Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek
advertisement
Technische Universiteit Delft Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie Subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek Afstudeerrichting: Transporttechniek Rapportnummer: 2001.TT.5437 Titel: Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Auteur: G.P.M. Hof Opdrachtgever: prof.ir. J.C. Rijsenbrij Datum: 18 juni 2001 Soort opdracht: literatuurstudie/scriptie Status: niet vertrouwelijk Begeleider: dr.ir. A.J. Klein Breteler Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Technische Universiteit Delft Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie Subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek Dit rapport bestaat uit 95 pagina's. Alle rechten zijn voorbehouden aan de sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek. Zonder voorafgaande toestemming van de sectie mag niets uit het rapport in welke vorm dan ook worden vermenigvuldigd. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Technische Universiteit Delft Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie Subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek Sectie Transporttechniek en Logistieke Techniek Soort opdracht: literatuur/scriptie Opdrachtno.: 2001.TT.5437 Projektcode: 030B VF-code: WB-02/83-29 Vertrouwelijk: nee Student: Begeleider: Startdatum: Inleverdatum: Studielast: G.P.M. Hof dr.ir. A.J. Klein Breteler 6 september 2000 februari 2001 10 studiepunten Onderwerp: Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek De aandrijvingen die traditioneel worden gebruikt in het vakgebied van de transporttechniek zijn elektromotoren met een hoog nominaal toerental (1000 – 3000 omw/min). Het werktuig vraagt echter in de meeste gevallen een lager toerental en een hoger askoppel, waardoor er dus gebruik moet worden gemaakt van een reductor. Het gebruik van een reductor, meestal in de vorm van een tandwielkast, brengt extra gewicht met zich mee en een rendementsverlaging van de gehele aandrijving als gevolg van overbrengingsverliezen. De literatuurscriptie geeft een inventarisatie van elektrische roterende motoren waarbij de aandrijving zo mogelijk rechtstreeks aan het werktuig wordt gekoppeld zonder gebruik te maken van reductiemechanismen. Het overzicht zet de theoretische (wat is er in theorie mogelijk en wat is de stand van de techniek op dit moment) en praktische mogelijkheden (wat is er verkrijgbaar op de commerciële markt) op een rij. Van de verschillende aandrijvingen wordt het werkingsprincipe, de aandrijfkarakteristiek, de regelbaarheid en het toepassingsgebied behandeld. Tevens wordt een vergelijking gemaakt met traditionele aandrijvingen voor onder andere gewicht en rendement en er wordt een prijsindicatie gegeven. De “Richtlijnen voor de uitvoering van opdrachten” zijn van toepassing. De hoogleraar, prof.ir. J.C. Rijsenbrij Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Voorwoord Deze literatuurscriptie is een onderdeel van het studieprogramma van de hoofdvakstudie Transporttechniek aan de Technische Universiteit Delft, faculteit Ontwerp, Constructie en Productie, subfaculteit Werktuigbouwkunde. Deze scriptie behandelt een onderwerp met een sterke elektrotechnische inslag, maar desondanks is getracht om de literatuurstudie zodanig te schrijven dat deze toch begrijpelijk is voor iemand met een beperkte kennis van de elektrische aandrijftechniek. Ik ben veel dank verschuldigd aan dr.ir. A.J. Klein Breteler voor zijn begeleiding tijdens het schrijven van deze literatuurscriptie. Veel van de geraadpleegde literatuur is Engelstalig en veel dank gaat dan ook uit naar ir. J.B. Woudstra en dr.ir. H. Polinder voor hun hulp met de vertaling van Engelse vaktermen naar het Nederlands. Delft, 7 juni 2001 Geert-Pieter Hof Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek -7- -8- Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Inhoudsopgave Voorwoord 7 Inhoudsopgave 9 Korte samenvatting 11 Abstract 11 Symbolen, grootheden en eenheden 13 1 Inleiding 15 2 Conventionele elektromotoren 2.1 Principe van elektromechanische energieomzetting 2.2 Gelijkstroommotor 2.3 Synchrone motor 2.4 Asynchrone motor 17 17 18 24 26 3 Mechanische overbrengingen 3.1 Koppelmechanisme 3.2 Reductiemechanisme 31 31 31 4 Geschakelde reluctantiemotor 4.1 Eigenschappen van de geschakelde reluctantiemotor 4.2 Principe van reluctantie 4.3 Energie-omzetting 4.4 Machine topologie 4.4.1 Eenfasemotor 4.4.2 Tweefasenmotor 4.4.3 Driefasenmotor 4.4.4 Vierfasenmotor 4.4.5 Groter fasenaantal 4.4.6 Poolafmetingen 4.5 Fasestroomregeling 4.6 Omzetters voor geschakelde reluctantiemotoren 4.7 Koppel-toerenkarakteristiek 4.8 Geluidsproductie 4.9 Toepassingsgebied 4.9.1 Elektrische voertuigen 4.9.2 Bandtransporteurs 37 37 38 39 45 45 46 47 48 49 49 51 54 56 56 57 58 60 5 Axiale flux motor 5.1 Eigenschappen van de axiale flux motor 5.2 Axiale flux motor met permanente magneten 5.2.1 Magneetmaterialen 5.2.2 Principe van permanente magneten 5.2.3 Enkelzijdige motor met interne stator 5.2.4 Dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor 5.2.5 Dubbelzijdige motor met interne stator 5.2.6 Meertrapsmotor 63 63 66 67 67 70 71 74 76 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek -9- 5.3 5.4 5.5 5.6 6 Axiale flux inductiemotor 5.3.1 Axiale flux inductienaafmotor 5.3.2 Axiale flux inductiemotor met dubbele rotor Regeling van de motor Vergelijking van axiale en radiale flux motoren Toepassingsgebied 5.6.1 Elektrische voertuigen 5.6.2 Liften 5.6.3 Schepen Conclusies 6.1 Geschakelde reluctantiemotor 6.2 Axiale flux motor Index 89 89 90 93 De literatuuropgave wordt gegeven aan het eind van elk hoofdstuk. - 10 - 78 79 80 81 82 83 83 84 85 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Korte samenvatting De aandrijving bij transportwerktuigen bevat in het algemeen een reductiemechanisme, vaak in de vorm van een tandwielkast, aangezien het toerental dat door het werktuig wordt gevraagd vaak veel lager is dan het nominaal motortoerental. Tevens zorgt het reductiemechanisme voor een vergroting van het aandrijfkoppel. Een dergelijk reductiemechanisme brengt extra gewicht met zich mee en een verlaging van het rendement van het werktuig. In de literatuur komen duidelijk twee typen elektromotoren naar voren die in het vakgebied van de transporttechniek als direct-drive (een aandrijving zonder reductiemechanisme) toegepast kunnen worden: de geschakelde reluctantiemotor en de axiale flux motor. Het werkingsprincipe van beide motoren is reeds lange tijd bekend, maar pas de laatste jaren worden deze motoren meer en meer toegepast door de ontwikkeling van de vermogenselektronica en het beschikbaar komen van zeldzame-aardmagneten. Deze typen motoren worden vooral gebruikt als aandrijving van elektrische voertuigen, vaak in de vorm van een naafmotor (hierbij is de motor geïntegreerd met het wiel). Tevens worden deze motoren gebruikt als aandrijving van bandtransporteurs, liften en scheepsschroeven. Naar zowel de geschakelde reluctantiemotor als de axiale flux motor wordt nog veel onderzoek gedaan en deze motoren zijn nog niet uitontwikkeld. Abstract The drive system of transport equipment usually contains a reduction gear, often in the shape of a cogwheel gear, since the rotational speed that's requested by the equipment is regularly much lower than the nominal speed of the motor. At the same time the reduction gear provides an enlargement of the torque. The use of such a reduction mechanism results into extra weight and a reduction of the system's efficiency. In literature two types of electric motors appear to be well suited as a direct-drive (a drive without a reduction mechanism) in the field of transport engineering: the switched reluctance motor and the axial flux motor. The principles of operation of both types of motors is already known for a long time, but only the last few years these motors are used more and more as a result of the development of power electronics and the increase of the availability of rare-earth magnets. These types of motors are usually applied in electric vehicles, often as a direct-drive wheel motor (in such a configuration the motor is integrated with the wheel). These motors are also used as a drive for conveyor belts, elevator systems and ship propulsion. At this moment research is still made into the switched reluctance motor as well as the axial flux motor and the development of both motors hasn't been finished yet. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 11 - - 12 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Symbolen, grootheden en eenheden Symbool Grootheid Eenheid B Br d E F FL f H Hc I Ia i J K Kp kt L magnetische inductie, magnetische fluxdichtheid remanent magnetische fluxdichtheid diameter inductiespanning kracht lorentzkracht frequentie veldintensiteit, veldsterkte, magnetiseringskracht coërcitieve veldsterkte elektrische stroom ankerstroom elektrische stroom lineaire stroomdichtheid machineconstante machineconstante machineconstante inductantie lengte directe-as inductantie quadratuur-as inductantie lengte aantal fasen van een elektrische machine aantal windingen aantal polen toerental asvermogen geleverd vermogen luchtspleetvermogen aantal poolparen van een elektrische machine weerstand reluctantie straal ankerweerstand overbrengverhouding van een transmissie doorsnede slip kipslip koppel elektromagnetisch koppel kipkoppel ankerspanning statorspanning volume co-energie opgeslagen veldenergie mechanische arbeid synchrone reactantie T T m V N N Hz A/m A/m A A A A/m2 Vs/Wb Wb/A N/TA H m H H m omw/s W W W Ω H-1 m Ω m2 Nm Nm Nm V V m3 J J J Ω Ld Lq l m N n Pas Puit Pδ p R Ra rt S s sk T Te Tk Ua Us V W Wf Wm Xs Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 13 - β δ ε ζm η θc θd θo µ ρA ρE Φ Φp ϕ ψ ω ωm - 14 - booglengte van pool lasthoek staphoek, slag vermogensdichtheid rendement commutatiehoek verblijfshoek, geleidingshoek inschakelhoek permeabiliteit aantal werkende poolparen per fase absolute overlapverhouding effectieve overlapverhouding magnetische flux poolflux magnetische fluxdichtheid gekoppelde flux hoeksnelheid mechanische hoeksnelheid rad rad rad W/m3 rad rad rad H/m Wb Wb T Wb rad/s rad/s Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 1 Inleiding Als aandrijving voor een transportwerktuig wordt vaak gekozen voor een draaistroommotor, maar ook de gelijkstroommotor en wisselstroommotor worden dikwijls toegepast. Bij nominaal bedrijf hebben deze motoren een relatief hoog toerental ten opzichte van het door het werktuig gevraagde toerental. Het gebruik van een reductiemechanisme, dat het motortoerental reduceert naar het gewenste toerental van het werktuig, is daarom meestal onontkoombaar. Het gebruik van een reductiemechanisme, meestal in de vorm van een tandwielkast, brengt extra gewicht met zich mee en geeft tevens een verlaging van het rendement van het hele werktuig als gevolg van overbrengverliezen. Bij transportwerktuigen die veel bewegingen maken, vereist elke gewichtstoename van de bewegende delen een groter motorvermogen. Wanneer een transportwerktuig een autonome energievoorziening heeft, bijvoorbeeld in de vorm van gelijkstroomaccu's, heeft een verlaging van het systeemrendement een verkleining van de werktijd tot gevolg aangezien de energiebron eerder opgeladen moet worden. Het doel van dit literatuuronderzoek is het presenteren van roterende elektromotoren met een laag nominaal toerental waarbij de koppeling tussen de motor en het werktuig tot stand wordt gebracht zonder gebruik te maken van een reductiemechanisme dat het toerental reduceert en/of het koppel omvormt. Deze scriptie richt zich alleen op niet-conventionele elektromotoren die toepassing (kunnen) vinden in het vakgebied van de transporttechniek. Van deze elektromotoren wordt het werkingsprincipe, de aandrijfkarakteristiek, de regeling en het toepassingsgebied behandeld. Om een helder beeld te krijgen van de verschillen tussen de alternatieve elektromotoren en de conventionele elektromotoren, zoals de gelijkstroommotor, de synchrone motor en de asynchrone motor, wordt in hoofdstuk 2 de theorie en karakteristieken van deze drie typen elektromotoren in het kort behandeld. Hoofdstuk 3 zal een summier overzicht geven van mechanische overbrengingen die de koppeling tussen motor en werktuig tot stand brengen. In hoofdstuk 4 komt uitgebreid de geschakelde reluctantiemotor aan bod en in hoofdstuk 5 worden verschillende typen motoren met een axiale fluxdistributie beschreven. De motoren die in hoofdstuk 4 en 5 worden behandeld staan erom bekend geschikt te zijn om toegepast te worden als een zogenaamde direct-drive, een aandrijving zonder reductiemechanisme. Tenslotte wordt in hoofdstuk 6 geconcludeerd in hoeverre de elektromotoren uit hoofdstuk 4 en 5 gebruikt kunnen worden als aandrijving voor transportwerktuigen. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 15 - - 16 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 2 Conventionele elektromotoren De meest toegepaste elektromotor in de industrie is de draaistroommotor, maar ook de gelijkstroommotor en wisselstroommotor worden veelvuldig gebruikt voor industriële toepassingen. In dit hoofdstuk worden de theorie en karakteristieken van deze drie typen elektromotoren in het kort behandeld. Als eerste zal het principe van elektromechanische energieomzetting worden besproken, waarna vervolgens wordt verduidelijkt hoe dit principe is toegepast in respectievelijk de gelijkstroommotor, synchrone motor en asynchrone motor. Dit hoofdstuk is slechts bedoeld als samenvatting van de theorie van elektromotoren. Voor een nadere uitleg van deze theorie wordt de lezer verwezen naar de aan het eind van dit hoofdstuk vermelde literatuur. 2.1 Principe van elektromechanische energieomzetting De werking van vrijwel alle elektrische machines berust op twee fysische verschijnselen: 1. de krachtwerkingen in een magnetisch veld, waarbij lorentzkrachten op elektrische stroomgeleiders werken en maxwellkrachten krachten uitoefenen op magnetiseerbare materie; 2. het verschijnsel van elektromagnetische inductie, waardoor in een stroomkring een bronspanning ontstaat als de omvatte magnetische flux in de tijd verandert. Lorentzkracht Beschouw een draaibare rechthoekige draadwinding die zich in de ruimte tussen twee magneetpolen bevindt (figuur 2.1). We veronderstellen dat het magnetische veld in de ruimte tussen de twee polen loodrecht op het pooloppervlak gericht is en op een bepaalde afstand van de polen onafhankelijk is van de plaats onder de pool. De lange zijden van de draadwinding én de rotatie-as staan loodrecht op de richting van het magnetische veld. De kopverbindingen van de winding worden geacht buiten het magnetische veld te liggen. figuur 2.1 - Rechthoekige draadwinding in een homogeen magnetisch veld Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 17 - Wanneer men de draadwinding W met diameter d aansluit om een stroombron met stroomsterkte I, dan vormen de lorentzkrachten FL op de lange zijden van de winding (l) een koppel T waarvan het moment in dit geval, waar de stroomrichting loodrecht op de veldrichting is, gelijk is aan T = FL ⋅ d ⋅ sin α = B ⋅ I ⋅ l ⋅ d ⋅ sin α = Φ p ⋅ I ⋅ sin α (2.1) waarbij α de hoek is tussen het magnetische veld B en het deel van de winding dat zich buiten het veld bevindt. De poolflux wordt gegeven door Φp. Onder invloed van dit koppel kan de draadwinding bewegen. Tevens wordt er, door elektromagnetische inductie, in de draadwinding een inductiespanning E opgewekt: E = B ⋅ l ⋅ω ⋅ d = Φ p ⋅ω (2.2) waarbij ω gelijk is aan de hoeksnelheid van de draadwinding. De krachten die dit principe kan voortbrengen en overdragen zijn te klein om een praktisch toepasbare motor te maken. Door vergroting van het aantal windingen van de arbeidswikkeling, neemt het koppel evenredig toe en bovendien wordt de beweging van de windingen veel regelmatiger. Verder kan het magnetisch veld vergroot worden door binnen de arbeidswikkeling een kern van magnetisch materiaal – dus een ijzeren cilinder – aan te brengen. Tenslotte wordt de arbeidswikkeling in gleuven in deze ijzeren cilinder gelegd om een goed mechanisch contact tussen wikkeling en cilinder te krijgen. Omkering lorentzkoppel Op het moment dat de winding door de horizontale stand beweegt, draait het koppel dat wordt gevormd door de lorentzkrachten van richting om: de draadwinding wordt afgeremd en keert om van richting. Uiteindelijk stelt zich een evenwichtstoestand in waarbij de cilinder in rust is. Dit is de horizontale stand waarbij de lorentzkrachten in elkaars verlengde liggen en elkaar opheffen. Wil men met bovenstaand principe een motor maken, dan moet men ervoor zorgen dat de cilinder (rotor) blijft draaien en dus het koppel voortdurend dezelfde richting houdt. Men kan op een aantal manieren bewerkstelligen dat aan deze voorwaarde is voldaan. Deze leiden tot een drietal basisvormen van de elektrische motor, namelijk de gelijkstroommotor, de synchrone motor en de asynchrone motor [1]. 2.2 Gelijkstroommotor Een eerste mogelijkheid om ervoor te zorgen dat het moment aan de as voortdurend dezelfde richting houdt is door wel een gelijkstroom aan de spoel op de rotor toe te voeren, maar door middel van een mechanisch omschakelmechanisme ervoor te zorgen dat deze juist van richting omkeert als de spoelzijden zich in de vrije ruimte onder de polen bevinden [3]. Commutatie De omschakeling is te bewerkstelligen door op de as een schijf bestaande uit twee onderling geïsoleerde segmenten aan te brengen en elk uiteinde van de spoel met een van die segmenten te verbinden. Op de schijf drukken twee koolborstels die met - 18 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek externe aansluitklemmen zijn verbonden. Zolang de spoelzijden onder één pool verkeren, blijven de segmenten ook in contact met dezelfde borstel. Zijn de spoelzijden midden tussen de polen, dan zijn de isolatielagen juist ter plaatse van de borstels. Bij verder draaien maakt het segment, dus het uiteinde van de spoel, dat eerst in contact was met de positieve borstel daarna contact met de negatieve borstel en omgekeerd (figuur 2.2). De stroom in de spoel keert dus van richting om en het koppel houdt dezelfde richting. Dit proces noemt met commutatie, de schijf met segmenten de commutator. figuur 2.2 - Verloop van stroom bij een gelijkstroommachine met commutator Magnetisch veld Omdat sterke permanente magneten in de praktijk duur zijn en de sterkte van de poolflux niet instelbaar is, worden ze meestal vervangen door elektromagneten. In figuur 2.3 wordt een magneetgestel getoond met twee elektromagneten waarvan de beide veldwikkelingen op een gelijkspanningsvoeding zijn aangesloten. De veldstroom en de veldspoelen veroorzaken nu een poolveld. De ijzeren polen, bestaande uit de poolkern en poolschoen, en het ijzeren juk zorgen hierbij voor een sterk magnetisch circuit. figuur 2.3 - Enkele onderdelen van een gelijkstroommachine Rotor Het anker (rotor) heeft een cilindrische vorm en is van gelamelleerd ijzer gemaakt. Op het anker is in de groeven de ankerwikkeling (ankergeleiders) aangebracht. Door het aanbrengen van meer ankerspoelen heeft de commutator meer dan twee lamellen nodig. Men spreekt dan van een meervoudige commutator (figuur 2.4). figuur 2.4 - Rotor met meervoudige commutator en ankerwikkelingen Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 19 - Ankerreactie Het magnetische veld dat door de bekrachtigingswikkeling wordt opgewekt, het hoofdpoolveld, is niet het enige magnetische veld in de gelijkstroommotor. De stroom in de ankerwikkeling wekt ook een magnetisch veld op, het zogenaamde ankerveld. Dit veld verzwakt het hoofdpoolveld en verdraait de neutrale lijn (NL) van het hoofdpoolveld over een hoek β. Dit effect wordt ankerreactie genoemd (figuur 2.5). figuur 2.5 - Hoofdpoolveld, ankerveld en resulterend veld De ankerreactie heeft drie ongewenste gevolgen: 1. de commuterende spoel ligt niet meer in de magnetische neutrale zone. Dit zal leiden tot vonken tussen de borstel en lamel; 2. de poolflux Φp vermindert als gevolg van verzadiging; 3. de spanning tussen twee lamellen wordt groter. Als deze spanning hoger wordt dan circa 35 V kan er een lichtboog ontstaan. Na een omwenteling zal dan tussen alle lamellen lichtbogen zijn ontstaan. Dit verschijnsel wordt rondvuur genoemd en kan binnen enkele seconden de hele machine vernielen. De ankerreactie kan voorkomen worden door gebruik te maken van hulppolen. Deze hulppolen worden in de magnetisch neutrale zone geplaatst en heffen het ankerveld op. Tevens kan men de hoofdpolen voorzien van compensatiewikkelingen. Deze wikkelingen wekken een compensatieveld op dat tegengesteld is aan het ankerveld (figuur 2.6). figuur 2.6 - Gelijkstroommachine met hulppolen en compensatiewikkeling - 20 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek In de gelijkstroommotor zijn twee afzonderlijk elektrische circuits: het ankercircuit en het bekrachtigingscircuit. Er zijn vier verschillende mogelijkheden om deze circuits van spanning of stroom te voorzien (figuur 2.7): 1. ieder circuit wordt gevoed vanuit een aparte bron (afzonderlijk bekrachtigde machine); 2. de beide circuits zijn parallel geschakeld (shuntmachine); 3. de beide circuits zijn in serie geschakeld (seriemachine); 4. de bekrachtigingswikkeling bestaat uit een serie- en parallelwikkeling (compoundmachine). figuur 2.7 - Schakelingen van een gelijkstroommachine a. afzonderlijk bekrachtigde motor, b. shuntmotor, c. seriemotor, d. compoundmotor Afzonderlijk bekrachtigde machine De mechanische hoeksnelheid ωm van de motor wordt gegeven door ωm = U a − I a ⋅ Ra K ⋅Φ p (2.3) waarbij Ua de ankerspanning voorstelt, Ia de ankerstroom en Ra de ankerweerstand. K is een machineconstante. Het bekrachtigingscircuit wordt meestal gevoed uit een gelijkspanningsbron waarvan de spanning constant is. De magnetische poolflux Φp in de motor is dan ook constant. De hoeksnelheid is dus alleen afhankelijk van de spanningsval over de ohmse ankerweerstand. Deze weerstand is klein en hieruit volgt dat het toerental vrijwel constant blijft en onafhankelijk is van de grootte van de belasting. Wordt het poolveld echter uitgeschakeld, dan zal het toerental zo hoog oplopen dat de ankerwikkelingen uit hun groeven vliegen en de stator raken, waardoor de motor beschadigd raakt. De koppel-toerenvergelijking luidt Te = Ua ⋅ K ⋅Φ p Ra − K 2 ⋅ Φ 2p Ra ⋅ωm Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek (2.4) - 21 - figuur 2.8 - Koppel-toerenkarakteristiek van een afzonderlijk bekrachtigde gelijkstroommachine voor verschillende ankerspanningen Shuntmachine De schuntschakeling biedt voor motorbedrijf weinig voordelen en wordt veel meer toegepast bij gelijkstroomgeneratoren. Seriemachine Bij de seriemachine loopt de ankerstroom ook door het bekrachtigingscircuit, zodat voor de poolflux geldt Φ p = K p ⋅ Ia (2.5) waarbij Kp een machineconstante is. Dit blijft gelden zolang het ijzercircuit niet verzadigd is. In verzadiging zal de poolflux constant blijven bij toenemende ankerstroom en zal de motor zich als een vreemd bekrachtigde motor met een constante poolflux gedragen. De mechanische hoeksnelheid van de onverzadigde motor wordt gegeven door ωm = U a − I a ⋅ Ra U a − I a ⋅ Ra = K ⋅Φ p K ⋅ K p ⋅ Ia (2.6) De koppel-toerenvergelijking luidt Te = K ⋅ K p ⋅ U a2 (K ⋅ K ⋅ ω m + Ra ) 2 p (2.7) Uit bovenstaande vergelijking volgt dat als de belasting op de motor wegvalt, het toerental zeer groot wordt. Het evenwicht komt te liggen bij het toerental waarbij het mechanische verlieskoppel en het elektromagnetische koppel in evenwicht zijn. In de praktijk is dit evenwichtstoerental een veelvoud van het nominale toerental en de machine is daar in mechanisch opzicht niet tegen bestand. Zoals in figuur 2.9 te zien is, kan de seriemachine niet zonder meer in generatorbedrijf komen. Alleen motorbedrijf en rembedrijf zijn mogelijk. - 22 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek figuur 2.9 - Koppel-toerenkarakteristiek van een onverzadigde seriemachine Compoundmachine De compoundmachine is een combinatie van een shunt- en seriemachine. Dit betekent dat de machine onbelast kan werken, een nullasttoerental heeft en het shuntveld afgeschakeld kan worden. In figuur 2.10 is te zien dat de koppel-toerenkarakteristiek tussen die van de shuntmotor en seriemotor inligt. figuur 2.10 - Koppel-toerenkarakteristiek van een compoundmachine Karakteristieke getallen De tabel 2.1 geeft een overzicht van in de praktijk veel voorkomende karakteristieke getallen van gelijkstroommotoren [1]. drotor ωm n Te Pas η [m] [rad/s] [omw/min] [Nm] [kW] [-] 0,1 1000 9550 33,6 32,6 0,931 0,2 500 4770 380 185 0,942 0,3 333 3180 1050 340 0,947 0,4 250 2300 2155 523 0,95 0,5 200 1910 3765 730 0,952 0,6 167 1595 5940 965 0,954 tabel 2.1 - Karakteristieke getallen voor gelijkstroommachines Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 23 - 2.3 Synchrone motor Een tweede methode om te zorgen dat het koppel aan de as altijd dezelfde richting houdt, is door aan de rotor een wisselstroom toe te voeren in plaats van een gelijkstroom. Draaiveld Door de frequentie van de wisselstroom gelijk te nemen aan de omwentelingssnelheid van de rotor zal op het moment dat de spoelzijden naar de volgende pool bewegen de richting van de stroom omkeren. Het koppel heeft dan altijd dezelfde richting en het rotortoerental is constant en gelijk (synchroon) aan het draaiveldtoerental (het toerental van het ronddraaiend veld in de stator dat ontstaat door de voedingswisselspanning). De synchrone motor wordt daarom ook wel draaiveld- of draaistroommotor genoemd. Toerental Door gebruik te maken van meer poolparen p moet de stroom meerdere keren per omwenteling van richting veranderen om het koppel gelijkgericht te houden. Als gevolg hiervan zal de omwentelingssnelheid van de rotor nrotor kleiner worden dan het draaiveldtoerental fwisselstroom volgens nrotor = f wisselstroom p (2.8) In de praktijk wordt het bovenstaand principe omgekeerd toegepast, d.w.z. men laat de polen draaien en men legt de draaistroomwikkeling in het stilstaande deel van de motor. Dit heeft een gunstige invloed op de mechanische eigenschappen en het rendement van de motor. Koppel Als de frequentie van de stroom en de draaisnelheid van de rotor niet aan elkaar gelijk zijn, dan is over een langere periode genomen het koppel gelijk aan nul. Een synchrone motor loopt dan ook niet uit zichzelf aan en heeft dus extra voorzieningen nodig om op te starten. Wordt de motor te veel overbelast, dan raakt de motor uit de pas met het statordraaiveld waardoor de rotor sterk asynchroon gaat lopen of gaat stilstaan. Het koppel tijdens een omwenteling is niet constant, maar varieert tussen nul en een maximum. Door gebruik te maken van drie of meer spoelen levert de motor een constant koppel. Rotor Omdat het veld in de rotor constant is, kan de rotor massief zijn. Voor de rotor zijn twee constructies mogelijk: 1. de rotor met uitgebouwde polen draagt een aantal poollichamen waaromheen de bekrachtigingsspoelen zijn gewikkeld (figuur 2.11a). Dit type rotor wordt in het algemeen toegepast tot een toerental van maximaal 1500 omw/min; 2. bij de cilinderrotor is de rotor een cilindervormig lichaam met gleuven die spoelen bevatten die samen de bekrachtigingswikkeling vormen (figuur 2.11b). Dit type rotor wordt gebruikt voor motoren met een hoog toerental. - 24 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek figuur 2.11 - Rotor van een synchrone machine a. vierpolige machine met uitgebouwde polen, b. tweepolige machine met cilinderrotor Voor toe- en afvoer van gelijkstroom aan de bekrachtigingswikkeling zijn op de rotoras twee bronzen of stalen sleepringen aangebracht, die zijn verbonden met de rotorwikkeling. Ankerreactie Zowel de draaiende rotor met polen als de stilstaande driefasenwikkeling brengt een draaiveld in de luchtspleet voort. Dit draaiveld werkt het veld van de bekrachtigingswikkeling tegen. Dit effect wordt ankerreactie of statorreactie genoemd. Bijgevolg is er bij belasting, dat wil zeggen als er in de statorwikkeling stromen lopen, doorgaans meer bekrachtiging nodig dan in de onbelaste toestand. Toerental en koppel Zoals reeds vermeld is de mechanische hoeksnelheid constant en slechts afhankelijk van het draaiveldtoerental volgens ω m = 2π ⋅ f wisselstroom p (2.9) De koppel-toerenvergelijking luidt Te = p p Us ⋅ E ⋅ Pδ = m ⋅ ⋅ ⋅ sin δ ωm ωm X s (2.10) waarbij Pδ het luchtspleetvermogen voorstelt. Verder staat m voor het aantal statorfasen, Us voor de statorspanning, Xs voor de synchrone reactantie en δ voor de lasthoek. De enige variabele in deze vergelijking is de lasthoek δ (dit is de fasehoek waarover de rotorspanning bij een belaste synchrone machine achter of voor is op de klemspanning), dus het elektromagnetisch koppel is alleen afhankelijk van de lasthoek. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 25 - Karakteristieke getallen De tabel 2.2 geeft een overzicht van in de praktijk veel voorkomende karakteristieke getallen van synchrone motoren [1]. drotor p ns Te Pas η [m] [-] [omw/min] [Nm] [kW] [-] 0,2 2 1500 203 31,3 0,858 0,4 2 1500 1623 250 0,915 0,8 3 1000 9200 945 0,941 1,2 4 750 25000 1950 0,949 tabel 2.2 - Karakteristieke getallen voor gelijkstroommachines 2.4 Asynchrone motor Het laatste type motor dat behandeld wordt, is de asynchrone motor, ook wel inductiemotor genoemd. Stator De stator van een asynchrone draaistroommotor is geheel gelijk aan die van de synchrone draaistroommotor. De draaistroomwikkeling wekt bij aansluiting op een wisselspanning met frequentie fs een draaiveld op met een hoeksnelheid ω s = 2π ⋅ fs p (2.11) Rotor De rotorwikkeling is niet aangesloten op een afzonderlijke voeding, maar wordt kortgesloten. Wanneer de rotor stilstaat of langzamer draait dan de hoeksnelheid van het statordraaiveld, dan zal de rotor een wisselend magnetisch veld ‘zien’. In de rotorwikkeling wordt dan een inductiespanning opgewekt (tweede wet van Maxwell) en omdat de rotorwikkeling is kortgesloten, zal er ook een stroom vloeien. De spoelzijden die zich in het draaiveld bevinden ondervinden daardoor krachten, die samen een koppel vormen dat de rotor in draaiing brengt. Conform het principe van Lenz voor inductieverschijnselen werkt dit koppel de oorzaak van zijn ontstaan tegen. De rotor gaat dus dezelfde kant opdraaien als het draaiveld en tracht als het ware het draaiveld in te halen. Als er geen tegenwerkend koppel op de rotor is en ook geen wrijving of demping, dan zal de rotor versneld worden totdat deze even snel draait als het draaiveld (de rotor ‘ziet’ dan een gelijkveld en er wordt geen inductiespanning meer opgewekt). Wordt de motor echter mechanisch belast, dan blijft de rotor zoveel in snelheid achter bij het draaiveld, dat de inductiespanning toereikend is om de rotorstroom te laten vloeien die nodig is om het vereiste koppel te ontwikkelen. Asynchrone draaistroommachines worden naar de constructie van de rotor onderscheiden in twee typen: de kooiankermachine en de sleepringmachine [2]. - 26 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Kooiankermachine De kooiankermachine, ook wel kortsluitankermachine genoemd, heeft een gelamelleerde rotor. De groeven van de rotor worden voorzien van massieve ongeïsoleerde staven die aan beide uiteinden kortgesloten zijn met een ring. Zo ontstaat een gesloten stroomkring waarbij de rotorwikkeling lijkt op een kooi (figuur 2.12). figuur 2.12 - Kooianker van een asynchrone motor Sleepringmachine De sleepringmachine heeft een gelamelleerde rotor waarin een geïsoleerde driefasige wikkeling is aangebracht die in ster is geschakeld. De drie rotorfasen worden via drie sleepringen verbonden met een regelbare weerstand. Deze weerstand zorgt ervoor dat het aanloopkoppel wordt vergroot. Gedurende het aanlopen wordt de weerstand langzaam verkleind. Slip In belaste toestand draait deze motor principieel niet synchroon, maar is er sprake van zogenaamde slip s= ωs − ωr ω = 1− r ωs ωs (2.12) waarbij ωs en ωr de hoeksnelheden zijn van respectievelijk de stator en de rotor. Op het eerste moment van aanzetten, draait de rotor nog niet en is de slip dus gelijk aan één. Bij nominaal toerental ligt de slip tussen 0,01 tot 0,08. Koppel Het koppel dat een asynchrone motor bij voeding uit een net met constante spanning en frequentie ontwikkelt, heeft een maximum bij een toerental dat beneden het synchrone toerental ligt. Dit koppel wordt het kipkoppel Tk of kipmoment genoemd en de slip waarbij het optreedt de kipslip sk. De relatie tussen het elektromagnetisch koppel en de slip wordt gegeven door de formule van Kloss: Te = 2 ⋅ Tk s sk + sk s (2.13) De kipslip is een machineparameter en bedraagt ongeveer vier à vijf maal de slip bij nominale belasting (vollast). Het kipkoppel is evenredig met het kwadraat van de grootte van de voedingsspanning en kan dus ingesteld worden. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 27 - In figuur 2.13 is voor enkele waarden van sk de bijbehorende koppel-toerenkromme getekend; voor de kleinste waarde is tevens het verloop van de stroom (I1) geschetst. figuur 2.13 - Koppel-toerenkarakteristiek van een asynchrone machine voor verschillende waarden van de kipslip sk Karakteristieke getallen Onderstaande tabel geeft een overzicht van in de praktijk veel voorkomende karakteristieke getallen van asynchrone motoren [1]. drotor ns nr Te Pas η [m] [omw/min] [omw/min] [Nm] [kW] [-] 0,1 3000 2860 12,5 3,63 0,749 0,2 3000 2920 142 42,6 0,875 0,3 1500 1470 840 126,7 0,911 0,4 1500 1475 2300 348 0,930 0,5 1000 985 5020 510 0,901 0,6 1000 990 9500 970 0,938 tabel 2.3 - Karakteristieke getallen voor asynchrone machines - 28 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Literatuur [1] Hamels, D., Elektrische Aandrijftechniek. Leiden: Stenfert Kroese, 1991. [2] Spee, H., Energie-omzetting 3, Wisselstroommachines. Groningen: WoltersNoordhoff, 1992, [3] Woudstra, J.B. en P. Bauer, Elektrische Energietechniek / Elektrische Aandrijftechniek. Delft: Technische Universiteit Delft, 1999. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 29 - - 30 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 3 Mechanische overbrengingen Het doel van een mechanische transmissie is een koppeling tot stand te brengen tussen de aandrijving en het werktuig of voertuig, vaak met aanpassing van het moment en het toerental. In dit hoofdstuk worden in het kort enkele veel voorkomende typen mechanische overbrengingen besproken. Voor de inhoud is grotendeels gebruik gemaakt van [4]. 3.1 Koppelmechanisme Starre koppeling De eenvoudigste wijze van koppelen is via een directe, starre koppeling. Dit houdt in dat er geen enkele aanpassing plaatsvindt en dus alle variaties in koppel of toerental van de aandrijfmotor direct worden overgedragen op het werktuig en omgekeerd. Dit kan een ongelijkmatige belasting van het materiaal tot gevolg hebben, wat kan leiden tot vermoeidheidsverschijnselen en uiteindelijk tot schade. Tevens kan een starre koppeling niet of nauwelijks uitlijnverschillen compenseren. Elastische koppeling Door gebruik te maken van een elastische koppeling wordt overdracht van pulsaties in het moment van de aandrijfmotor op het werktuig voorkomen. Echter, door toepassing van een elastische koppeling wordt een verend element in het systeem geïntroduceerd. De aandrijving en het werktuig zijn dan met elkaar gekoppeld via een, in vergelijking met de stijfheid van een starre koppeling, betrekkelijk slappe veer. Het is goed mogelijk dat hierdoor resonantietrillingen optreden bij toerentallen in het normale werkgebied van de aandrijving. 3.2 Reductiemechanisme Doorgaans is het belangrijkste argument om in een elektrische aandrijving een mechanische transmissie op te nemen de noodzaak tot aanpassing van het toerental en koppel. Verder wordt er gebruik gemaakt van een mechanische transmissie wanneer er in de buurt van het werktuig plaatsgebrek is om de aandrijving te plaatsen. Ten opzichte van een starre koppeling brengt een reductiemechanisme tevens een vermindering van de trillingsoverdracht tussen de motor en het werktuig met zich mee, met name bij snaar- en riemoverbrengingen. Verschillende typen overbrengingen komen voor toepassing in elektrische aandrijvingen in aanmerking. Tandwieloverbrengingen De tandwieloverbrenging is het type overbrenging dat in combinatie met elektrische aandrijvingen verreweg het meest wordt toegepast. Tandwieloverbrengingen komen in talloze variëteiten voor en kunnen onder andere onderscheiden worden naar de onderlinge stand van de assen: • bij rechte tandwieloverbrengingen lopen de assen evenwijdig. De tanden kunnen evenwijdig zijn aan de as (rechte tanden, figuur 3.1a) dan wel onder een hoek staan ten opzichte van de as (schuine tanden of schroeftanden, figuur 3.1b); Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 31 - • • in een conische tandwieloverbrenging snijden de assen van de tandwielen elkaar (figuur 3.1c); bij wormoverbrengingen kruisen de assen van de tandwielen elkaar en vindt de krachtoverdracht over een grotere lengte plaats en niet in (theoretisch) één punt (figuur 3.1d). figuur 3.1 - Tandwieloverbrengingen a. evenwijdige assen en rechte tanden, b. evenwijdige assen en tanden onder een hoek, c. conische tandwieloverbrenging met loodrechte assen, d. wormwieloverbrenging In beginsel kan men een tandwieloverbrenging met een willekeurig grote overbrengverhouding samenstellen uit slechts twee tandwielen. In de praktijk leidt dat bij grote overbrengverhoudingen tot constructies die zeer veel ruimte innemen, vooral in het vlak loodrecht op de as. Daarom voert men overbrengingen waarvan de overbrengverhouding groter dan 7 à 10 moet zijn uit in twee of meer trappen, waarbij de constructie aanzienlijk compacter kan zijn. Wormoverbrengingen kunnen met één trap op een compacte wijze een grote overbrengverhouding realiseren. Het nadeel is echter dat dit type overbrenging beduidend meer wrijving vertoont dan een tandwieloverbrenging met rechte tandwielen en dus een lager rendement heeft. Een nadeel van tandwieloverbrengingen is, dat de mogelijkheden tot variatie van de overbrengverhouding zeer beperkt zijn. Overbrengingen waarbij men de overbrengverhouding in een aantal stappen kan instellen zijn weliswaar probleemloos te construeren en gangbaar (bijvoorbeeld een versnellingsbak), maar vergen een betrekkelijk groot aantal tandwielen in een ingewikkelde onderlinge positie. Motorreductoren Men kan een niet onbelangrijke winst aan bouwvolume behalen door de mechanische overbrenging aan de motor vast te bouwen. De aldus verkregen combinatie heet een motorreductor (zie figuur 3.2). figuur 3.2 - Opengewerkte motorreductor - 32 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Snaar- en riemoverbrengingen Bij een snaar- of riemoverbrenging wordt het moment overgebracht door de wrijvingskrachten tussen de riem en de riemschijf. Daarbij treedt altijd een zekere slip op. Dit leidt tot rendementsverlies en slijtage van de riem, die dus altijd een beperkte levensduur heeft. Een voordeel van een riemoverbrenging is, dat de drijfriem schokken dempt en bij overbelasting gaat glijden op de riemschijven, daarmee het werktuig beschermend tegen overbelasting of doordraaien. Daarentegen bestaat er in beginsel altijd het gevaar dat de drijfriem losraakt en de verbinding tussen de motor en het werktuig wordt verbroken. Dit kan zowel voor de mensen als voor de overige installaties in de buurt gevaar opleveren en in bepaalde gevallen ook tot schade aan de motor leiden. Kettingoverbrengingen In de aandrijftechniek kan men een kettingoverbrenging net als een riemoverbrenging toepassen om het aandrijvend moment over te brengen op een as die zich op enige afstand van de aandrijvende as bevindt. Doorgaans gebruikt men daartoe een ketting die slechts in één vlak kan buigen (zie figuur 3.3). figuur 3.3 - Twee simplex-, een duplex- en een triplexketting. Rechtsonder een detail van een simplexketting. Een kettingoverbrenging heeft als voordelen, dat er geen slip optreedt en dat er enerzijds kleinere onderlinge afstanden tussen de assen en anderzijds bij dezelfde asafstand grotere transmissieverhoudingen mogelijk zijn. Daartegenover staat dat de ketting regelmatig gesmeerd moet worden, gevoelig is voor vervuiling, sneller slijt en dat de kettingoverbrenging meer lawaai voortbrengt. De maximale overbrengverhouding van een kettingoverbrenging is ongeveer zeven. Om een grotere overbrengverhouding te bereiken moet men ook hier twee of meer trappen in serie schakelen. Omdat men breuk van een ketting met het oog op de daaraan klevende gevaren tot elke prijs moet voorkomen, werkt men altijd met grote veiligheidsfactoren. Een veiligheidsfactor van 25 wordt als een minimum beschouwd. Continu variabele transmissie De continu variabele transmissie (CVT) is een overbrenging waarbij de overbrengverhouding continu gevarieerd kan worden. Het systeem kan beschouwd worden als een transmissie met een oneindig aantal overbrengverhoudingen. Op elke moment kan dus gekozen worden voor een overbrengverhouding waarbij de prestatie en het rendement optimaal zijn. Voor de theorie van de continu variabele transmissie wordt verwezen naar gespecialiseerde literatuur [5], [6]. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 33 - Karakteristieke getallen In tabel 3.1 worden karakteristieke waarden van verschillende typen overbrengingen weergegeven, zoals de overbrengverhouding rt, het rendement η en het vermogen Pmax dat maximaal kan worden overgebracht [4]. type overbrenging tandwieloverbrenging wormwieloverbrenging snaaroverbrenging kettingoverbrenging wrijvingswiel continu variabele transmissie eentraps tweetraps drietraps eengangs tweegangs rt [-] tot 6 6 tot 45 30 tot 250 tot 60 tot 60 tot 8 tot 6 tot 6 4 tot 29 η [-] 0,96…0,99 0,91…0,97 0,85…0,95 0,50…0,70 0,70…0,80 0,94…0,97 0,97…0,98 0,95…0,98 0,95 Pmax [kW] 10.000 750 1.500 4.000 150 250 tabel 3.1 - Typische waarden van de overbrengverhouding, het rendement en maximaal over te brengen vermogen van verschillende overbrengingen. N.B. Het rendement van de mechanische overbrengingen is afhankelijk van de snelheid, het koppel en de overbrengverhouding. - 34 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Literatuur [4] Hamels, D., Elektrische Aandrijftechniek. Leiden: Stenfert Kroese, 1991. [5] Wan, Mark, Transmission. Hong Kong: Autozine Technical School, 2000. [6] onbekend, Variomatic. Buinerveen: DAF Club Nederland, 2001. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 35 - - 36 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 4 Geschakelde reluctantiemotor De meest gebruikte elektromotoren zijn asynchrone motoren, ook wel inductiemotoren genoemd. Zeventig tot tachtig procent van de elektrische energie die op aarde opgewekt wordt, wordt door dit type motor omgezet. Recent is echter de geschakelde reluctantiemotor (de aanduiding 'geschakeld' slaat op het in- en uitschakelen van de stroom door de verschillende statorwindingen van de motor) naar voren gekomen als concurrent van de asynchrone motor op de markt van elektrische aandrijvingen met een regelbaar toerental [11]. Dit hoofdstuk behandelt de theorie van de geschakelde reluctantiemotor. Allereerst worden de eigenschappen van de geschakelde reluctantiemotor opgesomd. Dan wordt het principe van reluctantie besproken en de wijze waarop de energie-omzetting in de motor plaatsvindt. Vervolgens worden verschillende uitvoeringsvormen van de reluctantiemotor behandeld. Hierna wordt de regeling van de motor nader toegelicht en tenslotte wordt aangegeven op welk gebied binnen de transporttechniek dit type elektromotor wordt toegepast. 4.1 Eigenschappen van de geschakelde reluctantiemotor De eerste geschakelde reluctantiemotor, ook wel variabele reluctantiemotor genoemd, is gebouwd in 1838 als aandrijving voor een locomotief die dienst deed op de spoorlijn tussen Glasgow en Edinburgh. Het duurde echter nog lange tijd voordat de motor veelvuldig werd toegepast. Dit kwam omdat het lastig was om de motor goed te regelen. Sinds de opkomst van de vermogenselektronica vanaf 1960 is de regeling van de geschakelde reluctantiemotor een stuk eenvoudiger. Sindsdien wordt de belangstelling voor dit type motor steeds groter en wordt deze motor veel gebruikt als alternatief voor de inductiemotor. Voordelen De voordelen van de geschakelde reluctantiemotor zijn hieronder samengevat: • de constructie van de motor is simpel en robuust; • de rotor draagt geen windingen wat de motor minder duur maakt; • de motor heeft een hoge koppel-traagheidsverhouding. De machine heeft een hoog startkoppel en de vermogensdichtheid is vergelijkbaar met die van een inductiemotor; • de maximale omwentelingssnelheid en maximale rotortemperatuur van de motor zijn hoger dan bij andere vergelijkbare typen motoren; • elke fasewinding van de geschakelde reluctantiemotor is onafhankelijk van de andere fasen, wat de machine zeer betrouwbaar maakt; • het koppel dat de motor levert is onafhankelijk van de polariteit van de stroom die door de fase vloeit. De elektrische omzetter vereist dan ook maar één schakeling per fase; • de motor kan in alle vier kwadranten van de koppel-toerenkarakteristiek functioneren; • de motor heeft een groot constant koppel- en vermogensgebied in de koppeltoerenkarakteristiek; • het rendement van de geschakelde reluctantiemotor is over het hele koppeltoerengebied hoog. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 37 - Nadelen De geschakelde reluctantiemotor heeft echter ook enkele nadelen: • het opgewekte koppel wordt pulserend geleverd. Dit leidt tot koppelrimpels en hinderlijke geluidsproductie; • om tot een hoge koppel-volumeverhouding te komen moet de luchtspleet tussen de stator en de rotor klein zijn. Dit leidt tot hoge fabricagetoleranties en een hogere geluidsproductie. In het algemeen heeft de geschakelde reluctantiemotor dus vele voordelen en kan deze gebruikt worden voor aandrijvingen die een wisselend toerental vereisen. Het probleem van het pulserend koppel kan opgelost worden door gebruik te maken van geschikte regelingen. De laatste tijd zijn de geschakelde reluctantiemotoren een goed alternatief geworden als motoren voor onder andere elektrische voertuigen, tractiesystemen, de textielindustrie, roboticatoepassingen, de ruimtevaart en machinegereedschappen [17]. 4.2 Principe van reluctantie Het magnetische circuit van figuur 4.1 bestaat uit ijzer en lucht. De rotor is ongewikkeld en de stator draagt een spoel met N windingen waardoorheen een stroom i vloeit. figuur 4.1 - Principe van reluctantie a. reluctantiemachine, b. verandering van de inductantie t.o.v. de stand van de rotor De magnetische flux die door een spoel met N windingen wordt opgewekt is Φ= N ⋅i ls l l + r + l µ s S s µ r S r µ l Sl (4.1) waarbij ls, lr en ll respectievelijk de lengte van de stator, rotor en luchtspleet zijn. De permeabiliteit wordt gegeven door µs, µr en µl en Ss, Sr en Sl zijn de doorsneden. De term l/µS noemt men de magnetische weerstand of reluctantie R [7]. Vergelijking (2.1) kan dus herschreven worden tot Φ= - 38 - N ⋅i Rs + Rr + Rl Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek (4.2) Deze vergelijking staat bekend als de regel van Hopkinson. De reluctantie van de stator en rotor zijn constant, maar de reluctantie van de luchtspleet is afhankelijk van de positie van de rotor. De rotor zal altijd de positie innemen van de minste reluctantie, omdat dit overeenkomt met een minimum aan magnetische energie in het systeem. Wanneer een circuit N windingen bevat definieert men vaak een gekoppelde flux Ψ = N ⋅Φ (4.3) Vergelijking (4.2) kan dan geschreven worden als Ψ= N 2 ⋅i = L ⋅i Rs + Rr + Rl (4.4) L geeft het verband tussen de stroom en de gekoppelde flux en wordt de inductantie genoemd. Wanneer de reluctantie minimaal is, dan is de inductantie dus maximaal. De reluctantie is minimaal als de luchtspleet zo klein mogelijk is en de doorsnede van het magnetisch circuit zo groot mogelijk is. Dit is de positie waarbij de rotoras in lijn staat met de statoras (θ = 0, zie figuur 4.1). Zolang de rotor niet in deze positie staat, zal deze een zogenaamd reluctantiemoment ondervinden, dat de rotor zal doen draaien [15]. Voor het circuit van de reluctantiemotor geldt dus Ψ (θ , i ) = L(θ ) ⋅ i (4.5) De flux die in een reluctantiemotor wordt opgewekt is dus afhankelijk van de stand van de rotor θ en de grootte van de elektrische stroom i. 4.3 Energie-omzetting Constructie De geschakelde reluctantiemotor is een motor waarvan zowel de rotor als de stator meerdere uitspringende polen heeft, maar slechts een van de twee (meestal de stator) windingen draagt (zie figuur 4.2). figuur 4.2 - Geschakelde reluctantiemotor Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 39 - In figuur 4.3 wordt een 6/4-motor getoond, d.w.z. een motor met zes statorpolen en vier rotorpolen. Het aantal polen op de stator en de rotor is gewoonlijk niet gelijk. Hierdoor wordt voorkomen dat de rotor in een toestand terecht komt waarbij deze geen koppel produceert, wat gebeurt wanneer alle rotorpolen in lijn staan met de statorpolen. De statorwindingen die tegenover elkaar liggen zijn met elkaar verbonden en vormen een fase. De zes statorpolen van deze machine vormen dus drie fasen. Uitgelijnde positie Wanneer een paar rotorpolen exact in lijn staat met de statorpolen van fase 1, dan is deze fase in lijn, zoals in figuur 4.3. Wanneer er stroom vloeit in fase 1, dan ondervindt de rotor geen koppel, omdat de rotor zich in een positie van minimale reluctantie c.q. maximale inductantie bevindt. Als de rotor nu een fractie draait, onstaat er een herstellend koppel dat de rotor terugdraait naar de uitgelijnde positie. figuur 4.3 - 6/4 geschakelde reluctantiemotor in de uitgelijnde stand Onuitgelijnde positie Wanneer de interpolaire as van de rotor in lijn staat met de statorpolen van fase 1, dan staat deze fase in onuitgelijnde positie, zoals in figuur 4.4. Wanneer er stroom vloeit in fase 1, dan ondervindt de rotor geen koppel. Als de rotor nu een fractie draait, dan ontstaat er een koppel dat de rotor in beweging brengt. De rotor zal nu verder draaien naar de eerst volgende uitgelijnde positie. De onuitgelijnde positie is dus een instabiele stand. figuur 4.4 - 6/4 geschakelde reluctantiemotor in de onuitgelijnde stand - 40 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Tussenliggende positie Indien de rotor in een positie tussen de uitgelijnde en onuitgelijnde stand staat, dan zal de rotor draaien in de richting waarin de inductantie groter wordt tot de positie waarin de inductantie maximaal is (figuur 4.5 toont het verloop van de flux wanneer de rotor in een tussenliggende positie staat). De richting van het koppel is dus altijd richting de dichtstbijzijnde uitgelijnde stand. figuur 4.5 - Fluxpad van een 6/4-motor bij tussenliggende positie Koppel De motor kan dus alleen een positief koppel leveren wanneer de motorstroom wordt ingeschakeld over de periode dat de inductantie stijgt (figuur 4.6 toont de inductantie van één fase). Als de rotor- en statorpolen symmetrisch zijn verdeeld, dan is het koppel dat een fase produceert gelijkgericht over een halve steek van de rotorpool. Daarom zijn er dus tenminste twee fasen nodig om het koppel gelijkgericht te houden voor alle rotorposities. Om ook de grootte van het koppel zo veel mogelijk gelijk te houden wordt meestal de voorkeur gegeven aan motoren met drie of meer fasen. figuur 4.6 - Inductantie t.o.v. rotorpositie van één fase in een onverzadigde motor Als er stroom vloeit wanneer de rotor in de richting van dalende inductantie draait, dan is het koppel negatief. Dit betekent dat de motor remt of als generator werkt. Magnetiseringscurven Zoals reeds is vermeld in paragraaf 4.2, is de magnetische flux afhankelijk van de grootte van de stroom die door de fase vloeit en de stand van de rotor. In figuur 4.7 wordt het verband weergegeven tussen de gekoppelde flux en de stroom voor verschillende rotorposities. De helling van de magnetiseringscurve komt dus overeen Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 41 - met de inductantie. De magnetiseringscurven rond de uitgelijnde positie zijn gevoelig voor verzadiging. Dit komt tot uiting in de afbuiging naar de oorsprong van de magnetiseringscurven in figuur 4.7. figuur 4.7 - Magnetiseringscurven van een reluctantiemotor De algemene uitdrukking voor het koppel dat door een fase wordt opgewekt op een willekeurige rotorpositie is ∂W ' T = ∂θ i =const . (4.6) waarbij W’ de co-energie voorstelt. De co-energie is het oppervlak onder de magnetiseringscurve (figuur 4.8) en is dus de integraal van de gekoppelde flux: i1 W ' = ∫ Ψdi 0 figuur 4.8 - Definitie van co-energie en opgeslagen veldenergie - 42 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek (4.7) Grafisch is dit als volgt voor te stellen: het opgewekte koppel is de verandering in arbeid ∆Wm gedeeld door de verplaatsing ∆θ, waarbij deze arbeid ontwikkeld wordt bij een constante stroom gedurende een oneindig kleine verplaatsing (zie figuur 4.9). Gedurende deze verplaatsing is er een uitwisseling van energie met de stroombron, maar er is ook een verandering in de opgeslagen veldenergie van het magnetische veld. figuur 4.9 - Verandering van co-energie bij constante stroom Tijdens een verplaatsing ∆θ van A naar B in figuur 4.9, levert de stroombron een energie (arbeid) van ∆We = ABCD (4.8) De verandering in opgeslagen veldenergie is ∆W f = OBC − OAD (4.9) en de mechanische arbeid wordt dan ∆Wm = T ⋅ ∆θ = ∆We − ∆W f = ABCD − (OBC − OAD) = OAB (4.10) Als de magnetiseringscurven ideaal verzadigbaar zouden zijn, wat hypothetisch alleen mogelijk is als er geen luchtspleet is tussen de stator en de rotor, dan zou de verandering in opgeslagen veldenergie bij verplaatsing van de rotor verwaarloosbaar klein zijn (figuur 4.10). In dat geval zou alle energie die door de stroombron geleverd wordt, omgezet worden in mechanische arbeid. figuur 4.10 - Ideaal verzadigbare magnetiseringscurven Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 43 - Voor een motor zonder verzadiging zijn de magnetiseringscurven rechte lijnen zoals in figuur 4.11. Voor elke positie zijn de co-energie en de opgeslagen magnetische veldenergie aan elkaar gelijk, zodat Wf = W ' = 1 L(θ )i 2 2 (4.11) waarbij L(θ) de inductantie is voor een specifieke positie. Het koppel wordt dan dus 1 dL ∂W ' T = = i2 ∂θ i =const . 2 dθ (4.12) figuur 4.11 - Magnetiseringscurven van een onverzadigde motor Hieruit volgt dus dat de motor een positief koppel levert als de stroom ingeschakeld wordt tijdens de periode dat de inductantie groter wordt. Tevens valt uit bovenstaande formule af te leiden, dat het koppel niet afhankelijk is van de richting van de stroom. De zelfinductiecurve L(θ) voor de onverzadigde motor voor één fase is weergegeven in figuur 4.6. Gedurende de periode dat de rotorpool en statorpool elkaar overlappen is dL/dθ (de helling van de zelfinductiecurve) constant, dus ook het koppel is constant als de stroom gedurende deze periode gelijk wordt gehouden (zie vergelijking (4.12)). Het gemiddelde koppel dat de motor levert, kan bepaald worden door gebruik te maken van de magnetiseringscurven en energiebalansen. De theorie hiervan valt buiten het bestek van deze scriptie en slechts het resultaat wordt dan ook gegeven [14]: Tgem = mN r W 2π (4.13) Het gemiddelde koppel dat de machine levert is dus afhankelijk van het aantal rotorpolen Nr, het aantal statorfasen m en de elektromagnetische energie die beschikbaar is voor omzetting in mechanische arbeid volgens vergelijking (4.7) (het oppervlak W in figuur 4.7). Voor een motor zonder verzadiging is vergelijking (4.11) van toepassing en het gemiddelde koppel dat de motor levert wordt dan: Tgem = - 44 - mN r L(θ ) ⋅ i 2 4π Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek (4.14) Hieruit is af te leiden dat het geleverde koppel geenszins afhankelijk is van het toerental van de rotor, maar slechts bepaald wordt door constructieve parameters van de motor (m en Nr), de stand van de rotor (L(θ)) en de motorstroom (i). De hoeksnelheid van de rotor wordt slechts bepaald door de frequentie waarin de verschillende fasen geschakeld worden. De wijze waarop de diverse fasen geschakeld kunnen worden, wordt behandeld in hoofdstuk 4.5. 4.4 Machine topologie Definities Een geschakelde reluctantiemotor van regelmatige vorm heeft rotor- en statorpolen die symmetrisch zijn en gelijkmatig verdeeld zijn over de rotor en de stator. De inductantieverhouding is de verhouding tussen de inductantie in uitgelijnde en onuitgelijnde toestand; deze worden respectievelijk de directe-as inductantie (Ld) en quadratuur-as inductantie (Lq) genoemd (zie ook figuur 4.1b). Hoe groter de inductantieverhouding is, des te groter is het koppel dat de machine kan leveren. De absolute momentzone is de hoek waarover een fase koppel, ongelijk aan nul, kan leveren. Bij een regelmatige motor is deze zone π/Nr waarbij Nr overeenkomt met het aantal rotorpolen. De effectieve momentzone is de hoek waarover een fase nuttig koppel kan leveren. De staphoek of slag ε wordt geven door ε= 2π mN r (4.15) De absolute overlapverhouding ρA is gedefinieerd als de verhouding tussen de absolute momentzone en de staphoek (dus ρA=m/2 voor een motor met regelmatige vorm). Voor een waarde van ρA>1 (dus voor een motor met meer dan twee fasen) kan een motor koppel leveren op alle rotorposities. De effectieve overlapverhouding ρE is de verhouding tussen de effectieve momentzone en de staphoek (ρE<ρA). Een waarde van ρE>1 is nodig om op alle rotorposities een goed startkoppel te kunnen leveren en is ook nodig om koppelrimpels te vermijden. Er is een grote reeks van mogelijke combinaties van het aantal fasewindingen, statorpolen en rotorpolen die gekozen kunnen worden. Het is nuttig om één paar statorpolen meer te hebben dan het aantal rotorpolen: Ns-Nr=2 [12]. Deze combinatie verzekert een zeer goede inductantieverhouding, een hoog gemiddeld koppel en lage schakelfrequenties. Men kan ook kiezen om één paar statorpolen minder te nemen dan het aantal rotorpolen: Ns-Nr=-2. Het voordeel van meer rotorpolen is een kleinere staphoek en lagere koppelrimpel. Echter, bij zo'n ontwerp wordt de breedte van de statorpool kleiner, wat leidt tot een verslechtering van de inductantieverhouding. De vergroting van het aantal stappen compenseert dit nadeel gedeeltelijk. 4.4.1 Eenfasemotor Omdat bij een motor met één fase zowel ρA als ρE kleiner zijn dan één, is het onmogelijk om met een reluctantiemotor van regelmatige vorm respectievelijk een constant koppel en startkoppel op alle rotorposities te leveren. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 45 - Zo'n motor is dus niet praktisch bruikbaar zonder gebruik te maken van speciale methoden om de motor te starten. In figuur 4.12 wordt een eenfase motor getoond met een zogenaamde parkeermagneet. De parkeermagneet zorgt ervoor dat de rotor altijd vanuit dezelfde positie start. Dit is dan de positie waarop de motor wel een startkoppel kan leveren. Het probleem van koppelrimpels is minder ernstig bij toepassingen met zeer hoge rotatiesnelheden; de eenfasemotor wordt dan vooral toegepast als aandrijving voor ventilatoren en centrifuges. Het voordeel van een eenfasemotor is de zeer simpele constructie (weinig windingen en verbindingen) en de zeer eenvoudige regeling (slechts één transistor en één diode). figuur 4.12 - Eenfase motor met parkeermagneet 4.4.2 Tweefasenmotor Bij een tweefasenmotor is ρA=1 en ρE<1 wat betekent dat ook een motor met twee fasen niet vanuit alle posities kan starten. Bij een motor met regelmatige vorm is namelijk de uitgelijnde positie van fase 1 de onuitgelijnde positie van fase 2 en vice versa (zie figuur 4.13, de dikke lijn toont het fluxpad in de uitgelijnde positie). In theorie is de hoek waarover de rotor moet draaien om uit deze positie te komen oneindig klein, maar in praktijk is het koppel dat opgewekt wordt bij verdraaiing van enkele graden te klein. De rotor staat dan in een zogenaamde dode zone. Dit startprobleem kan opgelost worden door gebruik te maken van asymmetrische rotorpolen met een getrapte luchtspleet (zie figuur 4.14). Hierdoor wordt de dode zone een stuk kleiner. figuur 4.13 - Tweefasen 4/2-motor figuur 4.14 - Tweefasen 4/2-motor met getrapte luchtspleet Doordat bij een tweefasenmotor tussen de rotor en stator veel lucht aanwezig is, zijn de koperverliezen erg klein. De grote ijzeren delen van de stator zorgen ervoor dat de - 46 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek ijzerverliezen in de kern van de motor klein zijn en zorgen tevens voor een goede mechanische stijfheid. De ijzerverliezen worden ook gereduceerd door de lage commutatiefrequentie. Tevens is de constructie van de motor simpel doordat er maar weinig windingen en transistoren nodig zijn, maar ook hier weer is er het probleem van een hoge koppelrimpel. 4.4.3 Driefasenmotor Bij een motor met drie fasen is ρA>1 en kan ρE dus groter worden dan één. Dit houdt in dat het mogelijk is om driefasenmotoren te ontwerpen die geschikt zijn voor vierkwadrantenbedrijf. 3/2-motor Hieronder toont figuur 4.16 een primitieve driefasenmotor met slechts drie statorpolen en twee rotorpolen. Echter, door niet-symmetrische magnetische krachten raakt de motor in onbalans en is dit type motor alleen geschikt voor licht gebruik. figuur 4.15 - Primitieve driefasen 3/2-motor Om de radiale krachten die door de statorpolen worden geproduceerd uit te balanceren, wordt het aantal statorpolen verdubbeld. Dit geeft de 6/2-motor volgens figuur 4.16. figuur 4.16 - Driefasen 6/2-motor met getrapte luchtspleet 6/2-motor Ook deze motor gebruikt een getrapte luchtspleet om de dode zone rond de onuitgelijnde positie te reduceren. Als de fasen worden bekrachtigd in opeenvolgende volgorde (1,2,3), dan draait de rotor tegen de klok in (positieve richting). De getrapte luchtspleet vergroot de effectieve momentzone naar zo'n 55° (ρE=0,92). Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 47 - 6/4-motor Door het aantal rotorpolen te verdubbelen, onstaat de 6/4-motor (figuur 4.17). Bij opeenvolgende bekrachtiging van de verschillende fasen (1,2,3) zal de rotor nu met de klok mee gaan draaien. Dit geldt typisch voor motoren waarvan de rotorsteek kleiner is dan π/m. De 6/4-motor is het meest voorkomende type motor onder de driefasenmotoren. figuur 4.17 - Driefasen 6/4-motor Motoren met meer stator- en/of rotorpolen komen ook voor, zoals de 6/8-, 12/8-, 12/10- en 24/32-configuratie. Het voordeel van meer rotorpolen is de kleinere staphoek die leidt tot een lagere koppelrimpel. Maar meer rotorpolen leiden onvermijdelijk tot een lagere inductantieverhouding en meer verliezen door de hogere schakelfrequentie, waardoor uiteindelijk het geleverde koppel minder dan evenredig met de vermeerdering van het aantal polen stijgt. 4.4.4 Vierfasenmotor 8/6-motor De vierfasen 8/6-motor van figuur 4.18 heeft 24 slagen per omwenteling en een staphoek van 15°. Met de booglengte van de statorpool β s=21° wordt de effectieve overlapverhouding ρE=1,33. De waarde voor de effectieve overlapverhouding is groot genoeg om op elke positie een startkoppel te leveren en is groot genoeg, opdat er geen koppelrimpels ontstaan. Tevens is het aantal polen laag genoeg om een hoge inductantieverhouding te garanderen. figuur 4.18 - Vierfasen 8/6-motor 8/10-motor De volgende vierfasenmotor is de 8/10, met 32 slagen per omwenteling. De inductantieverhouding is onvermijdelijk lager dan bij het type 8/6: de polen zijn - 48 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek smaller terwijl de vrije ruimte tussen de hoeken van de stator- en rotorpolen in de onuitgelijnde positie kleiner is, waardoor de onuitgelijnde inductantie wordt vergroot. Met het gebruik van meer polen verdringt het verlies aan inductantieverhouding de toename van het aantal slagen per omwenteling. 4.4.5 Groter fasenaantal Door gebruik te maken van een groter aantal fasen kan het aantal slagen per omwentelingen verhoogd worden zonder het aantal rotorpolen te vergroten. Dit betekent dus dat de koppelrimpels kleiner worden zonder dat de inductantieverhouding kleiner wordt. In figuur 4.19 wordt de verandering getoond van het opgewekte koppel ten opzichte van de stand van de rotor bij een constante gelijkstroom. figuur 4.19 - Koppelvormen van drie-, vier- en vijffasen motoren De golfvormen van de vierfasen en vijffasenmotor laten zien dat koppelrimpels vermeden kunnen worden zonder de stroom op te voeren in gebieden met een laag koppel per ampere. 4.4.6 Poolafmetingen De lengten van de cirkelboog van de stator- en rotorpolen moeten ongeveer gelijk zijn. In figuur 4.20 wordt een positie van evenwicht getoond. Indien de rotor verplaatst wordt, dan verandert de overlaphoek, waardoor de inductantie verandert en er een herstellend koppel optreedt. In het geval dat de booglengte van de rotorpool groter is dan die van de statorpool (β r>β s), dan is er bij draaiing van de rotor geen verandering in inductantie totdat de rotor een hoek van β r-β s verdraaid is ten opzichte van de uitgelijnde positie. Dit betekent dus dat er rond de uitgelijnde positie een dode zone is. figuur 4.20 - Momentzone Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 49 - Tevens valt uit figuur 4.20 op te maken dat de effectieve momentzone ongeveer gelijk is aan de kleinste booglengte. Als de rotorpool van links naar rechts beweegt, dan begint er een positief koppel te ontstaan net voor positie 2 tot aan positie 4. De optimale booglengten van de polen zijn een compromis tussen verschillende conflicterende eisen. Aan de ene kant moet de booglengte zo groot mogelijk zijn voor een maximale uitgelijnde inductantie en maximale fluxkoppeling. Echter, als de booglengte te groot is, dan is er niet genoeg ruimte tussen de hoeken van de rotor- en statorpolen in de onuitgelijnde positie (zie figuur 4.21b). figuur 4.21 - Verschillende booglengten van polen Als de polen echter smal zijn, dan is de hoeveelheid lucht tussen stator en rotor groot, waardoor de weerstands- en koperverliezen kleiner worden. Tevens is dan het gewicht en de traagheid van de rotor kleiner. Maar met smalle polen zijn zowel de uitgelijnde inductantie als de inductantieverhouding klein (figuur 4.21c). De optimale poolafmetingen liggen dus ergens tussen bovenstaande extremen. Er is echter geen waarde die voor alle toepassingen optimaal is. Karakteristieke getallen m Ns Nr 1 2 2 2 4 2 µ 1 1 3 6 6 6 12 18 24 2 4 8 8 12 16 1 1 1 2 3 4 4 8 16 6 12 1 2 5 10 10 10 10 4 6 8 8 1 1 1 2 6 12 24 12 10 20 14 1 2 1 7 14 14 10 12 1 1 ε° 180° 90° 69° 30° 15° 15° 10° 7,5° 15° 7,5° 20° 12° 9° 18° 6° 3° 4,29° 5,14° 4,29° slagen/omw. 2 4 haalbaarheid starthulp nodig asymmetrische rotor 6 12 24 24 36 48 getrapte luchtspleet goed goed goed goed goed 24 48 goed goed 18 30 40 20 goed goed goed goed 10 120 84 onbekend onbekend onbekend 70 84 onbekend onbekend tabel 4.1 - Mogelijk aantal fasen en polen van geschakelde reluctantiemachines (m=aantal fasen, Ns=aantal statorpolen, Nr=aantal rotorpolen, µ=aantal werkende poolparen per fase, ε=staphoek) - 50 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Een overzicht van de haalbaarheid van een aantal motoren met verschillende aantallen fasen en polen is gegeven in tabel 4.1. Er zijn natuurlijk nog andere combinaties mogelijk, maar de tabel bestrijkt de combinaties die veel in de praktijk voorkomen. 4.5 Fasestroomregeling De flux in de geschakelde reluctantiemotor is niet constant maar moet iedere slag opgebouwd worden vanaf nul. De fase wordt ingeschakeld wanneer de rotor zich in de onuitgelijnde positie bevindt en wordt uitgeschakeld voordat de rotor de uitgelijnde positie bereikt. Hierdoor valt de spanning terug naar nul voordat de inductantie begint te dalen, wat anders zou leiden tot een negatief koppel. Op deze manier wordt het maximale effectieve koppel opgewekt. De stand van de rotor waarop de fase wordt in- en uitgeschakeld wordt de inschakelhoek θo respectievelijk commutatiehoek θc genoemd. De duur van het inschakelen wordt de verblijfshoek θd (dwell) of geleidingshoek genoemd en is dus gelijk aan θc-θo. Door de spanning op θq over de winding negatief te maken daalt de flux sneller naar nul. Hierdoor kan de inschakeltijd vergroot worden en de koppelrimpel verkleind worden. Er zijn verschillende mogelijkheden om een geschakelde reluctantiemotor te regelen. Single-pulse spanningsregeling Bij deze methode wordt aan elke fase een enkele spanningspuls gegeven en bouwt de stroom zich op tot het niveau dat nodig is om de last aan te drijven. Dit type regeling wordt gebruikt bij hoge snelheden. figuur 4.22 - Geleidingsvormen in een fase bij single-pulse spanningsregeling Als iedere fase gevoed wordt door een circuit in de vorm figuur 4.22, waarbij beide transistors Q1 en Q2 in- en uitgeschakeld worden op respectievelijk θo en θc, dan toont figuur 4.23 de golfvorm van de spanning, gekoppelde flux, stroom en de geïdealiseerde inductantie ten opzichte van de rotorpositie (of ten opzichte van de tijd bij een constant toerental). Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 51 - figuur 4.23 - Golfvormen bij single-pulse-regeling van de spanning Spanningschopping Chopping is noodzakelijk om de stroom te regelen bij lage snelheden. Het simpelste schema is om transistor Q2 in te schakelen gedurende de periode van θo tot θc en om de andere transistor Q1 met hoge frequentie in en uit te schakelen. De spanning wordt dan volgens een vast patroon onderbroken; dit is het principe van pulsbreedte modulatie. Dit systeem wordt soft chopping genoemd; figuur 4.24 toont de golfvormen behorende bij soft chopping. figuur 4.24 - Golfvormen bij soft chopping van de spanning Wanneer de methode van hard chopping wordt toegepast, dan hebben de spanning, gekoppelde flux en de fasestroom de golfvormen die figuur 4.25 laat zien. Hierbij worden beide transistors Q1 en Q2 met hoge snelheid in- en uitgeschakeld, waarbij dus ook hier gebruik wordt gemaakt van pulsbreedte modulatie. Dit leidt echter tot - 52 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek een verhoging van de koppelrimpel (gemiddeld vijf tot tien keer hoger) en tot meer geluidsproductie en om deze redenen wordt dit systeem niet toegepast voor motorbedrijf. Voor generator- of rembedrijf kan dit systeem soms de enige haalbare manier zijn om de stroom te regelen. figuur 4.25 - Golfvormen bij hard chopping van de spanning Stroomchopping Bij stroomchopping wordt de stroom constant gehouden tussen twee vooraf ingestelde waarden. Dit type regeling wordt ook wel hysteresisregeling genoemd. In figuur 4.26 zijn de golfvormen te zien die verkregen worden met een stroomregelaar waarbij de transistors uit- en ingeschakeld worden als de stroom groter of kleiner is dan een referentiestroom. Zowel schema's voor soft als hard chopping zijn mogelijk. figuur 4.26 - Golfvormen bij soft chopping van de stroom Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 53 - De geschakelde reluctantiemotor heeft een positiesensor nodig om de fasestromen op het juiste moment te ontsteken. Dit verhoogt de kosten van de motor en maakt die dus ongeschikt voor toepassingen waar kosten een belangrijke kwestie zijn. Er is dan ook veel onderzoek gedaan naar sensorloze regeling waarbij de rotorpositie afgeleid wordt uit de fasestromen. Meestal wordt bij de nieuwste geschakelde reluctantiemotoren de stand van de rotor afgeleid uit de fasestroom en aangelegde spanning. Deze motoren hebben dus geen positiesensor nodig. 4.6 Omzetters voor geschakelde reluctantiemotoren Omdat de richting van het koppel niet afhangt van het teken of grootte van de gekoppelde flux en stroom, hoeft de omzetter voor een geschakelde reluctantiemotor slechts stroom te leveren in één richting. Hierdoor zijn de omzetters dus eenvoudiger dan die voor inductiemachines en zijn er minder ijzerverliezen. De grootste verschillen tussen omzetters voor geschakelde reluctantiemotoren en andere omzetters zijn hieronder opgesomd: • er is slechts een schakelaar per fase nodig. Dit is een groot voordeel vergeleken met omzetters voor wisselstroommachines die twee schakelaars per fase vereisen; • omdat de verschillende fasen van de motor niet met elkaar in verbinding staan, beïnvloedt een fout in een fase niet de overige fasen. Het falen van de regeling in een fase leidt niet tot koppelstoten; • bij een geschakelde reluctantiemotor loopt er geen stroom bij kortsluiting en is er geen spanning bij een open circuit. Bij fouten in de regeling heeft de motor dus minder last van overspanning en oververhitting. Er worden verschillende omzetters gebruikt voor geschakelde reluctantiemotoren. De meest voorkomende typen worden hieronder behandeld. Klassieke inverter Deze omzetter is gelijk aan de conventionele driefasen wisselrichter, met dit verschil dat de motorwindingen in serie staan met de faseschakelaars (zie figuur 4.27). Deze omzetter heeft het beste rendement, betrouwbaarheid en flexibiliteit qua regeling. Door de bovenste en onderste schakelaars onafhankelijk van elkaar te regelen zijn alle vormen van regelen te bereiken, waaronder hard en soft chopping. Bovendien is een maximum aan regeneratief remmen haalbaar en is de prestatie bij linksom en rechtsom draaien aan elkaar gelijk. figuur 4.27 - Regelcircuit met twee schakelaars per fase (klassieke inverter) Bij deze omzetter voorkomen de motorwindingen overshootfouten en daarom is een beveiligingscircuit niet nodig. Dit type omzetter wordt het meest gebruikt voor geschakelde reluctantiemotoren. - 54 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Omzetters met één schakelaar per fase Voor motoren met drie fasen of meer is er voor volledige regeling een schakelaar per fase nodig. Hieronder toont figuur 4.28 vier typen omzetters met een schakelaar per fase. figuur 4.28 - Regelcircuit met een schakelaar per fase Omzetter a. heeft een vrijloopdiode parallel aan de fasewinding. Het is dus niet mogelijk om de spanning negatief te maken, zodat het langer duurt voordat de flux afgenomen is naar nul. Hierdoor wordt de inschakeltijd dus korter en dit leidt tot een lager rendement van de machine. Bij omzetter b. is er een externe weerstand toegevoegd die gebruikt wordt om een tegengestelde spanning te genereren. Dit is een inefficiënte methode, omdat bij een stroomdaling ook de grootte van de tegengestelde spanning daalt. Als er dan ook gelet wordt op de verliezen in de weerstand, dan blijkt deze methode voor veel toepassingen ongeschikt te zijn. Bij omzetter c. is een zogenaamde zenerdiode toegevoegd. Van deze diode is de sperspanning vooraf in te stellen. Bij overschrijding van de sperspanning (ook wel zenerspanning genoemd) laat de zenerdiode stroom door. De spanning over de diode varieert nauwelijks bij variaties van de stroom [16]. Met de zenerdiode kan dus wel een hoge tegengestelde spanning aangelegd worden en deze methode heeft dus de voorkeur boven de methode van omzetter b. In de drie bovengenoemde omzetters is de piekspanning die over de schakelaar staat gelijk aan de bronspanning. Omzetter d. gebruikt een bifilair gewonden motor. Dit soort motoren hebben een lager rendement dan normale motoren. Wanneer de schakelaar uitgeschakeld wordt, wordt de stroom in de primaire winding overgezet naar de secundaire winding en stroomt deze door de diode. Er onstaat dan een negatieve spanning over de secundaire winding. De rendementsverhoging die verkregen wordt doordat de inschakeltijd groter is, is groter dan het rendementsverlies van de bifilair-windingen. Echter is de piekspanning over de schakelaar twee maal de bronspanning waardoor de schakelaar dus van betere kwaliteit moet zijn. Omzetters met meerdere fasen die componenten delen Geen enkele van de omzetters die hiervoor genoemd zijn deelden componenten; elke fase had zijn eigen set componenten. Er zijn systemen waarbij enkele schakelaars en diodes door alle fasen gebruikt worden. Echter, de fasen zijn niet meer onafhankelijk van elkaar zijn en een eventuele storing beïnvloedt dus alle fasen. Tevens is het rendement lager. Er wordt dan ook weinig gebruikt gemaakt van omzetters waarbij meerdere fasen gebruik maken van dezelfde componenten. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 55 - 4.7 Koppel-toerenkarakteristiek Bij een koppel-toerenkarakteristiek voor een geschakelde reluctantiemotor die gebruikt wordt als aandrijfmotor, kan men drie verschillende gebieden onderscheiden (zie figuur 4.29). Ten eerste is er het gebied waarin de motor een constant koppel levert, vervolgens is er een gebied te onderscheiden waar de motor een constant vermogen levert en tenslotte is er het gebied waar de motor zijn natuurlijk karakteristiek volgt (het koppel is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de hoeksnelheid: T ∼ 1/ω 2). Voor snelheden onder ωb (de zogenaamde basissnelheid) wordt het koppel begrensd door de motorstroom (of de stroom van de regelaar als deze kleiner is). Tot aan de basissnelheid ωb is het mogelijk ieder gewenst koppel tussen nul en het maximale koppel te leveren, waarbij het maximale koppel beperkt wordt door de maximale stroom. De exacte waarde van de stroom op een bepaald bedrijfspunt hangt af van de lastkarakteristiek, de snelheid en de regelings- en besturingsstrategie. In het snelheidsgebied kleiner dan ωb kunnen de hoeken waarop de stroompulsen gegeven worden (pulshoeken) zo gekozen worden dat óf het rendement óf de momentrimpel wordt geoptimaliseerd. figuur 4.29 - Koppel-toerenkarakteristiek van een geschakelde reluctantiemotor Als bij een snelheid hoger dan ωb de pulshoeken gelijk blijven, dan zal het maximale koppel, bij gelijkblijvende spanning, met het kwadraat van de snelheidstoename verminderen (T ∼ 1/ω 2). Door de geleidingshoek θd te vergroten ontstaat er een snelheidsgebied waarin het koppel toch hoog genoeg is om een constantvermogenkarakteristiek te handhaven. In het algemeen kan de motor een constant vermogen leveren tot aan twee à drie keer de basissnelheid. Bij nog hogere snelheden kan de geleidingshoek θd niet verder vergoot worden en zal de koppel-toerenkarakteristiek de natuurlijke motorcurve volgen, waarbij het koppel dus kwadratisch afneemt met de snelheidsvermeerdering [13]. 4.8 Geluidsproductie Geschakelde reluctantiemotoren kunnen buitensporige hoeveelheden geluid produceren. Wanneer de uitstekende stator- en rotorpolen in een lijn met elkaar - 56 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek proberen te staan om de reluctantie te minimaliseren, ontstaan er grote normaalkrachten op de stator. Deze krachten kunnen in trilling komen met één van de eigenfrequenties van de stator en aldus geluid produceren. De geluidsproductie kan gereduceerd worden door zorgvuldig ontwerp. Ten eerste kan het mechanische ontwerp geoptimaliseerd worden om resonanties bij veel voorkomende bedrijfspunten te voorkomen en men kan de stator met een hogere stijfheid ontwerpen om verplaatsingen te minimaliseren. Ten tweede is het mogelijk op de stroompulsen die door de fase vloeien te moduleren, zodat de frequentie van de normaalkrachtcomponenten die het meest bijdragen aan de vibraties in de stator, gereduceerd wordt. De huidige geschakelde reluctantiemotoren produceren niet meer geluid dan een asynchrone motor [18]. 4.9 Toepassingsgebied Omdat de reluctantiemotor een relatief lage spanning vereist en een hoog rendement heeft, is het mogelijk om de motor te voeden vanuit een batterij. Hierdoor is de motor goed toepasbaar voor elektrische voertuigen en mobiele werktuigen. Doordat de motor tevens geen borstels heeft, is er weinig onderhoud nodig. Het toerentalbereik van de geschakelde reluctantiemotor is zeer breed en de motor kan een hoog koppel bij een laag toerental leveren, waardoor het mogelijk is om de motor rechtstreeks, zonder tussenkomst van een reductiekast, met het werktuig te verbinden. De motor wordt dan ook veelvuldig toegepast bij servomechanismen, pompen, compressoren en roterende warmtewisselaars. Er wordt op dit moment ook veel onderzoek gedaan naar direct-drive (reductieloze) toepassingen voor elektrische voertuigen en er zijn al enkele prototypen ontwikkeld, waarbij dit systeem succesvol is toegepast [8]. De geschakelde reluctantiemotor kan op verschillende manieren uitgevoerd worden, bijvoorbeeld als een platte motor, brede motor, lineaire motor of als motor waarbij de stator en rotor omgedraaid zijn (zie figuur 4.30). Doordat de vorm van de motor dus vrij flexibel is, is het mogelijk om de motor te integreren met veel werktuigen, bijvoorbeeld met pompen, wasmachines en transmissies. figuur 4.30 - Driefasen 24/32-motor met uitwendige rotor Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 57 - Doordat de rotor geen windingen draagt, is een zeer hoog toerental mogelijk (tot aan 25.000 omw/min). Geschakelde reluctantiemotoren worden dan ook gebruikt voor machinegereedschappen, centrifuges, compressoren en generatoren. Als gevolg van de simpele bouw van de rotor en het ontbreken van de windingen is de rotor zeer licht en het traagheidsmoment laag. Tevens kan de motor probleemloos werken bij hoge temperaturen. Dit is van voordeel bij hoog dynamische toepassingen, zoals actuatoren en servomechanismen. Op dit moment zijn er geschakelde reluctantiemotoren op de markt verkrijgbaar variërend van kleine vermogens tot vermogens rond de 300 kW. Er vindt echter nog veel onderzoek plaats met als gevolg dat het vermogen dat de motor kan leveren steeds hoger wordt. Vermogens van ver boven de 1000 kW zijn in theorie mogelijk en het toepassingsgebied van geschakelde reluctantiemotoren zal dus steeds groter worden. Op dit moment worden vooral de geschakelde reluctantiemotoren met kleine vermogens (tot ca. 10 kW) in serie geproduceerd. De motoren met grotere vermogens worden meestal op klantspecificatie gemaakt, waardoor deze over het algemeen nog duur zijn. Echter, de interesse voor de geschakelde reluctantiemotor groeit en de verwachting is dan ook dat in de toekomst steeds meer geschakelde reluctantiemotoren met grotere vermogens geproduceerd zullen worden en die dus in prijs zullen dalen. 4.9.1 Elektrische voertuigen Op dit moment wordt er veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om de geschakelde reluctantiemotor te gebruiken als tractiemotor voor elektrische voertuigen. De geschakelde reluctantiemotor is hiervoor uitermate geschikt om verschillende redenen. Grote koppel-massaverhouding Geschakelde reluctantiemotoren staan erom bekend dat ze een hoog koppel kunnen leveren in verhouding tot het gewicht van de motor. Deze koppel-massaverhouding is groter dan bij asynchrone motoren, wat inhoudt dat een reluctantiemotor die hetzelfde koppel kan leveren als een asynchrone motor, lichter is. Dit is natuurlijk gunstig voor voertuigen, omdat hierdoor het vermogen dat nodig is om een voertuig te versnellen kleiner wordt. Batterij als spanningbron De geschakelde reluctantiemotor heeft een lage bronspanning nodig. Tevens wordt het geleverde koppel van de motor slechts bepaald door de effectieve spanning en niet door de vorm van de spanning. Hierdoor is het dus mogelijk om de motor te voeden met een gelijkstroombron met lage spanning, dus bijvoorbeeld een batterij. Bovendien heeft de geschakelde reluctantiemotor een hoog rendement en kan regeneratief remmen, waardoor de batterij optimaal gebruikt kan worden (N.B. de reluctantiemotor wordt vaak toegepast bij lange-afstandswedstrijden met elektrische voertuigen). Aandrijving zonder reductiemechanisme Het toerentalgebied waarin de geschakelde reluctantiemotor een hoog koppel kan leveren is groot. Bij aanlopen levert de motor een hoog startkoppel. Hierdoor is het mogelijk om de motor rechtstreeks aan het voertuig te koppelen zonder gebruik te - 58 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek maken van een reductiemechanisme (bijvoorbeeld een tandwielkast) om het motorkoppel om te vormen naar een hoger aandrijfkoppel. Het ontbreken van een reductiemechanisme zorgt dus ook weer voor een gewichtsbesparing. Aandrijving zonder differentieel Wanneer een voertuig een bocht maakt, hebben de wielen in de binnenbocht een lagere omwentelingssnelheid dan de wielen in de buitenbocht. Voor conventionele voertuigen zorgt een differentieel ervoor dat zowel de wielen in de buitenbocht als die in de binnenbocht aangedreven kunnen worden door dezelfde aandrijfas. Als echter een van de wielen over een glad oppervlak rijdt, zoals ijs, zand of modder, dan zal het lastkoppel inzakken en het wiel zal slippen. Het is echter ook mogelijk om elk aangedreven wiel direct te koppelen met een geschakelde reluctantiemotor, waardoor het gebruik van een differentieel vervalt. Dit brengt dus weer een gewichtsbesparing en rendementsverhoging met zich mee. Een nadeel van dit systeem is echter dat het koppel en de omwentelingssnelheid van elk wiel constant gecontroleerd en eventueel aangepast moet worden, ook als het voertuig op een gladde en rechte weg rijdt. Er zijn echter al diverse regelsystemen ontwikkeld die bovenstaande regeling met succes uitvoeren en een goed weggedrag van het voertuig garanderen [8]. Eenvoudige koeling Het koelen van een reluctantiemotor is in het algemeen eenvoudig, omdat de meeste warmte ontwikkeld wordt in de stator en dus makkelijk afgevoerd kan worden. Hierdoor is het niet nodig om dure en complexe koelsystemen te gebruiken. De geschakelde reluctantiemotor wint steeds meer terrein als alternatief voor aandrijving van voertuigen. In onderstaande tabel wordt een vergelijking gegeven tussen conventionele motoren en de geschakelde reluctantiemotor, specifiek voor de aandrijving van een elektrisch voertuig [10]. borstels sensors magneten robuustheid motor elektronica overbrenging kosten gewicht rendement prestatie geluid overbelasting comfort totaal punten maximum gelijkstroom motor synchrone motor asynchrone motor geschakelde reluct. motor 20 10 10 40 10 15 5 30 10 10 20 5 5 10 100 0 10 0 10 5 15 0 20 6 6 12 3 2 5 47 20 5 0 25 5 9 0 13 10 10 20 5 4 9 67 20 10 10 40 8 8 5 21 8 8 16 5 5 10 87 20 5 10 35 10 10 5 25 9 9 18 4 5 9 87 tabel 4.2 - Vergelijking van verschillende typen elektromotoren voor de aandrijving van een elektrische voertuig Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 59 - Uit bovenstaande tabel blijkt, dat voor de aandrijving van elektrische voertuigen de asynchrone motor en de geschakelde reluctantiemotor de beste eigenschappen vertonen. 4.9.2 Bandtransporteurs De techniek van de geschakelde reluctantiemotor wordt ook toegepast in de ondergrondse mijnbouwindustrie als aandrijfmotor voor onder andere bandtransporteurs. De hoeveelheid kolen die in de mijn gewonnen wordt is niet constant in de tijd. Wanneer de transportband aangedreven wordt met een vast toerental, is het niet mogelijk om een optimale afvoer uit de mijn de krijgen en te houden en tevens is er dan het risico dat de bandtransporteur wordt overbelast. De snelheid van de geschakelde reluctantiemotor is goed te regelen en wordt daarom vaak als aandrijfmotor gebruikt. Doordat de band met een laag toerental kan draaien, kan de bandtransporteur ook gebruikt worden voor het vervoer van personen. Tevens is een lage bandsnelheid nuttig voor inspectie van de band. Het geïnstalleerde vermogen van de aandrijfmotor varieert tussen de 35 kW en 300 kW. Een ander voordeel van de toepassing van dit type motor is het regelbare startkoppel, waardoor schokken op de reductiekast en transportband voorkomen worden. Dit heeft onder andere als voordeel dat de dikte van de transportband lager gekozen kan worden. Wanneer bij lange bandtransporteurs de band aangedreven wordt door meerdere motoren, kunnen deze motoren zo geprogrammeerd worden dat ze de last gelijkmatig verdelen. Tenslotte vergt dit type motor weinig onderhoud, is deze zeer betrouwbaar en kan de motor per uur oneindig vaak gestart worden [19]. - 60 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Literatuur [7] Buijze, W. en R. Roest, Inleiding elektriciteit en magnetisme. Delft: Delftse Universitaire Pers, 1992. [8] Demirel, Azmi en R. Nejat Tunçay, The Development of a Skid-Prevented Direct Drive System for Electric Vehicles. Electric Machines and Drives, 1999. International Conference IEMD '99, 1999, pagina's 66 t/m 68. [9] Hamels, D., Elektrische Aandrijftechniek. Leiden: Stenfert Kroese, 1991. [10] Itten, Alex en Rolf Gloor, Integral Drive Electronics for Passenger Cars. Sufers: Gloor Engineering, 1996. [11] Kline, Joseph A., Opportunities for Switched Reluctance Motor-Drives. Pulp and Paper, 1999. Industry Technical Conference Record of 1999 Annual, 1999, pagina's 42 t/m 47. [12] Lawrenson, P.J., J.M. Stephenson, P.T. Blenkinsop, J. Corda, N.N. Fulton., Variable Speed Switched Reluctance Motors. IEEE Proceeding B, 1980, 127, pagina's 253 t/m 265. [13] Miller, T.J.E., Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives. Oxford: Clarendon, 1989. [14] Miller, T.J.E., Switched Reluctance Motors and Their Control. Hillsboro: Magna Physics Publishing, 1993. [15] Nasar, S.A., I. Boldea en L.E. Unnewehr, Permanent Magnet, Reluctance and Self-Synchronous Motors. Boca Raton: CRC Press, 1993. [16] Regtien, P.P.L., Instrumentele elektronica. Delft: Delftse Uitgevers Maatschappij, 1993. [17] Yadlapalli, N., Implementation of a Novel Soft-Switching Inverter for Switched Reluctance Motor Drives. Blacksburg: Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, 1999. [18] onbekend, Switched Reluctance Motor Drives. Leeds: Fleadh Electronics Ltd., 2000. [19] onbekend, Diamond Drive: Application Descriptions. Harrogate: SR Drives Manufacturing Ltd., 2001. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 61 - - 62 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 5 Axiale flux motor Voor de aandrijving van elektrische voertuigen wordt steeds vaker het principe van de naafmotor toegepast. Bij een naafmotor is de elektromotor direct, dus zonder tussenkomst van een transmissie, aan het wiel gekoppeld of bevindt de motor zich in het wiel. De naafmotor eist ten aanzien van de motor een compacte en robuuste elektrische machine met een hoog rendement. De machine moet kunnen werken binnen een groot snelheidsgebied en een hoog koppel kunnen leveren, ook bij lage omwentelingssnelheden. De axiale flux motor, waarbij de richting van de magnetische flux, anders dan bij de conventionele motoren uit hoofdstuk 2, evenwijdig is aan de mechanische as van de motor, is in dit geval een interessante oplossing. In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de verschillende typen schijfmotoren met een axiale fluxdistributie. Als eerste wordt aangegeven wat het voordeel is van een axiale fluxdistributie ten opzichte van een radiale fluxdistributie. Vervolgens wordt de axiale flux motor met permanente magneten behandeld en worden de karakteristieken van permanente magneten besproken. Daarna wordt de inductiemotor met axiale fluxdistributie beschreven en na deze paragraaf komt de regeling van de motor aan de orde. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een vergelijking tussen motoren met een axiale en radiale fluxdistributie en er wordt aangegeven waar de axiale flux motor wordt toegepast binnen het vakgebied van de transporttechniek. 5.1 Eigenschappen van de axiale flux motor Axiale flux motoren verschillen wezenlijk van conventionele motoren qua richting van de magnetische flux in de luchtspleet. Bij axiale flux motoren is die richting evenwijdig aan de mechanische as van de motor (zie figuur 5.1). figuur 5.1 - Richting van de magnetische flux a. radiale fluxdistributie, b. axiale fluxdistributie In het algemeen heeft de stator een ringstructuur met windingen en is de rotor een schijf voorzien van permanente magneten aan het rotoroppervlak (zie figuur 5.2). Dit type motor wordt dan ook vaak schijfmotor of pannenkoekmotor genoemd. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 63 - figuur 5.2 - Axiale flux machine met permanente magneten De axiale flux geometrie heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van de conventionele elektromotoren met radiale fluxdistributie: • de zeer korte axiale lengte van een motor met axiale fluxdistributie, typisch 20 tot 30 cm, zorgt voor een aanzienlijke besparing van het volume ten opzichte van een asynchrone motor. Bij een motor met radiale fluxdistributie draagt namelijk een groot deel van het interne volume niet bij aan het vermogen dat de motor levert; • de motor met axiale fluxdistributie is in het algemeen tenminste vier keer lichter dan een qua vermogen vergelijkbare asynchrone motor; • bij de motor met axiale fluxdistributie is met simpele technieken veldverzwakking mogelijk d.m.v. mechanische aanpassing van de luchtspleet tussen stator en rotor. Binnen een groot bereik veroorzaakt de vergroting van de luchtspleet een toename van de koperverliezen, maar verminderen de ijzerverliezen. Het totale rendement van de motor blijft dan ook nagenoeg constant [37]; • het rendement van een axiale flux motor is hoog, over het algemeen 95% of hoger. Koppel De radiale lengte van de stator, gemeten vanaf de binnenstraal R1 tot aan de buitenstraal Ro van de stator, is het actieve deel van de motor dat koppel produceert (zie figuur 5.3). De fluxdichtheid φ in het stator- en rotorjuk is afhankelijk van de axiale lengte L. Dus zowel de stator als de rotor worden volledig benut bij een geschikte uitvoering van het juk. Daarom blijft het actieve deel van de motor gelijk bij een toename van het aantal polen, maar kan de axiale lengte kleiner worden, omdat de fluxdichtheid toeneemt met het aantal polen. Wordt de axiale lengte gelijk gehouden, dan neemt het koppel dat de motor levert dus toe. figuur 5.3 - Pad van de magnetische flux per pool - 64 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Toerental De axiale flux motor is een synchrone motor en de omwentelingssnelheid van de rotor is afhankelijk van de stroomfrequentie fstroom en het aantal poolparen p volgens nrotor = f stroom p (5.1) Een vergroting van het aantal poolparen zorgt dus naast een toename van de fluxdichtheid ook voor een afname van de omwentelingssnelheid van de rotor. Vandaar dat axiale flux motoren voordelig zijn bij toepassingen die een lage snelheid en hoog koppel vereisen. Tevens zijn de axiale flux motoren door hun mechanische configuratie goed toepasbaar als naafmotor. Onderverdeling Axiale flux motoren kunnen verdeeld worden in de volgende categorieën: enkelzijdige motor met interne stator axiale flux motor met permanente magneten (AFPM motor) axiale flux motor (AF motor) dubbelzijdige motor met interne schijfrotor dubbelzijdige motor met interne stator axiale flux meertrapsmotor (multi-stage AFPM motor) axiale flux inductiemotor (AFI motor) axiale flux inductienaafmotor (wheel AFI) axiale flux inductiemotor met dubbele rotor (twin rotor AFI) Naafmotor Een naafmotorsysteem bestaat uit een motoraandrijving die direct gekoppeld is aan het aangedreven wiel zonder tussenkomst van een reductiemechanisme of een verbinding met de ophanging. Het gebruik van een naafmotor bij elektrische voertuigen heeft een verbetering van de vermogensoverdracht tot gevolg, evenals een verlaging van de massa, een verhoging van het totale rendement en de betrouwbaarheid van het voertuig. Tevens kan het gebruik van een naafmotor leiden tot verlaging van de assembleertijd van het aandrijfsysteem. Als gevolg van de directe koppeling tussen motor en wiel is er een één-op-één overbrenging tussen de aandrijfmotor en het aangedreven wiel. Een dergelijke samenstelling versimpelt het aandrijfsysteem maar verandert de eigenschappen van de ophanging van het voertuig. Bij een conventionele aandrijving (elektrische of interne verbrandingsmotor) zijn de wielen en kleine delen van de aandrijving de enige ongeveerde delen van het voertuig. Bij een naafmotor is de aandrijfmotor in het algemeen een deel van de ongeveerde massa. De meeste elektrische motoren en alle interne Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 65 - verbrandingsmotoren zijn te zwaar om van de carrosserie van het voertuig verwijderd te worden en samengevoegd te worden met een of meer aangedreven wielen. Een elektromotor die geschikt is om direct aan het aangedreven wiel bevestigd te worden moet een relatief lage massa hebben en een hoog koppel per gewicht. Bovendien moeten naafmotoren afmetingen hebben die klein genoeg zijn voor plaatsing nabij of in het wiel. Door onder andere de compacte uitvoering is de axiale flux schijfmotor een geschikte kandidaat voor toepassing in een naafmotorsysteem. Tevens heeft deze motor twee belangrijke voordelen ten opzichte van andere typen elektromotoren: • het specifiek vermogen en het rendement zijn hoger dan bij elke vergelijkbare andere motor; • aan het wiel dient slechts de rotor direct gekoppeld te worden in plaats van de gehele motor. Dit zorgt dus voor een reductie van de ongeveerde massa van het wiel [28]. Bij de behandeling van de verschillende soorten axiale flux motoren in de volgende paragrafen zal van elk type de toepasbaarheid als naafmotor aan bod komen [36]. 5.2 Axiale flux motor met permanente magneten De axiale flux motor met permanente magneten (AFPM) is een aantrekkelijk alternatief ten opzichte van de conventionele cilindrische motoren met een radiale fluxdistributie vanwege het korte frame, de compacte bouw en de hoge vermogensdichtheid. Voordelen Axiale flux schijfmotoren hebben een zeer kort fluxpad door het ijzergedeelte. Het minimaliseren van de lengte van het fluxpad door de ijzeren delen van de motor leidt tot een reductie van de ijzerverliezen (hysteresis- en wervelstroomverliezen). In tegenstelling tot bij het gebruik van elektromagneten, veroorzaakt de flux die door een permanente magneet wordt opgewekt geen wervelstromen. Dus ook het gebruik van permanente magneten draagt bij aan een reductie van de ijzerverliezen. Omdat de magnetische flux door permanente magneten wordt opgewekt, is de koppel-massaverhouding bij deze motor hoger dan een bij een motor met een ijzeren rotor: de flux stroomt niet radiaal door de rotor waardoor het ijzer uit de rotor verwijderd kan worden. Nadelen De axiale flux schijfmotor vereist een ingewikkelder regelsysteem dan de gelijkstroommotor met borstels. Een rotorpositiesensor is nodig om een efficiënte regeling bij hoge snelheden te bereiken. Dit type motor heeft in het algemeen een microprocessorregeling nodig voor efficiënte aanwending van het vermogen. Tenslotte is de productie van de motor complex, omdat de stator veel verschillende spoelen bevat en axiaal georiënteerde windingen. Axiale flux motoren met permanente magneten kunnen ontworpen worden als enkelzijdige of dubbelzijdige machines, met of zonder ankergroeven, met interne of externe permanente magneet rotors en met permanente magneten die aan het oppervlak of inwendig zijn gemonteerd [32]. - 66 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 5.2.1 Magneetmaterialen De eerste elektrische machines waarbij het magnetische veld wordt opgewekt door permanente magneten stammen uit de negentiende eeuw. Door het gebruik van magnetische materialen van slechte kwaliteit (staal en wolfraamstaal) stapte men al snel over op systemen met elektromagnetische bekrachtiging. Alnico magneten De uitvinding van het magneetmateriaal Alnico in 1932 deed het gebruik van permanente magneten weer opleven. Alnico magneten hebben een hoge fluxdichtheid en een lage weerstand tegen demagnetisatie, maar een zeer lage coërcitieve veldsterkte (zie paragraaf 5.2.2), waardoor deze alleen toepasbaar zijn voor kleine motoren met een klein vermogen. Ceramische magneten Veelvuldig gebruik van permanente magneten voor commerciële en luchtvaarttoepassingen was mogelijk met de komst van ceramische of hard-ferriete permanente magneten na 1950 (bariumferriet en strontiumferriet). Hoewel de fluxdichtheid van dit type magneten veel lager is dan bij Alnico magneten, maakt de hoge coërcitieve veldsterkte het mogelijk om deze magneten toch te gebruiken bij toepassingen die een hoog vermogen vragen. Zeldzame-aardmagneten De volgende stap was de komst van commerciële zeldzame-aardmagneten na 1960. De eerste magneten van dit type waren legeringen van kobalt met samarium. Deze permanente magneten hebben dezelfde hoge fluxdichtheid als de Alnico magneten en een zelfs hogere coërcitieve veldsterkte dan de hard-ferriete magneten. Samariumkobalt (Sm2Co17) is echter relatief kostbaar. Een meer recente ontwikkeling in zeldzame-aardmagneten is de legering gevormd uit neodymium ijzer-boron (NdFeB). Dit magnetische materiaal veroorzaakt het hoogste magnetisch veld per oppervlakte dat ooit ontdekt is en is veel goedkoper dan de samarium-kobalt legering. Elektrische machines met NdFeB-magneten kunnen bijna voor elke toepassing gebruikt worden [35]. Voordelen van permanente magneten Het gebruik van permanente magneten in de constructie van elektrische machines heeft de volgende voordelen [33]: • er wordt geen elektrische energie geabsorbeerd door het systeem dat het magnetische veld opwekt. Er zijn dus geen verliezen, wat leidt tot een aanzienlijke rendementsverhoging; • de elektrische machine met permanente magneten levert een hoger koppel of een groter vermogen per volume dan een machine met elektromagnetische bekrachtiging; • de dynamische prestatie van machines met permanente magneten is beter dan die van machines met elektromagnetische bekrachtiging (grotere magnetische fluxdichtheid in de luchtspleet); • voor sommige typen machines zal bij het gebruik van permanente magneten de prijs van de machine dalen. 5.2.2 Principe van permanente magneten Bij magnetisering wordt een materiaal onderhevig gemaakt aan een stijgend magnetisch veld totdat verzadiging optreedt. Wanneer dit magnetische veld wordt verwijderd, zal een ferromagnetische materiaal niet hetzelfde pad volgen tot de Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 67 - fluxdichtheid nul is, maar zal het een deel van zijn magnetisme behouden. Het pad dat de permanente magneet volgt wordt de hystereselus genoemd. Deze lus is meestal symmetrisch. Om de karakteristieken van magneten te begrijpen is het belangrijk om te kijken naar de B-H-karakteristiek of de hystereselus (zie figuur 5.4). Op de horizontale as staat de magnetiseringskracht of veldintensiteit H in het materiaal uitgezet. De magnetische fluxdichtheid B in het materiaal is uitgezet op de verticale as. figuur 5.4 - B-H-hystereselus van een permanent magnetisch materiaal Remanent magnetisme Voor een ongemagnetiseerd stuk materiaal geldt B=0 en H=0 en start dus in de oorsprong. Als het materiaal onderhevig wordt gemaakt aan een magnetisch veld, dan volgen B en H de curve OA, de zogenaamde maagdelijke kromme (zie figuur 5.4, primaire magnetisering). Wanneer vervolgens het magnetische veld wordt verwijderd, dan ontspant het materiaal zich langs curve AB. In punt B, terwijl H=0, is toch een veld Br aanwezig. Men noemt dit verschijnsel remanent magnetisme. Wanneer het materiaal weer onderhevig wordt gemaakt aan een magnetisch veld, maar waarbij het magnetisch veld nu omgekeerd van richting is, dan zal het bedrijfspunt (H,B) nu de curve van B door het tweede kwadrant naar C volgen. Bij verwijdering van het magnetische veld zal het materiaal ontspannen volgens curve CD. Het materiaal is nu gemagnetiseerd in de tegengestelde richting en de maximale fluxdichtheid die het materiaal kan vasthouden is -Br. - 68 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Coërcitieve veldsterkte Om de fluxdichtheid B vanaf het positieve remanente veld Br weer nul te maken, moet het materiaal onderhevig gemaakt worden aan een magnetisch veld met veldsterkte -Hc (de coërcitieve veldsterkte). Stoffen met een grote coërciviteit noemt men magnetisch hard. Deze materialen vertonen een brede hystereselus [21]. Wanneer er, startend vanaf punt B, een negatief magnetisch veld aangelegd wordt en deze op punt R wordt afgeschakeld, dan zal het bedrijfspunt van de magneet teruglopen langs RS. Als het negatief magnetisch veld opnieuw wordt aangelegd, dan keert het bedrijfspunt terug langs lijn SR. In feite is de lijn RS een hele kleine hystereselus, maar in de praktijk kan deze lus beschouwd worden als een rechte lijn waarvan de helling gelijk is aan de relatieve permeabiliteit µr (µr=B/µ0H). Demagnetisatiecurve Het meest belangrijke deel van de B-H-karakteristiek ligt in het tweede kwadrant. Dit deel wordt de demagnetisatiecurve genoemd en op deze curve ligt het werkpunt van een permanente magneet die in een elektrische machine wordt gebruikt. De hystereselus SRS in het tweede kwadrant van magnetische harde materialen (zoals zeldzame-aardmagneten, bijvoorbeeld samarium-kobalt) is een rechte lijn. Bij magnetisch zachte materialen (bijvoorbeeld Alnico) is de hystereselus niet recht, maar vertoont deze een 'knie' in het tweede kwadrant (figuur 5.5). Wanneer het bedrijfspunt van een magneet in de buurt van de 'knie' komt te liggen, dan kan de magneet een deel van zijn magnetisme verliezen: wanneer namelijk het materiaal zich weer ontspant zal het een nieuwe demagnetisatiecurve volgen die dichter bij de oorsprong ligt. figuur 5.5 - Hystereselus in het tweede kwadrant van magnetische materialen Energieproduct De absolute waarde van het product van de fluxdichtheid B en de veldsterkte H op elk punt langs de demagnetisatiecurve wordt het energieproduct genoemd (figuur 5.6). De maximale waarde van het energieproduct (BH)max is een graadmeter voor de sterkte van een permanente magneet. Echter, in elektromotoren opereren permanente magneten bijna nooit op (BH)max vanwege de mogelijke onomkeerbare demagnetisatie wanneer de temperatuur toeneemt [33]. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 69 - figuur 5.6 - Demagnetisatiecurve (a) en energieproduct (b) Temperatuureffecten Wanneer een permanente magneet lang genoeg aan een hoge temperatuur wordt blootgesteld kunnen metallurgische veranderingen plaatsvinden, waardoor de magnetische eigenschappen van het materiaal worden aangetast. Boven de zogenaamde Currie-temperatuur wordt de magneet gedemagnetiseerd. Wanneer er geen metallurgische veranderingen hebben plaatsgevonden, kan het materiaal weer gemagnetiseerd worden tot de oorspronkelijke eigenschappen (zie tabel 5.1) [34]. Alnico 5 Ceramiek SmCo5 Sm2Co17 NdFeB metallurgische veranderingen (°°C) 550 1080 300 350 200 Currie-temperatuur (°°C) 890 450 700 800 310 tabel 5.1 - Karakteristieke temperaturen van diverse materialen 5.2.3 Enkelzijdige motor met interne stator In figuur 5.7 wordt de configuratie van een enkelzijdige motor met interne stator getoond. Het systeem bestaat uit een serie ankerspoelen en een platte ring met daarop meerdere permanente magneten. Lichte stalen ringen die tegen de windingen en de permanente magneten aanliggen zijn nodig voor de terugkeer van het fluxpad. figuur 5.7 - Configuratie van een enkelzijdige motor met interne stator - 70 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Windingen Het actieve deel van de windingen (het deel van de windingen dat koppel levert) is radiaal gepositioneerd ten opzichte van de motoras. Het gebogen deel van de windingen ligt evenwijdig aan het magnetisch veld en levert dus geen koppel (zie figuur 5.8). Bij een motor die door gelijkstroom wordt bekrachtigd zijn de uiteinden van de windingen verbonden met een commutator. figuur 5.8 - Ankerwinding Het rendement van het systeem kan verder verhoogd worden door het ijzer uit het anker te verwijderen. Hierdoor worden de wervelstromen en hysterisverliezen verwaarloosbaar. Het anker bestaat dan slechts uit windingen die zijn mechanische stevigheid verkrijgt door deze in te kapselen in een epoxyhars. Naafmotor De enkelzijdige axiale flux wordt niet toegepast als naafmotor omdat het koppel dat deze machine kan leveren te laag is voor de aandrijving van een voertuig. De uitvoering van een enkelzijdige axiale flux motor met interne stator is eenvoudiger dan de dubbelzijdige motor, maar het koppel dat deze motor kan leveren is lager. Een ander voordeel van de dubbelzijdige motor is, dat de aantrekkende krachten tussen de rotor en de stator gebalanceerd zijn en er dus geen axiale belasting of stoten op het lager worden overgebracht. 5.2.4 Dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor Bij een uitvoering met één rotor wordt de permanente magneet rotor gepositioneerd tussen twee gelamineerde ijzeren stators die gleuven hebben met daarin de statorwinding. De schijf met permanente magneten roteert tussen de twee statorkernen (figuur 5.9 toont een configuratie met acht polen). De permanente magneten kunnen ingesloten worden in of gelijmd worden op het rotordeel. De luchtspleet in dit type motor is relatief groot: de totale luchtspleet bestaat uit de twee ruimtes tussen de stator en rotor en de dikte van de permanente magneet. figuur 5.9 - Configuratie van een dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor 1. rotor, 2. permanente magneet, 3. statorkern, 4. statorwinding, 5. stator Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 71 - De voordelen van deze configuratie zijn de volgende: • de warmte die door de statorwindingen wordt geproduceerd bevindt zich aan de buitenzijde van de motor. Deze warmte kan dus relatief makkelijk afgevoerd worden; • de permanente magneten hebben twee platte oppervlakken. De magneten hoeven dus niet speciaal geslepen te worden; • doordat de aantrekkende krachten tussen de stator en rotor gebalanceerd zijn, hoeven er geen extra voorzieningen getroffen te worden om de magneten op hun plaats te houden; • er zijn, zoals bij de enkelzijdige motor wel het geval is, geen stalen ringen nodig voor de terugkeer van het fluxpad; • de luchtspleet is aanpasbaar gedurende zowel de fabricage als na de assemblage; • de stator valt relatief makkelijk te wikkelen met windingen, omdat deze open en plat is; De nadelen van de dubbelzijdige motor zijn de volgende: • de buitenstraal van de motor is groot, tenzij er gebruik wordt gemaakt van veel magneetpolen; • de eindwindingen zijn aanzienlijk lang en slechts een klein deel van de koperwindingen draagt bij aan de productie van het motorkoppel; • voor de eindwindingen aan de binnenstraal is maar weinig ruimte beschikbaar; Bovenstaande voor- en nadelen gelden, op het eerste voordeel na, ook voor een dubbelzijdige motor met een interne stator. Een dubbelzijdige motor waarvan de stators parallel zijn verbonden, kan nog steeds werken wanneer er een statorwinding gebroken is. Wanneer de stators in serie staan leveren ze gelijke en tegengestelde axiale aantrekkende krachten. Elektromagnetisch koppel Het elektromagnetische koppel dat door de motor wordt ontwikkeld kan berekend worden door de kracht te beschouwen die wordt uitgeoefend tussen de rotor en het oppervlak van de stator. Het koppel kan dan geschreven worden als: Te = 2π ⋅ Bgem ⋅ J ⋅ K p ⋅ ( Ru2 − Ri2 ) ⋅ Ri (5.2) waar Ri en Ru respectievelijk de inwendige en uitwendige straal van de statorkern voorstellen, Kp het deel van de windingen is dat bijdraagt aan de wisselwerking met de flux die door de permanente magneten wordt opgewekt, Bgem de gemiddelde waarde is van de fluxdichtheid in de luchtspleet (aangenomen wordt dat de distributie van fluxdichtheid B(θ) een blokvorm heeft) en J de lineaire stroomdichtheid ter plaatse van de inwendige straal van de statorkern is. De lineaire stroomdichtheid wordt gedefinieerd als J= 2 ⋅ m ⋅ N ⋅ 2 ⋅ Ia 2 ⋅ π ⋅ Ru (5.3) waar 2⋅m⋅N de hoeveelheid geleiders in alle fasen voorstelt, √2⋅Ia de piekwaarde van de ankerstroom en 2⋅π⋅Ru de omtrek van het anker. - 72 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Als vergelijking (5.2) herschreven wordt tot Te = 2π ⋅ B gem ⋅ J ⋅ K p ⋅ ( K r − K r3 ) ⋅ Ru3 (5.4) waarbij Kr de verhouding is tussen de binnenstraal Ri en buitenstraal Ru, dan is goed te zien dat de buitenstraal van de stator de meest belangrijke dimensie is van de motor met een schijfrotor. Het vermogen dat de motor levert is namelijk afhankelijk van deze buitenstraal volgens: 3 Puit ∝ Rstator (5.5) Dit is dan ook de reden dat motoren met een schijfrotor die een klein vermogen leveren een relatief grote buitendiameter hebben. Dit type motor wordt dan ook voornamelijk toegepast bij motoren met een middel of hoog vermogen, omdat vanaf een motorvermogen van 10 kW de buitendiameter van de rotor pas redelijk geacht wordt [32]. Eindwindingen Om de gewenste fluxdichtheid in de luchtspleet te verkrijgen heeft deze machine minder permanente magneten nodig dan een dubbelzijdige motor met interne stator. Een aanmerkelijk bezwaar is echter dat bij de windingen op de stator eindwindingen toegepast moeten worden (zie figuur 5.10). Deze eindwindingen zijn aanzienlijk lang en daarom draagt slechts een klein deel van de koperwindingen (minder dan vijftig procent) bij aan de productie van het motorkoppel. Er gaat dus een groot deel aan energie verloren door de weerstand in de windingen (I2R). Het deel dat bijdraagt aan koppelproductie wordt de actieve zijde van de winding genoemd. Bij een motorconfiguratie met een enkele stator die geplaatst is tussen twee rotors daarentegen, is de lengte van de eindwindingen zeer kort, wat leidt tot een aanmerkelijke verbetering van het motorrendement en de koppel-massaverhouding [25]. figuur 5.10 - Winding Naafmotor Door de toepassing van de dubbelzijdige motor met interne schijfrotor als naafmotor in elektrische voertuigen kunnen kostbare mechanische componenten en verbindingen in het transmissiesysteem van het voertuig achterwege blijven. Om de motor aan het wiel te koppelen worden de twee statorkernen van de motor direct aan het voertuig bevestigd (zie figuur 5.11). De rotor is aan de wielas gekoppeld en is vrij om in verticale richting te bewegen als reactie op variaties in de hoogte van het wegdek. Dit heeft echter koppelpulsaties tot gevolg en deze moeten, met een geschikt regelsysteem, geëlimineerd worden om een veilig werking van het voertuig te garanderen [31]. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 73 - figuur 5.11 - Bevestiging van dubbelzijdige AF motor met inwendige rotor aan wiel 5.2.5 Dubbelzijdige motor met interne stator Een dubbelzijdige motor met interne stator is compacter dan de interne PM rotor die is behandeld in de vorige paragraaf. De standaard lay-out van de motor bestaat uit twee rotorschijven die stijf gemonteerd zijn aan de as van het werktuig en een stator die tussen de rotorschijven is geplaatst (figuur 5.12a). figuur 5.12 - Configuratie van een dubbelzijdige motor met interne stator a. basisstructuur, b. fluxpaden Rotor De rotor bestaat uit twee zachtijzeren schijven waarop axiaal gepolariseerde permanente magneten zijn bevestigd. Deze magneten kunnen op het oppervlak van de rotorschijf gemonteerd worden, maar er kan ook gekozen worden om de magneten in de rotorschijf te plaatsen. De laatste optie geeft een robuustere structuur. Typische fluxpaden worden gegeven in figuur 5.12b: de magneten sturen flux door de twee luchtspleten naar de statorkern. In de stator loopt de flux dan langs de omtrek en gaat weer terug door de luchtspleet, via de magneet, naar het ijzeren deel van de rotorschijf. De stroom in de statorwinding heeft een wisselwerking met de flux die opgewekt wordt door de magneten. Hierdoor wordt een tangentiele kracht opgewekt. Het motorkoppel bestaat uit de bijdragen van alle krachten die werken op beide oppervlaktes van de statorkern. - 74 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Stator zonder windinggroeven Bij deze configuratie is de stator een kern zonder groeven die bestaat uit een ijzeren opgerolde strip met daaromheen de fasewikkelingen. Deze windingen worden ook wel luchtspleetwindingen of gleufloze windingen genoemd. De luchtspleet in dit type motor bestaat uit de dikte van de windingen Lgc, de ruimte tussen de stator en rotor en de dikte van de permanente magneten in axiale richting Lm (zie figuur 5.13b). De luchtspleet is relatief groot waardoor de maximale fluxdichtheid niet boven de 0,6 T uitkomt. Om deze fluxdichtheid te bereiken is een groot volume aan permanente magneten nodig. Tevens is het snelheidsgebied waar de motor een constant vermogen kan leveren klein vanwege de lage fluxdichtheid. figuur 5.13 - Configuratie van een dubbelzijdige motor zonder windinggroeven a. basisstructuur, b. axiale doorsnede De statorwindingen liggen niet in groeven, waardoor die gevoelig zijn voor verschuivingen door elektromagnetische krachten en mechanische vibraties. Deze motorstructuur is dus niet erg robuust en is dan ook niet geschikt voor een naafmotor. Stator met windinggroeven In de ringvormige statorkern kunnen ook groeven voor de windingen aangebracht worden (zie figuur 5.14). De luchtspleet tussen stator en rotor is dan een stuk kleiner (kleiner dan 0,5 mm) dan bij de configuratie waarbij de statorwindingen op het oppervlak liggen. De magnetische fluxdichtheid die haalbaar is in de luchtspleet wordt dan 0,85 T en de dikte van de magneten is vijftig procent minder dan bij het voorgaande ontwerp. Doordat de statorwindingen in de statorring liggen, is deze uitvoering een stuk robuuster. Deze motor is wel geschikt voor toepassing als naafmotor [32]. figuur 5.14 - Configuratie van een dubbelzijdige motor zonder windinggroeven a. basisstructuur, b. axiale doorsnede Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 75 - Elektromagnetisch koppel Het elektromagnetische koppel dat door de motor wordt ontwikkeld is gelijk aan het koppel dat de dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor levert: Te = 2π ⋅ B gem ⋅ J ⋅ K p ⋅ ( K r − K r3 ) ⋅ Ru3 (5.6) Koeling Door de rotatie van beide schijven met permanente magneten werkt het geheel op een natuurlijke manier als een ventilator. Hierdoor vindt een zeer effectieve koeling van de statorwindingen plaatst via een radiale luchtstroom. Deze luchtstroom wordt gaande gehouden door de luchtgaten in de rotorschijven die zich dicht bij de motoras bevinden [40]. Naafmotor In figuur 5.15 wordt een naafmotor van een scooter getoond waarbij de stator gepositioneerd is tussen de rotors en bevestigd is aan de wielophanging door middel van twee fixatiepinnen. De rotors zijn stijf aan elkaar verbonden met een metalen ring en een van de rotors is met bouten vastgemaakt aan de velg, zodat het motorkoppel rechtstreeks naar het wiel wordt doorgeleid [25]. figuur 5.15 - Naafmotor van een scooter 5.2.6 Meertrapsmotor In axiale flux motoren met permanente magneten is het elektromagnetische koppel voornamelijk een functie van de buitendiameter van de machine. Wanneer de toelaatbare afmetingen van de motor te klein zijn voor het gewenste koppel (en bijbehorende buitendiameter), dan kan het gewenste koppel bereikt worden d.m.v. een meertrapsinrichting van de motor (zie figuur 5.16). - 76 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Een axiale flux PM motor met j trappen heeft j statorwindingen en (j+1) schijfrotors met permanente magneten. De (j+1) schijfrotors hebben een gezamenlijke mechanische as. De uiteinden van de j fasewindingen kunnen in serie of parallel geschakeld worden. Als de verbinding tussen de verschillende trappen zo tot stand gebracht is dat die geschikt is voor variabel snelheidsbedrijf, dan kan een vermogenselektronische omzetter gebruikt worden om de motor te voeden. figuur 5.16 - Dwarsdoorsnede van een tweetraps axiale flux PM motor Elektromagnetisch koppel Voor elke trap van de machine kan het koppel dat aan twee zijden van de stator ontwikkeld wordt, uitgedrukt worden als Te = kt ⋅ π ⋅ B ⋅ J ⋅ ( Ru2 − Ri2 ) ⋅ Ri (5.7) waarbij kt een machineconstante is die afhangt van het ontwerp van de machine en B de piekwaarde van de fluxdichtheid voorstelt. De overige parameters hebben dezelfde betekenis als in vergelijking (5.2). Koeling Meertraps AF motoren met permanente magneten kunnen windingen hebben die gewikkeld zijn om een ijzeren kern of windingen hebben waaruit het ijzer verwijderd is (zie ook paragraaf 5.2.3). Bij het ontwerp van direct-drive naafmotoren die een koppel van tientallen Newtonmeter kunnen leveren, levert de koeling van de machine grote problemen op in het geval dat de windingen geplaatst zijn om een ijzeren kern. Het beste kan dan ook voor een ijzerloze wikkeling gekozen worden, omdat de windingen dan met water gekoeld kunnen worden [26]. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 77 - Serieschakeling Omwentelingsnelheden tot aan de basissnelheid worden bereikt door de fasewindingen van de verschillende trappen in serie te schakelen. De maximale stroom die de vermogenselektronische omzetter kan leveren wordt gebruikt om het standaard koppel te produceren. Een hogere omwentelingssnelheid voorbij de basissnelheid is in het algemeen niet mogelijk. Bij de basissnelheid nadert de elektromagnetische inductiespanning (EMF) die door de motor wordt opgewekt de maximale spanning van de omzetter. Op dit punt wordt de verbinding tussen de verschillende trappen omgeschakeld van serie naar parallel. Parallelschakeling Wanneer de fasewindingen vervolgens parallel geschakeld worden reduceert de spanning op de motor (bij een tweetrapsmotor halveert de spanning). De spanning die beschikbaar is aan de omzetter kan nog steeds gebruikt worden om de maximale stroom te leveren en om een kleiner koppel te produceren (de helft van het standaard koppel bij een tweetrapsmotor). De omwentelingssnelheid is groter dan de basissnelheid (twee keer de basissnelheid bij een tweetrapsmotor). figuur 5.17 - Genormaliseerde EMF en koppel uitgezet tegen de motorsnelheid bij een tweetrapsmotor Naafmotor Het gebruik van meertrapsmotoren wordt toegepast wanneer een enkele motor een te grote diameter met zich meebrengt ten opzichte van de beschikbare ruimte rond het aangedreven wiel [26]. Tevens is de techniek van schakelen tussen de serie- en parallelverbinding uitermate geschikt voor elektrische voertuigen met een reductieloze koppeling tussen motor en wielen, omdat bij deze toepassingen het standaard koppel slechts nodig is bij lage snelheden om het voertuig te versnellen. Bij hogere snelheden is het gereduceerde koppel meestal voldoende [24]. 5.3 Axiale flux inductiemotor De laatste jaren wordt er steeds meer gekozen voor schijfvormige motoren met een axiale fluxdistributie als aandrijving voor elektrische voertuigen, vooral bij voertuigen waar de motor rechtstreeks, dus zonder gebruik te maken van een mechanisme voor de omvorming van het koppel en de omwentelingssnelheid, aan het wiel gekoppeld wordt. - 78 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Machines, die voor de totstandbrenging van het magnetische veld gebruik maken van permanente magneten en een sleufloze stator met wikkelingen, hebben een hoge vermogensdichtheid en een hoog rendement (zie paragraaf 5.2). Deze motoren gebruiken hoge-energiemagneten, maar deze magneten zijn echter nog steeds kostbaarder dan ander actief materiaal (onder actief materiaal worden de onderdelen van de motor verstaan die het magnetische veld opwekken). Tevens is de magnetische flux bij motoren met permanente magneten moeilijker te regelen dan bij machines waarbij de flux met elektromagneten tot stand wordt gebracht [20]. Een alternatief voor de axiale flux schijfmotor met permanente magneten is de axiale flux inductiemotor. Dit is een asynchrone schijfmotor waarbij de stator windingen draagt die het magnetisch veld opwekken. Hierna worden twee typen AF inductiemotoren behandeld: de axiale flux inductienaafmotor en de axiale flux inductiemotor met dubbele rotor. 5.3.1 Axiale flux inductienaafmotor De axiale flux inductienaafmotor (Engels: wheel AFI) bestaat uit een stator, met windingen in radiaal gelegen gleuven en een gegoten rotor met radiale gleuven. De motor is naast het wiel bevestigd om een naafmotor te verkrijgen. Deze oplossing is weergegeven in figuur 5.18. figuur 5.18 - AFI motor tractie systeem De interne structuur van de inductienaafmotor wordt getoond in figuur 5.19. figuur 5.19 - Interne structuur van AF inductienaafmotor Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 79 - Dit systeem heeft de volgende eigenschappen: • de prestaties van de axiale flux inductienaafmotor is gelijk aan die van een conventionele radiale flux motor; • zonder een vertragingskast is de omwentelingssnelheid van de motor reeds laag (de maximale omwentelingssnelheid is ongeveer 1500 omw/min). Er moet dus gekozen worden voor een systeem met meerder polen (8 tot 12 polen) om toch genoeg koppel te kunnen leveren; • AFI-motoren met meerdere polen hebben een hogere vermogensdichtheid dan conventionele motoren met een radiale fluxdistributie [39]. 5.3.2 Axiale flux inductiemotor met dubbele rotor De tweede uitvoering van een axiale flux inductiemotor is de zogenaamde axiale flux inductiemotor met dubbele rotor (Engels: twin rotor AFI). De belangrijkste onderdelen van dit type motor worden getoond in figuur 5.20, waarin de windingen achterwege zijn gelaten. De rotors zijn elk gekoppeld aan een eigen as en kunnen onafhankelijk van elkaar draaien. Alle drie de magnetische kernen hebben de vorm van een schijf, waarin gleuven voor de windingen zijn aangebracht. figuur 5.20 - AF inductiemotor met dubbele rotor In figuur 5.21a en figuur 5.21b worden de details van de stator en rotor getoond. De stator is aan beide zijden gewikkeld met twee identieke meerfasige windingen die in serie met elkaar zijn verbonden. De rotor draagt een kooianker. figuur 5.21 - Twin rotor motor a. stator, b. rotor - 80 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Slip Eén motor heeft dus twee assen die onafhankelijk van elkaar draaien en drijft twee wielen aan. Wanneer het voertuig recht rijdt, dan hebben beide wielen dezelfde omwentelingssnelheid en daarom ook dezelfde slip. In het geval dat het voertuig door een bocht rijdt, zijn de snelheden van beide wielen niet meer gelijk. De twee rotors hebben een verschillende slip, wat betekent dat ook de flux in de twee luchtspleten verschillend is; de fluxdistributie draagt ertoe bij dat de motor het koppel van beide wielen gebalanceerd houdt. De motor zorgt ervoor dat het koppel op de wielen gelijk is en fungeert dus als motor en differentieel tegelijk. Omdat de motor bevestigd moet worden tussen de twee wielen, kan in sommige gevallen de buitendiameter van de motor te groot zijn voor de afmetingen van het voertuig [38]. 5.4 Regeling van de motor Enkele van de hoofdzaken waarnaar gestreefd wordt bij het ontwerp van de regeling voor een motor van een elektrisch voertuig zijn hieronder opgesomd: • maximalisatie van het systeemrendement; • maximalisatie van het door de motor geleverde koppel; • optimalisatie van het fluxniveau als functie van de vereiste prestatie; • vloeiende koppelregeling over het gehele snelheidsbereik teneinde resonantie in de mechanische transmissie te voorkomen; • vloeiende begrenzing van de spanning en stroom tijdens regeneratief remmen; • stabiliteit over het gehele snelheidsbereik. Nauwkeurige regeling van het gemiddelde koppel is essentieel, maar nauwkeurige regeling van het dynamische koppel niet evenals een snelle responsie, vanwege de traagheid van het voertuig. De belangrijkste vereiste is de maximalisatie van het rendement, niet vanwege de kosten van energie, maar vanwege de kosten van het dragen van energie in de batterijen. Batterijen zijn nog steeds kostbaar en kunnen relatief weinig energie opslaan. Voeding Om dit en overige zaken zoveel mogelijk tegemoet te komen kan voor de motor met axiale fluxdistributie dezelfde energievoorziening en regeling gebruikt worden als bij conventionele synchrone motoren met permanente magneten. De motor kan rechtstreeks gevoed worden door een wisselspanning of door een gelijkspanning die dan met behulp van vermogenselektronica omgezet wordt. Vermogenselektronische transistors worden gebruikt voor de regeling van de stroom in de windingen. De stroom wordt aangepast overeenkomstig de positie van de rotor om een maximaal koppel te garanderen [32]. In een multimotor aandrijfsysteem, zoals de AF inductienaafmotor, zijn er een of meer omzetters vereist als vermogensversterkers; tevens moet de regelaar meer taken vervullen. In het bijzonder moet deze fungeren als differentieel; tijdens stuurbewegingen is de snelheid van het wiel in de binnenbocht lager dan van het wiel in de buitenbocht, maar het koppel moet gelijkblijven. De tractie en het remmen moet gebalanceerd zijn tussen beide zijden van het voertuig. Een overkoepelend controleonderdeel moet deze verschillende regelsystemen coördineren om ongebalanceerde koppels op de wielen te voorkomen. Dit is een reden dat meestal het motorkoppel in plaats van de motorsnelheid geregeld wordt. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 81 - Hoewel in het geval van een aandrijfsysteem met één motor, zoals de axiale flux inductiemotor met dubbele rotor, slechts één omzetter nodig is, moet het systeem zich wel gedragen als een differentieel om het koppel ongeveer gelijk te houden op beide wielen. Motorregeling bij axiale flux inductiemotoren Net als bij de driefasen motorregeling van de radiale flux inductiemotor, converteert de omzetter met pulsbreedte modulatie de vaste batterijspanning naar een driefasen spanning met variabele frequentie. De regeling van het koppel wordt bereikt met vectormodulatie. Wanneer de maximale spanning bereikt is, dan is veldverzwakking mogelijk door de fluxstroom te regelen. Motorregeling bij axiale flux motoren met permanente magneten Ook in het geval van AF motoren met permanente magneten wordt een omzetter met pulsbreedte modulatie gebruikt om de vaste batterijspanning naar een driefasen spanning met variabele frequentie te converteren. Er zijn verschillende technieken ontwikkeld voor de regeling van het koppel in het gebied van de koppel-toerenkarakteristiek waar het koppel nagenoeg constant is. In het constant vermogensgebied is het grootste probleem de verzwakking van de flux die door de permanente magneten opgewekt wordt. De eerder genoemde veldverzwakking door mechanische aanpassing van de luchtspleet is een mogelijke oplossing. 5.5 Vergelijking van axiale en radiale flux motoren Een interessante vergelijking die gemaakt kan worden tussen axiale en radiale flux motoren is die van de vermogensdichtheid. Vanwege de verschillen in structuur tussen een axiale flux motor met permanente magneten en een conventionele radiale flux motor, is een vergelijking tussen deze twee typen lastig. Echter, een vergelijking tussen de AF inductiemotor en de RF motor is wel mogelijk. De vermogensdichtheid van de AF inductiemotor en de conventionele RF inductiemotor kan vergeleken worden met de verhouding tussen vermogen en gewicht (volume). Voor dit doel kan de schaalvergelijking gebruikt worden en kan worden aangenomen dat de twee typen machines ruwweg dezelfde prestatie kunnen leveren. Als de vermogensdichtheid gedefinieerd wordt als ζm = Pm Vm (5.8) waarbij Pm het motorvermogen is en Vm het volume van de kern van de motor is (de actieve delen van zowel de stator als de rotor), dan kan de verhouding van de vermogensdichtheid tussen de twee typen motor als volgt worden uitgedrukt: ξm = - 82 - ζ MA ζ MR π p1 + 4 p = π 2 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek (5.9) Hierbij is ζMA de vermogensdichtheid van de AF inductiemotor, ζRA de vermogensdichtheid van de RF inductiemotor en p het aantal poolparen in de motor. Deze verhouding is een functie van het aantal poolparen en is weergegeven in figuur 5.22. Er kan opgemerkt worden dat als het aantal poolparen groter wordt, de verhouding van de vermogensdichtheid ξM snel stijgt. Voor toepassingen met multipool machines hebben AF inductiemotoren dus een grotere vermogensdichtheid in vergelijking met RF inductiemotoren. Een van de redenen hiervoor is dat AF inductiemotoren over een grotere radius koppel kunnen produceren en dat het materiaal van de rotorkern volledig wordt benut [39]. figuur 5.22 - Verhouding van de vermogensdichtheid tussen een AF en RF inductiemotor 5.6 Toepassingsgebied Michael Faraday (1791-1867) ontwierp reeds een elektromotor met axiale fluxdistributie, maar dit type motor wordt pas sinds een aantal jaren veelvuldig toegepast. De reden dat de axiale flux motor nog maar zo kort gebruikt wordt, komt door het feit dat de motor lange tijd slechts een klein vermogen kon leveren. Pas sinds de opkomst van de zeldzame-aardmagneten, die een hoge fluxdichtheid hebben en een hoge coërcitieve veldsterkte, heeft de ontwikkeling van axiale flux motoren een grote sprong voorwaarts gemaakt, omdat door het gebruik van deze permanente magneten machines geconstrueerd kunnen worden die een veel groter vermogen (enkele kilowatts bij elektrische voertuigen, enkele megawatts bij schepen) kunnen leveren dan voorheen. Ook de groeiende belangstelling naar elektrische voertuigen heeft de ontwikkeling van axiale flux motoren een flinke impuls gegeven. 5.6.1 Elektrische voertuigen Motoren die elektrische voertuigen aandrijven moeten een hoog koppel bij een laag toerental kunnen leveren om als direct-drive naafmotor toepast te kunnen worden. Bij een voertuig met naafmotor zijn een reductiemechanisme en een mechanisch differentieel overbodig. De afmetingen van zo'n motor worden echter zeer beperkt vanwege de eis dat de motor in de wielvelg gebouwd moet worden en verder moet de motor beschermd worden tegen omgevingsinvloeden, zoals vocht en vuil. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 83 - Conventionele motoren, zowel wisselstroom- als gelijkstroommachines, zijn niet toepasbaar als direct-drive naafmotoren vanwege de lage vermogensdichtheid en de slechte bestandheid tegen overbelasting, wanneer deze motoren vergeleken worden met borstelloze machines met permanente magneten. Daarom wordt bij de ontwikkeling van naafmotoren vooral onderzoek gedaan naar en verbetering verricht aan motoren met permanente magneten. Axiale flux motor met permanente magneten Door de beschikbaarheid van hoge-energie magneten zijn er nieuwe mogelijkheden ontstaan voor het ontwerp van motoren voor elektrische voertuigen. Onder de nieuwe uitvoering van motoren met permanente magneten komt de axiale flux motor met permanente magneten als een van de beste naar voren voor toepassing als naafmotor, omdat de platte vorm van de motor zeer geschikt is voor reductieloze koppeling met het wiel, de motor een zeer hoge koppel-massaverhouding heeft en de motor een hoog rendement heeft [24]. De toepasbaarheid als naafmotor van de verschillende typen axiale flux motoren is reeds behandeld in de voorgaande paragrafen. 5.6.2 Liften Reductiemechanisme Het aandrijfsysteem van liften bevat in het algemeen een reductiemechanisme om de relatief hoge snelheid van conventionele elektromotoren aan te passen aan de lage snelheid waarmee de liftcabine zich voortbeweegt. Het gebruik van zo’n mechanische reductie brengt een aantal nadelen met zich mee, waaronder de relatief hoge akoestische belasting en de noodzaak tot periodiek onderhoud (onder andere de vervanging van smeerolie). Een reductieloos systeem zou dus gewenst zijn voor een geluidsarmer en meer betrouwbaar liftsysteem. Machinekamer Daarbij komt nog dat voor een liftsysteem vaak een machinekamer voor de liftaandrijving nodig is die gehuisvest is in de top van het gebouw. Er bestaat echter een niet gering aantal voorvallen waarbij zo’n machinekamer niet gewenst is, omdat men te maken heeft met bepaalde architectonische beperkingen van nieuw ontworpen gebouwen of omdat men te maken heeft met bestaande antieke gebouwen waarin een liftfaciliteit gebouwd moet worden, maar waarbij het originele uiterlijk en de structuur van het pand behouden moet blijven. In deze speciale gevallen is een liftsysteem zonder machinekamer vereist. Huidige oplossingen hiervoor zijn: • hydraulische liften: in dit geval kan de verplaatsing van de liftcabine niet groter zijn dan achttien meter en de snelheid van de lift wordt beperkt tot 0,63 m/s in verband met Europese regelgeving. Verder is nog steeds een machinekamer in de kelder vereist; • liftsystemen met lineaire motoren met variabele snelheid die gebruikt worden als contragewicht: deze oplossing wordt succesvol gebruikt in Japan, maar is een stuk duurder in vergelijking met conventionele liftaandrijvingen met een reductiesysteem; • liftaandrijvingen met een inductiemotor (asynchrone motor) en reductiemechanisme die geïnstalleerd zijn onder de liftcabine: zo’n samenstelling produceert veel geluid en onderhoud is moeilijk en duur. De wens om zowel een reductiemechanisme als een machinekamer te vermijden vereist een direct-drive systeem dat compact, licht en zo plat mogelijk is, zodat het in de liftschacht aan de muur gemonteerd kan worden. - 84 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Axiale flux motor met permanente magneten Door de platte vorm van een axiale flux motor met permanente magneten kan deze in de liftschacht ondergebracht worden (zie figuur 5.23). De motor kan direct gekoppeld worden aan de liftkabels zonder tussenkomst van een reductiemechanisme. figuur 5.23 - Lift zonder machinekamer In het verleden zijn voor de aandrijving van liftsystemen reeds voorstellen gedaan tot schijfvormige motoren waarbij de wikkelingen in statorgleuven waren ondergebracht, maar door gebruik te maken van een AF motor met gleufloze windingen worden koppelpulsaties en de productie van geluid geëlimineerd. Dit zijn beide belangrijke eigenschappen van het systeem aangezien de liftschacht zich gedraagt als een orgelpijp die het geluid, als gevolg van mechanische trillingen, versterkt [29]. 5.6.3 Schepen Het is algemeen bekend dat elektrische aandrijvingen voor de voortstuwing van schepen aanzienlijke voordelen bieden ten opzichte van conventionele aandrijvingen die gebaseerd zijn op diesel- en/of gasturbines. Voor deze elektromotoren worden meestal synchrone motoren gebruikt, aangezien deze gebruik maken van natuurlijk gecommuteerde thyristors. Deze omzetters leveren vandaag de dag het hoogste rendement in het vermogensgebied van de megawatts. Reductiemechanisme De synchrone machines die gebruikt worden voor de voortstuwing van schepen zijn in het algemeen machines die zeer snel draaien ten opzichte van de lage snelheid die nodig is voor de scheepsschroeven. Om die reden is een reductiemechanisme vereist, Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 85 - maar het gebruikt van zo’n groot apparaat heeft een grote invloed op de kosten, het gewicht en het rendement van het schip. Het gebruik van een elektrische motor die bij een lage snelheid een hoog koppel levert en zodoende rechtstreeks gekoppeld kan worden aan de scheepsschroeven zou tot een grote verbetering van eerdergenoemde kosten, gewicht en rendement leiden. Meertraps axiale flux motor met permanente magneten De compactheid van een axiale flux motor met permanente magneten en het rendement van zo’n motor maakt deze uitermate geschikt als aandrijving van scheepsschroeven. Om genoeg koppel te kunnen leveren bij een beperkte motordiameter worden er voor de aandrijvingen van schepen axiale flux motoren gebruikt in een meertrapsconfiguratie. Er zijn ontwerpen en berekeningen gemaakt voor axiale flux motoren met permanente magneten in het vermogensgebied van 1 MW tot 20 MW en met een maximale omwentelingssnelheid van 120 omw/min tot 200 omw/min, de snelheid die in het algemeen nodig is voor de aandrijving van scheepsschroeven [27]. De resultaten van deze studies leiden tot machinekarakteristieken, zoals buitendiameter, axiale lengte, gewicht van de actieve materialen, rendement bij normaal bedrijf, etcetera. In tabel 5.2 worden de karakteristieken getoond van een 14 MW axiale flux motor met permanente magneten met een omwentellingssnelheid van 195 omw/min. aantal polen aantal trappen gemiddeld koppel per trap buitendiameter (inclusief omhuizing) axiale lengte (inclusief lagers) gewicht van elke stator gewicht van de actieve materialen gewicht van de permanente magneten totaal gewicht (inclusief mechanische delen) rendement 80 4 170 kNm 3,8 m 1,4 m 45 kg 14.000 kg 2.000 kg 45.000 kg 98 % tabel 5.2 - Karakteristieke waarden van een 14 MW axiale flux PM motor Een vergelijking tussen de axiale flux motor met permanente magneten en een conventionele synchrone machine en een radiale flux motor met permanente magneten is getoond in tabel 5.3. Dit is dus een vergelijking tussen verschillende typen machines maar met hetzelfde vermogen van 14 MW, 195 omw/min en hetzelfde rendement van 98%. conventionele synchrone motor volume (m3) gewicht (ton) volumebesparing (%) gewichtsbesparing(%) 40 101 - radiale flux motor met permanente magneten 30 78 25 23 axiale flux motor met permanente magneten 16 45 60 55 tabel 5.3 - Vergelijking van drie typen motoren voor scheepsaandrijving Uit tabel 5.3 komt duidelijk naar voren dat een axiale flux motor met permanente magneten een significante volume- en gewichtsbesparing met zich meebrengt [27]. - 86 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Literatuur [20] Benoudjit, A. en N. Nait Saïd, New Dual-Airgap Axial & Radial-Flux Induction Motor For on Wheel Drive Electric Propulsion Systems. Powercon '98: International Conference on Power System Technology 1998, volume 1, 1998, pagina's 615 t/m 619. [21] Buijze, W. en R. Roest, Inleiding elektriciteit en magnetisme. Delft: Delftse Universitaire Pers, 1992. [22] Campbell, P., Principles of a Permanent-Magnet Axial-Field DC Machine. Proceedings of the IEE, volume 121, issue 12, december 1974, pagina's 1489 t/m 1494. [23] Caricchi, Federico, Fabio Crescimbini, Eugenio Fedeli en Giuseppe Noia, Design and Construction of a Wheel-Directly-Coupled Axial-Flux PM Motor Prototype for EVs. Proceedings of the 1994 IEEE Industry Applications Society 29th Annual Meeting, 94CH34520, volume 1, 1994, pagina's 254 t/m 261. [24] Caricchi, F., F. Crescimbini, F. Mezzetti en E. Santini, Multi-Stage AxialFlux PM Machine for Wheel Direct Drive. Industry Applications Conference, 1995. 30th IAS Annual Meeting, IAS '95, Conference Record of the 1995 IEEE, volume 1, 1995, pagina's 679 t/m 684. [25] Caricchi, Federico, Fabio Crescimbini, Onorato Honorati, Augusto Di Napoli en Ezio Santini, Compact Wheel Direct Drive for EVs. IEEE Industry Applications Magazine, volume 2, issue 6, november-december 1996, pagina's 25 t/m 32. [26] Caricchi, F., F. Crescimbini, A. di Napoli en M. Marcheggianin, Prototype of Electric Vehicle Drive with Twin Water-Cooled Wheel Direct Drive Motors. 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996. PESC '96 Record, volume 2, 1996, pagina's 1926 t/m 1932. [27] Caricchi, Federico, Fabio Crescimbini en Onorato Honorati, Modular, AxialFlux, Permanent-Magnet Motor for Ship Propulsion Drives. IEEE Transactions on Energy Conversion, volume 14, issue 3, september 1999, pagina's 673 t/m 679. [28] Eastham, C.F., Disc Motor with Reduced Unsprung Mass for Direct EV Wheel Drive. Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, volume 2, juli 1995, pagina's 569 t/m 573. [29] Ficheux, R., F. Caricchi, F. Crescimbini en O. Honorati, Axial-Flux Permanent-Magnet Motor for Direct-Drive Elevator Systems without Machine Room. Conference Record of the 2000 IEEE Industry Applications Conference 2000, volume 1, 2000, pagina's 190 t/m 197. [30] Furlani, E.P., Computing the Field in Permanent-Magnet Axial-Field Motors. IEEE Transactions on Magnetics, volume 30, issue 5, part 2, september 1994, pagina's 3660 t/m 3663. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 87 - [31] Gair, S., Motor Drives and Propulsion Systems for EVs. IEE Colloquium on Electric Vehicles - A Technology Roadmap for the Future, Digest no. 1998/262, 1998, pagina's 3/1 t/m 3/6. [32] Gieras, Jackes F. en Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology; Design and Applications. New York: Marcel Dekker, Inc., 1997. [33] Kenjo, T. en S. Nagamori, Permanent-Magnet and Brushless DC Motors. Oxford: Clarendon Press, 1985. [34] Miller, T.J.E., Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives. Oxford: Clarendon Press, 1989. [35] Nasar, S.A., I. Boldea en L.E. Unnewehr, Permanent Magnet, Reluctance and Self-Synchronous Motors. Boca Raton: CRC Press, 1993. [36] Nelson, Andres L. en Mo-Yuen Chow, Electric Vehicles and Axial Flux Permanent Magnet Motor Propulsion Systems. IEEE Industrial Electronics Society Newsletter: New Technologies, volume 46, no. 4, december 1994, pagina's 1 t/m 7. [37] Patterson, D.J., High Efficiency Permanent Magnet Drive Systems for Electric Vehicles. IECON 97: 23rd International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation 1997, volume 2, 1997, pagina's 391 t/m 396. [38] Platt, D. en B.H. Smith, Twin Rotor Drive for an Electric Vehicle. Electric Power Applications, IEE Prodeedings B, volume 140, issue 2, maart 1993, pagina's 131 t/m 138. [39] Profumo, Francesco, Zheng Zhang en Alberto Tenconi, Axial Flux Machines Drives: a New Viable Solution for Electric Cars. Proceedings of the 1996 IEEE IECON 96: 22nd International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation 1996, volume 1, 1996, pagina's 34 t/m 40. [40] Spooner, E. en B.J. Chalmers, 'TORUS': A Slotless, Toroidal-Stator, Permanent-Magnet Generator. Electric Power Applications, Proceedings of the IEE B, volume 139, issue 6, november 1992, pagina's 497 t/m 506. - 88 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek 6 Conclusies Onderzoek is gedaan naar roterende elektromotoren die een laag nominaal toerental hebben en zodoende direct gekoppeld kunnen worden aan het werktuig zonder gebruik te maken van een reductiemechanisme. In de literatuur komen duidelijk twee typen elektromotoren naar voren die in het vakgebied van de transporttechniek als direct-drive motor toegepast kunnen worden: de geschakelde reluctantiemotor en de axiale flux motor. Naar deze twee typen motoren is de laatste jaren veel onderzoek gedaan en ze hebben een grote ontwikkeling doorgemaakt 6.1 Geschakelde reluctantiemotor De eerste geschakelde reluctantiemotor is reeds in 1838 gebouwd, maar wordt pas sinds de opkomst van de vermogenselektronica echt toegepast omdat het voor die tijd lastig was om de motor goed te regelen. De constructie van de motor is simpel waardoor fabricage van de motor goedkoop is. Tevens is de motor erg robuust. Toerental en koppel Het toerental van de motor wordt bepaald door het aantal poolparen en de stroomfrequentie. Deze laatste is te regelen met behulp van vermogenselektronica. Het koppel dat de motor levert is geenszins afhankelijk van het toerental en de motor kan dus ook bij lage omwentelingssnelheden een relatief groot koppel leveren. Uitvoeringsvormen Er zijn verschillende uitvoeringsvormen van de motor mogelijk waarbij onderling het aantal fasen verschilt. Iedere motortopologie heeft zijn eigen kenmerken wat betreft vermogen, koppelpulsatie, startkoppel en rendement. Massa Mede als gevolg van de simpele constructie van de motor is deze motor lichter dan conventionele elektromotoren met hetzelfde vermogen. De geschakelde reluctantiemotor heeft dan ook een relatief grote koppel-massaverhouding. Regeling De laatste jaren is er veel onderzoek gedaan naar de regeling van de motor en er hebben grote verbeteringen plaatsgevonden. De huidige regelmethoden zijn goed en betaalbaar. Ook de geluidsproductie is verbeterd en de huidige motoren produceren niet meer geluid dan een asynchrone motor. Toepassingsgebied: elektrische voertuigen De geschakelde reluctantiemotor is uitermate geschikt om dienst te doen als aandrijving voor een elektrisch voertuig. Koppeling van de motor aan de wielen zonder tussenkomst van een reductiemechanisme en/of differentieel is mogelijk en wordt steeds meer toegepast. Verder kan de motor gevoed worden door verschillende spanningsbronnen (waaronder gelijkstroom en wisselstroom), is de koeling van de motor eenvoudig en heeft de geschakelde reluctantiemotor een relatief hoog rendement. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 89 - Toepassingsgebied: bandtransporteurs De geschakelde reluctantiemotor wordt ook toegepast als aandrijfmotor voor bandtransporteurs. Gunstige eigenschappen van de motor op dit werkterrein zijn de goede snelheidsregeling, het regelbare startkoppel, de mogelijkheid tot koppelverdeling bij gebruik van meerdere motoren en het feit dat de motor weinig onderhoud behoeft. Beschikbaarheid en kosten Geschakelde reluctantiemotors met een vermogen boven de 10 kW worden op dit moment nog niet in serie geproduceerd maar worden ontworpen op klantspecificatie, waardoor de motoren met grotere vermogens over het algemeen nog duur zijn. Echter, de interesse voor de geschakelde reluctantiemotor is de laatste tijd aanzienlijk toegenomen en de verwachting is dan ook dat dit type motor in de toekomst in grotere aantallen geproduceerd zal worden waardoor de prijs zal dalen. 6.2 Axiale flux motor Michael Faraday (1791-1867) ontwierp reeds een elektromotor met axiale fluxdistributie maar dit type motor wordt pas sinds een aantal jaren veelvuldig toegepast. De reden dat de axiale flux motor nog maar zo kort gebruikt wordt, komt door het feit dat de motor vóór het beschikbaar komen van zeldzame-aardmagneten slechts een klein vermogen kon leveren. Toerental en koppel Het toerental van de motor is afhankelijk van het aantal poolparen en de stroomfrequentie, welke geregeld kan worden met behulp van vermogenselektronica. Het koppel dat de motor kan leveren is voornamelijk afhankelijk van de grootte van de stator volgens T ∼ D3. Uitvoeringsvormen Het magnetisch veld in de axiale flux motor kan opgewekt worden door permanente magneten of door middel van elektromagneten. Hierdoor zijn er verschillende uitvoeringsvormen van de axiale flux motor, waarbij tevens het aantal rotors en stators kan variëren. Massa Ten opzichte van motoren met een radiale fluxdistributie vindt de koppelproductie bij axiale flux motoren over een grotere radius plaats, wat inhoudt dat de actieve materialen in de motor beter benut worden. Een axiale flux motor is dan ook in het algemeen kleiner en lichter dan een conventionele motor met een radiale fluxdistributie. Regeling Voor de regeling van de axiale flux motor kunnen over het algemeen dezelfde componenten gebruikt worden die ook toegepast worden bij conventionele elektromotoren met een radiale fluxdistributie. Toepassingsgebied: elektrische voertuigen De axiale flux motor is door zijn platte uitvoering uitermate geschikt voor toepassing als naafmotor. De motor wordt dan ook voornamelijk toegepast bij elektrische voertuigen. Het gebruik van een reductiemechanisme en/of differentieel kan bij - 90 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek elektrische voertuigen vaak achterwege kan blijven. Wanneer de motor als naafmotor wordt gebruikt, vereist dit extra regelsystemen voor de controle en de aanpassing van het toerental en koppel. Toepassingsgebied: liften Axiale flux motoren worden recentelijk ook gebruikt als aandrijving voor liften. Daar waar een machinekamer ongewenst is, biedt dit type motor een goed alternatief omdat de motor in de liftschacht gemonteerd kan worden. Verder is de motor geluidsarm en behoeft deze weinig onderhoud. Toepassingsgebied: schepen Wanneer axiale flux motoren gebruikt worden als aandrijving op schepen, dan brengt dit een flinke gewichtsreductie en rendementsverhoging met zich mee in vergelijking met conventionele elektrische aandrijvingen. Natuurlijk moet het schip wel een generator aan boord hebben voor de opwekking van elektriciteit. Beschikbaarheid en kosten Voor kleine vermogens tot enkele kilowatts wordt de axiale flux motor in serie geproduceerd en is deze motor verkrijgbaar bij diverse bedrijven. Motoren met grotere vermogens worden nog grotendeels als prototype gebouwd aangezien er nog veel onderzoek naar dit type motor wordt gedaan en er nog veel noodzakelijke ontwikkelingen plaatsvinden. Dit type motor wordt echter door velen aangemerkt als veelbelovend voor de aandrijving van elektrische voertuigen. Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 91 - - 92 - Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek Index Getallen 3/2-motor, 47 4/2-motor, 46 6/2-motor, 47 6/4-motor, 40, 48 8/10-motor, 48 8/6-motor, 48 A absolute momentzone, 45 absolute overlapverhouding, 45 actief materiaal, 79 actieve windingszijde, 73 afzonderlijk bekrachtigde machine, 21 Alnico, 67 ankercircuit, 21 ankerreactie, 20, 25 asynchrone motor, 26 axiale flux inductiemotor, 78 axiale flux inductiemotor met dubbele rotor, 80 axiale flux inductienaafmotor, 79 axiale flux motor, 63 axiale fluxdistributie, 63 B bandtransporteurs, 60 bariumferriet, 67 basissnelheid, 56, 78 bekrachtigingscircuit, 21 B-H-karakteristiek, 68 C ceramische magneten, 67 chopping, 52 cilinderrotor, 24 co-energie, 42 coërcitieve veldsterkte, 69 commutatie, 18 commutator, 19 compensatiewikkelingen, 20 compoundmachine, 23 continu variabele transmissie, 33 Currie-temperatuur, 70 D demagnetisatiecurve, 69 differentieel, 59 directe-as inductantie, 45 dode zone, 46 draaistroommotor, 24 draaiveld, 24, 26 draaiveldmotor, 24 draaiveldtoerental, 24 driefasen wisselrichter, 54 driefasenmotor, 47 dubbelzijdige motor met interne PM schijfrotor, 71 dubbelzijdige motor met interne stator, 74 E eenfasemotor, 45 effectieve momentzone, 45, 50 effectieve overlapverhouding, 45 eindwindingen, 73 elastische koppeling, 31 elektrische voertuigen, 58, 83 elektromagnetische inductie, 17 energieproduct, 69 enkelzijdige motor met interne stator, 70 epoxyhars, 71 F fasestroomregeling, 51 G gelijkstroommotor, 18 geluidsproductie, 56 geschakelde reluctantiemotor, 37 getrapte luchtspleet, 46, 47 gleufloze windingen, 75 H hard chopping, 52 hard-ferriete magneten, 67 Hopkinson, regel van, 39 hystereselus, 68 hysteresisregeling, 53 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 93 - I inductantie, 39 inductantieverhouding, 45 inductiemotor, 26 inductiespanning, 18 Q J quadratuur-as inductantie, 45 juk, 19 R K kettingoverbrenging, 33 kipkoppel, 27 kipmoment, 27 kipslip, 27 klassieke inverter, 54 Kloss, formule van, 27 kooiankermachine, 27 koppel-toerenkarakteristiek, 22, 23, 28, 56 kortsluitankermachine, 27 L lasthoek, 25 Lenz, principe van, 26 liften, 84 lineaire stroomdichtheid, 72 Lorentzkracht, 17 luchtspleetwindingen, 75 M maagdelijke kromme, 68 magnetiseringscurve, 41 magnetiseringskracht, 68 maxwellkrachten, 17 meertrapsmotor, 76 motorreductor, 32 N naafmotor, 65 neodymium ijzer-boron, 67 O omzetters, 54 onuitgelijnde positie, 40 P pannenkoekmotor, 63 parkeermagneet, 46 - 94 - poolflux, 18 poolkern, 19 poolschoen, 19 positiesensor, 54 pulsbreedte modulatie, 52, 82 radiale fluxdistributie, 63 relatieve permeabiliteit, 69 reluctantie, 38 remanent magnetisme, 68 riemoverbrenging, 33 rondvuur, 20 rotor met uitgebouwde polen, 24 S samarium-kobalt, 67 schepen, 85 schijfmotor, 63 seriemachine, 22 shuntmachine, 22 single-pulse spanningsregeling, 51 slag, 45 sleepringen, 25 sleepringmachine, 27 slip, 27, 81 snaaroverbrenging, 33 soft chopping, 52 spanningschopping, 52 sperspanning, 55 staphoek, 45 starre koppeling, 31 statorreactie, 25 strontiumferriet, 67 stroomchopping, 53 synchrone motor, 24 T tandwieloverbrenging, 31 tussenliggende positie, 41 tweefasenmotor, 46 twin rotor, 80 U uitgelijnde positie, 40 uitwendige rotor, 57 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek V Z vectormodulatie, 82 veldenergie, opgeslagen, 43 veldintensiteit, 68 vierfasenmotor, 48 zeldzame-aardmagneten, 67 zenerdiode, 55 zenerspanning, 55 W wheel AFI, 79 wormoverbrenging, 32 Moderne elektrische aandrijvingen in de transporttechniek - 95 -