HV-elektromotor

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • AC elektromotor (synchroon, met permanente magneten)
  • AC-aansturing van de synchroonmotor
  • AC elektromotor (asynchroon, kooiankermotor)
  • Efficiency map van de synchrone en asynchrone elektromotor
  • DC elektromotor

Inleiding:
Voor de aandrijving van een hybride of volledig elektrisch voertuig wordt een elektromotor gebruikt. De elektromotor zet elektrische energie (afkomstig van de accu of range extender) om in een beweging voor de aandrijving van de wielen. Daarnaast kan de elektromotor bewegingsenergie ook omzetten in elektrische energie bij het afremmen op de motor: het regeneratief remmen. De elektromotor functioneert in dat geval als dynamo. Vanwege deze twee functies noemen we de elektromotor ook wel een “elektromachine”.

De plaatsingsmogelijkheden van de elektromotor bij een hybridevoertuig zijn:

  • Aan de verbrandingsmotor, waarbij de overbrenging via een multiriem of direct via de krukas tot stand wordt gebracht;
  • Tussen de motor en versnellingsbak in: de ingaande as van de versnellingsbak wordt door de elektromotor aangedreven;
  • Geïntegreerd in de versnellingsbak;
  • Aan het differentieel;
  • Ter hoogte van de wielnaven (naafmotor).
De onderstaande afbeelding toont de hybride-aandrijflijn van een BMW 7-serie. De elektromotor (2) bevindt zich tussen de motor (1) en de automatische versnellingsbak (3). De hoogvoltagekabels (5) verbinden het accupakket met de converter / inverter (4).
Bron: BMW training acacemy

De elektromotor van een volledig elektrische auto zit vaak ter hoogte van de achteras gemonteerd. In de onderstaande afbeelding is de elektromotor met de inverter in cilindervormige behuizing en eindaandrijving van een Tesla te zien.

Elektromotor met inverter en eindaandrijving Tesla

AC elektromotor (synchroon, met permanente magneten):
De volgende afbeelding toont de onderdelen van een (synchroon)elektromotor van een Audi. Dit type wordt gebruikt in de hybride-varianten van de A6 en A8. We zullen in het kort de onderdelen opnoemen. In de volgende paragrafen worden deze onderdelen uitgebreid beschreven.

De rotor met permanente magneten zal als gevolg van een verandering in het magnetisch veld in de stator gaan verdraaien. De rotor is verbonden met de koppeling, die de verbrandingsmotor en elektromotor (in samenwerking met een niet afgebeelde koppeling) in verschillende bedrijfsomstandig-heden met elkaar kan verbinden of verbreken. De stand van de rotor wordt door de resolver gemeten: 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 door een DC- (gelijkspanning) als AC- (wisselspanning) worden aangestuurd.

Bron: Audi training academy

De synchroonmotor is één van de meest toegepaste elektromotoren bij 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 hetzelfde toerental als het magnetische veld van de stator. De aansturing van de synchroonmotor kan als volgt worden gerealiseerd:

  • AC: wordt aangestuurd door een sinusvormig signaal (wisselstroom).
  • DC: wordt aangestuurd met een blok- of trapeziumvormig signaal (gelijkstroom)
In de onderstaande afbeelding zijn de verschillende statorgroepen van de synchroonmotor te zien.

De stator van de synchroonmotor is opgebouwd uit drie statorspoel groepen: U, V en W. Iedere groep bevat drie sets van zes parallel geschakelde spoelen die verdeeld zijn over de gehele omtrek van de stator. Iedere derde spoel behoort tot dezelfde reeks. 

  • U-spoelen: blauw
  • V-spoelen: groen
  • W-spoelen: rood

De rotor bevat meerdere permanente magneten. Door spoelen in de stator wisselend te bekrachtigen, ontstaat er een draaiend magnetisch veld. De rotor volgt het draaiveld en gaat daardoor meedraaien.

AC-aansturing van de synchroonmotor:
De AC-regeling maakt gebruik van een frequentiegeregelde aansturing of sinusvormige commutatie. De statorspoelen worden voorzien van een wisselende driefase sinusspanning om de rotor te laten draaien.

De onderstaande afbeelding toont de rotorstand bij een maximaal bekrachtigde U-spoel. De noordpolen zijn als gevolg van het magnetische veld recht tegenover de bekrachtigde U-spoelen gaan staan. De cursor in de grafiek naast de elektromotor geeft de aansturing van de spoelen op dat moment aan.

Ter informatie: de rotor in de uitleg draait bij het aansturen van de statorspoelen rechtsom.

In de volgende afbeelding is de sinus, dus de wisselstroom door de U-spoel maximaal negatief. Tijdens deze aansturing staan de zuidpolen van de rotor recht tegenover de bekrachtigde (U)-statorspoelen.

Tussen de noord- en zuidpolen van de rotor zit in werkelijkheid een kleine luchtspleet. Tijdens de wisseling van de zuid- naar noordpool wisselt de stroomrichting in de U-spoel om. Verder:

  • De stroomsterkte door de V-spoel (groen) is bijna maximaal positief; de noordpool staat hierbij ook bijna tegenover de spoel. 
  • De stroomsterkte door de W-spoel is maximaal negatief geweest en stijgt. De zuidpool is voorbij de spoel gedraaid.

Om een indruk te geven hoe de stroom verloopt, wordt in de onderstaande animatie de rotorverdraaiing ten gevolge van de wisselstroom weergeven.

AC elektromotor (asynchroon, kooiankermotor):
De kooianker- of kortsluitanker elektromotor is een asynchrone motor. Het verschil met de synchrone motor met permanente magneten en de asynchrone motor is zit in de rotor: dit is een weekijzeren trommel met geleiders in de lengterichting. De rotor loopt asynchroon met de stator, dat wil zeggen dat er een toerentalverschil is tussen de rotor en het magnetische toerental van de stator. De stator is exact hetzelfde.

Overzicht asynchrone elektromotor Audi E-tron. Bron: Audi SSP 970253 service training USA

De rotor van de asynchrone elektromotor bestaat uit kortgesloten spoelen; de U- V- en W-spoelen zijn aan één zijde met elkaar verbonden. Op het moment dat de rotor zich in het statordraaiveld bevindt, ontstaat in de rotorspoelen een inductiespanning. Omdat de rotorspoelen met elkaar zijn kortgesloten, gaat er een stroom door lopen. Deze stroom zorgt ervoor dat de rotor een magnetisch veld opwekt en er daardoor een koppel ontstaat. Omdat de werking van de asynchrone elektromotor op de inductiewet berust, noemen we hem ook wel een inductiemotor.

Het geleverde koppel heeft invloed op de slip tussen het draaiende magnetische veld in de stator en het toerental van de rotor.

Slip tussen het magnetische draaiveld en het rotortoerental

De asynchrone motor heeft een aantal voor- en nadelen ten opzichte van de synchrone motor.

Voordelen:

  • relatief eenvoudige, robuuste en goedkope rotor.

Nadelen:

  • lagere vermogensdichtheid (per massa) en efficiëntie. De stromen in de kortgesloten rotorspoelen geven aanleiding tot extra rotorverliezen;
  • toerental is niet nauwkeurig te regelen, omdat deze afhankelijk is van de belasting. Op zich hoeft dit geen nadeel te zijn: met een goed regelsysteem kan ook het toerental van de asynchrone motor worden ingesteld;
  • hoge aanloopstroom.

Efficiency map van de synchrone en asynchrone elektromotor:
De onderstaande afbeeldingen tonen de efficiëntie van de synchrone elektromotor (links) en de asynchrone elektromotor (rechts).

  • De synchrone elektromotor is zeer efficiënt. De efficiency is in een groot gebied boven de 90%, met piekwaarden tot wel 96%. Vanaf 2000 rpm treedt er veldverzwakking op, waardoor het maximale koppel afneemt.
  • De asynchrone motor heeft bij lagere toerentallen een aanzienlijk lagere efficiency dan de synchrone motor.
Efficiency map synchrone elektromotor Toyota Prius. Bron: researchgate.net
Efficiency map asynchrone elektromotor. Bron: researchgate.net

DC elektromotor:
De borstelloze gelijkstroommotor (DC) is in feite een combinatie van een stappenmotor en een synchrone motor. Dit type elektromotor lijkt erg veel op de synchrone AC-motor met permanente magneten, die reeds is beschreven. Het voornaamste verschil tussen beide motoren is de aansturing: de AC-motor wordt met een gemoduleerde sinusvormige wisselspanning aangestuurd en de DC-motor met een blokspanning.

De stator bevat vaak drie spoelen (U, V en W) en de rotor is een permanente magneet. De onderstaande afbeelding toont de schematische opbouw van de DC-motor met daarnaast het spanningsverloop door de drie spoelen. Tussen de polen zijn in werkelijkheid meerdere Hall-sensoren aangebracht om de rotorstand te bepalen. De regeleenheid bepaalt aan de hand van de rotorstand welke spoelen hij moet aansturen.

In de volgende afbeelding zijn de U-spoelen bekrachtigd. De manier van wikkelen van de spoel om de pool bepaalt of het een noord- of zuidpool wordt. In dit voorbeeld is de U+ de noordpool. De stroom loopt van de U+ naar de U-, dat maakt de U- de zuidpool.

De rotor is uitgevoerd als permanente magneet. Zoals bij de voorgaande paragrafen al is beschreven, positioneert of verdraait de rotor zich als gevolg van een wisselend magnetisch veld door de spoelen.

Om de rotor vanuit de positie als aangegeven in de voorgaande afbeelding linksom te laten draaien, worden de V-spoelen bekrachtigd.

De V+ wordt de noordpool, V- de zuidpool. De rotor met permanente magneet verdraait; de noord- en zuidpool trekken elkaar aan, evenals de zuid- en noordpool aan de andere kant van de magneet.

Nu worden de W-spoelen bekrachtigd om de rotor weer 60 graden verder te laten verdraaien.

De W+ spoel wordt een noordpool en W- de zuidpool. De rotor verdraait en neemt zijn nieuwe positie in.

De rotor in de volgende afbeelding is sinds de eerste situatie 180 graden verdraaid; in de eerste afbeelding stond de zuidpool naar boven gericht; nu is dat de noordpool.

Met de spanningsmeting is de U+ spoel negatief geworden: de stroom loopt nu van U- naar U+. 

De U- spoel is de noordpool geworden en trekt de zuidpool van de rotor aan. Het omgekeerde geldt voor de U+ spoel en magneet.

Om de rotor opnieuw 60 graden te verdraaien wordt van de V- een noordpool en de V+ een zuidpool gemaakt. De rotor neemt de nieuwe positie in.

Wederom verdraait de rotor 6- graden als gevolg van verandering van het magnetische veld in de spoelen:

De W- spoel is de noordpool en de W+ de zuidpool.

In de zes situaties die hierboven zijn beschreven, is constant één poolpaar bekrachtigd. In het laatste voorbeeld is dit bij de W-spoel het geval. Als we de aansturing bekijken, valt op dat de U- en V-spoelen in dit geval niet worden bekrachtigd. In realiteit wordt één van de twee spoelen dusdanig bekrachtigd, dat ze meehelpen om de rotor te verdraaien.

In het laatste voorbeeld zullen, om de rotor weer 60 graden te laten verdraaien, de U-spoelen worden bekrachtigd. Als we op dit moment óók de V-spoelen bekrachtigen (V+ een noordpool, V- een zuidpool) zal ten gevolge hiervan de magneten van de rotor worden afgestoten: de rotor wordt door de V-spoelen richting de U-spoelen geduwd, die op hun beurt de magneten aantrekken.

Let op: deze pagina is momenteel in bewerking.