El- resp. förbränningsmotorer, verkningsgrad kontra varvtal och belastning

[JohnA]

Satt som vanligt i bilen och funderade idag, än en gång om eco-relaterade tekniska samband.

En kolvmotor med inre förbränning, oavsett etanol, bensin, diesel eller annat bränsle ger rimligtvis sin högsta verkningsgrad i samma varvtalsområde som motorn ger sitt högsta vridmoment. Jag har någonstans läst ett påstående om att bästa verkningsgrad fås vid ett varvtal strax ÖVER maximalt vridmoment. Exakt hur det förhåller sig vet jag inte men det låter absolut rimligt att verkningsgrad och vridmoment hänger ihop. Men detta gäller ju vid full belastning! Verkningsgraden sjunker med minskad belastning men frågan är om den även då är högst vid ungefär samma varvtal?

Sedan har vi då elmotorerna som så klart har olika egenskaper beroende på konstruktionen. Det var länge sedan jag såg en vridmoment- och verkningsgradskurva för elmotorer. Vridmomentet borde vara en mer linjär funktion (än bilmotorns) med fallande karaktäristik och rimligen fås maximalt vridmoment vid varvtalet noll och då är förstås även verkningsgraden noll. Men när ger elmotorn högst verkningsgrad?

En för uppgiften underdimensionerad elmotor borde ge relativt sett högre förlustvärme eftersom den tvingas ner i ett varvtal där lindningarnas resistanser får större inverkan. En överdimensionerad elmotor borde även den ha högre förluster. Detta är lätt att förstå om man drar till med extremer och borde för övrigt gälla även för kolvmotorer (ICE). Men hur dimensionerar man egentligen en elmotor för fordonsdrift och bästa verkningsgrad? Någon som vet hur mycket verkningsgraden skiljer mellan motorer med elektromagneter, billigare permanentmagneter och riktigt exklusiva magneter i statorn?

[torbjorn]

När det gäller elmotorer så kan man få hur hög verkningsgrad man vill om man inte kräver att motorn samtidigt ska ha några andra bra egenskaper (t ex att den ska vara liten, lätt eller billig).

Vridmomentkurvan kan se ut på helt olika sätt beroende på motortyp (t ex olika slags asynkronmotorer för växelström, eller serie- , kompound- eller shuntmotorer för likström). För moderna motordrifter så måste man nästan betrakta motorn med tillhörande styrelektronik som en enhet.

Om man nu ser på förlusterna hos en elmotor så brukar man dela upp dem i tomgångsförluster och belastningsförluster.

Tomgångsförlusterna är t ex friktion i lager och kolborstar, luftmotstånd hos kylfläkt och virvelströmsförluster i järnkärnan. Där kan man också räkna in den energi som går åt för fältlindningen i en motor som har sådan. Så länge motorn går med ett bestämt varvtal så är tomgångsförlusterna ständigt ungefär lika.

Belastningsförluster orsakas framför allt av resistansen i arbetslindningen, och de blir ju proportionella mot kvadraten på strömmen. Spänningsfall i kolborstar, halvledare i motorstyrning osv som är ganska konstanta oavsett spänningen, blir istället direkt proportionella mot strömmen.

Beroende på vad elmotorn ska användas till och hur man väljer att optimera den så kan maximal verkningsgrad hamna vid mycket olika belastningsfall. Om man väljer att överdimensionera arbetslindningen så att den får låg resistans så håller man ner belastningsförlusterna, det kan vara lämpligt om motorn ständigt ska gå fullbelastad och den extra kostnaden för koppartråd inte spelar så stor roll. Har man varit snål med koppar så hamnar verkningsgradsmaximum vid en lägre belastning.
Samma sak med tomgångsförlusterna. Om det ställs stora krav på att motorn ska vara liten och lätt så minskar man mängden järn så långt det går, då blir det höga magnetiska fältstyrkor och därmed stora järnförluster. Ännu värre blir det om motorn dessutom ska vara billig, så att man använder plåt av sämre kvalitet eller onödigt få men tjocka plåtar, med stora virvelströmsförluster som följd.
En fördel med att ha en fältlindning och kunna styra magnetflödet är att man kan hålla ner järnförlusterna då motorn inte behöver kunna ge maximalt vridmoment.

[JohnA]

Belastningsförluster orsakas framför allt av resistansen i arbetslindningen, och de blir ju proportionella mot kvadraten på strömmen.

Hmm, just ja! Det talar väl i så fall för att en överdimensionerad motor kan vara fördelaktigt så länge den är väldesignad m.a.p. luftgap, järnkärnor m.m? Jag behöver kanske inte längre se ner på Segways som resursslöseri för att de måste ha en elektroniskt begränsad maxhastighet långt under motorernas faktiska kraftresurser. Jag skulle INTE vilja åka en Segway i dess tekniskt möjliga toppfart 

En fördel med att ha en fältlindning och kunna styra magnetflödet är att man kan hålla ner järnförlusterna då motorn inte behöver kunna ge maximalt vridmoment.

Åh, tänkte inte på det heller men det låter ju självklart. En överdimensionerad motor med fältlindning kanske inte behöver vara så usel trots allt och en permanentmagnetmotor med dyra neodym-järn-bohr-magneter måste kanske byggas med matchande dyra järnplåtar för att få ut vinsten av de starka magneterna? Supermagneter mot ett dåligt konstruerat plåtpaket borde lätt kunna få sämre verkningsgrad än en billig men väldesignad motor med elektromagneter i fältlindningarna. Klart intressant tanke!

Oavsett motortyp borde de vid relativt sett låga varvtal ha en större procent värmeförluster genom lindningarnas resistans medan de kommuterande lindningarnas induktans sänker strömmen vid högre varvtal. Men vart tar den i induktansen lagrade energin vägen när en lindning plötsligt kopplas ur till förmån för nästa som står på tur under rotationen?

I en klassisk motor med mekanisk kommutering brukar alla lindningar hänga ihop med varandra som i en ring och då borde energin bevaras inuti ringen. Men kommer strömpulserna från de nyss urkopplade lindningarna att hjälpa rotationen eller bromsa den? Och hur blir det i en borstlös motor? Här brukar väl behövas skyddande frihjulsdioder över krafttransistorerna och har jag inte helt fattat fel kortsluter de spänningsspikarna "tillbaka" genom de nyss urkopplade lindningarna och då borde det bara vara lindningsresistansen och järnförlusterna som kan dämpa strömspikarna. Eller tänker jag fel och att energin istället hjälper till?
(är medveten om att jag kanske inte uttrycker mig 100% lättbegripligt här...)

[torbjorn]

Det där med kommutering har det skrivits tjocka böcker om. Idealet är ju om man kan ge statorns magnetflöde en sådan form att den lindning som ska kopplas bort (eller kortslutas av kolborsten) är strömlös just i det ögonblicket. Man kan komma ganska nära det idealet på stora likströmsmaskiner med särskilda kommuteringspoler, kompensationslindningar och sånt. I mindre maskiner nöjer man sig med att få kommuteringen tillräckligt bra för att kollektorn inte ska förstöras i förtid av gnistbildning.

[JohnA]

Tänkte inte på det där om kortslutningen vid mekanisk kommutering. Där borde en borstlös motor vara överlägsen eftersom den inte har något överlapp mellan polerna. -Dess virtuella kolborstar är oändligt korta om man så vill.

[torbjorn]

Men man kan ändå komma rätt långt med en motor med mekanisk kommutering, t ex tack vare att ha många segment i kollektorn så att spänningen mellan intilliggande segment blir nästan försumbar, och för den delen använda smala kolborstar eller borstar som är gjorda så att de har hög resistans "på tvären".

Det är rätt intressant att jämföra dimensioneringen mellan en kollektormotor avsedd för 12 V och en ungefär lika stor motor för 230 V.  Den senare motorn brukar ha mycket fler segment i kollektorn och hårdare kol med större resistans. Kol med iblandat kopparpulver ser man aldrig på motorer för högre spänningar.

[JohnA]

Jag väcker tråden med en undran som inte är helt on-topic:

Permanentmagneter i en elmotor borde åtminstone teoretiskt kunna avmagnetiseras om den inmatade strömmen är väldigt hög. Så vitt jag vet är det ju så magneter skapas från början. Det vore förbannat tråkigt att experimentera med fina drivmotorer till ett elfordon och se hur mycket kraft man kan få ur dem utan att de överhettas och sedan upptäcka att man dödat deras magneter...

Jag besökte för närmare 20 år sedan Autokumpo i Finland när jag i jobbet behövde extremt starka magneter och vid den tiden var "neomagneter" något ganska nytt. Jag fick se den experimentella produktionen där magnetmaterialet sintrades och sedan magnetiserades. Minns jag inte helt fel använde man förhållandevis stora kopparspolar utan järnkärnor. Spolarna matades från en rejäl kondensatorbank. Så här långt efteråt och med mer teori i huvudet antar jag att en järnkärnas virvelströmsförluster skulle bromsa den explosiva strömrusningen och dessutom mättas. Därför ser jag en möjlighet att en elmotor med permanentmagneter kanske har ett slags avmagnetiseringsskydd inbyggt genom att det helt enkelt är omöjligt att nå så höga magnetflöden att permanentmagneterna avmagnetiseras?

Men även om en kortvarigare hög ström inte kan skada magneterna kanske de kan åldras snabbare genom många hårda accelerationer som tar lite i taget? Eller är en permanentmagnet garanterat "säker" så länge inte den utsätts för magnetflöden som håller sig innanför materialets hysteresslinga? Ja hur åldras permanentmagneter egentligen? Högtalare i t.ex. radioapparater från 1940-talet brukar ju trots rejäla dimensioner vara betydligt svagare än nya billigaste ferritmagneterna i samma storlek. Jag har dessutom för mig att hastighetsmätare i gamla bilar kan visa för lite till följd av att deras permanentmagneter tappat kraft med åren.

[torbjorn]

Jag har en känsla av att det framför allt var äldre sorters magnetstål som kunde avmagnetiseras med tiden, antingen "av sig självt" eller genom någon form av åverkan. På 50-talet hade ju nästan varenda bilelektrisk verkstad en utrustning för att magnetisera om tändmagneter och liknande.

Jag har fått för mig att moderna sintrade magnetmaterial värmebehandlas på något sätt i samband med eller omedelbart efter magnetiseringen, och att de sedan är i princip omöjliga att avmagnetisera vid rumstemperatur.