El bil motor

[sirius]

Noen som vet hva slags elektromotor som sitter i el biler?

 

[madammim]

Tror det er 3-fase asynkron-motorer de bruker. Det er vel den mest brukte motortypen og finnes "over alt" der det er vekselspenning (DC fra batteriene blir omgjort til AC i bilene).

[Hårek]

How the Tesla Roadster Works

"The heart of the Tesla Roadster is its 3-phase, 4-pole electric induction motor,"

[sirius]

Takk til de som sendte info.

Da må altså likestrømmen gjøres om til vekselstrøm.

Og til trefas.

Overrasker meg litt, men det innebærer vel ikke så

store tap å konvertere den.

Og hastighetsreguleringen går vel på frekvensregulering.

[toreae]

Børstemotorer er egentlig vekselstrømsmotorer. De bruker børstene og rotasjonen til å omforme likespenning til vekselspenning. Jeg vet ikke, men jeg er ganske sikker på at frekvensomformere gjør det mere effektivt enn børstemotorer. Børstemotorer trenger noe til å regulere kraften i tilegg.

[Thorsen]

Et annet poeng er at det er mye mindre vedlikehold på en motor uten børster, de kan gå i evigheter (bokstavlig talt gjør de så og si det rundt omkring i industrien også).

 

Hastighetsregulering må en ha uansett, og vanlige frekvensomformere til 3-fase motorer har allerede i dag en AC-DC-AC omforming, så alt du trenger å gjøre for elbilen er å fjerne det første AC-DC leddet og du er guud to go.

[Twinflower]

Den beste motoren for elbildrift er PMSM (Permanent Magnet Synkron Maskin) fordi,

a) Det trengs ikke strøm i rotor for å sette opp fluks

b) Man trenger ikke strøm i d-aksen

c) Man slipper 1/3 av kopperen og jernet

d) Man sparer ca 1/3 av vekten, som igjen gir flere km pr lading.

 

Grunnen til at man ikke gjør dette er fordi permanentmagneter er dyre, og Kina har omtrent monopol på de Sjeldne Jordmetallene man trenger for å lage magneter som er effektive nok (Neodym).

 

Nå vet jeg ikke hvordan f.eks Tesla prioriterer, men trolig er vektbesparselsen på elektromotorene liten i forhold til vekten på batteripakken. I tillegg ønsker de kanskje ikke å gjøre seg avhengig av et metall de ikke har kontroll på. Og som sagt er Neodym temmelig dyrt.

 

Når det er sagt, så er den firepolte induksjonsmaskinen det beste alternativet. Den har et effektiv turtallsområde og varer for alltid. Dvs, den kan selvsagt bli angrepet av rust om den ikke er kapset skikkelig inn men elektromotorer har den fordelen at de kan isoleres fullstendig (f.eks i EX-soner).

 

Turtallsreguleringen skjer vha frekvensomforming som korrekt er tatt frem. At man allerede har en DC som er klar sparer oss for en front-end (likeretteren), men det er trolig en kondensator eller to på plass for å holde DC-linken glatt og fin. Deretter brukes (tror jeg) IGBT-transistorer for selve pulsbreddemodulasjonen av spenningen til motoren.

 

Ettersom man har fire hjul så tar jeg det for gitt at de også har fire frekvensomformere slik at de kan regulere farten på hvert hjul individuelt (for traction control og svinger etc), men trolig går alle på samme DC-link slik at bremseeffekt/retureffekt fra ett hjul kan samtidig brukes som ut-effekt til et annet hjul.

 

Et annet aspekt siden DC-motorer er nevnt er at man regulerer trefase-motorer som en DC-motor. Dette klarer man når man har transformert de målte strømmene fra et treakset vektorsystem til et toakset system hvor man ender opp med en D-akse (direct) og en Q-akse (quadrature). D-aksen ligger alltid 90 grader foran (eller bak om man bremser) q-aksen og man styrer magnetiseringen på ved hjelp av magnitude-regulering av denne vektoren. Q-aksen er den "aktive" strømmen som gir moment i motoren, så vektoren langs denne aksen brukes for å "gi gass".

I en trefaset induksjonsmaskin så ønsker man å holde en konstant magnetisering i jernet (merkefluks) ettersom dette gir mest "guffe" per ampere uten at man sender jernet inn i metningsområdet.

 

Det jeg er nysgjerrig på er hvilken nominell spenning AC-motorene har, og hvilken spenning de har på DC-linken.

Hvis det er tilstrekkelig headroom i DC-spenning i forhold til AC-spenning (la oss si at DC-spenningen er 10% * sqrt(2) høyere enn nominell motorklemmespenning) så slipper frekvensomformeren å overmodulere eller feltsvekke for å kunne gi høy last ved høyt turtall. Jeg lurer også på om hjulene er koblet direkte til rotoren eller om det er et utvekslingsgir der for å slippe å øke antall poler for å få et fornuftig nominelt turtall på hjulene (kanskje rundt 120-150 km/t). Ettersom man regulerer spenning og frekvens lineært for å holde fluksen i jernet konstant så betyr det at på lavere turtall kjører motorene på lavere spenning og dertil høyere strøm. Derfor er det ofte ønskelig å få opp turtallet, (og ergo opp spenningen og ned strømmen) for å ikke slite ut isolasjonen i viklingene og holde motoren mer kjøling.

 

Hvis noen har litt mer tekniske data om anlegget i Tesla så kom gjerne med det

[toreae]

Snip

Når det er sagt, så er den firepolte induksjonsmaskinen det beste alternativet. Den har et effektiv turtallsområde og varer for alltid. Dvs, den kan selvsagt bli angrepet av rust om den ikke er kapset skikkelig inn men elektromotorer har den fordelen at de kan isoleres fullstendig (f.eks i EX-soner).

Snip

 

Kunne du utdypt firepolt fordeler vs andre?

Har hørt at SEW frekvensomformere enkelt kan bygges om til 230VAC eller enda lavere, har du, eller andre peiling på hvordan?

 

Unskyld for å stjele tråden?

[Twinflower]

 

Kunne du utdypt firepolt fordeler vs andre?

Har hørt at SEW frekvensomformere enkelt kan bygges om til 230VAC eller enda lavere, har du, eller andre peiling på hvordan?

 

Unskyld for å stjele tråden?

 

Vanligvis fordi topolt gir for høyt turtall i forhold til hva man i de fleste situasjoner ønsker, da må man kjøre med halv spenning, halv frekvens og dobbel strøm for å ha samme turtall som en firepolt en.

 

Jeg aner ikke hva SEW-omformere er (vi utvikler våre egne), eller hva du mener med å bygge om til 230 V.

Det du har på DC-linken gir bare en maksimalverdi av hva du kan ha på utgangen, ingen minimumsverdi. Vanligvis kan man sikkert gå opp til 118% av utgangsspenningen vha overmodulering, og kanskje litt til før man ender opp i full sixstep, men vanligvis vil man heller feltsvekke med mindre man er avhengig av fullt moment på høye turtall..

[Nedward]

 

Ettersom man har fire hjul så tar jeg det for gitt at de også har fire frekvensomformere slik at de kan regulere farten på hvert hjul individuelt (for traction control og svinger etc), men trolig går alle på samme DC-link slik at bremseeffekt/retureffekt fra ett hjul kan samtidig brukes som ut-effekt til et annet hjul.

 

Et annet aspekt siden DC-motorer er nevnt er at man regulerer trefase-motorer som en DC-motor. Dette klarer man når man har transformert de målte strømmene fra et treakset vektorsystem til et toakset system hvor man ender opp med en D-akse (direct) og en Q-akse (quadrature). D-aksen ligger alltid 90 grader foran (eller bak om man bremser) q-aksen og man styrer magnetiseringen på ved hjelp av magnitude-regulering av denne vektoren. Q-aksen er den "aktive" strømmen som gir moment i motoren, så vektoren langs denne aksen brukes for å "gi gass".

I en trefaset induksjonsmaskin så ønsker man å holde en konstant magnetisering i jernet (merkefluks) ettersom dette gir mest "guffe" per ampere uten at man sender jernet inn i metningsområdet.

 

Det jeg er nysgjerrig på er hvilken nominell spenning AC-motorene har, og hvilken spenning de har på DC-linken.

Hvis det er tilstrekkelig headroom i DC-spenning i forhold til AC-spenning (la oss si at DC-spenningen er 10% * sqrt(2) høyere enn nominell motorklemmespenning) så slipper frekvensomformeren å overmodulere eller feltsvekke for å kunne gi høy last ved høyt turtall. Jeg lurer også på om hjulene er koblet direkte til rotoren eller om det er et utvekslingsgir der for å slippe å øke antall poler for å få et fornuftig nominelt turtall på hjulene (kanskje rundt 120-150 km/t). Ettersom man regulerer spenning og frekvens lineært for å holde fluksen i jernet konstant så betyr det at på lavere turtall kjører motorene på lavere spenning og dertil høyere strøm. Derfor er det ofte ønskelig å få opp turtallet, (og ergo opp spenningen og ned strømmen) for å ikke slite ut isolasjonen i viklingene og holde motoren mer kjøling.

 

Hvis noen har litt mer tekniske data om anlegget i Tesla så kom gjerne med det

 

Det er et gir med fast utveksling i Tesla-bilene og én elektromotor. Dvs. bilen har bakhjulstrekk, og drift på begge bakhjulene.

Jeg finner ikke noe håndfast om poltall på motoren, dog påstår kilder at det er en 4-polt motor. 14 000 rpm og fult moment opp til 5100 rpm. Ganske imponerende i grunn. Jeg lurer på hvor ofte man må bytte lager til rotoren.

http://www.teslamotors.com/roadster/technology/motor Det vil i så fal si at de kjører frekvensen mellom 0 og 466 Hz.

Det er forresten IGBT som brukes, de svitsjer på 32 kHz.

http://www.teslamotors.com/no_NO/roadster/technology/power-electronics-module

Nominell spenning på batteripakken ser ut til å være 356-366V.

http://www.teslamotors.com/roadster/technology/battery

 

 

 

Har hørt at SEW frekvensomformere enkelt kan bygges om til 230VAC eller enda lavere, har du, eller andre peiling på hvordan?

Det er bare tull at de "enkelt" kan bygges om. Har brukt dem en del på jobb. Men det er ikke mulig å bygge om. Jeg vil anta det menes at du kan bruke dem på lavere forsyningspenning. Det er med noen omformere mulig å bruke en 400V omformer på 230V, men man må ta hensyn til strømmen. Den ene gangen jeg har sett det blitt brukt en 400V omformer på 230V var det en feilmontasje. Motoren gikk, men omformeren klagde på høyt strømtrekk (men ikke lav nettspenning).

Endret 12. oktober 2013 av Nedward

[Twinflower]

Ja, dette fant jeg faktisk med en tilfeldighet i går.

Det er fire poler, én motor og 9.7 i reduksjonsgirutveklsling.

Tenkte å skrive et lengre innlegg om dette når jeg kom hjem fra hytta

 

PS: den feltsvekker fra ca 5800 rpm og kan kjøres til ca 13k rpm. Akkurat dette krever spesielle designhensyn som er veldig annerledes industrimotorer med 4 poler (og nominelt turtall 1500 rpm)

 

Tar forbehold om autocorrectfeil siden dette er skrevet på iphone med skjelvende fingre

[toreae]

 

Det er bare tull at de "enkelt" kan bygges om. Har brukt dem en del på jobb. Men det er ikke mulig å bygge om. Jeg vil anta det menes at du kan bruke dem på lavere forsyningspenning. Det er med noen omformere mulig å bruke en 400V omformer på 230V, men man må ta hensyn til strømmen. Den ene gangen jeg har sett det blitt brukt en 400V omformer på 230V var det en feilmontasje. Motoren gikk, men omformeren klagde på høyt strømtrekk (men ikke lav nettspenning).

 

Glemte å spesifisere at det gjalt fra 400 til 230 VAC. Kan koble til, kan sette forsynspenning til 230, men SEW-en vil ikke kjøre. Har nødvendig 24VDC for styring. Og med ombygging mente jeg enten en kode, en dipswitsh eller noe tilsvarende enkelt.

Selvfølgelig må man redusere effekten f.eks. fra 4 til 2,3 kW. Har hørt at man har brukt frekvensomformer for 230VAC, helt ned til 48VDC, men selvfølgelig med begrensninger på turtall og effekt.

[sirius]

Hei og takk til de som skriver. Dette er interessant lesning.

Er det et vanlig 12v anlegg i bilen også. Til lys osv..

Hvordan lades det i såfall ?

[Twinflower]

 

Det er et gir med fast utveksling i Tesla-bilene og én elektromotor. Dvs. bilen har bakhjulstrekk, og drift på begge bakhjulene.

Jeg finner ikke noe håndfast om poltall på motoren, dog påstår kilder at det er en 4-polt motor. 14 000 rpm og fult moment opp til 5100 rpm. Ganske imponerende i grunn. Jeg lurer på hvor ofte man må bytte lager til rotoren.

http://www.teslamotors.com/roadster/technology/motor Det vil i så fal si at de kjører frekvensen mellom 0 og 466 Hz.

Det er forresten IGBT som brukes, de svitsjer på 32 kHz.

http://www.teslamotors.com/no_NO/roadster/technology/power-electronics-module

Nominell spenning på batteripakken ser ut til å være 356-366V.

http://www.teslamotors.com/roadster/technology/battery

 

Ok, la oss prøve å gjøre en analyse av denne motordriften.

 

Sett at den er firepolt og vi antar at den har et nominelt turtall på 5800 rpm og at kurven derfra til 14000 rpm er i feltsvekkingsområdet*.

Da betyr det at nominell frekvens kan finnes ut vha antall polpar (2), antall sekunder i et minutt (60) og rotasjonshastigheten omdreininger pr minutt (5800).

Regnestykket blir noe slikt som: Nominell frekvens = (polpar * rpm)/60s

Jeg får at nominell frekvens da blir 193 Hz ved 5800 rpm.

 

En slik høy nominell frekvens stiller krav til induktansen i maskinen. Induktansens reaktans er lineær med frekvensen, ergo øker reaktansen med frekvensen. Høy frekvens = høyt spenningsfall og mer strøm i jernet/tap.

Et annet aspekt som er interessant er at man (som jeg nevnte tidligere i tråden) må regulere frekvens og spenning likt når man øker/minker frekvensen. I praksis betyr dette at man på halvt turtall benytter man også halv spenning.

 

Så til neste spørsmål. Hva er nominell spenning på motoren?

Jeg har lest at DC-spenningen er 400 volt, altså kan man modulere en sinuskurve på maksimalt 283 V før man må overmodulere. Overmodulering er egentlig ikke noe problem ettersom dette kan gjøres noen lunde lineært/jevnt opp til 115-118%.

Grunnen til at nominell spenning er interessant er fordi når man øker frekvensen (og spenningen) til man når nominelle verdier så klarer man ikke lenger å øke frekvens og spenning likt lenger. (si at dette inntreffer på 300V motorspenning og 193 hz). Videre frekvensøkning blir da gjort uten å øke spenningsnivået (man kan ikke lage høyere spenning lenger), og resultatet er at magnetfeltet i jernet svekkes. Det er derfor dette området kalles feltsvekkingsområdet.

Grunnen til at magnetfeltet svekkes er fordi det er avhengig av forholdet mellom frekvens og spenning. Dette er også årsaken til at man øker de likt. Straks man øker frekvens mer enn spenning reduseres magnetfeltet og momentet begynner å avta.

Dette er veldig tydelig på den røde kurven lenger oppe. Hvis man øker spenning mer enn man øker frekvens så øker man magnetfeltet, men siden det allerede er "konfigurert" til å ligge nært metningspunktet så vil ytterligere magnetisering føre til mye høyere strøm i motoren og ganske lite ekstra magnetisering. Derfor vil man helst holde seg til noninell magnetisering. Vil tippe dette er et sted mellom en og to Tesla.

 

Heldigvis trenger man neppe fullt moment i denne hastigheten, og man gjør et kompromiss ved at man gir mer fart men litt lavere moment.

 

La oss ta en titt på hvilken hastighet bilen har når man kommer til dette punktet.

Husk at vi har et reduksjonsgir som gir 9.7 ganger lavere fart på hjulet enn på rotoren, så ved 5800 rpm har hjulene en hastighet på 598 rpm.

Ved 19" felg + gummi, så antar jeg diameter å være 60 cm. Omkrets blir da 2piR = 190 cm = 1.9 meter.

598 RPM = ca 10 runder pr sekund, altså rett under 20 meter pr sekund.

Dette tilsvarer ca 70 km/t (67,62 om man ikke avrunder).

 

At momentet reduseres ved dette turtallet kommer neppe til å merkes. Man klarer ikke å bruke hele det nominelle momentet ved å kjøre rett frem likevel. Kanskje man kan måle seg til en forskjell i akselerasjon om man kjørte opp en bratt bakke med tilhenger.

 

Så har vi det med switchefrekvens. Jeg synes den var veldig høy, hele 32kHz. De frekvensomformerne firmaet mitt utvikler ligger på ca 300 for mellomspent (6.6kV) og 1500-3000 for lavspent (690v).

Økt switchefrekvens gir finere modulering, men økte switchetap. Om jeg skal synse/tro/gjette så har det kanskje noe med motorens oppbygning å gjøre som rettferdiggjør en slik høy switchefrekvens.

Jeg har liten/ingen erfaring med industri-omformere eller frekvensomformere for effekter under en megawatt, så om dette er en vanlig switchefrekvens på små effekter vet jeg ikke.

 

Jeg skal ta en prat med doktorgradsgutta på jobben i morgen og kanskje få kastet litt mer lys over dette

Endret 13. oktober 2013 av Twinflower

[Twinflower]

Hei og takk til de som skriver. Dette er interessant lesning.

Er det et vanlig 12v anlegg i bilen også. Til lys osv..

Hvordan lades det i såfall ?

 

Jeg vet ikke om det er et konvensjonelt 12V-anlegg. Hvis Tesla kan starte fra scratch og utvikle dette vil de sikkert velge en høyere spenning. Kanskje 48V ettersom dette gir lavere strøm og tynnere tverrsnitt på alt av kabler i bilen.

 

i vanlige biler så lades jo batteriet av en dynamo, mens under kjøring så "tapper" man 12V direkte fra dynamoen. Dette er neppe tilfelle i Tesla ettersom batteri er dens primære energikilde. Med 400V tilgjengelig er det f.eks ingen problem for en buck-converter å lage 48VDC, men det finnes kanskje bedre måter å gjøre det på. Uansett så er min halvkvalifiserte gjetning at bilens elektriske anlegg tapper energi fra de vanlige batteriene. Trolig ved en solid form for sikring i mellom for å hindre at kortslutning/feil i forbrukerutstyr forplantes til hele batteripakken.

[Twinflower]

Mer generelt motorsnakk:

 

Ved slike høye frekvenser som forekommer i Teslas motor så gir dette en fordel at man kan bruke mindre jern for å oppnå samme grad av magnetisering. Dette har jo den fordelen at motoren blir lettere.

Ulempen blir jo at motoren går langt fortere, og derfor er det lagt inn et reduksjonsgir for å gi et fornuftig turtall på hjulene. (ca 10 ganger lavere).

 

Tidligere valgte man å bruke 50 hz og liknende frekvenser + direktedrift på elektriske biler. Dette var en fiasko ettersom motorene ble flere hundre kilo tyngre i rent jern.

 

 

Så til hvorfor induksjonsmotor er "bedre" enn permanentmagnetmotor (som jeg motargumenterte i første posten min i denne tråden).

En PM-motor har jo den fordelen at man har et fast magnetfelt og at man slipper å bry oss om magnetiseringsstrøm. Magnetiseringsstrømmen er en vesentlig del av strømmen i en motor, og den vil alltid være nødvendig i motoren selv om man kjører på lav last. Det betyr at 30-50% av merkestrøm alltid vil gå i motoren ,selv om null turtall. Dette slipper man altså i en PM-motor.

MEN, ettersom man er avhengig av såpass høye turtall i Tesla at man må feltsvekke (Hæ? feltsvekke en motor med permanent felt? Joda - det går fint at ved at man setter opp et motfelt for å "trykke ned" det permanente feltet) så løper man på en stygg utfordring. Hvis man har feltsvekket 2 ganger merkefrekvens og 0.5 ganger magnetfelt. Hva skjer da om frekvensomformeren klikker og avbryter? Jo, da vil det svekkede magnetfeltet gjennoppstå med full styrke og man får dobbel spenning internt i motoren. Denne spenningen er farlig både for viklingsisolasjonen og for frekvensomformeren som må gjøre seg av med den et sted.

 

DERFOR er det skummelt å velge PM-motorer når man er avhengig av høy feltsvekking, og DERFOR kjører Tesla på en høyfrekvent induksjonsmotor i stedet for

 

(tror jeg)

[Twinflower]

Når jeg tenker meg om så blir jeg litt bekymret for dagens bilmekanikere.

Hva skal de gjøre når de får slike biler inn på verkstedet? De kan jo ikke filla om elektriske motorer og frekvensomforming. Som regel trengs det en bachelorgrad og 30 studiepoeng i matematikk før man kan i det hele tatt kan forstå hvordan den virker

 

Anyways, jeg er spent på om elektriske biler blir tatt inn i bilmekanikerutdanningen. Om ti års tid så trengs det mange bilmekanikere med forståelse for elektriske motordrifter!

[Nedward]

Man trenger ikke høyere utdanning for å lese en servicemanual. Så jeg tror det går helt fint for en mekaniker å feilsøke på en Tesla selv om han ikke vet hva feltsvekking er.

[Twinflower]

Man trenger ikke høyere utdanning for å lese en servicemanual. Så jeg tror det går helt fint for en mekaniker å feilsøke på en Tesla selv om han ikke vet hva feltsvekking er.

 

Jada, jeg vet

 

Uansett, feltsvekking burde de kunne. Det er ikke så avansert heller, og gir en god forklaring på hvorfor momentet reduseres etter et gitt turtall.

[toreae]

 

Snip

Så til neste spørsmål. Hva er nominell spenning på motoren?

Jeg har lest at DC-spenningen er 400 volt, altså kan man modulere en sinuskurve på maksimalt 283 V før man må overmodulere. Overmodulering er egentlig ikke noe problem ettersom dette kan gjøres noen lunde lineært/jevnt opp til 115-118%.

Grunnen til at nominell spenning er interessant er fordi når man øker frekvensen (og spenningen) til man når nominelle verdier så klarer man ikke lenger å øke frekvens og spenning likt lenger. (si at dette inntreffer på 300V motorspenning og 193 hz). Videre frekvensøkning blir da gjort uten å øke spenningsnivået (man kan ikke lage høyere spenning lenger), og resultatet er at magnetfeltet i jernet svekkes.

Snip

Antar du at moteren er ca 283V? Hvilke fordeler/bakdeler ville en motor på 140V være?