Elektromekaniska energiomvandlare, speciellt likströmsmaskinen (relevanta delar av kap 7)
Elektromekanisk omvandlare Inledning en anordning som energimässigt förbinder ett elektriskt och ett mekaniskt system. som regel roterande elektriska maskiner. Energitransporten kan ske i båda riktningar generatordrift då energi transporteras från det mekaniska systemet till det elektriska. Omvänt betyder motordrift att energi flyttas från det elektriska systemet till det mekaniska. Omvandlingsprocessen är i princip reversibel, vilket innebär att alla motorer kan användas som generatorer och vice versa.
Magnetiskt eller elektriskt fält? 1. Kraft på en strömförande ledare i ett magnetiskt fält 2. Kraft mellan plattorna i en kondensator w Energitätheten per volymsenhet för de båda fälten 1 1 2 1 2 wmagn B wel 0E 2 magn 0 2 där den magnetiska flödestätheten B kan bli ca 1T och den elektriska fältstyrkan E kan bli 3 10 6 V/m 2 1 5 3 1 12 12 410 J / m w 8,85 10 9 10 7 el 24 10 2 Den magnetiska energitätheten är suveränt störst. 40 J / m 3
Roterande och translatorisk rörelse (I) Ur den stora flora av elektromekaniska energiomvandlare som förekommer kan två grundläggande typer av mekanisk rörelse hämtas, nämligen roterande respektive translatorisk eller vibrerande, se figur 7.1. Figur 7.1. Roterande rörelse (vänster) och translatorisk eller vibrerande rörelse (höger).
Roterande och translatorisk rörelse (II) Roterande elektromekaniska energiomvandlare har nästan alltid magnetiska fält som energibärare. Finns i effekter från bråkdelar av watt upp till de största generatorerna på c:a 1 Gigawatt. Anordningar för translatorisk eller vibrerande rörelse t.ex elektromekaniska reläer, högtalare, mikrofoner, vissa typer av givare.
Mekanisk konstruktion (I) Figur 7.2. Figur 7.3. Figur 7.4. Figur 7.5.
Mekanisk konstruktion (II) Figur 7.6. Illustration av magnetflödena i en roterande maskin. rotor Figur 7.7. Rotorns uppbyggnad med laminerade skivor.
Mekanisk konstruktion (III) Lagersköld Statorhus Stator Lagersköld Axel Rotor Eventuella släpringar eller kommutator Lindningshärva Figur 7.8. Motorns uppbyggnad.
Elektrisk konstruktion (I) ROTOR ROTOR Figur 7.9. Varje faslindning blir nu cylindrisk i ena ledden. Här visas en fas. Luftgap
För geometrin med homogent magnetiskt flöde (tv) gäller: Magnetiskt flöde: Vridmoment: Elektrisk konstruktion (II) Figur 7.10. Geometri med homogen flödesfördelning. B() B I A I L A B cos sin sin sin sin 2 2 ) ( A I B d l I B d F d F T
Strömförande ledare i magnetfält B i Kraftverkan vill jämna ut fältfördelningen Samverkande fält får mer plats Ledaren rör sig mot motverkande fält åt höger Eller q vxb = F Högerhandsregeln (I tumme, B pekfinger, F långfinger) Kraften på ledaren är F=Bil, där l är ledarens längd
Elektrisk konstruktion (III) I verkligheten är det emellertid inte möjligt att uppnå idealt sinusformigt utbredda lindningar bl.a beroende på att luftgapet mellan stator och rotor måste hållas litet vilket inte ger plats för lindningarna. I stället placeras lindningshärvorna i spår i statorns och rotorns periferi, se figur 7.14. Figur 7.14. Spår för lindningar.
Vridmoment! Det totala luftgapsflödet bildas av statorflöde och rotorflöde i samverkan Statorflöde och rotorflöde vill ligga i samma linje. Rotorn rör sig när den påverkas av detta vridmoment
Vridmomentbildning (I) Elmaskinens uppgift i ett elektriskt drivsystem är oftast att leverera ett önskat moment till axeln. Momentstyrningen är oftast den innersta och snabbaste loopen i återkopplingen. För att kunna styra en elmaskins moment är det naturligtvis viktigt att förstå hur maskinen bildar vridmoment
Strömförande ledare i järn Strömförande ledare, med ström in/ut ur papperets plan Permanenta magneter, magnetiserade uppåt/nedåt i papperets plan a) c) Statisk del Rörlig del Rörlig del S + R Kraftverkan vill jämna ut fältfördelningen Samverkande fält får mer plats kraft på magnet åt vänster Ledaren vill flytta sig mot motverkande fält kraft åt höger Endast magneter rörliga F=Bil på varje ledare Ström motsatt riktad kraft motsatt riktad
Roterande rörelse från generisk
Permanentmagnetiserad (PM) DCmotor Magneter i statorn som i likströmsmotor Ström i lindning i rotorn F=Bil
PM-stator: Skapa kraft och vridmoment F=Bil Kraft på ledarna upptill (nedtill ) Vridmoment på rotorn moturs
PM-stator: Maximera kraft och vridmoment Magneterna ger ett flöde riktat neråt Lindningarna ger ett flöde riktat åt vänster Maximalt vridmoment vid 90 vinkelskillnad Ström ut ur bilden Ström in i bilden
PM-stator: Låt rotorn rotera Rotorflödet ställer in sig i statorflödets riktning och vridmoment försvinner Om rotorflödet inte satt fast i rotorn utan kunde fortsätta vara riktat åt vänster medan rotorn rör sig... Byt strömriktning i ett ledarpar i taget
Kommutator En mekanisk växelriktare monterad på rotorn kallad kommutator kopplar om strömmarna i rotorn så att riktningen på rotorflödet bibehålls Likström går bra: Det är en likströmsmotor!
Rotation (I) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk Läckflöde: Bidrar inte till luftgapsflödet men däremot till det totala statorflödet genom L L i m i Omagnetiserad rotor Figur 7.20. Luftgapsflöde ( ) och läckflöde ( ).
Rotation (II) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk Läckinduktansen är konstant (förutsätter linjära magnetiska förhållanden) vilket ger differentialekvationen arbetslindningen: d a dt d dt d dt di dt a a a La ia La ua Ra ia
Rotation (VII) - Resistanser, läckinduktanser och inducerad emk T i a
Statorlindningen är enfasig och fast monterad. Alltså ligger statorns flödesbidrag fast i rummet. Rotation (III) - Kommutatorlindning Kompensationslindning i r Kommutator För maximalt moment T i a ska flödesvektor och strömvektor vara vinkelräta. Alltså måste den i rummet roterande rotorns strömvektor också ligga fast i rummet. Kommutatorn gör så att det blir så! i r Stator Rotor Fältlindning i s Figur 7.21. Maskin med kommutatorlindning i rotorn i s Släpkontakt
Rotation (IX) - Kommutatorlindning Inducerad emk: e a L i r m s r r Kompensationslindning i r Spänningsekvation för ankarlindningen: i r Kommutator L a di dt a u u a a R R a a i i a a e a r Stator Rotor i s Momentekvationen: Släpkontakt T i a Fältlindning i s Figur 7.21. Maskin med kommutatorlindning i rotorn
Momentbildning och inducerad spänning för likströmsmaskinen stationärt Vridmoment: Inducerad spänning: T e a m i a m Figur 8.2. Principbild av genomskuren DC-motor.