verliezenhet rotortoerental nrotor juist iets kleiner dan het draaiveldtoerental ndraaiveld.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 (nd) ende rotor (nr). Tekening: Pelt en Knol

absolute slip. Onder de (relatieve) slip wordt verstaan de verhouding tussen deabsolute slip en het toerental van het statordraaiveld. In formule:

slip = ((nd - nr) / nd) x 100 %

Op het moment van aanzetten is nrotor gelijk aan nul zodat de slip 100% be-draagt. Controleer dit.

5.2.1 De koppel-slipkromme

Nu bestaat er een relatie tussen het koppel dat de motor levert en de slip vande 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 verhoudingkoppel-slip afhankelijk is van de rotorweerstand en dat in het onderste slip-gebied (0-25%) er een vrijwel lineaire relatie tussen deze grootheden is. Ditverband tussen het koppel en de slip heeft ook een praktische betekenis. Wan-neer we de aanstuurfrequentie van de statorwikkelingen weten en we metenhet toerental van de motor dan kan het motorkoppel worden vastgesteld. Dit isdan ook de reden dat we bij driefasenmotoren zoals we bij stuurbekrachtigings-systemen tegenkomen een toerentalsensor aantreffen. Het bekrachtingskoppelvan de motor kan dan worden vastgesteld. De tabel van fig. 25 geeft enigemeetwaarden van een Toyota Auris met stuurbekrachtiging. De letters U,V enW geven aan dat we hier met een driefasen-bekrachtigingsmotor te maken heb-ben.

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