Elektrik Motoru

HEA'larda veya EA'larda kullanılan elektrikli makineler, aracı itmek veya rejeneratif olarak frenlemek için elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Araç üstü tampon sistemini şarj ederken elektrik üretmek için de kullanılabilirler. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan elektrik motorlarından farklı olarak, bu motorlar genellikle sık çalıştırma ve durdurma gerektirir, yüksek hızlanma/ yavaşlama, yüksek tork gerektirir ve çok geniş bir hız aralığına ihtiyaç duyarlar.

Tüm elektrik motorları, üretildikleri malzemelere (bakır ve demir) bağlı olarak aynı sınırlamalara sahiptir. İlk olarak, bir motorun olası çıkış gücü, sarımların izin verilen sıcaklık artışına ve kullanılıyorsa olası kalıcı mıknatıslara bağlıdır. Daha yüksek yalıtım seviyesi ve daha iyi soğutma sistemi daha yüksek akımlara izin verir.

İkinci olarak, kabaca aynı hacme sahip motorların hemen hemen aynı torku üretmesi beklenebilmektedir. Üçüncü olarak, birim hacim başına çıkış gücü hız ile doğru orantılıdır. Bu nedenle, yüksek hızlı bir motor kullanmak ve daha sonra mekanik olarak hızı azaltmak genellikle daha iyidir. Dördüncüsü, daha büyük motorlar küçük motorlardan daha verimlidir. Örneğin; çok küçük bir motorun verimi yaklaşık % 1 kadar düşük olabilirken, daha büyük motorların verimi %95'in üzerinde olabilir. Beşinci olarak, motorun verimliliği hızla artar. Başlıca elektrik motor tipleri; DA motor, endüksiyon motor ve sabit mıknatıslı senkron motordur. Son iki motor, daha yüksek verimlilik, daha yüksek güç yoğunluğu, daha düşük işletme maliyeti, daha yüksek güvenilirlik ve bakım gerektirmeyen çalışma ile sonuçlanan komütatörsüz motorlardır. Bir elektrik motorunun verimliliği, motorun tork hızı düzleminde hangi noktada çalıştığına bağlı olarak değişmektedir (Şekil 4.15).

Şekil 4.15. Genel elektrik motorunun verimlilik özellikleri [128–130]. Elektrik motorlarının hepsinin rejeneratif çalışma olasılığı vardır. Daha sonra motorlar, aracın kinetik veya potansiyel enerjisini tampon sisteminde depolanabilen

ve yeniden kullanılabilen elektrik enerjisine dönüştürmek için jeneratör olarak çalışacak şekilde kontrol edilir. Genellikle elektrik motoru gerekli frenleme torkunu karşılayacak kadar tork üretemez, dolayısıyla mekanik sürtünmeli frenleme elektriksel olarak rejeneratif frenleme ile bir arada olmalıdır.

1980’lere kadar hız veya tork kontrolünün fırçalı DA motorlar ile sağlanırken, günümüzde inverter beslemeli endüksiyon makinelerine bir geçiş gerçekleşti. DA makineleri birkaç Watt'tan birkaç Megawatt çıkış gücüne kadar değişir. Şekil 4.15'de iki kutuplu bir alan sarılı DA makinesini göstermektedir.

Rotordaki eksenel akım taşıyan iletkenler, stator tarafından üretilen radyal manyetik akı ile etkileştiğinde tork oluşur. Bununla birlikte, manyetik akı mekanik çıkış gücüne katkıda bulunmaz, sadece enerji dönüşümünü mümkün kılar.

Nm cinsinden geliştirilen toplam tork,

= , (4.1) Burada, kt (Nm / A) motor tork sabiti ve I (A) armatür akımıdır.

Rotor döndüğünde, armatür sargısı radyal manyetik akıyı keserek iletkenlerde Elektro Manyetik Alan (EMA)’nın indüklenmesi neden olmaktadır. Fırçalarda geliştirilen V'de EMA;

=

,

kt ve ke esasen aynı sayıdır, aralarındaki fark sadece hangi birime kullanıldığınakarar

vermektir.

Stator, manyetik akıyı üretmek için sabit mıknatıslardan veya DA sargılarından oluşmaktadır (Şekil 4.16). Sabit mıknatıslı makineler genellikle birkaç watt ile birkaç kilowatt arasında değişen daha küçük motorlar için kullanılabilirken, alan sargılarına sahip makineler yaklaşık 100 W ila megawatt çıkış seviyelerine kadar değişebilmektedir.

Şekil 4.16. Fırçalı DA motor.

Rotor döndüğünde, armatür sargısı radyal manyetik akıyı keserek iletkenlerde Elektro Manyetik Alanın (EMA) indüklenmesi neden olmaktadır. Fırçalarda geliştirilen V'de oluşan EMF;

=

,

kt ve ke esasen aynı sayıdır, aralarındaki fark sadece hangi birime kullanıldığına karar

vermektir.

Stator, manyetik akıyı üretmek için sabit mıknatıslardan veya DA sargılarından oluşmaktadır (4.17). Sabit mıknatıslı makineler genellikle birkaç Watt ile birkaç kilowatt arasında değişen daha küçük motorlar için kullanılabilirken, alan sargılarına sahip makineler yaklaşık 100 W ila megawatt çıkış seviyelerine kadar değişebilmektedir.

4.17. Kalıcı mıknatıs DA motor ve alan DA motor sarmalı [132].

DA motorun eşdeğer devresi Şekil 4.17'de görülebilir ve aşağıdaki denklemle açıklanabilmektedir.

= + + , (4.4) Denklemde, U (V) armatür voltajı, I (A) armatür sargısı boyunca akım, R (Ω) armatür direnci ve L (H) armatür indüktansını ifade etmektedir.

Şekil 4.18. DA motor için eşdeğer devre [133].

Şekil 4.18 bir DA motorun kararlı durum özelliklerini göstermektedir. Tam saha alanında motor, taban hızına kadar herhangi bir hızda tam nominal torkunu üretebilir.

Motoru taban hızının üzerinde bir hızda çalıştırmak için, alan zayıflaması adı verilen akı azaltılmalıdır. Şekil 4.18'de görülebileceği gibi, alan zayıflaması sadece yüksek

hızlarda tam tork istenmediğinde uygulanabilir. Alan zayıflama aralığı farklı motorlar arasında çok değişir, ancak maksimum hız nadiren taban hızın üç veya dört katını aşar.

Şekil 4.19. DA motorun kararlı durum özellikleri.

DA makinesi dört çeyrekte de çalışabilir, (Şekil 4.19). Bir numaralı ve üç numaralı çeyreklerde DA makinesi motor olarak çalışır, ancak ilk çeyrekte makine ileri yönde, üçüncü çeyrekte ise ters yönde çalışır. İkinci ve dördüncü çeyreklerde DA makinesi jeneratör olarak çalışmaktadır. HEA modelinde kullanılan elektrik motoru modeli Şekil 4.20’da verilmiştir.

Şekil 4.20. Elektrik motoru modeli.

Araç topolojisi için, Şekil 4.21'da verilen Sabit mıknatıslı ve fırçalı bir Maxon RE65, 250 W, bir DA motor, hem jeneratör hem de tahrik motoru kullanılmıştır. Ayrıca üreticinin veri sayfasında verilen bazı operasyonel parametreler Çizelge 4.2'te sunulmaktadır.

Çizelge 4.2. DA motor özellikleri [134]. Nominal Voltaj Değerleri

Nominal Voltaj 36.0 V Yüksüz Akım 0.407 A Nominal Hız 3550 d/d Nominal Tork 0.654 Nm Nominal Akım 7.74 A Maksimum Verim 87.3 % Karakteristikler İç Direnç 0.173 Ω İç Endüktans 0.848 mH

Tork Sabiti 89.1 mNm/A

Hız Sabiti 107 d/d/V

Rotor Ataleti 1380 gcm2

Isıl direnç-ortam 1.3 K/W Isıl direnç-sargılar 1.85 K/W Termal zaman sabiti, sargı. 127 s Termal zaman sabiti, motor. 991 s İzin verilen maksimum sargı sıcaklığı 125 o_C

İzin verilen maksimum hız 4000 d/d Motor ağırlığı 2.480 kg

Yüksüz akım, yüksüz durumdayken motorun nominal voltajda çektiği akımdır. Fırçalarda ve yataklarda sürtünmeye karşı çıkan ve hızla artan torku üretmek için gerekli akımı temsil eder. Sargı sıcaklığını kabul edilebilir sınırlar içinde tutmak için nominal tork ve akım da izin verilen maksimum sürekli değerlerdir. Maksimum verim değeri mutlaka motorun en iyi çalışma noktasını değil, sadece nominal gerilimdeki en yüksek verimliliğini temsil etmektedir.

Maksimum sargı sıcaklığı geçici olarak bile aşılmamalıdır. İzin verilen motor akımını ve dolayısıyla geçici motor aşırı yük miktarını sınırlayan sargı sıcaklığıdır. Termal ve mekanik hususlar için belirtilen maksimum hız verilmiştir. Daha yüksek hız mümkündür, ancak motorun kullanım ömrü üzerinde olumsuz bir etkisi olacaktır. Üretici tarafından, 5000 d/d'lık bir hızın aşılmaması önerilmektedir. Aşırı hız

fırçalara ve sargılara hasar verecektir. Son olarak daimi mıknatısın mukavemeti, %75 sıcaklığa ulaşıldığında % 1–10 arasında zarar görmektedir.

Çizelge 4.2'de verilen bilgilere dayanarak, motor kayıpları tahmin edilebilir ve bir verimlilik haritası oluşturulabilir, Şekil 4.20'te sabit motor voltajı için, kayıplar dikkate alındığında iç direnç kaynaklı güç kaybı veya bakır sargı kayıpları, PCu ve

yük kaybı yok ise, Pno aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır.

= = (4.5)

!ü #ü$ = !ü #ü$ = !ü #ü$ (4.6)

Burada, RCu iç direnci, I motor akımı, T üretilen tork, kT tork sabiti, w açısal motor

hızı, Tyüksüz yüksüz torku ve Iyüksüz yüksüz akımı vermektedir. Görülebileceği gibi,

verim nominal çalışma noktasında (3550 rpm, 0.654 Nm) en yüksek değer değildir, ancak motor hızı ile artmaktadır. Sürtünme kayıpları düşük torklarda nispeten büyüktür, bu nedenle verimlilik daha düşüktür. Dolayısıyla, optimal çalışma noktası 4000 d/d'nın üzerinde bir hız ve 0,6 Nm nominal torkun yaklaşık iki katı arasında bir tork değerinde oluşmaktadır. Modelde kurulan elektrik motorunun verim eğrisi Şekil 4.22’de verilmiştir.