Inleiding:
Een elektromotor wordt gebruikt om een hybride of volledig elektrisch voertuig aan te drijven. De elektromotor zet elektrische energie (uit de accu of range extender) om in beweging om de wielen aan te drijven. Daarnaast kan de elektromotor bij afremmen op de motor ook kinetische energie weer omzetten in elektrische energie: regeneratief remmen. In dat geval functioneert de elektromotor als generator. Vanwege deze twee functies noemen we de elektromotor ook wel een “elektrische machine”.
De plaatsingsmogelijkheden van de elektromotor in een hybride voertuig zijn:
- Op de verbrandingsmotor, waarbij de overbrenging tot stand komt via een multiriem of rechtstreeks via de krukas;
- Tussen de motor en transmissie: de ingaande as van de transmissie wordt door de elektromotor aangedreven;
- Geïntegreerd in de transmissie;
- Bij het differentieel;
- Bij de wielnaven (naafmotor).
De elektromotor van een volledig elektrische auto is vaak op de achteras gemonteerd. Op de afbeelding hieronder is de elektromotor met de inverter in een cilindrische behuizing en de eindaandrijving van een Tesla te zien.
AC-elektromotor (synchroon, met permanente magneten):
De volgende afbeelding toont de componenten van een (synchrone) elektromotor van een Audi. Dit type wordt gebruikt in de hybride varianten van de A6 en A8. We zullen de componenten kort opsommen. In de volgende alinea’s worden deze componenten in detail beschreven.
De rotor met permanente magneten zal gaan draaien als gevolg van een verandering in het magnetische veld in de stator. De rotor is verbonden met de koppeling, die (in samenwerking met een niet getoonde koppeling) onder verschillende bedrijfsomstandigheden de verbrandingsmotor en elektromotor kan verbinden of ontkoppelen. De positie van de rotor wordt gemeten door de resolver: deze gegevens zijn belangrijk voor de IGBT-drivers om de statorspoelen op het juiste moment aan te sturen.
De elektromotor met permanente magneten kan zowel met DC (gelijkstroom) als met AC (wisselstroom) worden aangestuurd.
De synchrone motor is een van de meest gebruikte elektromotoren in hybride of volledig elektrische voertuigen. Dit type elektromotor bestaat uit een stator met wikkelingen en een rotor met meerdere permanente magneten. De rotor draait met dezelfde snelheid als het magnetische veld van de stator. De aansturing van de synchrone motor kan als volgt worden gerealiseerd:
- AC: aangestuurd door een sinusvormig signaal (wisselstroom).
- DC: aangestuurd door een blok- of trapeziumvormig signaal (gelijkstroom)
De stator van de synchrone motor is opgebouwd uit drie statorspoelgroepen: U, V en W. Elke groep bevat drie sets van zes parallel geschakelde spoelen die over de hele omtrek van de stator zijn verdeeld. Elke derde spoel behoort tot dezelfde serie. a0
- U-spoelen: blauw
- V-spoelen: groen
- W-spoelen: rood
De rotor bevat meerdere permanente magneten. Door afwisselend spoelen in de stator te bekrachtigen, ontstaat een draaiend magnetisch veld. De rotor volgt het draaiende veld en begint daardoor te draaien.
AC-aansturing van de synchrone motor:
De AC-aansturing maakt gebruik van frequentiegeregelde aansturing of sinusvormige commutatie. De statorspoelen worden gevoed met een variërende driefasige sinusvormige spanning om de rotor te laten draaien.
De afbeelding hieronder toont de rotorpositie met een maximaal bekrachtigde U-spoel. Door het magnetische veld zijn de noordpolen recht tegenover de bekrachtigde U-spoelen terechtgekomen. De cursor in de grafiek naast de elektromotor geeft de aansturing van de spoelen op dat moment aan.
Ter informatie: in de uitleg draait de rotor met de klok mee wanneer de statorspoelen worden bekrachtigd.
In de volgende afbeelding is de sinus, dus de wisselstroom door de U-spoel, maximaal negatief. Bij deze aansturing staan de zuidpolen van de rotor recht tegenover de bekrachtigde (U) statorspoelen.
In werkelijkheid is er een kleine luchtspleet tussen de noord- en zuidpolen van de rotor. Tijdens de overgang van de zuid- naar de noordpool keert de stroomrichting in de U-spoel om. Verder:
- De stroom door de V-spoel (groen) is bijna maximaal positief; de noordpool staat ook bijna tegenover de spoel.
- De stroom door de W-spoel is maximaal negatief geweest en stijgt. De zuidpool is langs de spoel gedraaid.
Om een indruk te geven van hoe de stroom loopt, wordt in de animatie hieronder de rotordraaiing als gevolg van de wisselstroom weergegeven.
AC-elektromotor (asynchroon, inductiemotor):
De inductie- of kooiankermotor is een asynchrone motor. Het verschil met de synchrone motor met permanente magneten en de asynchrone motor zit in de rotor: dit is een zachtijzeren trommel met geleiders in de lengterichting. De rotor loopt asynchroon met de stator, wat betekent dat er een snelheidsverschil is tussen de rotor en de magnetische snelheid van de stator. De stator is precies hetzelfde.
De rotor van de asynchrone elektromotor bestaat uit kortgesloten spoelen; de U-, V- en W-spoelen zijn aan één zijde met elkaar verbonden. Wanneer de rotor zich in het draaiende veld van de stator bevindt, wordt er een inductiespanning in de rotorspoelen opgewekt. Omdat de rotorspoelen kortgesloten zijn, gaat er een stroom lopen. Deze stroom zorgt ervoor dat de rotor een magnetisch veld opwekt en daarmee koppel genereert. Omdat de werking van de asynchrone elektromotor gebaseerd is op de inductiewet, noemen we dit ook een inductiemotor.
Het geleverde koppel beïnvloedt de slip tussen het draaiende magnetische veld in de stator en de rotorsnelheid.
De asynchrone motor heeft verschillende voor- en nadelen ten opzichte van de synchrone motor.
Voordelen:
- Relatief eenvoudige, robuuste en goedkope rotor;
- Hoog koppel bij lage snelheid.
Nadelen:
- Lagere vermogensdichtheid (per massa) en efficiëntie. De stromen in de kortgesloten rotorspoelen leiden tot extra rotorverliezen;
- Snelheid is niet nauwkeurig regelbaar omdat deze afhankelijk is van de belasting. Dit hoeft niet per se een nadeel te zijn: met een goed regelsysteem kan de snelheid van de asynchrone motor ook worden ingesteld;
- Hoge aanloopstroom.
De rotorpositie en -snelheid van de asynchrone motor worden gemeten door een rotorpositiesensor. Doorgaans leveren Hall-sensoren minimaal vier pulsen per omwenteling van de rotor om de rotorpositie en -snelheid door te geven. We noemen dit type rotorpositiesensor geen resolver, zoals dat bij de synchrone motor wel het geval is.
In tegenstelling tot de synchrone motor is de rotorpositiesensor niet nodig om de rotorpositie te kennen wanneer de motor stilstaat. Tijdens het draaien is de rotorpositie echter wel belangrijk: het is noodzakelijk om te voorkomen dat de slip tussen het magnetische draaiveld en de rotor te groot wordt. Als het draaiveld te snel wordt, kan een situatie ontstaan waarbij de rotor plotseling de andere kant op wil draaien. De krachten die hierdoor ontstaan kunnen rampzalig zijn voor de mechanische en elektrische componenten.
Sommige fabrikanten kiezen ervoor om zelfs bij een asynchrone motor een resolver toe te passen. De reden hiervoor is mij onbekend. De resolver is uiterst nauwkeurig, zowel bij stilstand als tijdens het draaien, wat mogelijk een preciezere regeling mogelijk maakt.
Rendementskaarten van de synchrone en asynchrone elektromotoren:
De afbeeldingen hieronder tonen het rendement van de synchrone elektromotor (links) en de asynchrone elektromotor (rechts).
- De synchrone elektromotor is zeer efficiënt. Het rendement ligt in een groot gebied boven de 90%, met piekwaarden tot 96%. Vanaf 2000 rpm treedt veldverzwakking op, waardoor het maximale koppel afneemt.
- De asynchrone motor heeft bij lagere snelheden een aanzienlijk lager rendement dan de synchrone motor.
Gerelateerde pagina’s: