Emner:
- introduksjon
- Arbeidsprinsipp for elektriske motorer
- DC elektrisk motor med kullbørster
- DC elektrisk motor uten kullbørster
Forord:
Vi finner elektriske motorer flere og flere steder i bilen. I en elektrisk motor omdannes en elektrisk strøm til bevegelse og varme. Vi finner en elektrisk motor i speil og setejustering, men også som vindusviskermotor på vindusviskermekanismen eller som startmotor. Disse elektriske motorene opererer med en spenning på 12 til 14 volt. På denne siden begrenser vi oss til de elektriske motorene i interiør og eksteriør.
Elektriske motorer gir også (delvis) elektrisk fremdrift i hybrid- og helelektriske kjøretøy. Denne typen elektrisk motor er omtalt på siden: HV elektriske motorer.
Vi kan dele DC-elektriske motorer inn i:
- Elektrisk motor med kullbørster (elektromagnetisk felt og armatur)
- Serie elektriske motorer;
- Parallelle elektriske motorer;
- Børsteløse elektriske motorer.
Driftsprinsipp for elektriske motorer:
I en elektrisk motor omdannes en elektrisk strøm til en roterende bevegelse. Bevegelsen er forårsaket av to magnetiske poler som tiltrekker eller frastøter hverandre:
- En nordpol og sydpol tiltrekker hverandre;
- To nordpoler frastøter hverandre;
- To sørpoler frastøter hverandre.
En magnet har en nord- og sørpol med motsatt ladning. Når den magneten brytes i to, har du ikke plutselig to separate poler, men to nye magneter, både med en nord- og en sydpol.
Flere magnetiske poler (nord og sør) er festet til huset. Det er et magnetfelt mellom nord- og sørpolen. Utgangsakselen (ankeret) roterer på grunn av endringer i magnetfeltet.
I en elektrisk motor er to poler med samme navn konstant plassert overfor hverandre ved hjelp av (vanligvis) permanente magneter, ellers elektromagneter. Fordi polene med samme navn frastøter hverandre, skapes det en bevegelse.
DC elektrisk motor med kullbørster:
Nesten alle elektriske motorer innen bilteknologi er utformet som likestrømsmotorer med permanente magneter og kullbørster. I denne typen elektriske motorer finner vi følgende magneter:
- Permanente magneter (en nordpol og en sørpol): det er et stasjonært magnetfelt mellom dem;
- Spoler: det genereres et elektromagnetisk felt i denne. Det roterende elektromagnetiske feltet genereres i spolene.
De permanente magnetene er plassert til venstre og høyre for rotoren og består av en nordpol og en sørpol. Mellom denne nord- og sørpolen er det et stasjonært magnetfelt som ikke endres når elmotoren er i drift eller står stille.
Et roterende elektromagnetisk felt genereres i spolene så snart det går strøm gjennom dem. Strømmen tilføres og fjernes av kullbørstene via kommutatoren.
Reversering av strømretningen gjøres ved hjelp av kommutering: to kullbørster drar over kommutatoren, som består av en pluss- og minusside. Kullbørsten på plusssiden fører strømmen til lederen (grønne piler i figuren). Strømmen forlater lederen via kullbørsten på minussiden. Strømmen som strømmer gjennom lederen skaper et elektromagnetisk felt.
Det skapes en kraft mellom den resulterende magnetismen i ankeret (lederen) og feltet (de permanente magnetene) (røde piler i bildet). Denne kraften får ankeret og kommutatoren til å rotere på sin akse. Kullbørstene treffer deretter den andre delen av kommutatoren, og snur strømretningen i ankeret. Magnetfeltet og kraften bygges opp i samme retning, slik at ankeret roterer rundt sin akse igjen.
Vi kan endre rotasjonsretningen til den elektriske motoren (les: ankeret) ved å reversere pluss og minus på kullbørstene.
Utveksling av pluss og minus kan oppnås ved hjelp av en H-bro.
- ECUen (1) styrer samtidig to av de fire transistorene eller FET-ene (4);
- FET-ene (2) gir den elektriske motoren (3) pluss og jord. Avhengig av hvilke to FET-er som er slått på, er den øverste karbonbørsten positiv og bunnen er slipt, eller omvendt;
- Potensiometeret ved siden av elmotoren registrerer posisjon og rotasjonsretning. Ikke alle elektriske motorer er utstyrt med potensiometer.
Se siden H-bro for mulige design og koblingsmetoder for H-broen.
DC elektrisk motor uten kullbørster:
Den børsteløse likestrømsmotoren (DC) er en synkronmotor. Den elektriske kontrollen har erstattet kullbørstene. Denne typen elektrisk motor er veldig lik den synkrone AC-motoren med permanente magneter, som brukes i drivverket til elektriske kjøretøy. Hovedforskjellen mellom de to motorene er kontrollen: AC-motoren styres med en modulert sinusformet vekselspenning og DC-motoren med en firkantbølgespenning.
Statoren inneholder ofte tre eller seks spoler (U, V og W) og rotoren er en permanent magnet. Bildet nedenfor viser den skjematiske strukturen til DC-motoren med spenningsprogresjonen gjennom de tre spolene. I virkeligheten er flere Hall-sensorer installert mellom stolpene for å bestemme rotorposisjonen.
Styreenheten bestemmer hvilke spoler den skal styre basert på rotorposisjonen.
I det følgende bildet er U+-spolen aktivert. Måten spolen er viklet rundt polen avgjør om det blir en nord- eller sydpol. I dette eksemplet er U+ nordpolen og U- er sørpolen.
Rotoren er utformet som en permanent magnet. Som beskrevet i de foregående avsnittene, posisjonerer eller svinger rotoren som et resultat av et skiftende magnetfelt gjennom spolene.
For å rotere rotoren mot klokken fra posisjonen vist i forrige figur, aktiveres V-spolene.
V+ blir nordpolen, V- sørpolen. Den permanente magnetrotoren roterer;
nord- og sørpolene tiltrekker hverandre, det samme gjør sør- og nordpolen på den andre siden av magneten.
Nå aktiveres W-spolene for å rotere rotoren ytterligere 60 grader.
W+-spolen blir en nordpol og W- sydpolen. Rotoren snur seg og tar sin nye posisjon.
Rotoren i det neste bildet har rotert 180 grader siden den første situasjonen; på det første bildet pekte sørpolen oppover; nå er det Nordpolen.
Polariteten til U+-spolen og U-spolen er reversert, noe som får strømmen til å flyte gjennom spolene i revers. Dette gjør U+ til en sørpol og U- til en nordpol.
Rotoren med permanent magnet roteres videre av endringen i magnetfeltet.
For å rotere rotoren 60 grader igjen, gjøres V- til en nordpol og V+ til en sørpol. Rotoren tar den nye posisjonen.
Nok en gang dreier rotoren 60 grader som følge av en endring i magnetfeltet i spolene:
W-spolen er nordpolen og W+ er sørpolen.
I de seks situasjonene beskrevet ovenfor, er to spoler konstant energisert samtidig. Vi finner også ofte børsteløse DC-motorer med tre spoler i stedet for seks. Med tre spoler blir også U-, V- og W-spolene energisert etter hverandre, men det er ingen endring i polaritet.
Den børsteløse DC-motoren er en kraftig motor som er egnet for bruksområder der det kreves høyt dreiemoment for både oppstart, middels hastighet og høy hastighet. Den børsteløse DC-motoren og trinnmotoren er ofte forvekslet. Dette er ikke overraskende, fordi driften og kontrollen av motorene har mange likheter: begge motorene drives ved å skape et magnetfelt mellom spolene og rotoren med permanente magneter. Likevel, i tillegg til terminologien, har begge motorene betydelige forskjeller, hovedsakelig i applikasjonen og derfor materialvalget.
Trinnmotoren er i utgangspunktet en børsteløs DC-motor, men den brukes i et annet felt. Mens DC-motoren hovedsakelig brukes til langtidskjøring i høye hastigheter, ser vi trinnmotoren i applikasjoner hvor en justering i en nøyaktig posisjon er det viktigste.
DC-motoren som vises styres hver 60° rotasjon av rotoren. Dette kan muligens reduseres til 30° hvis vi energiserer fire spoler samtidig mellom hver kontroll, og dermed oppnår en mellomposisjon. En trinnmotor er imidlertid i stand til å justere trinn på 1,8° til 0,9°. Dette viser videre at trinnmotoren egner seg for svært nøyaktige posisjoner.
De forskjellige versjonene, kontrollmetodene fra ECU og applikasjonene finner du på siden trinnmotor.
