rendement / warmteontwikkeling motor

[michiel b]

Ik vroeg me eigenlijk af waar precies de warmteontwikkeling in een elektro motor ontstaat?
Ik begrijp dat er warmte ontwikkeling is in de koperwikkeling. Die is afhankelijk van de stroom.
Maar is er verder nog warmte ontwikkeling?
Want als dat niet zo zou zijn, dan kan je toch bepalen wat het rendement is. Als je de stroom en de weerstand zou weten?
Of is het niet zo simpel?
Want dat zou ook betekenen dat het rendement alleen stroom bepalend zou zijn.

En zou je theoretisch bijna oneindig veel vermogen uit een motor kunnen halen, door de spanning omhoog te gooien, en de stroom laag te houden.
Helaas zit je wel aan de grens van de isolatie van de koperwikkelingen, en de mechanische maximale toerental van een motor. (denk aan rondvliegende magneten oid.)
Maar dan kan je met een vertraging dus veel meer vermogen uit zo'n setup halen, ookal snoept de vertraging nog ietswat vermogen eraf.

Kan iemand bovenstaande verduidelijken?

Alvast bedankt.

[Alexander]

er ontstaat ook warmte door magneetveldverliezen en stroom die opgewekt word in massief metalen delen door de velden van de spoelen.

(eddy current losses, ff googelen)

nee, je zult neit heel veel meer vermogen kunnen krijgen, omdat koper altidj weerstand heeft, en I*U=W dus je verbruikt minder ampere, maar de warmteafgifte blijft gelijk. ook zal de vrijdraai stroom omhooggaan, tenzei je de wikkelingen aanpast om om te gaan met hoge spanningen, en dan word de weerstand nog hoger, en je voordel nog kleiner.

het enige dat je er mee kunt winnen is dat je een meercellen minder ampere batterij kunt meevliegen, en een lichtere regelaar (en dit word overigens ook heel vaak gedaan bij grote kisten )

[ron van sommeren]

Naast de reeds geschetste koperverliezen zijn er ook mechanische verliezen (luchtweerstand, kogellagers) en ijzerverliezen. De ijzerverliezen zijn opgebouwd uit twee verliescomponenten: verliezen ten gevolge van wervelstromen in de stator (eddy currents, Foucault currents) en hysterese verliezen in de stator.

Wervelstromen ontstaan doordat een geleider zich beweegt in een magneetveld. Deze kunnen verkleind worden door de stator op te bouwen uit dunne metaalplaatjes (idem bij een transformator) en/of door gebruik te maken van statormateriaal met hoge elektrische weerstand (bv. ferriet). Hysterese verliezen ontstaan doordat de magnetische gebieden in het ijzer zich steeds richten naar het magnetische veld. Dat is een materiaaleigenschap, kan verbeterd worden door betere materiaalkeuze. Wervelstroomverliezen gaan kwadratisch met het toerental omhoog, hysterese verliezen gaan rechtevenredig met het toerental omhoog.

Onder verwaarlozing van de mechanische verliezen, is een motor optimaal als de ijzerverliezen gelijk zijn aan de koperverliezen.

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

...En zou je theoretisch bijna oneindig veel vermogen uit een motor kunnen halen, door de spanning omhoog te gooien, en de stroom laag te houden ...

Ja. Tot de motor uit elkaar spat t.g.v. een te hoog toerental of tot de isolatie het begeeft.

[michiel b]

sorry voor mijn late reactie.

Oorspronkelijk geplaatst door Ron van Sommeren

Tot de motor uit elkaar spat t.g.v. een te hoog toerental of tot de isolatie het begeeft.

Oke, dan heb ik dat iig goed begrepen. Die 2 factoren hebben te maken met te hoge spanning/toerental

Als ik zo jullie reactie's lees, is het dus duidelijk dat er meer verliezen zijn. Logisch is het uiteraart ook. Maar zijn de ijzerverliezen in verhouding kleiner dan de koperverliezen?
Want als ik zo bij de motorspec's kijk van verschillende fabrikanten. Dan zie je vaak alleen een maximale stroom. Natuurlijk hebben ze ook een maximale spanning/toerental. Dus kan je samen een maximaal vermogen bepalen. Maar ik kan me voorstellen dat je die niet vaak kan halen, omdat een kleine prop niet efficiënt is.

Zijn de ijzerverliezen trouwens constant of lineair/exponentieel aan ... ?

vast bedankt voor de info!

[Alexander]

errm, ze geven een maximaal ampere op dat ej daar zeker neit voorbij gaat, maar er blijft nog altijd gebonden aan een maximaal vermogen. (namelijk hoeveel de motor kan wegwerken, +/-3 watt electrisch invoer per gram met een redelijke efficiencie in gedachten.)

[ron van sommeren]

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

... Als ik zo jullie reactie's lees, is het dus duidelijk dat er meer verliezen zijn. Logisch is het uiteraart ook. Maar zijn de ijzerverliezen in verhouding kleiner dan de koperverliezen?

Als de ijzerverliezen groter zijn dan de koperverliezen, heeft het geen zin om dikkere draad te gebruiken, dat zal dan weinig zoden aan de dijk zetten, zorgt alleen maar voor extra gewicht. Je zult eerst de ijzerverliezen moeten aanpakken.

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

Zijn de ijzerverliezen trouwens constant of lineair/exponentieel aan ... ?

Is eerder beantwoord, kwadratish en lineair.

[michiel b]

Ik zie dat ik mijn vorige reactie te snel heb gegeven.

Oorspronkelijk geplaatst door ron van sommeren

Ja. Tot de motor uit elkaar spat t.g.v. een te hoog toerental of tot de isolatie het begeeft.

Als de ijzerverliezen in het ideale geval gelijk zouden zijn aan de koperverliezen, dan heeft het toch geen zin om de spanning omhoog te gooien, om zo het totale vermogen omhoog te gooien? Het rendement zakt immers, dus kan je uiteindelijk niet meer vermogen eruit halen.

Er ontstaat dus alleen ijzerverliezen in de stator? Dat zou dan betekenen dat er helemaal geen (ijzer)verlies in de rotor optreed? Dat lijkt me onlogisch.
In de rotor zijn er toch ook wervelstromen? Dan zou een efficiënte rotor dus ook lamellen hebben?

Oorspronkelijk geplaatst door Ron van Sommeren

....door gebruik te maken van statormateriaal met hoge elektrische weerstand.

Dat vind ik vreemd. Als je plastic zou gaan gebruiken als stator, dan zijn de verliezen kleiner, en dus het rendement hoger
Of bedoel je dat alleen de wervelstroom verliezen die omhoog gaan?
De Flux verliezen gaat toch ook weer omhoog als je een slechte "magnetische geleider" hebt. Ik dacht dat Ijzer daarin de beste(=minste weerstand) was.
Dus dan zou het een compromis moeten worden tussen beiden verliezen.
Of denk ik nu in de verkeerde richting?

[Alexander]

nee, het beste zou zijn als je een motor zou maken van een magnetisch geleidende en electrisch niet geleidende stof. die zijn er wel, maar die zijn duur, en ijzer werkt 1-na beste ook goed 100% zul je nooit halen.

[Ernst Grundmann]

Michiel,
In de motoren die wij in de modelbouw gebruiken zit vrijwel altijd een permanente magneet. dat kan de stator zijn, bij motoren met koolborstels. Het kan ook de rotor zijn, bij borstelloze motoren.
De ijzerverliezen treden op daar waar het magnetische veld steeds veranderd. Bij permanente magneten veranderd dat veld niet, dat is altijd aanwezig. Oké er treden kleine verliezen op maar dat merken we alleen doordat de magneten een ietsie pietsie zwakker zijn. Ik verzeker je dat je daar hele goede maatapparatuur voor zult moeten hebben om dat te kunnen meten. Die verliezen zijn natuurlijk wel heel erg groot als je de magneten niet in een ijzeren ring monteerd. Stel je gebruikt er plastic voor, de motor zal wel draaien maar omdat het magneetveld duidelijk zwakker is zal de motor minder sterk zijn en meer stroom gebruiken en dus ook warmer worden.
Bij een koolborstelmotor zal rotor steeds een ander magnetisch veld krijgen dus treden daar de ijzerverliezen op. Bij een borstelloze motor zal dat dus de stator zijn.

Alexander heeft een punt met wat hij schrijft over magnetisch wel geleiden en elektrisch niet. In principe klopt het wat hij schrijft en dit wordt ook toegepast.
"Vroeger" zat in zowat elk apparaat dat op 220V werkte een stevige transformator voor de voeding. Tegenwoordig zit er in zowat geen enkel apparaat meer zo'n trafo. Bijna allemaal zijn die vervangen door een schakelende voeding. Door de opkomst van steeds betere materialen voor het maken van kernen voor trafo's konden de schakelende voedingen steeds kleiner en compacter worden. Het grote probleem is namelijk dat er ijzeren plaatjes worden gebruikt voor de kernen van trafo's. Dat moeten zo dun mogelijke plaatjes zijn en ze moeten met een speciale lak van elkaar geisoleerd worden om de ijzerverliezen, en dan vooral de wervelstroom verliezen, zo klein mogelijk te houden. Dit maakt een dergelijke trafo allemaal vrij groot, zwaar en duur.
Om een trafo kleiner te kunnen maken moet de frequentie omhoog maar omdat het lichtnet hier 50Hz is zal dat niet zo makkelijk gaan. Daarvoor is men toen schakelende voedingen gaan maken. Eerst wordt het lichtnet gelijkgericht en daarna met een schakeltransistor heel snel door een trafo geschakeld. Door de hoge frequentie kan de kern van de trafo kleiner worden, lichter van gewicht en goedkoper te maken. Alleen kwam toen het probleem tevoorschijn dat door die hoge frequentie de ijzerverliezen, en dan vooral de hysteresisverliezen, sterk oplopen.
Pas met de uitvinding van de ferriet materialen door Philips (ja die gloeilampen fabriek uit Eindhoven) kon men hier iets aan gaan doen. Die ferriet kenrnen zijn goede magnetische, maar hele slechte elektrische geleiders (bijna isolators). Ook de andere magnetische eigenschappen zijn erg goed. Door de samenstelling van de materialen aan te passen kan je de eigenschappen die je nodig hebt optimaliseren. Daarom bestaan er vele soorten ferriet kernen met allemaal hun eigen toepassingen.
Nu zouden we dus ferriet kunnen gebruiken in onze motoren maar helaas is dat niet echt een optie. Ferriet is namelijk erg zwak. Mechanisch kan het niet veel hebben waardoor het feitelijk niet gebruikt kan worden. Als je maar één keer een beetje te hard landt kan de kern in je motor al gescheurd zijn.
Toch wordt er wel ferriet in motoren gebruikt. De permanente magneten in de goedkope motoren zijn vaak van één van de vele soorten ferriet gemaakt. Dat materiaal wordt dan met extra bindmiddel (lijm) gemaakt waardoor het als permanente magneet prima gebruikt kan worden maar als kern materiaal in een elektromagneet (rotor of stator) is het dan veel minder geschikt.

We zullen voorlopig dus nog vastzitten aan het gebruik van ijzeren plaatjes. Of altans metalen plaatjes waarvan het grootste deel uit ijzer bestaat. Door het gebruik van diverse metalen probeert men de meest ideale legeringen te maken voor de diverse toepassingen. We moeten er van uit gaan dat wat de motor fabrikanten als kernmateriaal gebruiken het meest ideale is voor die toepassing. Of dat zo is kunnen we natuurlijk alleen bepalen als we zelf grootschalige tests gaan doen. Helaas zie ik dat niet zo snel gebeuren want daar komt heel wat geld bij kijken.

[ron van sommeren]

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

... Als de ijzerverliezen in het ideale geval gelijk zouden zijn aan de koperverliezen, dan heeft het toch geen zin om de spanning omhoog te gooien, om zo het totale vermogen omhoog te gooien? Het rendement zakt immers, dus kan je uiteindelijk niet meer vermogen eruit halen. ...

Een motor wordt ontworpen voor een bepaalde toepassing waarmee spanning en stroom al min over meer vastgelegd zijn.

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

Er ontstaat dus alleen ijzerverliezen in de stator? Dat zou dan betekenen dat er helemaal geen (ijzer)verlies in de rotor optreed? Dat lijkt me onlogisch. In de rotor zijn er toch ook wervelstromen? Dan zou een efficiënte rotor dus ook lamellen hebben?

Inderdaad, in de rotor kunnen ook ijzerverliezen optreden, maar minder dan in de stator. Je zou de rotor kunnen lamineren of uit draad kunnen wikkelen. Lehner gebruikt gesegmenteerde schijfmagenten in zijn (binnenloper) rotor.

[michiel b]

bedankt allemaal!

het is nu in het geheel duidelijk.

1 klein vraagje over een ander onderwerp.

Oorspronkelijk geplaatst door Ernst Grundmann

Daarvoor is men toen schakelende voedingen gaan maken. Eerst wordt het lichtnet gelijkgericht en daarna met een schakeltransistor heel snel door een trafo geschakeld.

Ik dacht dat dit PWM geregeld zou worden. Ik snap daarom eigenlijk niet waarom er nog een trafo nodig.
Door het hele snelle schakelen heb je toch al een lagere effectieve spanning?

[Alexander]

nee, pwm werkt nog steeds nei tmet hoge input voltages, alleen de spoel word op zo'n hoge frequentie geschakeld dat je minder massa nodig hebt om meer energie om te zetten

[Ernst Grundmann]

Oorspronkelijk geplaatst door michiel b

bedankt allemaal!

het is nu in het geheel duidelijk.

1 klein vraagje over een ander onderwerp.

Ik dacht dat dit PWM geregeld zou worden. Ik snap daarom eigenlijk niet waarom er nog een trafo nodig.
Door het hele snelle schakelen heb je toch al een lagere effectieve spanning?

Er moet een volledige elektrische scheiding zijn tussen de laagspanningskant en de lichtnet kant. De enige manier om dat te doen is met een trafo.
Om het vermogen te regelen wordt er inderdaat gebruik gemaakt van een PWM regeling. Meestal dan, er zijn ook andere manieren maar die worden niet zo vaak gebruikt.
Om met een PWM regeling de spanning omlaag te brengen (of omhoog!) is een ook spoel nodig. Bij schakelende netvoedingen gebruikt men echter geen gewone spoel maar een trafo voor de broodnodige scheiding. Aangezien de PWM regeling ook prima via een transformator werkt is dat dus geen enkele belemmering.

[michiel b]

Als de trafo alleen voor galavanische scheiding zorgt, is de trafo dus in verhouding 1:1 ?

Waarom heb je een spoel nodig voor een PWM schakeling?

Ik heb met een N555 deze schakeling gemaakt:



geen enkele spoel. Maar misschien bedoel je de spoel in een filter die er meestal achter zit?

[Ernst Grundmann]

De trafo is niet alleen voor de galvanische scheiding hij wordt ook gebruikt om de spanning omlaag te transformeren. De overzet verhouding is dus niet 1:1. Wat hij wel is kan ik niet zeggen want dat hangt van de ontwerper van de schakeling af.

Dat is een heel leuk voorbeeld Michiel. Want weet je wat zo mooi is? Er zit hier wel degelijk een spoel in deze schakeling, hij is alleen een beetje verstopt. Wat dacht je namelijk van de rotor in de motor? Juist! De spoel die er wel is maar die je niet ziet.
Het gaat wel erg ver om precies uit te gaan leggen hoe nu een schakelende voeding werkt. Als er echt interesse voor is wil ik me er wel eens aan wagen maar we gaan dan wel heel erg.