Inductantie van een driefazige motor

Zou het aan imperfecties in de anker kortsluitwikkelingen kunnen liggen?

Met een Prüfrex kortsluittester heb ik wel eens variaties op enkele rotoren waargenomen. Tenminste, het controlelampje ging dan op één of meerdere posities beduidend minder fel branden. Het was dus zeker geen exacte wetenschap; Cijfers kan ik jammer genoeg niet voorleggen. Ik heb me ook nooit afgevraagd of dit bij elke rotor het geval is...

Ik zou verwachten dat het aantal maxima en minima overeenkomt met het aantal staven in de rotor, klopt dat?

De rotor is natuurlijk niet perfect homogeen; in een positie is er een kortgesloten winding die precies haaks op het veld van de stator staat, en in een andere positie is de hoek niet precies 90 graden, simpelweg omdat je een eindig aantal staven in de rotor hebt. Daar komt nog bij dat de magnetische koppeling tussen de stator en rotor (voor de fase of fasen die je aan het meten bent) varieert, omdat er net iets meer of meer overlap is met het ijzer in de rotor, doordat er geen ijzer kan zitten op de plaats waar een staaf zit.

Zomaar wild geredeneerd hoor, ik zou niet durven beweren dat ik zeker weet dat dit de verklaring is. Je zou het eerste deel kunnen testen door een of meerdere staven van een oude rotor te onderbreken.

Volgens mij heb je een "spoel" (je meet de inductantie, toch?) De waarde van de spoel is afhankelijk van of, wat en hoeveel kernmateriaal er is. De effectieve hoeveelheid kern-materiaal hangt af van de positie van de rotor. Staat ie mooi in lijn met de kern van de spoel -> hoge inductie. Staat ie precies verkeerd-> lagere inductie.

Het schijnt dat ze dit effect bij BLDC motoren gebruiken om de rotorpositie te bepalen als de boel nog niet draait. Eerst rustig de inductie van de drie spoelen meten, en dan direct in de juiste fase beginnen.

Op 24 november 2013 18:22:26 schreef SparkyGSX:

Je zou het eerste deel kunnen testen door een of meerdere staven van een oude rotor te onderbreken.

Of doe deze test met een wound-rotor inductiemachine. Eén keer met de rotorwikkeling open, en een keer kortgesloten. Dan hoef je geen staven uit de rotor te slopen om de theorie te ... ehm ... staven.

Als je de geometrie van de machine tot je beschikking hebt, zou je ook eens wat eindig-elementenberekeningen kunnen doen. In dit geval volstaat een simpele berekening in het frequentiedomein.

@ SparkyGSX : het aantal ankerstaven bedraagt 20 bij deze motor. Het aantal maxima is 4 als ik me nog herinner.
Ook verschoof het maxima als ik ging meten op spoel V1-V2 in plaats van U1-U2

Verder staan de ankerstaven "schuin" ten opzichte van de ankeras. Dit om cogging (= schommelen van het ankerkoppel) te voorkomen. In feite komt het erop neer dat er altijd evenveel ankerstaven onder een spoel staan, de overlapping is dus steeds gelijk.

@ rew : het anker van een driefazige asynchroonmotor is mooi cilindervormig. Er is dus steeds evenveel materiaal onder iedere pool.

Het is inderdaad de zuiver inductantie, (L-waarde of het aantal henry's) die gemeten wordt.

Ik weet niet hoe zo'n motor in elkaar zit dus mogelijk slaat mijn antwoord nergens op.
De L die je meet bij magnetisch gekoppelde spoelen, is de combinatie van de zelf inductie van alle spoelen samen. De spoel die je meet wekt een magnetisch veld op. Dat veroorzaakt weer een reactie in de andere spoelen (Mutual inductance)

Je kunt dat controleren door een spoel te meten en dan de andere tijdens die meting kort te sluiten en open te laten. Als dat je meting beïnvloedt is mutual inductance de oorzaak. Er zijn methodes om dat te meten en zo de netto L van de te meten spoel te bepalen. Ik weet het zo niet uit mijn hoofd maar ik heb wat boeken waar de methode en formules worden gegeven. Een manier is de spoel meten met de anderen open en short. De andere methode is dacht ik iets met de spoelen in serie en parallel meten.

Als er kern materiaal is wordt de zelfinductie ook beïnvloed door de hoogte van de meetstroom maar dat is voor drie gelijke spoelen natuurlijk ook gelijk.

Op 24 november 2013 18:22:26 schreef SparkyGSX:
Ik zou verwachten dat het aantal maxima en minima overeenkomt met het aantal staven in de rotor, klopt dat?

Hier dacht ik ook aan.. maar is inderdaad eigenaardig dat het niet zo is.

Op 24 november 2013 22:20:46 schreef pamwikkeling:
In feite komt het erop neer dat er altijd evenveel ankerstaven onder een spoel staan, de overlapping is dus steeds gelijk.

Maar de overlapping is niet exact hetzelfde op de zelfde plaats.
Komt het aantal maxima misschien overeen met het aantal poolparen?
Kun je eens een experiment doen met een anders polige motor?

Als je het anker laat staan neem ik aan dat de inductie van de 3 wikkelingen dus allemaal wat anders zijn. En dat de maxima van de wikkelingen zelf afzonderlijk ook in de zelfde orde. Alleen ook 120 graden verschoven?

Op 24 november 2013 23:14:10 schreef henri62:Maar de overlapping is niet exact hetzelfde op de zelfde plaats.

Mee eens. Als er 20 staven in de rotor zitten, staan die op 18 graden afstand. De polen moeten echter altijd op een hoek staan waarvan 360/3 een veelvoud is. En 18 heeft 120 niet als veelvoud.

Het is inderdaad de zuiver inductantie, (L-waarde of het aantal henry's) die gemeten wordt.

Je bedoelt de zelfinductie. De inductantie is de impedantie
- van een zuivere zelfinductie
- of het inductieve deel van een niet-zuivere zelfinductie
bij een bepaalde frekwentie. Dat heb ik toch steeds zo begrepen.

Met welke frekwentie meet die brug trouwens?
Natuurlijk, het is die HP4263 LCR meter in de video neem ik aan.

Groetjes

Op 24 november 2013 22:20:46 schreef pamwikkeling:
@ rew : het anker van een driefazige asynchroonmotor is mooi cilindervormig. Er is dus steeds evenveel materiaal onder iedere pool.

Is dat zo'n massief ding? Dan heb je gelijk. Hmm.

Dus als ie perfect cylindervormig is en geen enkele asymmetrie bezit, dan KAN jou meting niet kloppen.

Hmmm.... Zou er wat remanent magnetisme in zitten en je een effect op basis van de magneet-werking van het anker meten?

@REW: dat suggereert dat de stator flink zou verzadigen door het veld van de rotor. Voor een permanente magneet motor is dat normaal, van een beetje remanent magnetisme van een stroomloos kooianker zou ik dat toch niet verwachten.

Ik heb ook niet echt een verklaring voor die 4 maxima en minima. Als ik het goed begrijp, meet je de 3 spoelen los van elkaar, dus niet tussen 2 fases van een ster, toch? Als dat niet zo is, zou je het eens echt per spoel kunnen meten?

Het enige wat ik nog kan bedenken is dat die 4x het resultaat is van een interferentie patroon tussen de statorpolen en de staven in de rotor, maar hoe je met 20 staven op 4x komt is me een raadsel. Daarbij zou ik eigenlijk niet zo'n sterk effect verwachten, met een hoek van +/- 9 graden. De koppeling tussen 2 spoelen is toch evenredig met de cosinus van de hoek?

Sparky,

Hier zie je 9 spoelen en zes poolparen. Die verhouding en werkelijke aantallen varieren enorm. Ik kan me dus best voorstellen dat er vier poolparen zijn en 20 (eehhh, dat moet een 3-voud zijn!) spoelen.

Wat is het nominale toerental van die motor? 750? (ehh ze roepen dan altijd iets als 675RPM of zo).

@REW: het gaat nu om een asynchrone motor, die heeft dus helemaal geen polen in de rotor, maar wordt meestal verondersteld homogeen te zijn. Je kunt het toerental van zo'n motor ook niet halveren door twee keer zoveel staven in de rotor te gebruiken. Gezien de 4 maxima zou ik inderdaad wel een motor met 2 of 4 poolparen verwachten.

Je zegt zelf al dat het te maken moet hebben met een of andere vorm van asymmetrie van de rotor; als die echt perfect rond is (dus de lengte van het luchtgat niet varieert), en het niet de staven of remanent magnetisme is, welke verdachten blijven er dan nog over?

Ik bedenk net dat die rotor magnetisch gezien misschien niet isotropisch is, dus dat die in een richting gemakkelijker te magnetiseren is dan een andere richting. Hier weet ik maar weinig van, maar volgens wikipedia is magnetische anisotropie een voorwaarde voor hysterese, en aangezien we weten dat er in het ijzer magnetische hysterese bestaat, moet het dus ook anisotropisch zijn. Dit suggereert wel dat de lamellen van het ijzerpakket dus niet willekeurig georiënteerd zijn, en in (ongeveer) dezelfde richting uit de gewalste plaat zijn gekomen.

Ik heb werkelijk geen idee of een dergelijk effect kan kloppen met de orde van grootte van 20% die de TS heeft gemeten; als dat zo is, zou ik verwachten dat het ook een redelijke invloed zou hebben op het koppel van de motor, en dat de fabrikant er dus voor zou zorgen dat de plaatjes in verschillende richtingen gestapeld worden om het tegen te gaan.

Op 25 november 2013 11:16:30 schreef SparkyGSX:
@REW: het gaat nu om een asynchrone motor, die heeft dus helemaal geen polen in de rotor, maar wordt meestal verondersteld homogeen te zijn. Je kunt het toerental van zo'n motor ook niet halveren door twee keer zoveel staven in de rotor te gebruiken. Gezien de 4 maxima zou ik inderdaad wel een motor met 2 of 4 poolparen verwachten.

Ondanks dat ie geen polen in de rotor heeft, maakt de stator een magnetisch veld met X polen. (X=2, 4, 6 of meer). Dat veld wordt in de rondte geslingerd, en de eddy currents in het anker zorgen er voor dat ie mee gaat draaien. Het anker gaat dan F*60 / aantalpoolparen - epsilon aan RPM draaien. F=50Hz, aantal poolparen is meestal 2 (getallen als 1420 RPM) of vier (600-700 RPM).

Ik verwacht in het anker van zo'n asynchrone motor juist geen lamellen. Het ding MOET juist eddycurrents krijgen. In de stator wel.

Op 25 november 2013 11:16:30 schreef SparkyGSX:
Ik bedenk net dat die rotor magnetisch gezien misschien niet isotropisch is, dus dat die in een richting gemakkelijker te magnetiseren is dan een andere richting. Hier weet ik maar weinig van, maar volgens wikipedia is magnetische anisotropie een voorwaarde voor hysterese, en aangezien we weten dat er in het ijzer magnetische hysterese bestaat, moet het dus ook anisotropisch zijn. Dit suggereert wel dat de lamellen van het ijzerpakket dus niet willekeurig georiënteerd zijn, en in (ongeveer) dezelfde richting uit de gewalste plaat zijn gekomen.

Ik denk ook dat het in die richting ligt. Echter niet door de lamellen die uit de zelfde plaat komen (meestal wordt magnetisch staal ge-annealed om zulke effecten te voorkomen), maar toch door remanent magnetisme. Op het moment dat je een asynchrone machine loskoppelt van het net (geen statorstromen meer) blijft het veld op een vaste plek in de rotor staan, in stand gehouden door de rotorstromen. Deze nemen exponentieel af met de rotor tijdsconstante, en omdat het veld vast ligt, blijft er iets van remanent magnetisme achter.

Om dit te controleren, zou je de locatie van een huidig maximum op de as en behuizing aan kunnen geven, de machine een keer aanzetten tot op volle snelheid en weer uitzetten door hem los te koppelen, en dan weer de maxima te bepalen. Ze zijn dan mogelijk verschoven. Eventueel een aantal keer herhalen.
Als ze inderdaad zijn verschoven, zou je ook eens de machine direct na uitschakelen kunnen kortsluiten. Hierdoor blijft er een slip aanwezig terwijl het veld wegvalt, wat wellicht de grootte van de minima en maxima verkleint (soort van degaussing).

Geheel los hiervan: een gemiddelde LCR-meter meet met milli-amperes. Hierdoor blijft het ijzer in minor loops zitten. Door de stroom te verhogen, zul je aanvankelijk een iets hogere zelfinductantie meten. Zelf heb ik hiervoor wel eens een verschil van 4% gezien.

Op 25 november 2013 12:19:47 schreef rew:
Ik verwacht in het anker van zo'n asynchrone motor juist geen lamellen. Het ding MOET juist eddycurrents krijgen. In de stator wel.

Stel dan je verwachtingen maar bij: ze hebben wel lamellen. Die wervelstromen moeten bij voorkeur door een zo goed mogelijk geleider lopen. Dit verlaagt de rotorweerstand en daarmee de rotorverliezen en slip. Een gemiddelde inductiemachine heeft daarom een koperen of aluminium kooi (aluminium kan in de gleuven gegoten worden en is daardoor goedkoper) met daaromheen gelamelleerde tanden en juk.

[Bericht gewijzigd door Goeievraag op maandag 25 november 2013 14:25:00 (13%)]

@Goeievraag: proberen vast te stellen of de maxima verschuiven lijkt me wel een bruikbaar en simpel experiment. Het zou dan naar mijn idee ook nog uit moeten maken of de motor belast of onbelast liep bij het uitschakelen; als hij belast wordt is de slip groter, en daarmee ook de rotorstroom.

Een alternatief experiment zou kunnen zijn om een motor via een variac te laten lopen, en de spanning geleidelijk naar 0V te draaien (eventueel met een 1-fase variac met een condensator, of de motor even op gang helpen bij het starten). Daarmee zou de rotor ook redelijk gedemagnetiseerd moeten raken, waardoor het verschil tussen het minimum en maximum kleiner zou moeten worden. De motor extern aandrijven met een DC stroom door de stator die je geleidelijk afbouwt zou hetzelfde effect geven, lijkt me.

Met een Dahlander motor zou je met zo'n meting kunnen vaststellen op welk nominale toerental hij liep bij het uitschakelen, als deze theorie klopt.

Ik zal in de loop van de week een aantal bijkomende testen doen.
en de fysische positie in functie van de inductantie opmeten.

motor nr : 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7
frequentie Hz : 50 - 50 - 50 - 50 - 50 - 50 - 50
spanning in Y V : 400 - 400 - 400 - 400 - 400 - 400 - 400
stroom in Y A : 1,81 - 2,6 - 2,55 - 2,5 - 3,45 - 3,4 - 3,3
cos fi : 0,75 - 0,81 - 0,77 - 0,78 - 0,81 - 0,77 - 0,79
asvermogen W : 750 - 1100 - 1100 - 1100 - 1500 - 1500 - 1500
toerental rpm : 1400 -1415 - 1440 - 1425 - 1420 - 1440 - 1435
rendement : 79,6 - / - / - 81,40% - / - 82,80% - 82,80%
rendement klasse : IE2 - IE1 - IE2 - IE2 - IE1 - IE2 - IE2

# polen : 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 - 4

lengte blik mm : 100 - 70 - 100 - 80 - 99 - 124 - 105
# stator gleuven : 36 - 36 - 36 - 36 - 36 - 36 - 36
stator diameter mm : 125 - 135 - 135 - 135,62 - 135 - 135 - 135,62
stator boring mm : 75,5 - 82,5 - 82,5 - 85,6 - 82,5 - 82,5 - 85,6
stator tandbreedte mm : 4,48 - 4,78 - 4,78 - 2,2-5,10 - 4,78 - 4,78 - 5,1
hoogte juk mm : ±10 - / - / - ±10 - / - ± 9,8 - ±10

# rotor gleuven : 26 - 28 - 28 - 28 - 28 - 28 - 28
rotor diameter mm : 75 - 82,1 - 82,1 - 85,07 - 82,1 - 82,1 - 85,05
rotor boring mm : 24,4 - 28,5 - 28,5 - 28,54 - 28,5 - 28,5 - 28,54
rotor tandbreedte mm : 1 - 1 - 1 - dicht - 1 - 1 - dicht

R stator U1-U2 ohm : 7,78 - 7,73 - 5,08 - 6,15 - 5,03 - 3,43 - 4,33
R stator V1-V2 ohm : 7,83 - 7,71 - 5,07 - 5,93 - 5,04 - 3,44 - 4,21
R stator W1-W2 ohm : 7,77 - 7,72 - 5,08 - 6,1 - 5,04 - 3,44 - 4,28

L stator U1-U2 mH : 30,0 - 23,2 - 22,9 - 23,6 - 15,41 - 16,83 - 17,83
L stator V1-V2 mH : 30,0 - 23,2 - 22,9 - 23,0 - 15,39 - 16,81 - 17,18
L stator W1-W2 mH : 29,9 - 23,1 - 22,6 - 23,6 - 15,29 - 16,73 - 17,67

L max met anker mH : 39,4 - 30,0 - 29,6 - 73,3 - 20,8 - 22,4 - 57,4
L min met anker mH : 39,1 - 29,2 - 28,3 - 62,8 - 20,0 - 21,3 - 48,9

In bijlage reeds een aantal meetresultaten van drie opeenvolgende generaties van motoren van eenzelfde fabrikant.
Het gaat voornamelijk om de motoren 2 - 3 - 4 ieder van 1.1 kW en de motoren 5 - 6 - 7 ieder van 1.5 kW.
Motoren 2 en 5 zijn de oudste productie datum 2010
Motoren 3 en 6 zijn recenter productie datum 2011
Motoren 4 en 7 zijn heel recent, productie datum september en november 2013

Het gaat voornamelijk om de rij "L max met anker" en de rij "L min met anker"

Hier werd de inductantie gemeten van een reeks spoelen (tussen U1 en U2); terwijl de andere reeksen spoelen in open kring liggen.
Het gaat om splinternieuwe motoren die enkel proefgedraaid hebben na produktie.

vooral de waardes 73.3 tov 62.8 en 57.4 tov 48.9 zijn vreemd.

Inderdaad, alleen motor 4 en 7 vertonen zo'n groot verschil, terwijl de spreiding bij de anderen relatief veel kleiner is. Het zijn ook de nieuwste motoren, wat toch wel suggereert dat er iets veranderd is aan het ontwerp.

Wat bedoel je met "rotor tandbreedte", die alleen bij die 2 motoren "dicht" is? Zou je foto's van de onderdelen kunnen maken? Ik heb zulke recente motoren nog niet vast gehad, laat staan open gemaakt.

Ik vind de opgegeven nominale toerentallen ook wel een beetje vreemd; de stap van 1415 (motor 2) naar 1440 (motor 3) suggereert, denk ik, een lagere rotorweerstand, en daarbij dus een kleinere slip bij dezelfde rotorstroom, maar vreemd genoeg is dat toerental bij motor 4 en 7 juist weer iets gedaald.

Misschien zijn die laatste 2 stiekem geen zuivere asynchroonmotoren meer, maar een of andere hybride, hoewel de meest voor de hand liggende opties daarvoor niet samengaan met de slip van een asynchrone motor. Ik heb hier nog ergens een vreemd exemplaar liggen, een hysterese motor met een massief stalen rotor, die zou aanlopen met slip zoals een asynchrone motor, en vanwege de hysterese uiteindelijk met 0 slip als een synchrone motor gaan lopen.

@ SparkyGSX in de rotor van een asynchroon motor zit een kortsluitkooi. Na het stapelen van het rotorblikpakket gaat men de aluminium kortsluitkooi en de kortsluitringen gieten. Daarna wordt de rotor op de motoras geperst en de buiten diameter van de rotor op de juist diameter gedraaid.

Bij sommige rotoren draait men deze zo ver dat de rotorkooi zichtbaar wordt, dan kan de je rotortand breedte meten. Namelijk de booglengte op de rotor buiten diameter van het stukje blikpakket dat begrensd wordt door twee naast elkaar liggende rotor kortsluit staven.

Bij andere rotoren zit de kortsluitkooi "dieper" in de rotor, de rotor buitenmantel wordt niet onderbroken door kortsluitstaven. Vandaar dat je ook geen rotortandbreedte kan meten. De rotor is dicht.
De bedoeling van deze laatste manier van construeren is wellicht om een magnetisch lek-flux-pad te creëren aan de buitenoppervlakte van de rotor. Ik vermoed dat het startkoppel (en de startstroom) van de motor daardoor lager gaat zijn.

Interessant thema.

Afhankelijk van het aantal polen, betekent dit ook dat als de motor draait de stroom (doelbewust of door fout in de rotorstaven)amplitude gemoduleerd is. Je zou de symmetrie (kwaliteit, defect) van de rotor dan kunnen testen door de (amplitude van de) zijbanden te meten met een SA.

Je zou bijna gaan denken dat dit op een of andere manier verband houdt met het gebruik van FOs.

EDIT:

Op 25 november 2013 15:03:37 schreef SparkyGSX: Een alternatief experiment zou kunnen zijn om een motor via een variac te laten lopen, en de spanning geleidelijk naar 0V te draaien.

Misschien wat meer werk, maar TV technici hadden vroeger een degaussing coil. Zou ook eventueel kunnen.

Op 25 november 2013 15:03:37 schreef SparkyGSX:Gezien de 4 maxima zou ik inderdaad wel een motor met 2 of 4 poolparen verwachten.

In de context van dit remanent magnetisme zou dit best kunnen. De zelfinductie is een scalaire waarde en het zou mij verbazen moest de polariteit van dit remanent magnetisme hierop invloed hebben.

[Bericht gewijzigd door YokoTsuno op dinsdag 26 november 2013 05:31:25 (21%)]

En door die dichte rotor zie je ook dat de stator een veel hogere zelfinductantie heeft. Althans, voor kleine stromen. Dat laagje ijzer kan heel dun zijn, en daardoor vrij snel verzadigen. Bij voldoende grote stromen gedraagt deze machine zich dan veel meer als zijn oudere broertjes.

Op 26 november 2013 00:20:02 schreef YokoTsuno:
[...]Misschien wat meer werk, maar TV technici hadden vroeger een degaussing coil. Zou ook eventueel kunnen.

Er zitten al prima spoelen in een motor, waarom zou je gaan 'klooien' met losse spoelen . Dan kun je toch beter Sparky's variac pakken...

Inderdaad, de inductie van de stator zonder de rotor is voor motoren 4 en 7 nagenoeg gelijk aan die van hun oudere broertjes, maar de inductie met rotor is voor de nieuwe rotors veel hoger. Een hogere inductie zou, naar mijn idee, ook een grotere koppelconstante moeten geven, al weet ik dat eigenlijk niet zeker.

Wellicht dat het rendement van die motoren in deellast beter is dan die van de oudere types, terwijl het opgegeven rendement (waarschijnlijk bij vollast of in ieder geval een bepaald werkpunt) van motoren 6 en 7 gelijk is.

Maar ik zie nog niet direct waarom dit het effect zou geven waar het allemaal om begon, tenzij het materiaal van de rotor ook veranderd zou zijn, waardoor de hysterese groter zou zijn geworden of zo.

Op 26 november 2013 15:21:59 schreef Goeievraag: Er zitten al prima spoelen in een motor, waarom zou je gaan 'klooien' met losse spoelen . Dan kun je toch beter Sparky's variac pakken...

Klooien is een relatief begrip .

Een rotor of misschien een volledige motor even onder een demagnetiseringsspoel houden lijkt mij niet echt moeilijk, tenminste als dat de oorzaak is en het belangrijk is dat de meting van deze L-en heel precies is.

Mijn bijdrage over mutual inductance was blijkbaar onzinnig, maar ik lees toch in diverse artikelen dat de zelfinductie van een driefase motor ten gevolge van mutual inductance sinusvormig varieert. En dat klinkt toch heel erg als het fenomeen wat de TS gemeten heeft.
Dat zelfde effect heb je bij varicoils. Door de spoelen ten opzichte van elkaar te verdraaien verandert de zelfinductie.

Op pag 7 wordt hier bv over gesproken. Een van de vele pdfs over mutual inductance bij 3 phase motors.

https://www.google.nl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=…