Waarom kooianker motor? (Asynchrone wisselstroom) goedkoop Geen elektrische verbinding met rotor Robuust Geen onderhoud 3 fase AC april 2016

Stator kooianker motor april 2016

Rotor kooianker motor april 2016

Werkingsprincipe (1) :geleider beweegt Faraday law of induced voltage in Conductor moves wit respect to magnetic field Wet Faraday : geinduceerde spanning in geleider indien de geleider beweegt t.o.v. magnetisch veld geinduceerde spanning -> stroom I Lorentz kracht : kracht op geleider met stroom I april 2016

Werkingsprincipe (2) : magneten bewegen t.o.v. geleider muur geleider wil in zelfde richting bewegen NB! Er is alleen een kracht als er een verschil van snelheid is tussen geleider en magneten april 2016

Opwekking van draaiveld 3 wikkelingen 3-phase systeem aangesloten op wikkelingen 1,2,3 3 1 2 1 2 3 april 2016

Set up in de praktijk 3 gelijke windingen 120° t.o.v elkaar verschoven in luchtspeet 3 wikkelingen zijn aangesloten aan 3 phase system a b c april 2016

Opwekking draaiveld(2-poles) april 2016

Synchrone snelheid NB! Snelheid n van as is lager dan ns vanwege slip! p = aantal polen april 2016

Table : aantal polen en synchrone snelheid april 2016 Table : aantal polen en synchrone snelheid F = 50 Hz F = 60 Hz p ns (rpm) 2 3000 3600 4 1500 1800 6 1000 1200 8 750 900 10 600 720 12 500 October 2010 Mechatronics 13-10

Starten kooianker motor 3-phase spanning => draaiveld synchrone snelheid = = rotatiesnelheid draaiveld Wisselspanning geinduceerd in geleiders van rotor (rotor staven) Rotor geleiders zijn kortgesloten => grote stromen Geleiders met stroom in magneet veld => Lorentz kracht (Koppel) op rotor staven Rotor begint te draaien in richting draaiveld. Bij toenemende snelheid van rotor vermindert de stroom en de kracht op de staven van de rotor snelheid van rotor is altijd iets lager dan synchrone snelheid april 2016

Belaste Motor Belasting => motor vertraagd Slip =>inductiespanning -> stromen in rotor staven Stromen => Koppel Last koppel = Motor Koppel  rotor toerental Grote motoren :kleine slip bij volle belasting (efficiency) april 2016

Stator spanning (per fase) U : spanning in elke fase N : aantal wikkelingen per fase f : frequentie aangelegde spanning Φmut : mutuele flux per fase Spanning is : Evenredig met frequency Toepassing : (frequentie omzetter) april 2016

Slip Slip : Stilstand s = 1 (100%) Normal bedrijf bij nominale belasting : kleine motoren s = 2 – 6 % grote motoren s < 1% Geen belasting s = 0 april 2016

Koppel-toerental karakteristiek Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem,nom nominale koppel Tpull-up : Tem,min minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor april 2016

Aantal polen , slip Aantal polen Slip april 2016

Koppel op de as Koppel op de as april 2016

Verliezen in een AS motor Stator iron loss Rotor resistance Stator resistance ventilation internal + external fan Bearing friction april 2016

Vermogenbalans AS motor april 2016

Verliezen IJzerverliezen Koperverliezen Hysteresisverlies Wervelstroomverlies Koperverliezen april 2016

Eigenschappen magnetisch materiaal Hysteresis Eigenschappen magnetisch materiaal april 2016

Wervelstroomverlies(Eddy currents) 2 d : lameldikte 4 3 april 2016

Reductie van wervelstromen door gelamelleerd magnetisch materiaal Toerentalsturing AS motoren - Door regeling klemspanning stator - Door regeling frequentie stator april 2016

Regeling Klemspanning stator Koppel T is evenredig met B2 - T= F.r - Irotor = Urotor / R  T evenredig met B2 april 2016

Regeling Klemspanning stator Koppel T is evenredig met (Ustator )2 (boek : (1/2). φmut = B. A  Ustator evenredig met B koppel T evenredig met (Ustator )2 april 2016

Regeling spanning door thyristor april 2016 Regeling spanning door thyristor Transformer Electronic controller ( soft starter)

Regeling frequentie stator met frequentie regelaar (omvormer) Voorwaarde :Topwaarde Φmut blijft konstant of Ustator / fstator konstant Variabele frequentie met konstante flux Vorm van Koppel-toerental kromme blijft dezelfde Koppel is hetzelfde als de slip hetzelfde is ! Dalende frequentie  groter Koppel april 2016

Koppel-toerental met frequentieomvormer april 2016

Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor april 2016 Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor Motor- , Generator- , Dissipatiebedrijf Motorbedrijf : toerental as is lager dan synchrone snelheid , in zelfde richting als draaiveld Generatorbedrijf : toerental as is hoger dan synchrone snelheid , t.o.v. de rotor draait het draaiveld andersom , geeinduceerde spanning en stroom en Koppel ook . Dissipatiebedrijf : Rembedrijf :de as draait in tegenovergestelde richting van het draaiveld

Komplete Koppel-toerental karakteristiek kooianker motor april 2016

Koppel toerental bij verschillende frequenties Herinner : april 2016

Kombinatie met stroom- toerental april 2016 Kombinatie met stroom- toerental

Werkingsprincipe DC motor Mei 2016

Wet van Lorentz Mei 2016

Koppel DC motor: . met commutator Mei 2016

Werkingsprincipe DC motor Mei 2016

Werkingsprincipe DC motor De stroom in elk commutator segment is een puls van 60 graden Na een halve omwenteling (180 ᵒ) verandert de stroom van richting De 3 wikkelingen zijn als het ware aangestuurd door 3 fasige spanning waarbij de vorm van de spanning rechthoekig is i.p.v. sinusoidaal Mei 2016

Vervangen van commutator door schakelaars Schakelaars controleren de stroom in de wikkelingen A,B,C Mei 2016

Wikkelingen op stator, magnetisch veld opgewekt door rotor , elektronische schakelaars Mei 2016

Toepassing DC formules : karakteristiek Koppel-hoeksnelheid shunt motor Mei 2016

Technische en Bedrijfsmatige Analyse Analyse mechanische last Is belasting varierend of vrijwel constant Is beweging lineair of roterend Wat is de lastkarakteristiek , gevraagd vermogen Wat is het gewenste regelgebied en eis van nauwkeurigheid Bedrijfsmatige analyse Kostprijs aandrijfsysteem Kosten onderhoud Rendement levensduur complexiteit Mei 2016

Eénfasige Asynchrone motor Elektrische Voeding : AC 10 W <Vermogens < 800W waarbij snelheid +/- constant Eénfasige Asynchrone motor huishoudapparatuur :ventilator , pomp , wasmachine draaiveld wordt gemaakt door hulpspoelen toerental < 3000t/min Tmax / Tnom =1.4 ɳ = 0.5-0.75 Mei 2016

Karakteristiek eénfasige Asynchrone motor Mei 2016

Elektrische Voeding : AC 100 W <Vermogens < 1500W varierende belasting Universeel motor Huishoudelijke apparaten :stofzuiger,mixer Elektrisch gereedschap :boormachine,slijpmachine is een seriemotor die werkt op AC en DC karakteristiek van DC seriemotor bij 50 Hz verandert de stroom elke 10 ms hoog toerental : 3000- 30000t/min toentalregeling door spanningsregeling (triac) Tmax / Tnom = 5 ɳ = 0.3 - 0.7 Mei 2016

Opwekking van magneetveld DC motor Mei 2016

Toerental regeling seriemotor door Verandering klemspanning U Mei 2016

Elektrische Voeding : AC Vermogens > 1.5 kW Variende Belasting AC Asynchrone 3 fase motor aandrijvingen industrie motor goedkoop Toerentalregeling door frequentieregelaar regelaar duur toerental < 3000 t/min Tmax / Tnom = 1.5-3 ɳ = 0.5 - 0.8 Mei 2016

Koppel-toerental karakteristiek Tbreakdown : Tem,max maximale elektromechanisch koppel Tfull load : Tem,nom nominale koppel Tpull-up : Tem,min minimale koppel Tlocked-rotor : Tem , stilstaande rotor koppel bij stilstaande rotor Mei 2016

Elektrische Voeding : DC Vermogens < 100W PM motor zonder borstels of (met ) beperkt volume randapparatuur computers,walkman , videoapparatuur vrij goedkoop PM motor is shunt motor toerental : 2000 – 20000 t/min toentalregeling door spanningsregeling (chopper) Tmax / Tnom =6 ɳ = 0.4-0.8 Mei 2016

Opwekking van magneetveld Mei 2016

Shunt motor Vervangingsschema rotor Mei 2016

PM motor Vervangingsschema rotor Mei 2016

Toerentalregeling door verandering klemspanning Mei 2016

Chopper dcyc : dutycycle PBS : pulsbreedtesturing (PWM) 1/Δt cyc = constant : constante werkfrequentie Enkel pulsbreedte Δt aan regelen Mei 2016

Data sheet Mei 2016

Elektrische Voeding : DC 1000W>Vermogens > 100W PM motor met of zonder borstels AC asynchrone motor met driefasige invertor Vermogens > 1000 W PM motor zonder borstels (borstelloze DC motor) Elektrische scooters, elektrische auto’s ɳ >= 0.8 elektrische auto’s ɳ : zie 3-fasige AC asynchrone motor Mei 2016

Borstelloze DC Motor 1200W Mei 2016

Invertor(principe) Mei 2016

Voordeel Borstelloze <-> commutator DC motors Vermogengebied tot 15 kW Groter koppel per gewicht, Hoger rendement Minder onderhoud Geen vonken, (explosie proef) Gunstigere thermische belasting From Wikipedia BLDC motors offer several advantages over brushed DC motors, including more torque per weight, more torque per watt (increased efficiency), increased reliability, reduced noise, longer lifetime (no brush and commutator erosion), elimination of ionizing sparks from the commutator, and overall reduction of electromagnetic interference (EMI). With no windings on the rotor, they are not subjected to centrifugal forces, and because the windings are supported by the housing, they can be cooled by conduction, requiring no airflow inside the motor for cooling. This in turn means that the motor's internals can be entirely enclosed and protected from dirt or other foreign matter. The maximum power that can be applied to a BLDC motor is exceptionally high, limited almost exclusively by heat, which can weaken the magnets. (Magnets demagnetize at high temperatures, the Curie point, and for neodymium-iron-boron magnets this temperature is lower than for other types.) A BLDC motor's main disadvantage is higher cost, which arises from two issues. First, BLDC motors require complex electronic speed controllers to run. Brushed DC motors can be regulated by a comparatively simple controller, such as a rheostat (variable resistor). However, this reduces efficiency because power is wasted in the rheostat. Second, some practical uses have not been well developed in the commercial sector. For example, in the Radio Control (RC) hobby arena, brushless motors are often hand-wound while brushed motors are usually machine-wound. (Nevertheless, see "Applications", below.) Mei 2016

Nadeel Borstelloze <-> commutator DC motors Positiesignaal van rotor nodig (Hall sensor ) Electronica voor regelen statorstroom is gecompliceerd en duur From Wikipedia BLDC motors offer several advantages over brushed DC motors, including more torque per weight, more torque per watt (increased efficiency), increased reliability, reduced noise, longer lifetime (no brush and commutator erosion), elimination of ionizing sparks from the commutator, and overall reduction of electromagnetic interference (EMI). With no windings on the rotor, they are not subjected to centrifugal forces, and because the windings are supported by the housing, they can be cooled by conduction, requiring no airflow inside the motor for cooling. This in turn means that the motor's internals can be entirely enclosed and protected from dirt or other foreign matter. The maximum power that can be applied to a BLDC motor is exceptionally high, limited almost exclusively by heat, which can weaken the magnets. (Magnets demagnetize at high temperatures, the Curie point, and for neodymium-iron-boron magnets this temperature is lower than for other types.) A BLDC motor's main disadvantage is higher cost, which arises from two issues. First, BLDC motors require complex electronic speed controllers to run. Brushed DC motors can be regulated by a comparatively simple controller, such as a rheostat (variable resistor). However, this reduces efficiency because power is wasted in the rheostat. Second, some practical uses have not been well developed in the commercial sector. For example, in the Radio Control (RC) hobby arena, brushless motors are often hand-wound while brushed motors are usually machine-wound. (Nevertheless, see "Applications", below.) Mei 2016

Data sheet Brushless motor Mei 2016

Mei 2016

Stappenmotor Mei 2016

Principe Stappenmotor Stator met 2 wikkelingen loodrecht op elkaar 2 magnetische circuits : A1 – A2 ; B1 – B2 L1 , L2 ,L3 , L4 na elkaar bekrachtigen(volstapbedrijf )  as draait 360 graden : staphoek 90 graden L1 , L2 tegelijk … bekrachtigen(halfstapbedrijf ) staphoek : 45 graden Aantal pulsen naar respectievelijke windingen bepaalt positie van rotor Verkleining staphoek door meer wikkelingen op stator ,meer polen op rotor Mei 2016

Stappenmotor <---> DC servomotor heeft laag rendement positioneringen in het kleinere werk: positioneertafel , kop besturing printers ,diskdrives goedkoper dan DC servomotor geen feedback regeling nodig -->aantal pulsen bepaalt positie van rotor . nauwkeurigheid afhankelijk van stapgrootte Onbekrachtigd is er een koppel (kleefkoppel ) mogelijk DC servomotor : positioneringen met meer kracht : grote robots , freesbanken Feedback regeling voor controle van positie Torque: Mei 2016

Thermische belasting elektrische machines verliezen elektrische machines Pverl = Pnul + R I2 Pnul : wrijving + ijzerverliezen R I2 : koperverliezen Mei 2016

Verlies evenredig met oppervlakte Verlies evenredig met frequentie f Hysteresis verlies Verlies evenredig met oppervlakte Verlies evenredig met frequentie f Mei 2016

Berekening wervelstroomverlies d : lameldikte Mei 2016

Isolatiemateriaal , levensduurverwachting Elektrische en mechanische eigenschappen gaan niet achteruit indien Tisolatie<= Tmax Levensduur 7 jaar ( dagelijkse belasting 8 uur) Isolatieklasse A : katoen, papier B: glasvezel, draadlak H: siliconenhars Mei 2016

Temperatuurverhoging en isolatieklassen verschil tussen “hot spot”en buitentemperatuur : 40°C ϴ = Tvoorwerp – 40 °C sensoren in de wikkeling Meting van de elektrische weerstand van de wikkeling In onze streken levensduur > 7 jaar (20000 uur) Mei 2016

Levensduur Mei 2016

Berekening temperatuurverhoging Temperatuurverhoging als functie van tijd : Pverl.dt = m . cth . dϴ + αth .A.ϴ.dt [J] Pverl .dt : ontwikkelde warmte in dt m . cth . dϴ : warmte opgeslagen in massa van motor αth .A.ϴ.dt : warmte afgestaan aan omgeving in dt Differentiaal vergelijking : Mei 2016

Berekening temperatuurverhoging Mei 2016

Berekening toelaatbare overbelastingstijd Mei 2016

Toelaatbare overbelasting elektrische machines Mei 2016

Toelaatbare overbelasting Voorbeeld : toelaatbare overbelasting PM motor : Klemspanning is 72 V DC Rr = 2,5 Ω : rotorweerstand Ir,nom = 5 A Pnul = 20 W thermische tijdsconstante = 40 minuten Vraag : De maksimale tijd dat motor mag overbelast worden om koppel te leveren dat tweemaal zo hoog is ( Ir = 10 A) Mei 2016