9789151108278 by Smakprov Media AB

Personbilsteknik

Elsystem, komponenter och nätverksteknik Avd. 3

Elsystem, komponenter och nätverksteknik

Sven Larsson Anders Ohlsson

Avd. 3

Sensor- och aktuatorteknik utvecklas ständigt. Allt fler datorstyrda system byggs in i fordon och befintliga system utvecklas. Denna bok ger en gedigen grund för förståelse av grundläggande ellära, principerna för praktisk tillämpning av elektricitet och mätteknik i fordon. Speciella avsnitt redogör för de olika delsystemen i personbilens elsystem, sensor- och aktuatorteknik samt diagnos- och felsökning. Andra upplagan av boken har uppdaterats efter den senaste teknikutvecklingen på området, framför allt avsnittet om elmotorer. Boken har även uppdaterats med nyskrivna avsnitt om t.ex. tolkning av mätvärden och mätmetoder vid felsökning. PbT Elsystem, komponenter och nätverksteknik, 2:a uppl. kan användas för flera av kurserna på fordons- och transportprogrammets inriktning Personbil, inte minst för kurserna Personbilar – verkstad och elteknik, Personbilar – system- och diagnosteknik 1 samt El- och hybridfordon 1 och 2. Övriga faktaböcker i serien är: • PbT Motor och kraftöverföring, 2:a upplagan • PbT Bromsar, kaross och chassi, 2:a upplagan • PbT Verkstad, säkerhet och service

Elsystem, komponenter och nätverksteknik – Avd. 3

Teknikutvecklingen inom fordonsbranschen går snabbt. Det innebär att en bra grundutbildning är en mycket viktig faktor för att framgångsrikt kunna arbeta och utvecklas som fordonstekniker. PbT-serien förklarar teoretisk basfakta och principer, och beskriver hur modern teknik tillämpas i bilens olika system. Innehållet speglar den senaste personbilstekniken.

Andra upplagan

ISBN 9789151108278

9 789151 108278

51108278.2.1_Omslag_2022.indd 1

2022-06-14 11:26

Innehåll Elsäkerhet och arbetsmiljö

Spänningen gör strömmen farlig Risker med batterier

7 8

1 Utvecklingen av el- och styrsystem 9 Från mekanik till elektronik Styrning och reglering Systemteknik Elsystemets delsystem

Ett styrsystem – Singelsystem Nätverk av styrenheter Kunskap och kompetens allt viktigare Vad är en förbrukare i ett elsystem?

2 Grundläggande ellära Elektrisk spänning

Spänningsfall Spänning kan skapas på olika sätt Likspänning och växelspänning

Elektrisk ström

Den elektriska strömmens riktning Strömmens ”kretslopp” Likström och växelström

Resistans

Resistans och temperatur

Ledare, halvledare och isolatorer Resistans och resistivitet

Ström, spänning och resistans samverkar Liknelsen med vattensystem Tävlingen Ohms lag

Spänningsdelning Effekt

Effekt och ledningsarea Märkeffekt Effektförlust

Ohms lag och Effektlagen Kopplingssätt

Ersättningsresistans Seriekoppling av aktuatorer Parallellkoppling av aktuatorer Jämförelse mellan olika kopplingssätt

Några vanliga elfel

51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 3

9 10 10

11 12 12 13

14 14

15 15 16

17 17 18

21 21 22

23 25

25 26 27

28 29

29 30 31 33

3 Tillämpad ellära Elströmmens verkningar

Elströmmens värmeverkan Elströmmens kemiska verkan Elströmmens magnetiska verkan

Magneter och magnetism

Magneters poler attraherar och repellerar Permanentmagneter Spole – Elektromagnet

Induktion

Spolens självinduktans Induktion utan mekanisk kraft Brytgnistor i induktiva kretsar Tändspolens funktion

Elmotorer

Elmotorprincipen Likströmsmotorer med mekanisk kommutator DC-motor med permanentmagnetiserad stator DC seriemotor DC shuntmotor

Borstlös DC-motor BLDC Grundläggande AC-teknik AC-motorns stator Olika typer av elmotorer – rotorer

Synkron AC-motor – SynPM Synkron AC-motor – SynRM Asynkron AC-motor – Induktionsmotor Statorer med switchteknik Stegmotorer Elmotorn som generator

4 Mätteknik Effektivvärde – RMS PWM – Effektivvärde

PWM – Pulsförhållande

Multimetern Mäta spänning

Inställning för spänningsmätning

Mäta ström

Inställning för strömmätning Några exempel på strömmätning Diodtest Strömtång

36 36

36 37 37

38 39 40

43 45 46 47

48 50 51 52 52

52 54 55 58

58 58 59 60 60 61

62 62 63

64 65

67 68 69 69

2022-06-14 07:49

Mäta resistans

Inställning för resistansmätning Tolkning av mätvärden Några exempel på resistansmätning

Oscilloskop

Mäta med oscilloskop Kurvformer och storheter Vad visas på skärmen? Två avgörande oscilloskopinställningar Två eller flera kanaler Spela in mätningar

5 Elektronik-komponenter Skydda känslig elektronik ESD EMI och EMC

Kondensatorer

Användning av kondensatorer Superkondensatorer

Resistorer

Användning av resistorer Potentiometer Reostat RC-krets

Halvledare

Termistorer Ljuskänslig resistor, LDR Dioder Likriktning Klippdiod Lysdiod, LED Zenerdiod Transistorer

Digitalteknik

Logiska funktioner

Signaler

Digitalisering av signaler Transistorvippor

71 71 72

77 78 80 81 82 82

83 83

83 84

86 88

89 90 91 91

93 95 95 96 97 97 98 99

102

104

104 106

6 Styrenheten och nätverksteknik 108 Styrenheten

Transceivern Styrprogram Mappar Komponentidentitet Sleep mode

Nätverksteknik

Seriell kommunikation Protokoll Nätverkstyper Det fysiska nätverket EOBD, European On-Board Diagnostics LIN CAN CAN HS och CAN LS Kommunikationen i CAN Arbitrering

51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 4

108

109 110 111 112 112

112

113 114 114 117 119 120 120 122 124 125

Fel i meddelande Hårdtrådning FlexRay Partiella nätverk MOST

Felsökning av databussar

Fel i CAN Low Speed Felsökning i CAN High Speed Felsökning på LIN-buss

Trådlös kommunikation Bluetooth Telematik

7 Sensorer Sensortyper

Sensorer med analog utsignal Sensorer med digitalt formad utsignal Sensorer med digitaliserad utsignal

Vad mäter sensorer? Strömställare Resistiva sensorer

Potentiometern Temperatursensorer

Magnetoresistiva sensorer, GMR

Varvtals- och positionssensor GMR Vridmomentsensor, GMR

Induktiva givare

Rotationssensor Mätning

Hallgivare

Riktningskänslig varvtalsgivare

Kapacitiva sensorer

Sidoaccelerations- och girvinkelsensor Sensor för oljekvalitet

Piezoelement som sensor

Knacksensor Tryck- och töjningssensorer

Ultraljudssensorer Optiska sensorer Regnsensor Smutssensor Ljussensor Solsensor Lasersensor Lidar

Kamera

Stereokamera Nattkamera

Radar Elektrokemiska sensorer

Mätning av utandningsluft Sensor luftföroreningar Syresensor

125 125 126 126 127

128

129 132 134

135

135 135

137 137

137 137 138

138 138 139

139 140

141

141 142

142

143 143

144

145

145 146

146

146 147

147 148

148 148 148 149 149 149

150

150 150

151 151

151 152 152

2022-06-14 07:49

Smalbandssensorer Bredbandssensorn Luftmassensor Tändstift

8 Aktuatorer Elektromagnetisk verkan

153 154 155 156

157 157

Elektromagneter Elmotorer Generatorn

157 158 158

Värmeverkan Piezoverkan Hur aktuatorer aktiveras

159 159 160

Direktstyrd funktion Direktstyrd funktion med PWM Relästyrd funktion Nätverksstyrd funktion

161 161 162 162

9 Ledningar, säkringar och dokumentation 163 Ledningar – Kablar

En- och tvåledarsystem Jordningspunkter Ledningstyper Dimensionering av ledningar

Säkringar

Pyroteknisk säkerhetsbrytare Felsökning av säkring Byte av säkring

Strömställare Reläer

Elektromekaniskt relä Halvledarrelä Manövermagnet Montering av fjärrljus

Anslutningar, kabelskor, kontaktstycken och ledningsreparationer Kontaktpressning

Kopplingsscheman

Vilken information finns i elschemat? Funktionsschema

10 Belysning Strålkastare

Huvudstrålkastare Ljusbilder, ljusfunktioner Varselljus Ljuslängdsreglering Ljusinställning Ljuskällor – lampor Byte av lampor i strålkastare

Glödtrådsvakt Ljusteknik

Siktsträckor vid mörkerkörning Några storheter

51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 5

165

165 166 167 167

169

170 171 171

172 172

173 173 174 174

174

176

177

179 184

185 185

185 186 187 189 189 189 193

11 Startsystem Startmotorer

Startmotorns funktion Frihjul Kombinerad startmotor och generator ”Normalt placerad” ISG

Startspärr – Immobilizer

Start-stopp-automatik

197 198

199 201 201 201

201

202

12 Batterier och laddningssystem 203 Batterielektroder Energitäthet och laddningstid Batterier och laddningssystem Miljö och säkerhet Ett avskräckande exempel Vad är en kortslutning? Miljö

203 203 204 204

205 205 206

Blyackumulatorer

206

Serie- och parallellkoppling av batterier Generatorn

216 217

Kemisk energi 206 Seriekopplade celler 207 Öppna batterier 208 208 Slutna batterier Självurladdning 210 210 Demontering av batteri Montering av batteri 210 Startkablar 211 Laddning och underhåll av blyackumulatorer211 Laddningsmetoder 212 213 Djupurladdat batteri Provning, kontroll, av blyackumulatorer 213 Temperatur påverkar batterier 214 Sulfatering 215 Belastningsprov 215

Växelströmsgeneratorn Generatorspänning Generatorns laddningsström Energiåtervinning vid motorbromsning Felsökning och laddningskontroll Mätinstrument vid laddningsprov

Några vanliga batteritermer

13 Signal- och varningssystem Signalhorn Körriktningsvisare och varningsblinkers Dimbakljus Varselljus Bromsljus – Stoppljus Dynamiskt bromsljus

217 219 220 220 221 221

222

223 223 225 229 229 230

231

194 195

195 196

2022-06-14 07:49

14 Diagnossystem och felsökning Hur ett fel blir en felkod

Exempel sensorsignal Varning till föraren MIL och felkoder Filtrering av felkoder Exempel på hur motorstyrsystemet hanterar tändmissar Övervakning av syresensorer och katalysatorer

OBD, On Board Diagnostics

EOBD Felkoder OBD-uttag och kontakt Inkoppling av diagnosinstrument Break Out Box Mätning på CAN-bussen

MEKO Diagnostic CDP+ CARS

Diagnos i ett specifikt system EOBD Läsa felkoder Aktuella data Graf Bilinformation Flight Recorder Läs information med telefon eller surfplatta

Felsökningsstrategi

Mätning med diagnosinstrument

51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 6

232 233

233 234 234 235 235 236

236

237 239 240 240 241 242

243

244 246 247 247 248 248 248

15 Övriga system Släpvagnskontakt

7-polig släpvagnskontakt enligt ISO 1724 13-polig släpvagnskontakt enligt ISO 11446 Inkoppling av släpvagnskontakt

Eluppvärmda stolar Eluppvärmda rutor och backspeglar Elektriska fönsterhissar Infotainment

Bilagor

Boschbeteckningar Schemasymboler Omvandlingstabell för CCA-värden mellan olika normer Elektrolytens densitet Egenskaper hos några grundämnen Färgmärkning av säkringar Färger för ledningar, kablar

253 253 253 254 254

256 257 257 258

259

259 260 261 261 261 261 261

262

248

250

251

2022-06-14 07:49

3 Tillämpad ellära De flesta av oss använder elektricitet varje dag utan att fundera på fysiken bakom eller hur elektriska apparater fungerar. Men ska man arbeta som tekniker med fordon behövs grundläggande kunskaper om hur elläran omsätts i praktiska tillämpningar som exempelvis sambandet mellan elektricitet och magnetism.

Elströmmens verkningar Elström är osynlig, men den blir påtaglig genom sina verkningar. När aktuatorer utför sitt arbete sker en omvandling mellan olika energiformer. Dessa omvandlingar mellan elenergi och andra energiformer kallas elströmmens verkningar. Elektrisk ström används till många funktioner i fordon, t.ex. i tändstiften som antänder bränsleluftblandningen i motorns cylindrar, i stolar med värmeslingor och i datanätverken. Elenergi omvandlas vid tändstiften till värmeenergi. I högtalare omvandlas elenergin först till magnetisk energi som sedan övergår till rörelseenergi hos högtalarmembranet. Här nedan beskrivs tre verkningar som har stor betydelse i fordon: • värmeverkan • kemisk verkan • magnetisk verkan

Elströmmens värmeverkan

Att omvandla elenergi till värme är enkelt, och det är många aktuatorer som fungerar med hjälp av värmeverkan. När en tillräckligt hög ström flyter i en ledning i förhållande till dess resistans blir den varm. Om strömmen genom ledningen ökar, så ökar också värmeverkan. Strömmen kan öka beroende på att: • Kretsens totala resistans minskar, exempelvis på grund av en kortslutning. • Spänningen höjs.

Kanthal är exempel på material som används i värmeelement. Foto iStock.

I vissa lägen blir värmen så stor att ledningen brinner av. Detta utnyttjas i smältsäkringar som är ett skydd mot för höga strömstyrkor. När ledningen i säkringen brinner av, bryts strömmen och kretsen skyddas på detta sätt från överbelastning. Säkringen ska vara den svagaste länken i kretsen.

Ledaren i säkringen blir så varm att den brinner av vid en bestämd strömstyrka.

Glödtråden i lampan blir så varm att den glöder och avger synligt ljus.

Värmeslingan i stolen blir varm när en ström flyter genom den.

36 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 36

2022-06-14 07:51

Elströmmens kemiska verkan

När ett bilbatteri laddas, så omvandlas elektrisk energi till kemisk energi. Ett batteri som kan laddas är en ackumulator, men vi använder här benämningen batteri eftersom det oftast används i dagligt språk. Batterier kan lagra energin i kemisk form under ganska lång tid, även om viss självurladdning alltid sker. När elström ”tas ut ur” ett batteri omvandlas kemisk energi åter till elektrisk energi. Omvandlingar mellan kemisk och elektrisk energi kallas för elektrolys. Mer om batterier finns att läsa i kapitel 12.

Andra exempel på ackumulatorer är nickelmetallhydridbatterier och litiumjonbatterier.

Ett bilbatteri är en ackumulator.

Elströmmens magnetiska verkan

När det flödar elektrisk ström i en ledning uppstår ett magnetiskt fält runt denna. Magnetfältets kraftlinjer, som också kallas fältlinjer, brukar ritas som cirklar runt ledningen. Fältet driver ett magnetiskt flöde. Fältet har en styrka och en riktning. Växlar strömmen riktning så ändrar också fältet och flödet riktning. Förenklat kan man säga att strömmen genom ledningen gör den till en magnet. Denna elektromagnetiska verkan utnyttjas i många apparater i fordonens elsystem.

Här kommer strömmen ut ur ledaren, därför går kraftlinjerna åt andra hållet.

Strömmen går in i ledaren, då går de magnetiska kraftlinjerna medurs runt ledaren. Lägg märke till markeringen i änden på ledaren som visar strömriktningen.

Fältets och flödets riktning – Skruvregeln

Tänk dig att du skruvar in en vanlig högergängad skruv i samma riktning som strömmen går in i en ledningen. Då vrider du skruven i samma riktning som de magnetiska kraftlinjerna, medurs. Strömmens riktning

Magnetfältets riktning Skruvens rörelse

37 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 37

2022-06-14 07:51

Magneter och magnetism Alla har troligen någon gång känt hur två magneter dras till, eller stöter bort, varandra. Ensamma magneter drar till sig föremål av vissa metaller. Kring magneter finns ett magnetiskt kraftfält. I fältet finns ett magnetiskt flöde som utgår från, och kommer tillbaka till, magneten. En magnet har två poler: en nordpol och en sydpol. Riktningen på det magnetiska flödet är sådant att det går ut från N-polen och in i S-polen. Precis som elektrisk ström möter olika stort motstånd i olika material, så möter det magnetiska flödet också olika stort motstånd i olika material, olika medium. Motståndet som magnetiskt flöde möter kallas reluktans. Exempelvis så leder järn flödet mycket bättre än luft. Detta är förutsättningen för funktionen hos exempelvis induktiva sensorer.

Det magnetiska flödet går från N-pol till S-pol. I fallet med en stavmagnet rör sig flödet från N-polen ut i luften kring magnet och in i S-polen.

Det magnetiska flödet kan ledas. Placeras stavmagneten i en u-formad järnbit kommer en mindre del av flödet att röra sig utanför konstruktionen. Det beror på att järn leder magnetiskt flöde bättre än luft.

Magneters poler attraherar och repellerar

Magneters olika poler dras till varandra och lika poler stöter bort varandra. Detta är grundförutsättningen för exempelvis elmotorns funktion.

Olika poler dras till varandra, attraherar varandra. Lika poler stöter bort varandra, repellerar.

Vår planet är en stor magnet med ett statiskt magnetfält. Kompassnålen, som är en liten stavmagnet, ställer in sig så att ändarna pekar mot jordens poler. Det kan verka märkligt att kompassnålens nordpol vänder sig mot jordens geografiska nordpol, när vi vet att lika poler stöter bort varandra. Förklaringen är att uppe i närheten av den geografiska nordpolen finns jordens magnetiska sydpol och nere i söder finns den magnetiska nordpolen.

38 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 38

2022-06-14 07:51

När ström flyter genom en ledning skapar den ett magetfält. Magnetfältet är osynligt, men genom att hålla en kompass intill ledningen kan man se att det påverkar kompassnålen, som ställer sig vinkelrät mot ledningen. Kompassnålens poler attraheras och repelleras av magnetfältet. Vi talar om två slags magneter: • Permanentmagneter som har en beständig, kvarvarande, magnetism. • Elektromagneter som får sin magnetism genom ström.

Med hjälp av en kompass kan man ”mäta” om det flyter en ström genom en ledning. Ett betydligt bättre mätinstrument är strömtången, men i båda fallen är det magnetfältet kring ledningen som är förutsättningen för mätningen.

Permanentmagneter

Om vi sätter upp minneslappar på kylskåpsdörren med magneter så använder vi permanentmagneter. Dessa magneter består av material som kan magnetiseras och som sedan behåller magnetiseringen. Förmågan att behålla magnetisering kallas remanens. Mycket förenklat innebär en magnetisering av ett material att elementarpartiklar i atomerna samordnar sina magnetiska egenskaper. Man kan uttrycka det som att de ställer sig i samma ”riktning”. I vissa material kan denna ”samordning” bli permanent, beständig. ”Mjukt stål”, kolstål med låg kolhalt, har egenskapen att det i stort sett förlorar all magnetism när magnetiseringen upphör. Denna egenskap gör detta stål lämpligt att använda som järnkärna i elektromagneter. 2 En magnet placeras intill spetsen.

1 Skruvmejselns spets är inte magnetiskt.

3 Fältet påverkar elektronerna i stålets atomer så att deras magnetiska egenskaper samordnas.

4 Skruvmejselns spets är nu magnetisk.

N N

S S

S N

S S

N N

S S

S N

I elektromagneter vill man kunna slå på och av, samt steglöst variera den magnetiska kraften. Och då är det ju bra att kärnan inte behåller magnetismen när man vill att den ska minska. Detta är något som har stor betydelse i många komponenter i fordonen. Rent järn

Kolstål 1 % C

Koboltstål

Pulvermetall av metalloxid

Olika material har olika förmåga att behålla sin magnetism efter en magnetisering. Pilarna visar den ”magnetiska styrkan” hos fyra lika stora föremål av olika material efter en magnetisering. De tre till höger är användbara som permanentmagneter.

39 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 39

2022-06-14 07:51

Elmotorer I läromedlet använder vi ordet elmaskin i sammanhang då en och samma komponent både fungerar som en elmotor och som en generator. Men i detta avsnitt om grundprinciperna för elmotorfunktionen använder vi ordet elmotor. En elmotor omvandlar elenergi till rörelseenergi och en generator omvandlar rörelseenergi till elenergi. Detta sagt med förbehållet att det i båda fallen utvecklas förluster, bl.a. i form av värmeenergi. Induktion som är grunden för hur en generator fungerar finns beskrivet i avsnittet Elströmmens magnetiska verkan i kapitel 3. Roterande elmotorer och generatorer har en stator och en rotor. Statorn är den del som inte rör sig, den består huvudsakligen av lindningar, oftast av koppartråd. Oftast består en stator av lindningar. De kan även består av permanentmagneter, men sådana konstruktioner är relativt ovanliga. Rotorn roterar inne i statorn och det är på rotorns axel vi tar ut ett vridmoment som exempelvis kan driva en elbil. Vi kan dela in elmotorer i likströmsmotorer och växelströmsmotorer, men i princip måste magnetfält växla riktning i alla elmotorer. Antingen i rotorn eller statorn. Eftersom riktningen på ett magnetfält som orsakats av en ström beror på strömmens riktning måste strömriktningen växla på ett eller annat sätt. I vissa typer av likströmsmotorer görs detta med en kommutator. Även äldre likströmsgeneratorer har en kommutator som likriktar den inducerade spänningen som tas ut ur generatorn. Hur en kommutator fungerar beskrivs senare i avsnittet. I takt med att bilar elektrifieras ökar användningen av olika typer av elmaskiner, nedan visas ett urval. Elmaskiner DC

Med mekanisk kommutator

Med elektronisk kommutator

Permanentmagnetiserad stator

Borstlös DC

Seriemotor Shuntmotor

Synkron

Asynkron/induktion Enfas

Trefas

SynPM Synkron permanentmagnet SynRM Synkron reluktansfunktion

Asynkron induktion Squirrel Cage

PMSynRM Synkron med både permanentmagnet och reluktansfunktion

Elmotorprincipen

I en elmotor utnyttjas att magnetfält repellerar och attraherar varandra. I en elmotor måste det finnas komponenter med magnetfält som reagerar på varandra. Orsaken till att magnetfält repellerar och attraherar varandra kräver en komplicerad förklaring. Men det finns två förenklade förklaringsmodeller som kan användas. När två magneter möts så kommer de att röra sig åt det håll där magnetfältet är som svagast och det är där magnetfälten har olika riktning. Om vi placerar två magneter intill varandra kommer de att röra sig på ett sådant sätt att fältlinjerna blir så korta som möjligt. När fältlinjerna är som kortast är energitillståndet som lägst. Det är när det motstånd, den reluktans, det magnetiska flödet möter är så litet som möjligt.

48 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 48

2022-06-14 07:51

När kraftfälten möts har de olika riktning och de försvagas. Magneterna rör sig mot varandra.

När kraftfälten möts har de samma riktning och de förstärks. Magneterna rör sig från varandra. Den undre magneten rör sig så att fältlinjerna blir så korta som möjligt vilket ger den lägsta reluktansen. Det lägsta energitillståndet.

Det magnetiska flödet i ett magnetfält har en styrka och en riktning. När ström går genom en ledning bildas ett magnetfält som cirklar kring ledningen. Rotationsriktningen på detta fält beror på vilken riktning strömmen har. Därför kommer en växelström att ge upphov till ett fält som ständigt ändrar riktning, medan en likström ger upphov till ett fält kring ledningen som alltid har samma riktning. Magnetfältet kring en ledning kan påverkas av ett annat magnetfält som drar och ”knuffar” på ledningen. Denna princip utnyttjas i elmotorer och kallas därför ibland för elmotorprincipen. Det måste finnas minst två magnetfält som påverkar varandra. Minst ett fält i motorns stator och minst ett i motorns rotor. Om vi placerar en kopparledning mellan två permanentmagneter vända så att nordpolen och sydpolen är vända mot varandra kommer det magnetiska flödet mellan magneterna inte att påverka kopparledningen. Men om vi kopplar ledningen till en spänningskälla så att en ström går genom den bildas ett magnetfält kring ledningen. Nu finns två magnetfält. De två magnetfälten kommer att reagera på varandra. På bilden till höger är riktningen på magnetfältet mellan magneterna från nordpol till sydpol. Strömmen i ledningen har riktN S ningen in i bilden, alltså kommer det magnetfält som bildas kring ledningen att röra sig medurs. På ovansidan av ledningen på bilden har båda magnetfälten Rörelseriktning samma riktning. Det innebär att magnetfältet repellerar. Det uppstår en kraft som trycker magnetfälten bort från varandra. Över ledningen har fältlinjerna samma riktning och magnetfältet förstärks. Under ledningen har fältlinPå undersidan av ledningen har magnetfälten olika riktning. jerna olika riktning och där försvagas fältet. LedningDär uppstår en kraft som drar fälten till varandra. I fallet på en rör sig åt det håll där fältet är svagast. Magnetiska bilden kommer ledningen att tryckas nedåt. Om strömmen i flöden som rör sig i samma riktning stöter bort varledningen byter riktning så riktas kraften åt motsatt håll. I falandra. Flöden som rör sig i motsatta riktningar dras let med bilden kommer ledningen att tryckas uppåt. Detta är till varandra. I bilden pressas ledningen nedåt. grundprincipen för hur en enkel elmotor fungerar. De två permanentmagneterna bildar i exemplet nedan en stator. Ledningen som går genom statorns magnetfält viks till en enkel slinga som går in och ut ur statorn. Det innebär att ström går in i den ena änden av ledningen och ut ur den andra. Tittar vi på slingan från änden kommer strömmens riktning att bilda magnetfält som går i olika riktningar. Nu kommer slingans båda delar att påverkas av statorns magnetfält. Stator Strömriktning in i slingan Strömriktning ut ur slingan

Rotor

Magnetfälten kring slingan reagerar med statorns magnetfält och slingan får en roterande rörelse.

49 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 49

2022-06-14 07:51

Vridmoment

Bild 1: När slingan rör sig längs med statorns magnetfält utvecklas inget vridmoment. Bild 2: Här har slingan passerat läget i bild 1 och vridmomentet börjar tillta. Bild 3: När slingan rör sig vinkelrät mot det magnetiska flödets riktning utvecklas störst vridmoment.

Om det endast fanns en slinga skulle vridmomentet bli mycket ojämnt. För att en elmotor ska fungera har den ett stort antal slingor som placeras på elmotorns rotor. Rotorn sitter på motoraxeln.

Likströmsmotorer med mekanisk kommutator

När vi talar om en likströmsmotor menar vi elmotorer som matas med likspänning. Men för att en likströmsmotor ska fungera måste strömriktningen växla i rotorns slingor. Detta görs med en kommutator som ibland även kallas strömvändare. Man kan säga att den är en roterande strömställare som växlar strömriktningen i motorns rotorlindningar samtidigt som rotorn roterar. Borstarna kommer vid rotation i kontakt med kommutatorns olika segment och ser till att strömmen i slingorna hela tiden vänds åt rätt håll. I slingan går alltså en ström som växlar riktning när slingan roterar. Alla elmotorer behöver växelström i någon del för att fungera. I en motor där statorn är permanentmagnetiserad är det strömriktningen i rotorns slingor som styr rotationsriktningen. Ändras strömriktningen så ändras rotationsriktningen. Magnetfältet i statorn i dessa motorer växlar inte riktning och kan komma från antingen elektromagneter eller permanentmagneter. Många mindre elmotorer i fordon har permanentmagnetiserad stator. Men även större elmotorer som startmotorer har numera ofta permanentmagneter. Borste/kol

Kontaktsegment

En enkel kommutator. Plus- och minusledningarna är anslutna till borstar eller kol som ständigt är i kontakt med kontaktsegmenten.

Rotorn på bilden består av en enkel slinga. På vänstra bilden är rotorn på väg till det vinkelläge då strömriktningen måste vändas. Om strömriktningen förblir densamma kommer slingans rotation att bromsas.

50 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 50

2022-06-14 07:51

Rotorn består av slingor. Här visas endast en.

Stator, här med permanentmagnet.

Kommutatorn består av segment kopplade till slingorna i rotorn samt ”borstar” som glider på segmenten.

Ändras strömriktningen i rotorn så ändras rotationsriktningen hos permanentmagnetiserade motorer. En verklig rotor har ett mycket stort antal slingor för att ge jämn rotation och ett större vridmoment.

DC-motor med permanentmagnetiserad stator

När man talar om permanentmagnetiserade likströmsmotorer menar Rotorpol man att statorn består av permanentmagneter. Riktningen på magnetfältet i statorn kan alltså inte ändras. Rotorn består av ett antal rotorpoler/ elektromagneter som magnetiseras av rotorlindningar/slingor. Varje Lindningar/slingor rotorpol är kopplad till två motstående segment på kommutatorn. Kommutator Strömmen går genom borstarna/kolen som ligger an mot kommutatorns segment och magnetiserar rotorpolerna. Om strömriktningen till borstarna/kolen vänds så vänds motorns rotationsriktning. För att styra varvtalet i ett antal fasta steg var det tidigare vanligt att med en omRotor för en DC-motor. Bild Fobosvobos Shutterstock. kopplare koppla in ett antal seriekopplade resistorer. När en resistor seriekopplas med motorn faller en del av matningsspänningen över resistorn och därmed får motorn tillgång till en lägre spänning vilket minskar motorns varvtal. Ett vanligt exempel på den tekniken var när kupéfläktens varvtal skulle ändras. Tekniken med seriekopplade resistorer har idag ersatts av PWM-teknik som är ett bättre sätt att reglera effekt. Rotationsriktning

Borste

Segment i kommutatorn

I en förenklade bild visas rotorpolerna som en slinga för att man tydligt ska se magnetfälten.

51 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 51

2022-06-14 07:51

DC seriemotor

Seriemotorns statorpoler är elektromagneter som är seriekopplade med rotorn. Likströmmen går alltså först genom lindningar som magnetiserar statorn och därefter genom ett par av rotorpolerna. På bilden nedan har motorn endast två statorpoler, lägg märke till att lindningarna kring statorpolerna har olika riktning och därför får man här en nordpol och en sydpol. Seriemotorn ger ett stort vridmoment vid låga varvtal. Med den effektutvecklingen blir strömmen genom motorn hög. När motorn kommit upp i varvtal sjunker vridmomentet och därmed också strömstyrkan. Tidigare var startmotorer till personbilar vanligen seriemotorer. Om strömmen genom motorn byter riktning ändras inte rotationsriktningen. Det beror på att strömmens väg genom både rotor och statorns elektromagneter ändras samtidigt.

Seriemotorns stator har elektromagneter som är seriekopplade med rotorn.

DC shuntmotor

Shuntmotorns stator är elektromagneter som är parallellkopplade med rotorn. Shuntmotorn ger ett stabilt varvtal om den drivs med en konstant spänning. Detta gör den lämplig till t.ex. fläktar eller vindrutetorkare. Ordet shunt i detta sammanhang betyder elektrisk grenledning, alltså parallellkoppling. Om strömmen genom motorn byter riktning ändras inte rotationsriktningen. Det beror på att strömmens väg genom både rotor och statorns elektromagneter ändras samtidigt.

Shuntmotorns statorpoler är elektromagneter som är parallellkopplade med rotorn.

Borstlös DC-motor BLDC BLDC står för BrushLess DC-motor. BLDC-motorer kallas också ECM, Electronically Commutated Motors. Bortslösa DC-motorer kallas så eftersom de inte har en mekanisk kommutator som växlar strömriktningen. Istället styrs magnetfälten i statorn av en inbyggd styrenhet, en controller som styr ut likström till statorlindningarna med hjälp av transistorer som fungerar som strömställare, switchar. Statorn i en BLDC-motor kan ha många statorlindningar, men i vår beskrivning använder vi tre. Rotorn är permanentmagnetiserad och har här två poler. För att controllern ska kunna beräkna vilka lindningar i statorn som ska spänningsättas och vid vilka tidpunkter, måste den ständigt få information om i vilken rotationsvinkel rotorn befinner sig. Detta görs oftast med en eller flera sensorer. Vinkelgivaren kallas resolver. Statorlindningarna magnetiseras på ett sådant sätt att rotorn aldrig ”hinner ifatt” magnetfältet i statorn som ständigt flyttas så att det ligger lite före rotorn.

52 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 52

2022-06-14 07:51

Varvtalet styrs genom att controllern öppnar och stänger transistorerna kortare eller längre tid. I principbilden nedan har motorn tre statorlindningar, poler. Controllern styr i detta fall sex effekttransistorer som leder ut och jordar ström. Transistorswitch stängd

Transistorswitch som leder

+ Controller

Till vänster visas strömkurvorna ut från transistorerna. Det gröna fältet över kurvorna visar det aktuella läget. Till höger visas statorlindningarna i motorn samt en tvåpolig permanentmagnetiserad rotor. 2

360˚ 300˚ 240˚ 180˚ 120˚ 60˚

1 +

Controller

3 4

Switch 3 och 5 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 2 och 3. Rotorn dras och pressas medurs.

Switch 1 och 5 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 1 och 2. Rotorn dras och pressas medurs.

360˚ 300˚ 240˚ 180˚ 120˚ 60˚

1 +

Controller

3 4

Switch 1 och 6 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 1 och 3. Rotorn dras och pressas medurs.

360˚ 300˚ 240˚ 180˚ 120˚ 60˚

1 +

Controller

3 4

360˚ 300˚ 240˚ 180˚ 120˚ 60˚

Switch 2 och 6 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 2 och 3. Rotorn dras och pressas medurs.

1 +

Controller

3 4

Switch 2 och 4 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 1 och 2. Rotorn dras och pressas medurs.

360˚ 300˚ 240˚ 180˚ 120˚ 60˚

1 + Controller

360 ˚ 300˚ 240˚ 180˚

120˚ 60˚

Switch 3 och 4 öppnas så att ström kan passera genom dem. Ett magnetfält bildas mellan lindningarna 1 och 3. Rotorn dras och pressas medurs. Därefter börjar sekvensen om igen.

53 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 53

2022-06-14 07:51

Grundläggande AC-teknik Alla generatorer producerar växelspänning och eftersom de flesta generatorer är rotormaskiner får växelspänningen och därmed växelströmmen en kurvform vi kallar sinuskurva. Spänningen växlar periodiskt polaritet och amplitud. Ström

Positiv polaritet

Amplitud

Negativ polaritet

Bilden visar endast en fas. Växelspänningen som driver strömmen växlar polaritet och därför växlar strömmen riktning. Spänningen varierar i styrka, amplitud, därför varierar också strömstyrkan över tid.

I slutet av 1800-talet utvecklades trefassystemet där generatorn inducerar tre separata växelspänningar som är inbördes symmetriskt förskjutna 120 vinkelgrader. Strömriktning 120°

120° + L1

Positiv polaritet

0 volt Negativ polaritet –

Strömriktning

Trefas växelsspänningskurvor.

Förskjutningen av spänningarna innebär att när spänningen i fas 1 ligger på sin högsta amplitud och har positiv polaritet så ligger fas 2 och fas 3 med negativ polaritet och deras gemensamma amplitud motsvarar exakt den som fas 1 har. Detsamma gäller vid alla tidpunkter var och när vi än mäter de tre spänningarna. I elnät över hela världen används trefasig växelspänning där varje fas har en egen fasledning. I varje fasledning finns en växelspänning som driver en växelström. Det är för denna sinusformade växelspänning elmotorer utvecklats sedan i slutet av 1880-talet då Nikola Tesla i USA patenterade en kommutatorfri växelströmsmotor, induktionsmotorn. Under samma årtionde gjorde Galileo Ferraris samma upptäckt, men han registrerade inte något patent. I vårt elnät betecknas faserna: • L1 brun ledningsfärg • L2 svart ledningsfärg • L3 grå ledningsfärg

54 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 54

2022-06-14 07:51

AC-motorns stator I detta avsnitt beskrivs endast den typ av stator som är konstruerad för sinusformad trefasmatning. Samma statorteknik kan användas i elmotorer med olika typer av rotorer. Det finns exempelvis statorer vars lindningar är gjorda för switchteknik, men de tas inte upp här. Elektromagneterna i statorer för N Strömtrefas AC-motorer kan kopplas på två riktning sätt. Antingen som D- eller Y-koppling. Fas 1 Här kommer vi enbart att beskriva staStatortorer som är Y-kopplade, vilket innebär lindning att de tre faserna är kopplade till en gemensam neutralpunkt. S I en trefasig Y-kopplad elmotor finns minst tre statorlindningar som S är kopplade till var sin fasledning. När Strömström i plusriktning passerat en lindriktning ning leds den till en gemensam neutralFas 1 Statorpunkt där den delas upp och leds i lindning minusriktning i de två andra faserna. Det är viktigt att komma ihåg att växelström växlar riktning varje gång N spänningen växlar polaritet. En elektroTill vänster i bilderna ser vi sinuskurvan för en fas vid två olika tillfällen. Den magnet kopplad till AC kommer alltså streckade lodräta linjen på spänningskurvan markerar var på kurvan vi tittar att byta polaritet varje gång strömmen på strömriktning och magnetfält. När strömriktningen byts så ändras polaritegenom den växlar riktning. ten på elektromagnetens magnetfält. Vi antar att spänning och ström i fas 1 ligger på sin högsta positiva amplitud. När strömmen i fas 1 passerat statorlindningen och når den gemensamma neutralpunkten delas den upp i fas 2 och fas 3 som då har negativ polaritet. Den uppdelade strömmen går nu från neutralpunkten genom de andra två statorlindningarna fast nu åt motsatt håll. När strömmen i en statorlindning når sin högsta styrka går exakt samma ström åt andra hållet fast uppdelad i de två andra statorlindningarna. Vad har då trefassystemet för betydelse i en växelströmsmotor? Eftersom spänningen i de tre faserna ständigt växlar polaritet innebär det att magnetfälten i lindningarna byter polaritet. Tidsförskjutningen mellan faserna gör att lindningarna inte magnetiseras samtidigt. Resultatet blir att vi får ett roterande magnetfält i statorn som kan driva dess rotor. El- och elhybridbilar drivs med likspänning från högU voltsbatterier. Därför måste Fas 1 Statorlindning likspänning från batteriet omvandlas till växelspänning och delas upp i tre faser för Fas 2 att kunna matas in statorn i Gemensam en trefasig växelströmsW V neutralpunkt maskin. Fas 3

Till vänster i bilden ser vi sinuskurvorna för de tre faserna. Den streckade lodräta linjen ligger exakt där spänningen i fas 1 är som högst med positiv polaritet. Strömmen där är som störst just i detta ögonblick och den rör sig i positiv riktning. Samtidigt har både fas 2 och 3 negativ polaritet och strömmarna där motsvarar exakt strömmen i fas 1, men de rör sig åt motsatt håll.

55 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 55

2022-06-14 07:51

Magnetfält

L1 på positivt toppvärde L2 och L3 på halva negativa toppvärden

L2 på negativt toppvärde L1 och L3 på halva positiva toppvärden

L3 på positivt toppvärde L1 och L2 på halva negativa toppvärden

L1 på negativt toppvärde L2 och L3 på halva positiva toppvärden

L2 på positivt toppvärde L1 och L3 på halva negativa toppvärden

L3 på negativt toppvärde L1 och L2 på halva positiva toppvärden

På vänstra sidan av bilderna visas spänningskurvorna för de tre fasledningar som matar statorlindningarna. Den röda markeringen visar var på kurvorna som förloppet ”frusits”. Hade bilden varit rörlig hade den röda markeringen rört sig åt vänster och magnetfältet i statorn roterat.

56 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 56

2022-06-14 07:51

7 Sensorer ”… anordning som känner av absolutvärdet eller ändringen av en fysikalisk storhet som tryck, temperatur, flödeshastighet eller pH-värde eller intensiteten för ljus, ljud eller radiovågor och omvandlar informationen till en form som lämpar sig för ett datainsamlande system.”

Källa: Nationalencyklopedin.

Sensorer kallas ofta även för givare eftersom de ger information om något. I ett modernt fordon finns många olika typer av sensorer som lämnar en mängd olika data, ”in-signaler”, till styrenheterna. För vissa komponenter har det bildats en tradition, en norm, att den kallas sensor eller givare. Ett sätt att definiera betydelsen av orden sensor och givare är att en sensor är den komponent som mäter den aktuella storheten. En givare är hela den enhet som monteras i fordonet. Alltså kan en givare innehålla en eller flera sensorer, men även elektronikkretsar som förstärker och, eller, omvandlar formen på den signal som skickas till styrenheten. En enkel typ av givare är stoppljuskontakten. Den har endast två lägen, till eller från, en on-off-funktion. En mer avancerad sensor kopplad till bromspedalen är pedallägessensorn. Den kan känna av många lägen hos bromspedalen och därmed ge information om hur mycket och hur snabbt bromspedalen trampas ner. En sensor är kopplad till en styrenhet som ”läser” dess signal. Men eftersom fordonets styrenheter är sammankopplade i ett nätverk kan i princip alla styrenheter få ta del av en sensors mätvärde. Mätvärdet från en enskild sensor kan alltså utnyttjas av flera olika system, funktioner, i ett fordon.

Sensortyper Vi kan göra en indelning av sensorer beroende på om de behöver ha en spänningsmatning eller ej. En passiv sensor behöver inte någon spänningsmatning för att fungera. En aktiv sensor måste anslutas till en spänningskälla för att fungera. Vidare kan man dela in sensorer i tre grupper utifrån deras utsignal.

Sensorer med analog utsignal

Oberoende av hur själva sensorn ”mäter” en storhet, så är signalen till styrenheten oftast en analog elektrisk storhet som spänning, resistans, frekvens m.fl. Men styrenhetens mikrodator kan inte hantera analoga signaler, alltså måste signalen från givaren A/D-omvandlas innan mikrodatorn i styrenheten kan använda informationen. A/D-omvandling, digitalisering, innebär att ett ögonblicksvärde, ett momentanvärde, av exempelvis en spänning omvandlas till ett siffervärde, oftast ett binärt tal.

Sensorer med digitalt formad utsignal

Många sensorer lämnar en digitalt formad signal, exempelvis hallgivare eller GMRsensorer. Ett annat exempel är en strömbrytare som i princip lämnar ”på eller av” information. Men även signaler med digital form måste digitaliseras innan styrenhetens mikrodator kan använda informationen.

137 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 137

2022-06-14 07:52

Sensorer med digitaliserad utsignal

Det finns sensorer, givare, med inbyggd A/D-omvandlare och egen transmitter. Detta innebär att sådana sensorer kan vara inkopplade direkt på fordonets datanätverk.

Vad mäter sensorer? Sensorteknik utvecklas ständigt och fler och fler storheter går att mäta. Sensorer kan göras allt mindre i storlek och informationen som samlas in blir alltmer tillförlitlig. Mikrodatorerna som processar informationen kan byggas allt mindre och mer effektiva. Vi ser denna utveckling överallt i samhället och fordonstillverkarna bygger in alltmer av tekniken i fordonen. Exempel på vad sensorer mäter i fordon: • Temperatur i: kylvätska, motorolja, kupéluft, ytterluft, automatiska växellådor m.m. • Varvtal hos: vevaxel, drivaxlar, hjul m.m. • Vinkelförändringar hos: rattaxel, kamaxlar, vissa bakluckor m.m. • Vridmoment på t.ex. rattaxel Fysikalisk storhet Sensortyp • Förflyttningar mellan olika positioner för Temperatur Termistor t.ex. pedaler och reglage, växelförare i växellådor • Tryck i: inloppsrör, atmosfären, bromsPosition och Vridpotentiometer, hallsystem, luftfjädring, däck m.m. förflyttning givare, ultraljud, laser, radar • Knackningar, vibrationer, i motorblock Hastighet och Induktiv givare, hall• Solens vinkel i förhållande till fordonet varvtal givare, GMR • Retardation vid bromsning Acceleration Mikromekanisk, piezo, • Sidoacceleration vid kurvtagning kapacitiv variabel kondensator • Gyrorörelse, girvinkel, vid sladd Tryck Membran med trådtöj• Avståndssensorer, exempelvis till framförningsgivare, piezo varande eller bakomvarande fordon. Sensorn kan även användas för att mäta vätskenivåer Kraft och vridMagnetoresistiv, tråd• Vatten på vindrutan moment töjningsgivare • Luftföroreningar i klimatsystem Flöde Varmtråd, varmfilm, • Gaskoncentrationer i t.ex. avgaser eller Gaskoncentration Smalbandssond, bredklimatanläggningar bandssond, CO -sensor

Användning Kylvätska, inloppsluft, motorolja, bränsle, avgaser Gasspjäll, gaspedal, rattstång, växelväljare, bilens läge Hjul, vevaxel, kamaxel, andra axlar Fordonets acceleration linjärt och lateralt, knackgivare Inloppsröret, oljetryck, bränsletryck, olika hydraultryck, tryck i däck Rattstång, sidorutor, bromspedal, växellåda Inloppsluftens massa Syre i avgaser, kupéluft

Strömställare Strömställaren är en mycket enkel sensor som kan ge information om två eller flera fasta lägen. Den kan manövreras manuellt, exempelvis som reglage för att slå till kupébelysningen, eller påverkas mekaniskt, exempelvis när dörren på fordonet trycker in en strömställare när den stängs. Strömställare som reagerar på mycket små rörelser kallas mikrobrytare. De kan exempelvis påverkas mekaniskt av en nock eller liknande.

ECU

En mikrobrytare styrs oftast av en nock eller kam.

138 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 138

2022-06-14 07:52

Det finns också strömställare som påverkas av magnetiska fält, exempelvis en äldre variant av glödtrådsvakt eller en lägesgivare i en växellåda. Den här typen av strömställare kallas ofta tungelementskontakt eller Reed-kontakt, Reed-switch.

En s.k. Reed-kontakt består av två tunna metalltungor inneslutna i ett hölje. När metalltungorna påverkas av ett magnetfält rörs de mot varandra och kretsen sluts.

Utvecklingen av Reed-kontakten under åren har gjort att man kunnat krympa storleken ner till 6 mm i längd. Denna storlek har öppnat många användningsområden, speciellt vid mycket snabba switchtider. Exempelvis används Reed-kontakter i växellådor för att registrera växellägen.

Resistiva sensorer Det finns flera givare där sensorn fungerar genom att dess resistans förändras. Ofta sitter sensorn kopplad till andra resistorer och själva givarsignalen är en spänning som varierar beroende på hur sensorns resistans varierar.

Potentiometern

Potentiometern och reostaten är resistorer vars resistans kan förändras med mekanisk påverkan. Om man använder den varierande resistansen som signal, eller som spänningsdelare, kan komponenten användas när man exempelvis steglöst med manuell styrning vill styra varvtalet på en fläktmotor eller ljusstyrkan på en lampa.

Potentiometer

Ingångar ECU Utgångar

Luftmängdsmätare

Ett annat sätt att använda potentiometern som sensor är i den lite föråldrade tekniken luftmängdsmätning. En luftmängdmätare ger information om den luftvolym som pressas in i motorn av atmosfärstrycket, det vill säga hur många liter luft som flödar in. Denna sensortyp kallas ofta VAF-sensor, Vane Air Flow Sensor. Luftmängdmätaren innehåller en klaff som pressas undan av den inströmmande luften. Klaffen vrider en potentiometer. Det varierande spänningsfallet över potentiometern blir då ett mått på den luftvolym som passerar genom mätaren. Problemet med den här typen av sensor, som mäter endast volym, är att luften vid olika omständigheter som lufttryck, temperatur med mera, innehåller olika mycket syre. Att endast mäta luftvolym ger inte bästa förutsättning för att beräkna en noggrann bränsleluftblandning. Mätklaff som påverkas av luftströmmen till motorn Temperaturgivare Dämpkammare

Potentiometer

139 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 139

2022-06-14 07:52

Temperatursensorer

I temperatursensorer finns vanligen en termistor. En resistor av typen NTC vars resistans påverkas av omgivande temperatur. NTC-termistorer har en negativ temperaturkoeﬃcient, Negative Temperature Coefficient. Det innebär att resistansen i termistorn minskar när temperaturen stiger. Genom att seriekoppla en fast resistor och NTC-termistorn så som bilden visar delar de den tillförda spänningen 12 volt mellan sig. Om man mäter spänningen mellan resistorerna och systemjord kommer spänningen mellan dessa mätpunkter att sjunka när temperaturen ökar eftersom resistansen i NTC-termistorn minskar. Det är alltså denna analoga varierande spänning som styrenheten använder för att få information om temperaturen på motorns kylvätska. Spänningsvärde till styrenhet R

12 V

20 000

ECU NTC

40 000

UNTC

10 000 8000 6000 4000 2000

Den fasta resistorn och NTC-termistorn delar den tillförda spänningen, här 12 volt, mellan sig. När resistansen i NTC-termistorn ändras så ändras också fördelningen av spänning mellan NTC och den fasta resistorn. I mätpunkten kommer det att finnas en spänning som varierar med temperaturen hos givaren.

1000 800 600 400 200 100

-30 -20

100

120°C

Temperatursensorn sitter placerad så att den mäter temperaturen på motorns kylvätska.

Den fasta resistorn och NTC-termistorn delar den tillförda spänningen, här 12 volt, mellan sig. När resistansen i NTC-termistorn ändras, så ändras också fördelningen av spänning mellan NTC och den fasta resistorn. I mätpunkten kommer det att finnas en spänning som varierar med temperaturen kring termistorn.

Mätning

När man felsöker på en temperatursensor med NTC gör man det enklast genom en vanlig resistansmätning. På samma sätt som all resistansmätning måste temperatursensorn vara urkopplad vid mätningen. I verkstadsinformationen finns värden på hur stor resistansen ska vara vid en given temperatur.

140 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 140

2022-06-14 07:52

Magnetoresistiva sensorer, GMR Sensorer med magnetoresistiv teknik, GMR, blir allt vanligare. GMR står för Giant magnetoresistance. Liksom hallgivaren kräver den en yttre spänning för att fungera, d.v.s. det är en aktiv givare. När sensorn påverkas av ett magnetfält minskar dess resistans. Varför kallas då denna lilla sensor giant? Det beror på att dess resistans typiskt förändras mellan 10 till 20 %, medan andra magnetiska sensorers resistans endast förändras några få procent. Giant syftar alltså på sensorns stora resistansförändring. Sensorn är uppbyggd av tunna skikt av ferromagnetiska material varvat med nanometertunna skikt av ledande, men omagnetiska material. Funktionen bygger på kvantmekaniska egenskaper.

Ferromagnetisk legering, omagnetiserad Ledande skikt, några nanometer tjock, av ledande icke magnetiskt material, ofta koppar

Opåverkad av magnet, hög resistans

Ferromagnetisk legering, magnetiserad

Påverkad av magnet, låg resistans

Funktionen bygger på kvantmekaniska funktioner. Materialet i resistorn påverkas av magnetfält på ett sätt som gör att resistansen varierar kraftigt.

Varvtals- och positionssensor GMR

N S N

GMR-sensorer blir allt vanligare som varvtals- och positionsgivare. Tekniken gör sensorn mycket exakt. När den används i motorer som varvtalssensor kan till och med enstaka misständningar upptäckas. GMR-sensorn är i regel ansluten med två ledningar när den används som hjulsensor, och med tre ledningar när den används som givare för motorvarvtal. Funktionen bygger på att de Sensorns sinuskurva omvandlas i en magnetoresistiva resistorerna, elektronikkrets till en fyrkantsvåg. R3 och R4 i bilden, påverkas av en roterande permanentmagnet så att resistansen i resistorerna varierar. Den spänning som S N S mäts mellan mätpunkterna 1 och 2 kommer att variera i takt med att resistansen i R3 och R4 varierar. Denna spänningsR1 och R2 är vanliga fasta resistorer. variation omformas i den R3 och R4 är magnetresistiva resistorer. integrerade kretsen till en signal med fyrkantsvåg. I GMR-sensorer kopplas magnetoresistiva resistorer samman med fasta resistorer i en S N S

bryggkoppling som spänningssätts enligt bilden.

Mätning

En direkt mätning på sensorn för att felsöka bör göras med oscilloskop. En resistansmätning med multimeter kan skada GMR-sensorns elektronikkrets eftersom ohmmetern lägger ut en spänning vid mätningen.

141 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 141

2022-06-14 07:52

Vridmomentsensor, GMR

Givare med magnetoresistiv funktion används även i elektrohydrauliska styrservosystem. I dessa system mäter sensorn hur stort vridmoment som rattaxeln överför till bilens styrväxel, alltså hur mycket kraft föraren använder för att styra hjulen. Liksom i helt mekaniskt styrda hydrauliska servostyrningar, används en torsionsstav. Men här i kombination med en GMR-sensor. När momentet ökar vrids, tvinnas, torsionsstaven som sitter mellan rattaxeln och axeln till styrväxeln. Detta gör att ett magnetiskt polhjul, som är fäst vid rattaxeln, vrids i förhållande till givarelementet som är fäst vid axeln till styrväxeln. Därmed förändras signalen från sensorn, och den elektrohydrauliska styrningens servoverkan kan anpassas efter det behov som råder.

Anslutning till rattaxel

Magnetiskt polhjul

Till styrenhet Torsionsstav (vridfjäder) Anslutning till styrväxel Givarsignalen används av styrenheten som styr servons hydraulventiler.

TSS Torque Sensor Steering. Bild Robert Bosch AB.

Induktiva givare Den induktiva givaren är en passiv givare eftersom den inte behöver någon yttre spänning för att fungera. Den används som varvtalssensor på många ställen i fordon. Man kan säga att den induktiva givaren fungerar som en liten växelströmsgenerator. Strömmen den lämnar är inte mycket att tala om, det är den inducerade växelspänningens frekvens som ”bär informationen” från givaren. Givarens funktion bygger på två grundläggande funktioner: induktion och reluktans. Ett magnetfält i förändring inducerar en EMK i en ledning. Reluktans är det motstånd det magnetiska flödet möter i olika material eller medium. Exempelvis leds magnetiskt flöde dåligt i luft, men mycket bra i järn. I givaren finns en permanentmagnet. Runt denna är en spole lindad. Från magneten strömmar ett magnetsikt flöde. När detta flöde leds genom luft ”sjunker” fältstyrkan tack vare att luft leder flödet dåligt och när flödet leds av järn ökar fältstyrkan. Denna förändring av fältet inducerar en EMK i spolen. Det är denna EMK, spänning, som är givarens utsignal. Sitter givaren monterad tätt intill ett tandhjul kommer det magnetiska flödet att öka när en tand på det roterande tandhjulet befinner sig mitt för givaren. När en ”lucka” är mitt för spolen försvagas magnetflödet. Induktiva givare används för att mäta eller registrera varvtal och position. Låg hastighet

Hög hastighet

En induktiv givare är i princip en liten växelströmsgenerator. Den inducerade spänningen är givarens utsignal.

142 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 142

2022-06-14 07:52

Rotationssensor

Induktiva givare kan användas för att mäta rotationshastighet om de monteras tätt intill ett ”tandhjul”. Utspänningens amplitud och frekvens förändras i förhållande till hjulets varvtal. Men det är endast frekvensen som ”bär informationen” som är intressant för styrenheten. Frekvensen på givarsignalen ökar i takt med att rotationshastigheten ökar. Induktiva givare används för att mäta rotationshastigheten vid exempelvis hjulen, eller motorvarvtalet vid vev- eller kamaxel. De kan också användas för att känna av en viss position, vinkel, hos en roterande komponent som exempelvis svänghjulet vilket behövs för att gnistan i tändstiften ska komma i rätt ögonblick. Genom att göra tandhjulet osymmetriskt, exempelvis genom att ta bort en tand, orsakas en osymmetri i spänningskurvan. Denna avvikelse i spänningskurvan gör att styrenheten kan beräkna i vilken position axeln befinner sig vid en viss tidpunkt.

Till vänster hur givaren kan vara placerad som hjulsensor. Hjulsensor

Vevaxelsensor Några exempel på hur givaren kan placeras som vevaxelsensor. Antingen direkt på vevaxeln eller på svänghjulet.

Mätning

En felsökning på induktiva givare kan göras på flera sätt. Man kan kontrollera att anslutningarna till givarens spole och att själva spolen inte har något avbrott genom att mäta resistansen i spolen. Sensorn måste då vara urkopplad från sin normala krets. ”Normalvärden” varierar mellan olika fabrikat, men brukar ligga mellan 800 till 1 800 ohm. ”Normalvärden” för resistansen finns oftast i verkstadsinformationen. En annan felsökningsmetod är att mäta den växelspänning som givaren lämnar. En förutsättning är att det tand- eller hålhjul givaren är monterad vid kan roteras. OBS, utan rotation lämnar givaren ingen spänning. Spänningen kan mätas med multimeter eller oscilloskop. Det som mäts med multimeter är spänningens effektivvärde. Mäter man med ett oscilloskop så kan man förutom att mäta spänningens effektivvärde även mäta spänningens amplitud och frekvens. En svaghet med induktiva givare är den låga spänning, amplitud, som induceras vid låga varvtal. För att få en tillförlitlig frekvensmätning bör inte amplituden vara för låg. Ett exempel: Vid mätning på en hjulsensor, när hjulet roteras med lågt varvtal, kan spänningen vara ca 100 millivolt, alltså 0,1 volt. Vid höga varvtal kan spänningen i vissa fall närma sig 100 volt. Ytterligare en svaghet är att avståndet mellan givare och tandhjul har stor betydelse för nivån, amplituden, på den spänning som induceras. Ett alltför stort avstånd ger en låg spänning och därmed ett osäkert mätvärde. Det innebär också att t.ex. att en skevhet vid kuggkransen ger en varierande amplitud även vid ett konstant varvtal. Så här kan en oscilloskopsbild se ut vid en mätning på en induktiv varvtalsgivare vid vevaxeln. Avvikelsen i kurvmönstret ger styrenheten möjlighet att beräkna var i arbetscykeln respektive kolv befinner sig. Bild Pico Technology.

143 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 143

2022-06-14 07:52

Hallgivare Hallgivaren behöver en spänningsmatning för att fungera och räknas därför till de aktiva givarna. Både hallgivare och induktiva givare används som varvtalsgivare, men också för att känna vinkelpositionen hos roterande detaljer. Exempelvis för att styrenheten ska få information om var i arbetsförloppet motorn befinner sig. Hallgivaren har egenskapen att kunna känna av positionen även på stillastående detaljer. Några exempel: I en växellåda kan den känna vilken växel som används, eller i bromsystem hur mycket bromspedalen trampats ner. I elmanövrerade stolar med minnesfunktion används hallgivare som avkännare för stolens läge. Säkerhetssystem för stabilitetskontroll kan använda ett antal hallgivare som rattvinkelsensorer. Hallsensorer används för att mäta eller registrera: • • • •

Varvtal Position Läge Riktning

I hallgivaren finns ett s.k. hallelement som leder ström. Detta är själva sensorn i givaren. När elektroner strömmar genom ett hallelement som inte påverkas av ett magnetfält fördelar sig elektronerna jämnt i alla delar av hallelementet. Då finns ingen spänning mellan signaluttagen. När ett magnetfält tillåts att påverka hallelementet leder detta till att elektronerna trängs ihop på ena kanten på hallelementet vid sin passage genom elementet. Ökat antal elektroner på ena sidan och underskott på den andra ger en spänning, en potentialskillnad, över signaluttaget. Spänningen över signaluttaget finns där så länge som hallelementet påverkas av magnetfältet. Detta innebär att givaren kan ge signalspänning även om magnetfältet inte rör sig eller förändras i styrka. Ofta används en s.k. spaltrotor för att leda bort, skärma av, magnetfältet. Utsignalens spänning blir en ”avbild” av spaltrotorns utseende när den mäts, visas, med ett oscilloskop.

ÖD

Signalen från en hallgivare har en tydlig fyrkantsform.

Hallgivare används som både varvtals- och lägesgivare, exempelvis på kam- och vevaxlar. Informationen om läget, alltså var varje kolv befinner sig i arbetsförloppet, används av styrenheten för att styra när tändstiftet ska starta förbränningen. Eller i fallet med dieselmotorn, när bränslet ska sprutas in i respektive cylinder.

144 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 144

2022-06-14 07:52

11 Startsystem Med startsystem menas alla komponenter som gör det möjligt att starta bilens förbränningsmotor. Huvudkomponenterna i startsystemet är: • • • •

Startmotor Batteri (batteriets konstruktion och funktion beskrivs i ett senare avsnitt) Tändningslås, startknapp Startspärr, immobilizer

Startmotorn är en likströmsmotor och är den aktuator som vanligen utvecklar störst effekt. Därför har den matningsledning som förser startmotorn med ström en mycket stor ledningsarea. Matningsledningen ansluts till anslutning 30 på startmotorn. Manöverledningarna till och från tändningslåset som styr startmotorn ansluts till anslutning 50 på startmotorn. Dessa ledningar har betydligt mindre ledningsarea än matningsledningen, eftersom strömstyrkan här är förhållandevis liten. Skillnaden i ledningsarea är möjlig därför att startmotorns manövermagnet innehåller ett kraftigt relä som leder den stora matningsströmmen till startmotorn. Manöverströmmen från tändningslåset styr detta relä. Återledningen av matningsströmmen, från startmotorn tillbaka till batteriet, går vanligen genom motorblocket. Detta innebär att startmotorer är enpoligt kopplade. Effekten hos startmotorer till personbilar ligger vanligen mellan 1 och 2 kilowatt. Det är en mycket hög effekt i förhållande till startmotorernas fysiska storlek. Därför är starmotorer känsliga för överbelastning, t.ex. när motorer är svåra att starta. Startmotorer är konstruerade för att arbeta korta stunder med hög effekt, vilket är normalfallet när motorn är lättstartad. Man bör undvika att använda en startmotor mer än 20–30 sekunder utan paus. En paus gör att startmotorn hinner svalna något till nästa startförsök. Det är också bra för batteriet med lite återhämtning mellan startförsöken. Engelska ord för startmotor är starter, starter engine, starter motor. 30

Tändningslås

Manöverledningen, en liten ström som styr startmotorns manövermagnet

Matningsledningen, förser startmotorn med hög ström Startdrev Kuggkrans

Svänghjul

50 Startmotor

Startmotorn driver vanligen vevaxeln genom ett startdrev som skjuts in i svänghjulets kuggkrans. Manöverströmmen till startmotorns manövermagnet kommer från tändningslåset eller från en styrenhet. Vevaxel

197 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 197

2022-06-14 07:53

När startmotorn aktiveras skjuts dess lilla drev ut och griper in i svänghjulets stora kuggkrans. Ett utväxlingsförhållande på ca 15:1 är vanligt. Det innebär att startmotorns höga varvtal växlas ner så att svänghjul och vevaxel får 15 gånger lägre rotationshastighet. Utväxlingen innebär också att startmotorns vridmoment ökas 15 gånger. När en startmotor går med stor belastning och lågt varvtal drar den mycket ström och ger ett stort vridmoment. Strömstyrka Ampere x 100 6 5 4 3 2 1 0

Vridmoment Newtonmeter 24 20 16 12 8 4 0

Varvtal Varv per minut x 100

Diagrammet visar startmotorns vridmoment och strömstyrka i förhållande till varvtalet. Man kan säga att en startmotor automatiskt anpassar sig till det motstånd den möter. När motorn går tungt, så att varvtalet blir lågt, använder startmotorn mycket ström och ger ett stort vridmoment.

Startmotorer Bland annat för att spara vikt och utrymme har startmotorer till personbilar fått en förändrad konstruktion under årens lopp. Numera har startmotorerna vanligen permanentmagneter i statorn stället för elektromagneter. Rotorn går med flera gånger högre varvtal än tidigare starmotorers, men rotorns vridmoment är istället mindre. En utväxling med en planetväxel ökar vridmomentet och sänker rotationshastigheten. Den utgående axeln, där drevet är placerat, får alltså ungefär samma vridmoment och varvtal som tidigare konstruktioner. Lösningen med planetväxel ger rätt varvtal och tillräckligt vridmoment hos startdrevet. Manövermagnet 30 50 Rotor

Planetväxel

Permanentmagnet

Startmotor med permanentmagneter är mycket vanliga till personbilar. Rotorn har ett högt varvtal men ett allt för litet vridmoment. Planetväxeln ger en nerväxling av varvtalet som leder att vridmomentet ökar tillräckligt mycket för att starta förbränningsmotorn.

198 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 198

2022-06-14 07:53

Äldre startmotorer var seriemotorer där kommutatorerna till rotorn var seriekopplade med statorns elektromagneter. De hade ingen planetväxel. Draglindning

Hållindning

Järnkärna – Ankare

50 Kontakter för huvudström

Gaffelhävarm

Magnetiseringslindning

Rotor

Om man följer strömmens väg i startmotorn som är en seriemotor, ser man tydligt att rotorns kommutator är seriekopplad med statorns elektromagneter. Även manövermagnetens relä är seriekopplat.

Startmotorns funktion

Vi har valt att visa en startmotor som har permanentmagneter eftersom dessa är vanligast. Startmotorns manövermagnet har två uppgifter: 1 Att sluta matningsströmmen, dvs. fungera som ett relä. 2 Att föra ut startdrevet så att det griper in i svänghjulets kuggkrans. I bilderna nedan visas hur ström flyter genom startmotorns olika delar under ett startförlopp. När tändningslåset vrids till startläge, spänningssätts anslutning 50. En mindre ström börjar flyta genom manövermagnetens båda lindningar: • Draglindningen • Hållindningen Lägg märke till att draglindningen och hållindningen i startmotorn jordas på olika sätt. Draglindningens ström går direkt till systemjord medan hållindningen jordas genom kommutatorn och rotorn. När tändningslåset sluter strömkretsen genom både drag- och hållindning i manövermagneten börjar ankaret, järnkärnan, dras med stor kraft in i elektromagneten, åt höger i bilden. Manövermagneten behöver utveckla en stor kraft just när startdrevet ska föras i läge, i inkopplingsskedet. Både drag- och hållindning samverkar för att utveckla denna kraft. Hållindning

Draglindning 30

Järnkärna – Ankare

Systemjord Kontakter för matningsström

Gaffelhävarm Systemjord

Rotor

Permanentmagnetiserad stator

51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 199

Systemjord

199 2022-06-14 07:53

Gaffelhävarmen som är fastsatt på ankaret för ut startdrevet mot svänghjulets kuggkrans. Draglindningens ström går vidare genom rotorn på sin väg till systemjord. Strömmen genom draglindningen upphör när kontakten för matningsströmmen sluts eftersom potentialen blir lika stor i båda ändarna av lindningen. Ingen potentialskillnad, spänning, ingen ström. I detta läge flyter ström endast genom manövermagnetens hållindning. När startmotorn är inkopplad och börjat driva svänghjulet behövs mindre kraft för att hålla startdrevet och kontakten för huvudström kvar i sina lägen. Därför låter man inkopplingslindningen bli strömlös i detta läge.

Hur kopplas draglindningen bort?

Metoden som används för att koppla bort inkopplingslindningen bygger på grundläggande ellära. Nämligen att om en ledning har samma elektriska potential i båda ändar finns ingen spänning som kan driva en ström.

Hållindning

Här är tändningslåset inte aktiverat.

Draglindning

Kommutator

Rotor

Tändlåset sätts i startläge och sluter strömkretsen genom lindningarna 50

Tändningslåset sätts i startläge och en ström går genom båda manövermagnetens lindningar. Ankaret dras mot huvudkontakterna. Tills dess att huvudkontakterna sluts drar både drag- och hållindning. Drevet är nu inkopplat i svänghjulets kuggkrans.

Hållindningen jordas direkt till systemjord Draglindningen jordas genom kommutator och rotor

Hållindning ”drar” fortfarande Draglindningen har samma potential i båda ändar. Ingen ström går genom lindningen, därför har den inget magnetfält som ”drar” längre Startmotorn driver motorn via svänghjulets kuggkrans så länge som tändlåset hålls i startläge

Kommutator Rotor

Rotor

Två saker händer när huvudkontakterna sluts. Matningsströmmen går via dem till kommutatorn och startmotorn börjar dra runt motorn. När huvudkontakterna sluts försvinner i princip potentialskillnaden över draglindningen och den ”drar” inte längre. Hållindningen som är jordad direkt till systemjord ”drar” fortfarande tills dessa att kretsen bryts av tändningslåset.

200 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 200

2022-06-14 07:53

Frihjul

Startmotorns drev som griper in i svänghjulets kuggkrans har en frihjulsfunktion. Det innebär att drevet endast kan driva i en rotationsriktning, i andra riktningen löper det utan att driva. Om frihjulsfunktionen inte fanns skulle förbränningsmotorn, när den startar, driva runt startmotorn. Följden skulle bli att startmotorn övervarvades och förstördes. När förbränningsmotorn startat löper alltså startmotorns drev med till dess att tändningslåsets nyckel, eller startknapp, släpps. Då dras drevet tillbaka till sitt urspungsläge. Det engelska ordet för frihjul är freewheel och frihjulsfunktionen på en startmotor kallas ofta Bendix drive eller Bendix coupling.

Kombinerad startmotor och generator

Många hybridfordon har en centralt placerad startmotor som verkar direkt på vevaxeln. Den har vanligen tre funktioner. 1 Startmotor till förbränningasmotorn 2 Generator som tar tillvara energi vid bromsning 3 Bidrar med extra vridmoment för att driva bilen En modell av Volvo har en centralt placerad startmotor som då kallas CIGS, Central Integrated Starter Generator. Den fungerar som elmotor och som generator. Elmotorfunktionen fungerar både som startmotor och som drivmotor. Elmotorn är en trefas AC-synkronmotor, som drivs av ett högspänningsbatteri Effekten är 34 kilowatt, vilket gör att bilen snabbt kan gå från ren eldrift till kombinerad förbränningsdrift. Vridmomentet elmotorn ger kan gå upp till 150 Nm.

”Normalt placerad” ISG

Integrerad startmotor – generator Här är ISG inbyggd och drivs direkt av vevaxeln och fungerar både som startmotor och som generator. Bild Volvo Personvagnar AB.

Den kombinerade startmotorn och generatorn ISG är placerad där generatorn brukar sitta. Den är betydligt större än en konventionell generator. Elmaskinen drivs från vevaxeln av en poly-V-rem. Remmen är på grund av den höga belastningen mycket hårt spänd jämfört med en vanlig generatorrem.

Startspärr – Immobilizer För att förhindra att fordonet stjäls används olika typer av stöldskydd. En typ av stöldskydd, som var vanlig i äldre bilar, är att startmotorn inte kunde aktiveras. En relativt enkel startspärr. Men ett stöldskydd som tillåter att man kan rulla, eller bogsera, igång en bilmotor ger inte så bra skydd. Ett effektivare stöldskydd är att startspärren, immobilizern, blockerar bränslesystemet, eventuellt även tändsystemet. Det är viktigt att inte enbart tändsystemet blockeras av startspärren. Om bränslesystemet, men inte tändsystemet, kan aktiveras kan motorn och katalysatorn fyllas med oförbränt bränsle, som kan vara mycket skadligt för katalysatorn. Det engelska ordet immobilize betyder ungefär ”göra orörlig”, lamslå, paralysera. En stöldmetod som biltjuvar använde sig av tidigare var att kopiera bilens nyckel.

201 51108278.2.1_Inlaga_2022.indd 201

2022-06-14 07:53

Personbilsteknik

Elsystem, komponenter och nätverksteknik Avd. 3

Elsystem, komponenter och nätverksteknik

Sven Larsson Anders Ohlsson

Avd. 3

Elsystem, komponenter och nätverksteknik – Avd. 3

Andra upplagan

ISBN 9789151108278

9 789151 108278

51108278.2.1_Omslag_2022.indd 1

2022-06-14 11:26