AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
A villamos gépek fogalma alatt az er sáramú villamosmérnöki gyakorlatban a transzformátort és a forgó villamos gépeket érjük (villamos motorok és generátorok). A villamos gépek m ködése két relatív nyugalomban lév mágneses vagy villamos tér kölcsönhatásán alapul. M ködésük reverzibilis, azaz az energiaátalakítás iránya megfordítható. Elvben hatásfokuk elérheti a 100 %-ot is, a h er gépekhez hasonló elvi hatásfok korlát nincs. A továbbiakban a forgó villamos gépek tárgyalására szorítkozunk. A két relatív nyugalomban lév mez állandósult nyomaték létrehozásához szükséges, ha a mez k egymáshoz képest mozognak, úgy állandósult nyomaték nem jöhet létre, csak lüktet , nulla középérték nyomatékot kapunk. A gyakorlatban a villamos gépek m ködése szinte kizárólag mágneses terek kölcsönhatásán alapul, aminek az oka az, hogy a mágneses térben az energia kb. 10,000-szer nagyobb s r séggel tárolható, mint villamos térben, így a mágneses téren alapuló gépek jóval kisebbek. A villamos téren alapuló konstrukcióknak mikro méretekben van gyakorlati jelent ségük. A két mez közül az egyiket a gép állórésze, a másikat a forgórész hozza létre. Matematikailag a két mez forgási sebességének egyez ségét a következ egyenlettel, az úgynevezett frekvencia-feltétellel írhatjuk le: ωS = ω R + ωM , ahol ω S az állórész mez szögsebessége az állórészhez képest, ωR a forgórész mez szögsebessége a forgórészhez képest, illetve ωM a forgórész mechanikai szögsebessége (azaz a forgórész szögsebessége az állórészhez képest). Az állórész mez szögsebessé tehát megegyezik a forgórész szögsebességével. A különféle forgógép típusok a frekvencia-feltételt más és más módon elégítik ki. Egyenáramú gépek esetén az állórész egyenfeszültséggel tápláljuk, így az állórész mez térben és id ben állandó lesz, azaz ekkor ωS = 0 . A frekvencia-feltétel alapján tehát ωR = −ωM kell legyen, azaz a forgórészen váltakozó áramoknak kell folynia úgy, hogy a forgórész mez is álló helyzetben maradjon, azaz a forgórészhez képest a forgórész mez ellentétesen, de azonos sebességgel forog. (Az egyenáramú gépek felépítését és m ködését a kés bbiekben részletesebben is tárgyaljuk.) Szinkron gépek esetén az állórészen többfázisú (általában 3) tekercselés helyezkedik el, a forgórészt pedig egyenárammal tápláljuk. Ez utóbbi következtében a forgórész mez a forgórészhez rögzített lesz, azaz ω R = 0 . A frekvencia-feltétel értelmében ekkor ωS = ωM , azaz a forgórésznek az állórész mez vel együtt kell forognia. Emiatt hívják ezt a gépet szinkron gépnek. Aszinkron gépek esetében az állórészen többfázisú tekercselés található. A forgórész lehet csúszógy r s kialakítású, ekkor 3 fázisú tekercselés található itt is, vagy kalickás. A gép m ködése a forgórészbe indukált feszültség és az általa keltett áramok mágneses mezejének, valamint az állórész mágneses mezejének kölcsönhatásán alapul, így kézenfekv , hogy a gép csak akkor m ködhet, ha ωS ≠ 0 illetve ω R ≠ 0 . Az állórész mez és a forgórész szögsebességének eltérése miatt nevezzük ezt a gépet aszinkron gépnek. (Az állórész mez és a forgórész mez ebben az esetben is együtt forog!!)
–1–
V2.0 2009 BME VIK
AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
Felépítés A járm vekben - els sorban az akkumulátor miatt - egyenfeszültség áll rendelkezésre, így kézenfekv , hogy a villamos hajtási feladatokat egyenáramú géppel oldják meg. Az indítómotor és üzemanyag szivattyú motor a mai napig -kevés kivétellel egyenáramú motor. (Kivételek ott keletkeznek, ahol a megnövekedett teljesítmény igény miatt az egyenáramú gépek alkalmazása már több hátránnyal jár, mint egy inverter (DC/AC) átalakító beépítése, pl. integrált indítómotor-generátor, lásd kés bb.) Egy hagyományos, csúszófogaskerekes, állandómágneses, bels áttétellel ellátott egyenáramú indítómotor hosszmetszetét mutatja a 2-1. ábra, illetve egy felnyitott csúszófogaskerekes indító fényképét mutatja a 2-2. ábra.
2-1. ábra Csúszófogaskerekes, állandómágneses, bels áttétellel ellátott egyenáramú indítómotor hosszmetszete
2-2. ábra Csúszófogaskerekes, állandómágneses, bels áttétellel ellátott egyenáramú indítómotor hosszmetszete
Az egyenáramú gépek állórészén találhatók a f - és segédpólusok (utóbbiak csak nagy gépek esetén). A f pólus körül elhelyezett többmenetes gerjeszt tekercs feladata a gépen belül egy térben id ben mágneses tér létrehozása. A gerjeszt tekercselést, és a vasból készült pólustörzset és pólussarut helyettesíthetjük állandómágnesekkel is, ebben az esetben a gép kompaktabb kivitel vé válik, és javul a hatásfoka is, ugyanakkor a mágneses tér szabályozhatósága elvész ebben az esetben. Egy gerjeszt tekercses konstrukció keresztmetszetét (ma már nem használatos, úgynevezett 3 kefés dinamó) mutatja a 2-4. ábra. (Az ábrán a kefék szimbolikusan vannak jelölve, mintha közvetlenül a forgórész fogaihoz kapcsolódnának, a valóságban természetesen a kommutátorhoz csatlakoznak.) Állandómágneses, egyenáramú üzemanyag szivattyú keresztmetszete látható a 2-5. ábran. Az alkalmazott mágnesek legtöbbször héjmágnesek (gy r szegmensek lekerekített sarkokkal). A forgórészen hornyok és fogak találhatók, valamint az általában antimágneses tengelyt ferromágneses koszorú veszi körül a mágneses fluxus zárása érdekében. A hornyokban úgynevezett egyenáramú tekercselés van elhelyezve, amely több párhuzamos ágat tartalmazó, rövidrezárt tekercselés. Az indukált feszültség (váltakozó feszültség) a párhuzamos ágak egyes vezet iben összeadódik, és mechanikus egyenirányítón, a kommutátoron és az ehhez csatlakozó keféken keresztül jut ki a –2–
V2.0 2009 BME VIK
AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
gépb l. A kefék úgy vannak beállítva, hogy a lehet legnagyobb indukált feszültséget vezessék ki. Egy lehetséges 4 pólusú tekercselést mutat be a 2-3. ábra.
2-3. ábra Egyenáramú gép tekercselése (4 pólusú, hurkos tekercselés) Az egyes hornyokban váltakozó áram folyik a fordulatszám és a pólusszám által meghatározott frekvenciával. (Lásd frekvencia feltétel.) Adott geometriai helyen lév horonyban az áramirány mindig azonos, hiszen a forgórész mágneses tere a forgás ellenére áll, csak kis mértékben forog ide-oda néhány fokot a kommutátor szeletszámától, a horonyszámtól és a pólusszámtól függ en.
2-4. ábra Gerjeszt tekercses egyenáramú gép keresztmetszete
2-5. ábra Állandómágneses egyenáramú gép (üzemanyag szivattyú)állórésze
Egyenáramú gép forgórészét síkkommutátorral illetve hengeres kommutátorral (ez utóbbi er sen kopott az ábrán) mutatja a 2-6. ábra és a 2-7. ábra. A forgórészt a súrlódási veszteségek csökkentése miatt (ahol ez fontos) m anyaggal öntik ki (üzemanyag szivattyúknál mindig). Az ábrákon jól láthatóak a kiegyensúlyozáskor a forgórész palástjába mart vájatok, amelyek rontják a gép villamos tulajdonságait.
–3–
V2.0 2009 BME VIK
AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
2-6. ábra Egyenáramú gép forgórésze síkkommutátorral (üzemanyag szivattyú)
2-7. ábra Egyenáramú gép forgórésze hengeres kommutátorral (üzemanyag szivattyú)
M ködés Az egyenáramú gépek m ködése során két feszültség igyekszik egyensúlyt tartani egymással és a terheléssel. Az állandó mágneses tér és a forgás következtében a forgórész vezet kben váltakozó feszültség indukálódik, amelyet a kommutátor és a kefék segítségével egyenirányítunk. Ez a kapcsokon üresjárásban megjelen generátoros feszültség az úgynevezett bels feszültség. A gép kapcsain mérhet (a bels feszültséggel csak üresjárásban, azaz árammentes feszültség) a kapocsfeszültség. A kett között pedig állapotban megegyez ellenállásként jelenik meg a gép forgórész tekercselésének az ellenállása. Egyenáramú gép esetében a feszültség a forgórészben indukálódik, így ezt a részt nevezzük armatúrának. Ennek megfelel en a forgórész ellenállása az armatúra ellenállás, a kapcsokon (a keféken) keresztülfolyó áram az armatúra áram. Az el bbiek alapján a gép villamos helyettesít képe a 2-8. ábran látható.
2-8. ábra Az egyenáramú gép villamos helyettesít képe Írjuk le most matematikailag a gép m ködését! Egyetlen forgórész vezet t tekintve, és feltételezve, hogy a légrésindukció a pólusok alatt állandó, abban a következ nagyságú feszültség indukálódik: D U vez = B δ la vker = B δ la ωM , 2 ahol B δ a légrésindukció (átlagos) értéke, la a vezet k aktív hossza (kb. a vastest hossza), vker a kerületi sebessé, D a furatátmér , ω M a mechanikai szögsebesség.
–4–
V2.0 2009 BME VIK
AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
Látható, hogy a hornyokban elhelyezett vezet ket úgy kezeljük, mintha a légrésben lennének, ez a fogak miatt jó közelítéssel megtehet , amennyiben azok nincsenek betelítve. Ha z vezet t helyeztünk el az állórész furat kerülete mentén a forgórészben, és 2a z párhuzamos águnk van, akkor a sorbakötött vezet k száma: , így az ered bels 2a feszültség: z D Ub = B δ la ω M 2a 2 A feszültséget az úgynevezett pólusfluxussal ( φ p ) szokás kifejezni, ami egyetlen mágneses pólus összes hasznos fluxusát jelenti. Ennek kifejezése a gép geometriai adataival: Dπ φ p = Bδ la . 2p Ennek felhasználásával az indukált feszültségre a következ adódik: zp Ub = φ pωM = kφ pωM , 2πa ahol k a gépállandó. Állandómágneses gépek esetén φ p is állandó. Hasonló megfontolásokkal a nyomaték kifejezését is levezethetjük, itt kiindulásul az egy vezet által kifejtett nyomaték szolgál, amely a következ képpen írható le: D M vez = B δ la I vez , 2 ahol I vez a vezet ben folyó áram átlaga egy fél periódusra. A kapcsokon befolyó áram ennek 2a -szorosa, hiszen ennyi párhuzamos ágon oszlik szét az áram. Ezzel z vezet esetén a nyomaték: z D M = B δ la I a 2a 2 Ismét felhasználva a pólusfluxus fenti kifejezését: zp M = φ p I a = kφ p I a 2πa A helyettesít kép alapján felírható hurokegyenlet: U k = Ra I a + U b Ez az egyenáramú gép harmadik alapegyenlete. A gép üzemállapotai tehát a bels feszültségre, a nyomatékra és a helyettesít képre vonatkozó egyenletek segítségével teljesen leírhatóak. Említést kell tenni a különféle gerjesztési módokról. Állandómágneses gépek esetén a pólusfluxus jó közelítéssel állandó. Gerjeszt tekercses gépek esetén a gerjeszt kör köthet a forgórésszel sorosan (soros gerjesztés gép; ekkor I a = I g illetve párhuzamosan (párhuzamos gerjesztés gép); ekkor U k = U g . A gerjeszt tekercselés tartalmazhat soros és párhuzamos tekercseket is, ekkor vegyes gerjesztésr l beszélünk, valamint lehet független a gerjeszt kör az armatúrakört l, ekkor küls gerjesztés gépr l beszélünk. Ez
–5–
V2.0 2009 BME VIK
AUTÓVILLAMOSSÁG
9. VILLAMOS GÉPEK
utóbbi megoldás kerülend , ha a gép üresjárásban is m ködhet, hiszen ekkor a gerjeszt feszültség kimaradása életveszélyesen nagy fordulatszámokat eredményezhet. A különböz gerjesztési módok más-más fordulatszám-nyomaték karakterisztikát (mechanikai jelleggörbe) eredményeznek, amelyek a fenti három alapegyenlet alapján levezethet ek. A 2-9. ábra soros illetve párhuzamos gerjesztés gép mechanikai jelleggörbéit mutatja. Látható, hogy soros gép esetén az indítónyomaték jóval nagyobb érték , de a fordulatszámmal meredeken esik, ugyanakkor a nulla értéket csak végtelen magas fordulatszámnál éri el. Emiatt ügyelni kell arra is, hogy csak soros gerjesztéssel rendelkez gép ne járhasson terhelés nélkül, mert a nagy fordulatszám a forgórész szétrobbanásához vezet.
2-9. ábra Soros és párhuzamos gerjesztés gép mechanikai jelleggörbéi
Az autóvillamosság területén a soros és vegyes gerjesztés megoldásokat alkalmazzák hagyományos indítómotorokban, párhuzamos gerjesztés pedig az egyenáramú dinamókban fordult el , ez utóbbiakat azonban manapság már számos hátrányos tulajdonságuk miatt nem alkalmazzák.
–6–
V2.0 2009 BME VIK
