2019 február 20 - szerda

2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

A villanyautókban lehet egyenáramú és váltóáramú motorokat is használni, mivel a jelenlegi elektronikus vezérlők segítségével már szinte azonos szintre lehet hozni a különböző villanymotor típusok hatásfokait. Ugyanakkor a váltóáramú motorok vezérlése jóval összetettebb, mint az egyenáramúaké, ezért a továbbiakban csak az egyenáramú motorokról lesz szó. Ha azonban érdekelnek a váltóáramú motorok is, akkor ezekről itt olvashatsz. (A generátorok motorokként is üzemelhetnek és viszont.)

A motorok a legkülönbözőbb méretekben kaphatók, de mind egy célt szolgálnak: az elektromos energiát mechanikai energiává alakítják. A DC motorok olyan motorok, melyek táplálásához egyenáramra van szükség.

Az elektromos motorok a legkényelmesebb forrásai a mozgatóerőnek. Csöndesek és tiszták, azonnal beindulnak és lehetnek olyan kicsik, hogy egy órát működtessenek, vagy olyan nagyok, hogy a világ leggyorsabb villanyvasútjait is hajthatják.

Az egyenáramú motor felépítése és működési elve

Különböző fajta egyenáramú villanymotorok léteznek, de a működési elvük ugyanaz. Ennek megértését segíti a következő ábra.

dcmop 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

1. ábra. Az egyenáramú motor működési elve

Az egyenáramú motor állandó mágnesekből áll, melyek között egy vezeték (tekercs) található. Ahhoz, hogy a vezeték alkotta hurok elforduljon, a két végét egyenáramú áramforrásra kell kapcsolni, de úgy, hogy közben a vezeték elfordulhasson a saját tengelye körül. Ahhoz, hogy ez megoldható legyen, a vezető hurkot un. kommutátorra csatlakoztatjuk, melyhez érintkező kefék kapcsolódnak. A kefék biztosítják az elektromos csatlakozást a kommutátorral, miközben az forog, így folyamatos a kapcsolat a vezető hurok és az áramforrás között. A hurokban folyó elektromos áram mágneses mezőt hoz létre, mely kapcsolatba lépve az állandó mágnes mezejével a hurkot elforgatja.

Egy szemléletes, Java-ban írt demonstrációt láthatsz itt.

Az egyenáramú villanymotorok tulajdonságait leíró paraméterek a nyomaték, a teljesítmény és a sebesség. Ezeket vizsgáljuk meg egy kicsit közelebbről a következő sorokban.

A nyomaték

A nyomaték fogalmát olyan erők esetében használjuk, mikor azok forgató hatást fejtenek ki. Nyomatékot fejtünk ki pl. a régebbi telefonok tárcsázásakor, lyukak fúrásakor vagy pl. egy csavar becsavarásakor.

ratchetdiagram 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

2. ábra. A nyomaték

Mint a 2. ábrán látjuk, a nyomaték a szerszám végére kifejtett függőleges irányú erő hatására jön létre. Ez az F erő a szerszámot az O pont körül fordítja el. A lefelé irányuló erőt felbonthatjuk sugárirányú (Frad) erőre, mely párhuzamos a szerszám erőkarjával, és érintő irányú erőre (Ftan), mely merőleges a szerszám erőkarjára. A sugárirányú erő nem vesz részt a nyomatékban, ellentétben az érintő irányú erővel. Az O pont és az F hatóerő közötti távolságot irányvektornak (r) nevezzük. Az erőkar nyomatéka (l) az O pont és az F erő közötti "derékszögű" távolság.

Ha lecsökkentjük az erőkar nyomatékát azáltal, hogy az erőt az O ponthoz közelebb fejtjük ki, akkor a szükséges nyomaték növekszik.

torquewheel 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

3. ábra. A kerékre kifejtett nyomaték

A nyomaték meghatározásának képlete:

N = F * r * sin(f)

A sebesség

Az egyenáramú motorok olyan eszközök, melyek az elektromos energiát forgató mozgássá alakítják át. Mikor adott feszültséget kapcsolunk a motorra, akkor az adott sebességgel forog. A forgási sebességnek vagy más néven szögsebességnek (w) a mértékegysége fordulat/másodperc vagy fordulat/perc.

A szögsebességből (w) meghatározhatjuk az érintő irányú sebességet a forgó test bármelyik pontján a következő képlettel:

v = r * w

ahol:

  • v – az adott ponton mért érintő irányú sebesség
  • r – a forgás középpontjától mért távolság
  • w – a szögsebesség

angvel 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

4. ábra. A szögsebesség

Ez az egyenlet csak állandó sebesség esetén használható.

A teljesítmény

A forgó mozgás teljesítményét a következő képlettel határozhatjuk meg:

P = N * w

ahol:

  • P – a forgómozgás teljesítménye
  • N – a nyomaték
  • w – a szögsebesség

Az egyenáramú motor karakterisztikái

Az egyenáramú motorok tervezésekor tisztában kell lennünk a motor karakterisztikáival. Minden motor rendelkezik egy Nyomaték/Sebesség görbével és egy Teljesítmény görbével.

Nyomaték/Sebesség görbe

A következő ábra az egyenáramú motor Nyomaték/Sebesség görbéjét ábrázolja.

colorTS1 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

5. ábra. Az egyenáramú motor Nyomaték/Sebesség görbéje

Vegyük észre, hogy a nyomaték fordítottan arányos a motor tengelyének sebességével. Más szavakkal egyfajta egyezségre kell jutnunk, hogy mekkora nyomatékot szeretnénk levenni a motorról és hogy mekkora sebességgel kell forognia a motornak. Az egyenáramú motorok két legjellemzőbb tulajdonsága az 5. ábrán látható görbe két szélsőértéke:

  • Az indító nyomaték (Ns) az a nyomatékérték, ahol a nyomaték maximális, de a tengely még nem forog
  • Az üresjárati sebesség (wn) a motor maximális sebessége, ahol a motor már nem fejt ki nyomatékot

A görbe ennek a két szélsőértéknek az összekötésével rajzolható fel, melyek egyenlete felírható a nyomaték és a szögsebesség nézőpontjából:

N = Nsw*Ns/wn

w =(NsN)*wn/Ns

Feljebb meghatároztuk, hogy a teljesítmény a nyomaték és a szögsebesség szorzata, ami megfelel a Nyomaték/sebesség görbe alatti négyzetnek. Ezt mutatja a következő három ábra.

colorTS2 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

6. ábra. Kis teljesítmény

colorTS3 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

7. ábra. Maximális teljesítmény

colorTS4 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

8. ábra. Kis teljesítmény

A nyomaték és a sebesség közötti fordított arányosság miatt a maximális teljesítményt akkor kapjuk meg, mikor w = 1/2 * wn és N = 1/2 * Ns.

Teljesítmény/Nyomaték és Teljesítmény/Sebesség görbék

A nyomaték és szögsebesség számításait a teljesítmény meghatározásának képletébe behelyettesítve láthatjuk, hogy az egyenáramú motor teljesítménye egy másodfokú egyenletet ad.

P(w)= -(Ns/wn)*w2+Ts*w

P(N)= -(wn*Ns)*N2+wn*N

Ezek a kifejezések megint csak azt mutatják, hogy a maximális kimeneti teljesítményt akkor kapjuk meg, mikor w = 1/2 * wn és N = 1/2 * Ns.

torquepowerspeed 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

9. ábra. Teljesítmény/Sebesség és Nyomaték/Sebesség görbék

Az anyagot angol nyelven itt találod.

Külső gerjesztésű villanymotorok

A nagyobb teljesítményű egyenáramú motorok már nem állandó mágneseket használnak, mivel a nagy teljesítményfelvételek mellett az állandó mágnesek lemágneseződnének. Ezért célszerű az állórész mágneses mezejét is inkább tekercsekkel létrehozni.

Háromféle kapcsolás létezik:

  • Mellékáramkörű (párhuzamos) kapcsolás – Ez a motor egyenletes sebességgel forog, függetlenül a terheléstől. Olyan ipari alkalmazásokban használjuk ezt a kapcsolást, ahol az indításkor nem szükséges nagy nyomaték.

    Parhuz 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

    10. ábra. Mellékáramkörű kapcsolás

    Parh_nyomat 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

    11. ábra. A mellékáramkörű kapcsolás Nyomaték/Sebesség görbéje

  • Főáramkörű (soros) kapcsolás – Ennek a motortípusnak a fordulatszáma a terhelés növekedésével automatikusan csökken. A soros motorokat azokban az esetekben használjuk, mikor az indításkor nagyon nagy nyomatékot kell kifejteni, azaz mikor valamilyen nehéz testet kell mozgásba lendíteni (pl. liftnél vagy villanyautónál stb.) A soros motorokat sohasem szabad terhelés nélkül beindítani, mivel ekkor a motor sebessége olyan mértékre gyorsulhat, hogy az tönkreteheti a motort.

    soros 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

    12. ábra. Főáramkörű kapcsolás

    soros_nyomat 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

    13. ábra. A főáramkörű kapcsolás Nyomaték/Sebesség görbéje

  • Vegyes áramkörű kapcsolás – Ez a mellék- és főáramkörű kapcsolás kombinációja. A kapcsolás karakterisztikája a kombináció módjának függvényében változhat. Az ilyen motorokat rendszerint ott használják, ahol az indításkor nagy nyomatékot kell kifejteni, de az állandó sebesség is fontos.

Az információt angol nyelven itt olvashatod.

A villanymotor kiválasztása

A villanyautóban a legcélszerűbb a soros kapcsolású egyenáramú motorok használata. Egy tipikus, villanyautókban használt villanymotor képét a következő ábrán láthatod.

DC_motor 2.4.3.3. Az egyenáramú motorokról

14. ábra. Az FB1-4001A típusú motor metszete

Az egyenáramú motorok teljesítménye egyenes arányban van a rákapcsolt feszültséggel és a tekercsekben folyó árammal. Ezt a következő képlettel tudjuk meghatározni:

PLE = U * I * h / 746

A következő táblázatban néhány villanyautóban használt villanymotor teljesítményét láthatjuk lóerőben kifejezve.

Típus
Feszültség
24 V 36 V 48 V 60 V 72 V 96 V 108 V 120 V 144 V
A00-4009
2 LE
4 LE
6 LE
10 LE
K91-4003
5 LE
6 LE
8 LE
10 LE
L91-4003
12 LE
14 LE
X91-4001
10 LE
12 LE
14 LE
16 LE
20 LE
203-06-4001A
16 LE
19 LE
22 LE
26 LE
FB1-4001A
18 LE
21 LE
23 LE
26 LE
30 LE

1. táblázat. A különböző típusú DC motorok teljesítménye a feszültség függvényében

A belsőégésű motorok esetében a maximális teljesítményt szokták megadni LE-ben, a villanymotoroknál pedig a folyamatosan leadni képes teljesítményt. Ebből kiindulva nagyon jó közelítéssel meghatározhatjuk a szükséges villanymotor típusát, egyszerűen csak osszuk el 1,6-del a robbanómotor teljesítményét. Tehát:

Pvill = Prob / 1,6

Ha például az átalakítandó autó robbanómotorjának a (csúcs)teljesítménye 45 LE, akkor az átalakításhoz szükséges villanymotor teljesítménye:

Pvill = 45 LE / 1,6 = 28,1 LE

Ezek szerint erre a célra megfelel a 203-06-4001A, de még jobb az FB1-4001A típusú motor. (lásd az 1. táblázatot)

Az áramerősséget növelve nem túl hosszú ideig, azaz kb. 3-5 percig a villanymotorok a névleges teljesítményüknek le tudják adni akár a másfélszeresét, nagyon rövid ideig pedig akár több mint a háromszorosát is. Ezek szerint az FB1-4001A típusú motor pár percig 45 LE-t is tud produkálni, pl. emelkedők esetén vagy gyorsításkor, de kb. 20-30 másodpercig akár 100 LE-t is le tud adni.

Mivel ekkor megnöveltük a motoron keresztülfolyó áram erősségét, azon kívül, hogy ezzel csökkentettük az egy töltéssel megtehető km-ek számát, még a motor is nagyon melegszik. Ha hosszú ideig terheljük túl a motort, akkor az tönkre is mehet (megfelelő hűtés hiányában).

A következő táblázatban a motorok fordulatszámait tekinthetjük meg.

Típus
Fordulatszám
A00-4009
1500 – 4000 / perc
K91-4003
1500 – 4000 / perc
L91-4003
1500 – 4000 / perc
X91-4001
700 – 5000 / perc
203-06-4001A
1700 – 4800 / perc
FB1-4001A
1000 – 5000 / perc

2. táblázat. A motorok fordulatszáma

Mint látjuk, ezek a fordulatszámok közel megegyeznek a belsőégésű motorok fordulatszámaival, tehát meghagyva a sebességváltót az autónk sebessége is a megszokott marad, bár a gyorsulási képessége jobb lesz.

Az itt látható adatokat egy amerikai cég honlapjáról vettem (lásd itt), akik kizárólag villanyautók és villanyhajók átalakításához árulnak alkatrészeket és segítenek a számítások, tervezések elvégzésében is.

Az itt következő táblázatba írd be, hogy hány LE-s belsőégésű motor van az átalakítandó autódba s megkapod a javasolt villanymotor teljesítményét.

Jelenlegi motor teljesítménye
Javasolt villanymotor teljesítménye
LE
LE = kW

3. táblázat. Az ajánlott villanymotor teljesítménye

	
	

A következő táblázatban add meg a kiválasztott villanymotor jellemzőit. Ezekre az adatokra a következő oldalaknál lesz szükségünk. A villanymotorok száma lehet egynél több is, ekkor úgy számoljuk, hogy azok párhuzamosan vannak kötve, vagyis a feszültség állandó marad, de a teljesítmény annyiszorosára növekszik, ahány motort szeretnél használni. Több motor esetén az egy motorra jellemző teljesítményt kell beírni a második sorba.

A villanymotor típusa:
A villanymotor teljesítménye: LE
A villanymotor max. feszültsége: V
A villanymotor max. fordulatszáma: 1/perc
A villanymotorok száma: db

4. táblázat. A kiválasztott villanymotor(ok) jellemzői

	
	

A következő oldalon a DC villanymotorok vezérlésével ismerkedhetsz meg.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás