__MAIN_TEXT__
feature-image

Page 1

PRINCIPER

FORDON

El- och hybridfordon

FORDON


ISBN 978-91-47-08528-6 © 2013 Andreas Persson, Per-Henrik Persson och Liber AB Redaktör/Projektledare: Sture Sahlström Bildredaktör: Per-Henrik Persson Grafisk form och produktion: Ove Andersson med firma Kautschuk Bildleverantörer: BMW sid 19, 25, 27, 30, 45, 47, 52, 58, 70, 71, 81, 82, 101, 103, 148, 149, 152. ECTunes sid 77. Infocar sid 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 17, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 49, 50, 51, 53, 54, 56, 57, 59, 60, 63, 64, 65, 70, 72, 73, 74, 75, 76, 79, 81, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 92, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 137,138, 139, 140,141, 142, 143, 144, 146, 147, 148, 149, 149, 151.

Ian Maasing sid 15, 35, 44, 46, 47, 48, 65, 68, 69, 70, 78, 82, 86, 89, 91, 96, 101, 104, 105, 110, 142. Mercedes sid 33, 34, 66, 136. Michelin Nordic sid 13. Ohlsson & Co sid 55. Scania sid 41, 52. Tesla Motors sid 26, 65, 67, 68. Toyota sid 27, 32, 46, 50, 52, 61, 62, 80, 91. Volkswagen Group Sverige AB sid 15, 65, 68. Volvo Trucks sid 146.

Första upplagan: 1 Repro: Resultat Grafisk Form & Produktion AB Tryck: Kina 2013 Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering utöver lärarens rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordare, t ex kommuner/ universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/ rättsinnehavare. Liber AB, 113 98 Stockholm. Telefon: 08-690 92 00. www.liber.se Kundservice telefon: 08-690 93 30. Fax 08-690 93 01. E-post: kundservice.liber@liber.se


Innehållsförteckning Förord

6

Författarpresentation

7

Utmaningen för fordonsutvecklare

8

Revolution inom fordonsindustrin Termisk verkningsgrad

Eco-driving

9 9 10 11 12 13 14 14 14 15 16 16 16 17 18

Elmotorer

19

Magnetfält i en permanentmagnet Magnetfält runt en ledare Interaktionen mellan spole och permanentmagnet

20 21

Verkningsgrad i en förbränningsmotor Well-to-wheel (Källa till hjul) Miljöpåverkan

Bilens färdmotstånd Luftmotstånd Motståndskoefficient Frontarea Exempel Olika sätt att minska luftmotståndet

Rullmotstånd

Korrekt däckstryck viktigt Däck med lågt rullmotstånd

Verkningsgrad

21 22 22 23 25 26

Energilagring

27

Typer av elmotorer

Borstmotor, DC Borstlösa motorer Induktionsmotor

Batterier

28 Definitioner 28 Olika batterityper 29 Dåliga på att lagra energi 29 Blybatteri 30 För-/nackdelar 31 Nickel-metallhydrid (NiMH) 31 Populära i hybridbilar 31 Litium-jon 32 Material 33 Användning i fordon 33 Batteribränder 34 Övriga problem 34 Litium-polymer 35 Används i Volt och Leaf 35 Jämförelse mellan olika batterityper 36 Kondensatorer 36

Elektrostatisk kondensator Elektrolytisk kondensator Superkondensator Fördelar Nackdelar Andra användningsområden i fordon Kondensatorer i tunga fordon KERS

38 38 39 39 40 41 41 42 43

Hybridfordon

45

Hybridtyper

Start-stopp Regenerativ bromsning Power assist & motorförminskning Eldrift

46 46 47 48 49 49 50 50 51

Drivlinor i hybridfordon

52

Seriedrivlina

53 54 54

Svänghjul

Fullhybrid Mikro-/mildhybrid Laddhybrid (Plug-in)

Hybridteknik

Fördelar Nackdelar

Exempel seriedrivlina: Scania hybrid Parallelldrivlina Fördelar Nackdelar

Exempel parallelldrivlina: BMW ActiveHybrid 7 Kombinationsdrivlina Fördelar Nackdelar

Exempel kombinationsdrivlina: Toyota Prius

55 56 57 57 58 59 60 60

Förbränningsmotor Elmotorer Kraftfördelare Driftlägen

61 62 63 63 64

Batteri-elfordon

65

Tidigare elfordon Elfordon idag

66 67 68 70 70 71 72 72

Komponenter Batteripaket Växelriktare Drivlina

Fördelar Miljö


Prestanda Buller Bränslekostnader Produktionskostnader Möjliga miljöproblem Räckvidd Infrastruktur Svårigheter för synskadade

73 73 73 74 74 74 75 76 76

Övriga elfordon

78

Solenergi

Bränsleceller i fordon Fördelar Nackdelar Verkningsgrad

79 79 79 80 81 82 83 83 84

Service och säkerhet

86

Högspänningssystem

Batteribrand Explosionsrisk Batteriläckage Skador på elsystemen Losstagning av fastklämda personer

87 87 88 88 88 88 89 89 89 90 90 90 90 91 92

Avgasemissioner (avgasutsläpp)

93

94 94 95 95 96 96 96 97 98 98 98

Nackdelar

Soldrivna fordon Solceller på taket Solceller i lacken

Bränsleceller

Elchock

Service & underhåll

Skyddsutrustning Frånkoppling av högspänning Underhåll av elfordon Underhåll av hybridfordon Livslängd

Bogsering Olyckor

Kolmonoxid (CO)

Kväveoxider (NOx)

Uppkomst av NOx i motorer

Svaveloxider (SOx)

Uppkomst av CO i motorer

Uppkomst av SOx i motorer

Kolväten (HC) / Partiklar (PM)

Uppkomst av partiklar i motorer Partikelfilter

Koldioxid (CO2)

Uppkomst av CO2 i motorer

Utsläppsmål för CO2 99

Gränsvärden för utsläpp inom EU och USA

Bränslesparande teknik Optimering av bränsleförbrukning och effekt Bränsle-luftblandning Direktinsprutning Skiktladdning Högtrycksinsprutning (common rail)

Variabel ventilstyrning

Lyfthöjd Timing Metoder för styrning Miljöeffekt

Överladdning Vinst med överladdning Kompressor Turbo Variabel turbingeometri

Elektrifiering av hjälpsystem Innovativa motorkoncept

System med variabel kompression

Motorer med homogen laddning (HCCI)

100 101 102 103 104 105 106 106 107 107 109 109 110 111 112 112 113 113 114 114

Svår motorreglering Sänkt bränsleförbrukning Försöksmotorer

116 116 117 117

Alternativa bränslen

118

Biobränsle

119 119 120 120 121 121 121 122 122 123 124 125 126 126 126 127 128 128 129

Första generationen Andra generationen Tredje generationen

Bensin Tillsats av etanol Fördelar Nackdelar Framtidsutsikter

Etanol

Miljöpåverkan Bättre prestanda Mat eller bränsle? Problem vid kallstart Andra problem Framtidsutsikter

Andra alkoholer

Miljö och hälsa Metanol brinner osynligt


Räckvidd Framtidsutsikter

129 130 Gas 131 Produktion av naturgas 131 Produktion av LPG 132 Produktion av biogas 132 Miljöpåverkan 133 Bättre med skit i tanken än skit på marken 133 Förvaring och distribution av fordonsgas 134 Bi-fuel-fordon 135 Framtidsutsikter 136 Diesel 137 Problem med svavel 137 Miljöpåverkan 138 Kall diesel blir till vax 139 Framtidsutsikter 139 Biodiesel 140 Blandningar 140 Åkerarealer för olika grödor 140 Miljöpåverkan 141 Andra fördelar 141 Problem vid låga temperaturer 142 Framtidsutsikter 142 Syntetisk diesel 142 Miljöpåverkan 143 Essen i rockärmen 143 Framtidsutsikter 144 DME (Dimetyleter) 144 Miljö och räckvidd 145 Bra effektivitet gällande energi och åkerareal 145 Framtidsutsikter 146 Vätgasdrift 147 Miljöpåverkan 148 Lagring av vätgas 148 Infrastruktur för vätgas 150 Framtidsutsikter 151 BMW Hydrogen 7 152

Sökordsregister

153


Utmaningen för fordonsutvecklare För att begränsa ökningen av utsläpp från transportsektorn behöver kontinuerliga tekniska förbättringar ske i fordonsindustrin. Priset på bränsle förväntas stiga på grund av högre global efterfrågan, vilket leder till högre efterfrågan från allmänheten på bränslesnåla, miljövänliga bilar. Stränga regler från EU kräver att tillverkarna producerar bilar som släpper ut mindre växthusgaser. Det är idag en stor utmaning för ingenjörer att uppnå detta utan att öka kostnaderna.

8


Revolution inom fordonsindustrin

Verkningsgrad:

Beskriver hur stor del av den ursprungliga energimängden som finns kvar efter en omvandling.

Fordonsindustrin är mitt inne i en revolution där tillverkarna fokuserar mer och mer på att tackla miljöproblemen. Ny teknik gör det möjligt att bygga helt elektriska bilar som fungerar lika bra som de bensin- och dieselbilar vi är vana vid. Hybridteknik finns snart i varenda ny bilmodell på marknaden och det blir allt vanligare med bilar som kan drivas med flera olika miljövänliga bränslen. Denna utveckling leder till att bränsleförbrukningen från den samlade fordonsflottan minskar stadigt. En viktig del av arbetet att göra fordonen mer bränslesnåla och därmed mindre skadliga för miljön går ut på att tillgodogöra sig mer energi från varje droppe bränsle. Hur stor del av den totala energimängden i bränslet som blir till effektivt arbete för att driva fordonet framåt mäts med begreppet verkningsgrad.

Verkningsgrad Energi kan aldrig förstöras eller försvinna, utan bara omvandlas mellan olika former. Vid energiomvandlingar är det sällan all energi omvandlas utan det blir alltid några förluster. Energi som förs in i ett system kan bara delvis omvandlas till arbete, medan resten av energin försvinner som förlustvärme. Verkningsgraden beskriver hur stor andel av energimängden som ”följde med” från ett stadium till ett annat vid omvandlingen. Resten har ”förlorats” i form av värme (som också är en typ av energi). Måttet verkningsgrad kan bara anta värden mellan 0 och 1, som också kan uttryckas som mellan 0 % och 100 %.

Energiflödet för en förbränningsmotor.

9


Verkningsgrad i en förbränningsmotor Bränslet som sprutas in i cylindern i en förbränningsmotor har en viss mängd kemiskt lagrad energi. Denna frigörs som värme när bränslet förbränns. Den frigjorda värmeenergin får den komprimerade luften i cylindern att utvidga sig. Detta får kolven att tryckas neråt, vilket innebär att den utför ett arbete som i slutänden används för att driva fordonet. All frigjord energi kan tyvärr inte omvandlas till nyttoarbete. Varje gång en cylinder tänder omvandlas bara en del av den frigjorda energin i bränslet till arbete. Resten lämnar cylindern i form av förlustvärme via avgaserna och kylvattnet. Verkningsgraden för en bensin- eller dieselmotor ligger normalt mellan 10 och 30 %, beroende på bland annat belastning, varvtal och konstruktionen på motorn.

Källor till förluster i en förbränningsmotor.

10


Well-to-wheel (Källa till hjul) Att minska bränsleförbrukningen är en konstant strävan efter högre verkningsgrad för fordonet. Men för att se hela bilden räcker det inte med att titta enbart på verkningsgraden för fordonet självt. Priset för att producera och transportera bränslet från raffinaderiet till bensinstationen är också en viktig del i ekvationen. Varje del i kedjan har sin egen verkningsgrad:

WTW-verkningsgraden för bensin ligger på drygt 0,1.

• Produktion: Det går åt energi i processen, oavsett om drivmedlet produceras från växter eller borras upp från havsbottnen. Det går åt en hel del energi till att pumpa upp olja från en källa och sedan transportera oljan till ett raffinaderi. Väl där måste oljan hettas upp, vilket också kräver energi, för att skilja petroleumdestillaten (bensin, diesel, gas m.m.) åt. • Transport: När bränslet är producerat och renat måste det transporteras ut till världens alla bränslemackar. Det görs ofta med tankbilar som i sin tur kräver bränsle när de ska köras. Tankbilarna måste konsumera en del av det bränsle de själva transporterar, vilket gör att inte lika mycket finns kvar när de kommer fram som när de startade. • Fordon: Förlusterna som uppkommer i fordonet är exempelvis vid förbränningen i motorn, mekaniska förluster och AC till att kyla passagerarna. Inget fordon kan omvandla all kemisk energi i bränslet till mekanisk energi i form av rörelse. Utifrån ovanstående använder vi en term som kallas för wellto-wheel. Detta beskriver hela livscykeln för bränslet, från dess ursprung till dess att det utvinns som energi i fordonet. Den totala verkningsgraden ”well-to-wheel” fås genom att multiplicera verkningsgraderna från varje del i kedjan med varandra. 11


Liknande termer som well-to-station och station-to-wheel beskriver produktionen och transporten av bränslet till macken respektive verkningsgraden för fordonet självt. Well-to-wheel (WTW):

”Källa till hjul” – beskriver den fulla livscykeln, från utvinningen av råvara till effekt på drivhjulen. Well-to-station (WTS):

”Källa till tankstation” – beskriver utvinningen av råvaran, produktion av bränslet och transport till tankstationen. Station-to-wheel (STW):

”Tankstation till drivhjul” – beskriver det som händer i själva fordonet, från det att man tankar tills bränslet har omvandlats till rörelseenergi.

Miljöpåverkan Även om högre verkningsgrad för en process alltid är något att sträva efter så är det viktigt att inse att bränslecykeln med den högsta ”well-to-wheel”-verkningsgraden inte alltid är den mest miljövänliga. Vissa bränslen med lägre well-to-wheel-verkningsgrad än till exempel bensin kan tack vare sin förnybarhet vara bättre för miljön. Detta trots att mindre av den teoretiska lagrade energin i slutänden omvandlas till effektivt arbete. Därför kan det ibland vara bättre att mäta CO2-utsläpp well-to-wheel.

WTW-verkningsgraden för etanol är lägre än för bensin, men etanol är ändå bättre för miljön.

12


Bilens färdmotstånd Det är inte bara verkningsgraden som är en viktig faktor när man mäter hur mycket energi som går åt för att förflytta fordonet. Verkningsgraden visar bara hur mycket av den lagrade kemiska energin i bränslet som till slut används. En annan väldigt viktig faktor är hur mycket energi som krävs för att förflytta fordonet i en viss hastighet. Detta beror på motståndskrafterna på fordonet. De dominerande krafterna är luftmotstånd och rullmotstånd.

Luftmotstånd

Inre friktion

Rullmotstånd

Fordonets vikt

Översikt av motståndskrafterna på ett fordon.

Fordonets motor skapar en framdrivande kraft som överförs genom vridmomentet på hjulen och friktionen mellan däck och vägyta. Om kraften är större än motståndskrafterna kommer fordonet att accelerera (öka sin hastighet). På motsvarande sätt saktar fordonet in om drivkraften är mindre än motståndet. När fordonet rör sig med konstant hastighet måste det drivas av en kraft som är lika stor som motståndskrafterna. Drivkraften genereras (skapas) av vridmomentet på hjulen och friktionen mellan däck och vägyta. Fordonets vikt är viktig både för hur mycket energi som krävs för att accelerera till en viss hastighet och för hur stort rullmotståndet blir. Friktion i motor och växellåda måste också tas med i beräkningen när det totala motståndet beräknas, framförallt vid låga hastigheter.

Luftmotstånd Inre friktion Rullmotstånd Fordonets vikt

De olika motståndskrafternas del av det totala motståndet på landsväg och i stadstrafik.

13


Luftmotstånd Vid hastigheter över cirka 70 kilometer i timmen är luftmotståndet dominerande. Luftmotståndet är linjärt beroende av frontarean på fordonet, motståndskoefficienten och luftdensiteten, samt kvadratiskt beroende av fordonets hastighet. Linjärt beroende innebär att en fördubbling av t.ex. bilens storlek (frontarea) leder till en fördubbling av luftmotståndet. Kvadratiskt beroende innebär att en fördubbling av hastigheten leder till fyra gånger så högt motstånd. Motståndskoefficient Luftmotståndskoefficienten, CD (ibland används CW) anger hur lätt en luftström kan strömma förbi föremålet. En hög koefficient betyder att motståndet är högt, exempelvis då luften ska passera ett tegelstensformat föremål. Droppformen har det lägsta luftmotståndet, med en koefficient på under 0,05. Vanliga värden för passagerarfordon är 0,25 – 0,40.

Luftmotståndet ökar fyra gånger vid fördubblad hastighet.

Luftmotståndskoefficient:

Värde som anger hur strömlinjeformat ett objekt är. Ett lägre värde innebär att luften strömmar förbi lättare, vilket ger lägre luftmotstånd.

Två extremfall vad gäller lågt och högt luftmotstånd.

Frontarea Frontarea är ett mått på hur stort fordonet är. Det går åt mer energi att driva fram ett stort fordon än ett litet, vilket är ganska naturligt. Man kan kasta en tennisboll med mycket högre hastighet än en stor badboll, även om de väger lika mycket och har exakt samma form. Det beror på skillnaden i frontarea. Om man placerade en lampa bakom fordonet och mätte skuggan på en vägg framför så skulle det vara fordonets frontarea man såg. 14

En bils frontarea.


Exempel För att bygga en bil med lågt luftmotstånd kan man antingen förbättra designen så att CD-värdet blir lägre, eller minska dess frontarea. Eftersom konsumenten ofta vill ha en rymlig och säker bil finns det dock gränser för hur liten frontarean kan göras. Experimentella bilar som är byggda enbart för minsta möjliga luftmotstånd är därför extremt opraktiska eftersom frontarean har gjorts väldigt liten. Den populära hybridbilen Toyota Prius har en mycket låg luftmotståndskoefficient på 0,25, men eftersom den måste vara praktisk som personbil kan man inte göra frontarean hur liten som helst. Den mer tegelstensliknande Hummer H2 har en motståndskoefficient på 0,57 och har dessutom en enorm frontarea. Resultatet blir ett oerhört stort luftmotstånd.

Hummer har den sämsta möjliga formen för lågt motstånd – den är väldigt kantig och framförallt stor.

Ett exempel på en konceptbil för lågt motstånd är Volkswagen L1 Concept, som tar två personer som sitter i tandem (alltså bakom varandra istället för bredvid). Bilen har en luftmotståndskoefficient på 0,195 och en frontarea på bara 1,02 m2. L1 är på alla sätt optimerad för att vara snål – den har en tvåcylindrig dieselmotor, väger bara 380 kg och har extremt smala, lättrullande däck. Resultatet blir 1,4 L/100 km och ett CO2-utsläpp på 39 g/km.

Lägg märke till den aerodynamiska formen på VW L1. Bakhjulen är till och med täckta för att minska luftmotståndet.

Notera hur smala däcken är för att minimera rullmotståndet.

15


Olika sätt att minska luftmotståndet När man kör sin bil är det viktigt att den är så strömlinjeformad som möjligt. Därför ser alla bilar mer eller mindre likadana ut idag. Det innebär att all extrautrustning som sätts utanpå bilen riskerar att öka luftmotståndet. Stora bakvingar må vara coolt, men de är inte direkt hjälpsamma när det gäller att hålla förbrukningen nere. Saker som takbox, extraljus och dragkrok försämrar också bilens strömlinjeform. Öppna rutor eller taklucka gör att luft ”läcker in” i kupén, vilket också är dåligt för luftmotståndet.

Kör man runt så här får man räkna med ökad bränsleförbrukning.

Rullmotstånd Ett fordons rullmotstånd är nästan oberoende av dess hastighet. Vikten däremot är desto viktigare, tillsammans med däckets konstruktion. Rullmotståndet uppkommer nämligen genom att däcken deformeras (flexar), vilket gör att det bildas värme. Som tidigare nämnts är värme en typ av energi som går förlorad från fordonet. Vid normala hastigheter fås rullmotståndet genom att multiplicera fordonets vikt med däckets rullmotståndskoefficient. Det är först vid väldigt höga hastigheter som rullmotståndet inte längre är oberoende av hastigheten och ökar väsentligt. Korrekt däckstryck viktigt Korrekt däckstryck är väldigt viktigt för att hålla nere rullmotståndet, eftersom däck med för lågt tryck deformeras (trycks ihop) mera. Ett ökat däckstryck ger ett lägre rullmotstånd, men nackdelen kan bli en försämrad komfort via en stötigare gång. Ett för högt eller för lågt däckstryck ger dåliga vägegenskaper och en snabbare förslitning av däcket.

16

Rullmotståndskoefficient:

Värde som anger hur lättrullat ett däck är. Beror på däckstryck, styvhet, mönster med mera.


Rullmotstånd

Däckstryck

Det är viktigt med rätt däckstryck. 20 % för lågt ger ett ökat motstånd på 7 %.

Däck med lågt rullmotstånd Styvare däcksidor gör att däcket flexar mindre, vilket sänker rullmotståndet. Ett däck kan dock inte göras för styvt då det försämrar såväl komfort som grepp och övriga prestanda. Däcktillverkarna experimenterar med olika gummiblandningar och mönster i ett försök att hitta en bra kompromiss mellan grepp och rullmotstånd. Ett däck med grovt mönster greppar ofta bättre i väta, men har också ett högre motstånd.

Däckets konstruktion.

17


Eco-driving Försiktig körning, så kallad eco-driving, kan sänka bränsleförbrukningen en hel del. Här kommer några tips för eco-driving:

• Kör försiktigt! Snabba accelerationer och kraftiga inbromsningar ökar bränsleförbrukningen dramatiskt. • Sänk farten! Som vi tidigare har sett ökar luftmotståndet med kvadraten på hastigheten – dubbla hastigheten ger fyra gånger så högt luftmotstånd. • Växla upp så snabbt som möjligt! Motorn går effektivare på hög växel! • Undvik tomgångskörning! Planera körningen så att du inte behöver stanna upp vid ett rödljus! • När du bromsar är det är mycket bättre att motorbromsa än att bromsa med pedalen. • Använd farthållare om bilen är utrustad med detta! • Slå av luftkonditioneringen när den inte behövs! Parkera i skuggan för att minska kylbehovet när bilen ska köras igen. • Gör regelbunden service på bilen! • Ta bort takboxen när den inte används! Den ökar luftmotståndet en hel del. • Ha sidorutor och takluckor stängda för att minimera luftmotståndet! • Använd motorvärmare under den kalla årstiden! Motorn drar mycket bränsle under varmkörningsförloppet!

18


Elmotorer Elmotorer använder den elektromagnetiska principen, som är interaktionen, samspelet, mellan elektriska strömmar och magnetfält. Det finns olika typer av elmotorer, men alla bygger på principen att få en så kallad rotor att snurra och därmed skapa vridmoment. Magneten eller kretsen som inte roterar kallas för stator.

19


Man kan klassificera elmotorer på olika sätt. Ett är att skilja på växelström (AC) och likström, DC). Det är den växlande strömmen som får elmotorer att fungera, alltså måste DCmotorer på något sätt konvertera likströmmen till växelström.

Rotor:

Den roterande delen i en elmotor. Stator:

Stillastående del(ar) i en elmotor.

Rotorn roterar, statorn är statisk.

Magnetfält i en permanentmagnet En vanlig magnet, så kallad permanentmagnet, skapar ett magnetfält som går från dess nordpol till dess sydpol. Fenomenet beror på att molekylerna i ett så kallat ferromagnetiskt material är svagt magnetiserade.

Permanentmagnet:

Objekt som är magnetiserat och därmed skapar ett eget permanent magnetfält.

Illustration av hur magnetfältet kring en magnet ser ut.

Normalt sett är ett materials molekylers riktning godtycklig, men om man utsätter ett ferromagnetiskt material för ett yttre magnetfält ställer alla molekyler in sig åt samma håll så att de tillsammans skapar ett magnetfält. Detta kvarstår även efter att det yttre magnetfältet tagits bort. 20

Vid magnetisering ställer alla molekyler in sig i samma riktning. (Blå pilar illustrerar yttre magnetfält).


Spole:

Elektrisk ledare som är lindad kring en ferromagnetisk kärna.

Spole med koppartråd lindad kring en järnkärna.

Magnetfält runt en ledare Runt en strömförande ledare skapas ett cirkulärt magnetfält. Om ledaren är formad som en cirkel kommer det cirkulära magnetfältet att peka i samma riktning i varje punkt på insidan av kretsen. Ofta lindas en ledare kring exempelvis en järnkärna, som hjälper till att förstärka magnetfältet. Dessutom blir magnetfältet starkare ju fler varv man lindar ledaren. En ledare som är lindad många varv kring en ferromagnetisk kärna kallas för spole. Interaktionen mellan spole och permanentmagnet En spole genererar alltså ett magnetfält, vars styrka beror på kärnans magnetiska egenskaper, strömstyrkan i ledaren och hur tätt ledaren är lindad. Om spolen placeras i ett annat magnetfält, exempelvis från en permanentmagnet, kommer en magnetisk kraft, som försöker att få dessa två magnetfält parallella, att skapas. Detta är vad som får kretsen att vridas.

Samverkan mellan magnetfält och ström skapar en kraft på kretsen.

Elektromagnet:

Objekt som skapar ett magnetfält genom en elektrisk ström. När strömmen upphör försvinner magnetfältet, till skillnad från permanentmagneter.

En spole kan liknas vid en magnet, med en nord- och en sydpol. Därför kallas den också för elektromagnet. Då strömmen i en DC-motor genererar ett vridmoment i spolen, kommer den bara att göra det i ett halvt varv. Sedan är de två magnetfälten parallella och vridmomentet försvinner.

21


För att få rotorn att vrida sig mer än bara ett halvt varv måste därför ett av de två magnetfälten byta poler för att återigen skapa en magnetisk kraft. Det är detta bytande av poler som får elmotorer att producera ett kontinuerligt vridmoment. Det görs på olika sätt i olika typer av elmotorer.

Magnetfältet som skapas kring en ledare gör att kretsen beter sig som en magnet. Den försöker på vanligt sätt ställa in sig mot den yttre magneten.

Typer av elmotorer Det finns många olika typer av elmotorer. Principerna är desamma, skillnaderna ligger i hur interaktionen (samspelet) mellan magnetfälten fungerar. Vissa typer har permanentmagneter, vissa bara elektromagneter. Vissa konverterar likström till växelström medan andra matas direkt med växelström. Men det är framför allt några få typer som används i el- och hybridfordon. Borstmotor, DC Den här typen av elmotor drivs av likström och kallas också för likströmsmotor. Vissa borstmotorer använder permanentmagneter som stator och en elektromagnet (spole) som rotor. Andra typer har elektromagneter i både stator och rotor. För att producera ett kontinuerligt (oavbrutet) vridmoment måste strömmen genom rotorns elektromagnet ändra riktning. Det görs med en så kallad kommutator som är två halvcirkelformade metallskivor som snurrar mot två stycken borstar, vilket gör att strömmen i spolen ändrar riktning varje halvvarv. 22


Kommutator:

Metallskivor som sitter på rotorn i en elmotor. De leder strömmen till rotorns spole. Borstar:

Kallas även släpkontakter. De är kopplade till varsin pol på likströmskällan och leder strömmen från denna till kommutatorn.

Den här typen av elmotor är billig och lätt att producera och underhålla, men den har lägre verkningsgrad än andra typer på grund av friktionsförlusterna mellan kommutatorn och borstarna. Borstarna måste dessutom bytas ut ibland på grund av slitage. Borstmotorer med permanentmagneter som stator är generellt lite lättare och har något högre verkningsgrad än motorer med enbart elektromagneter. Däremot har de traditionellt använts mestadels i mindre motorer, eftersom det krävs dyra permanentmagneter till större motorer med högre effekt. Borstmotorer används flitigt i fordon, men inte till framdrivningen i el- och hybridfordon. Istället är det vanligt att de används till eldrivna komponenter så som elhissar, taklucka, sätesjustering och spegelinställning.

Principbild av en borstmotor.

Borstlös motor En borstlös motor har omvänd stator-rotor-konfiguration jämfört med en motor med borstar, det vill säga permanentmagneten är placerad i rotorn. Den här typen av elmotor har ingen kommutator som ändrar riktning på strömmen. Istället använder den sig av elektronisk kontroll med hjälp av en mikroprocessor för att styra strömriktningen.

Principbild av en borstlös elmotor.

23


PRINCIPER El- och hybridfordon

D

en här boken behandlar olika områden som ligger till grund för moderna, miljövänliga fordon. Hur ny teknik har gjort fordon mer bränslesnåla och om el- och hybridbilar och de olika biobränslena. Boken tar upp vikten av att behandla hela produktionskedjan för att avgöra om ett biobränsle faktiskt hjälper miljön eller inte. Den tar också upp fördelar och nackdelar för de olika alternativen. Serien Fordon, där boken El- och hybridfordon ingår, omfattar både faktaböcker och webbtjänster. Webbtjänsten innehåller praktiska uppgifter och laborationer. Där finns också fördjupande fakta samt animeringar som förstärker beskrivningarna av innehållet i faktaboken.

Best.nr 47-08528-6 Tryck.nr 47-08528-6

Profile for Smakprov Media AB

9789147085286  

9789147085286  

Profile for smakprov

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded