Gleichspannungs Motor - DC motor

Funktionsweise eines bürstenbehafteten Elektromotors mit zweipoligem Rotor (Anker) und Permanentmagnet-Stator. "N" und "S" bezeichnen Polaritäten auf den inneren Achsenflächen der Magnete ; die Außenflächen haben entgegengesetzte Polaritäten. Die + und - Zeichen zeigen , wo der Gleichstrom an die angelegt wird Kommutator , die den Strom liefert Ankerspulen

Das Lokomotivfahrwerk der Klasse DD1 der Pennsylvania Railroad war ein semi-permanent gekoppeltes Paar von Gleichstrom-Elektrolokomotiven der dritten Schiene, die für die anfängliche Elektrifizierung der Eisenbahn im New Yorker Raum gebaut wurden, als Dampflokomotiven in der Stadt verboten wurden (Lokführerhaus hier entfernt).

Ein Gleichstrommotor ist eine Klasse von rotierenden Elektromotoren , die elektrische Gleichstromenergie in mechanische Energie umwandelt. Die gängigsten Typen beruhen auf den Kräften, die durch Magnetfelder erzeugt werden. Fast alle Arten von Gleichstrommotoren haben einen internen Mechanismus, entweder elektromechanisch oder elektronisch, um die Stromrichtung in einem Teil des Motors periodisch zu ändern.

Gleichstrommotoren waren die erste weit verbreitete Form von Motoren, da sie von bestehenden Gleichstrom-Beleuchtungsstromverteilungssystemen angetrieben werden konnten. Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann über einen weiten Bereich gesteuert werden, entweder mit einer variablen Versorgungsspannung oder durch Ändern der Stromstärke in seinen Feldwicklungen. Kleine Gleichstrommotoren werden in Werkzeugen, Spielzeug und Geräten verwendet. Der Universalmotor kann mit Gleichstrom betrieben werden, ist jedoch ein leichter Bürstenmotor , der für tragbare Elektrowerkzeuge und Geräte verwendet wird. Größere Gleichstrommotoren werden derzeit zum Antrieb von Elektrofahrzeugen, Aufzügen und Hebezeugen sowie in Antrieben für Stahlwalzwerke verwendet. Das Aufkommen der Leistungselektronik hat in vielen Anwendungen den Ersatz von Gleichstrommotoren durch Wechselstrommotoren ermöglicht.

Elektromagnetische Motoren

Eine stromdurchflossene Drahtspule erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das auf die Mitte der Spule ausgerichtet ist. Die Richtung und Größe des von der Spule erzeugten Magnetfelds kann mit der Richtung und Größe des durch sie fließenden Stroms geändert werden.

Ein einfacher Gleichstrommotor hat einen stationären Magnetsatz im Stator und einen Anker mit einer oder mehreren Wicklungen aus isoliertem Draht, der um einen Weicheisenkern gewickelt ist, der das Magnetfeld konzentriert. Die Wicklungen haben normalerweise mehrere Windungen um den Kern, und bei großen Motoren können mehrere parallele Strompfade vorhanden sein. Die Enden der Drahtwicklung sind mit einem Kommutator verbunden . Der Kommutator ermöglicht die Erregung jeder Ankerspule nacheinander und verbindet die rotierenden Spulen über Bürsten mit der externen Stromversorgung. (Bürstenlose Gleichstrommotoren haben eine Elektronik, die den Gleichstrom zu jeder Spule ein- und ausschaltet und haben keine Bürsten.)

Die Gesamtstrommenge, die an die Spule gesendet wird, die Größe der Spule und die Umhüllung bestimmen die Stärke des erzeugten elektromagnetischen Felds.

Die Reihenfolge des Ein- oder Ausschaltens einer bestimmten Spule bestimmt, in welche Richtung die wirksamen elektromagnetischen Felder gerichtet sind. Durch sequentielles Ein- und Ausschalten von Spulen kann ein rotierendes Magnetfeld erzeugt werden. Diese rotierenden Magnetfelder wirken mit den Magnetfeldern der Magnete (Permanent- oder Elektromagnete ) im stationären Teil des Motors (Stator) zusammen, um ein Drehmoment auf den Anker zu erzeugen, der ihn in Drehung versetzt. Bei einigen Gleichstrommotorkonstruktionen verwenden die Statorfelder Elektromagnete, um ihre Magnetfelder zu erzeugen, was eine bessere Kontrolle über den Motor ermöglicht.

Gleichstrommotoren werden bei hohen Leistungen fast immer mit Umluft gekühlt.

Eine unterschiedliche Anzahl von Stator- und Ankerfeldern sowie deren Verbindung bieten unterschiedliche inhärente Drehzahl- und Drehmomentregelungseigenschaften. Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann durch Ändern der an den Anker angelegten Spannung gesteuert werden. Ein variabler Widerstand im Ankerkreis oder Feldkreis ermöglicht eine Drehzahlregelung. Moderne Gleichstrommotoren werden oft von Leistungselektroniksystemen gesteuert , die die Spannung anpassen, indem sie den Gleichstrom in Ein- und Ausschaltzyklen mit einer effektiv niedrigeren Spannung "zerhacken".

Da der in Reihe geschaltete Gleichstrommotor sein höchstes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit entwickelt, wird er häufig in Traktionsanwendungen wie Elektrolokomotiven und Straßenbahnen eingesetzt . Der Gleichstrommotor war viele Jahre die tragende Säule der elektrischen Traktionsantriebe sowohl bei elektrischen als auch bei dieselelektrischen Lokomotiven , Straßenbahnen und dieselelektrischen Bohrgeräten. Die Einführung von Gleichstrommotoren und einem elektrischen Netzsystem zum Betrieb von Maschinen ab den 1870er Jahren leitete eine neue zweite industrielle Revolution ein . Gleichstrommotoren können direkt mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden und liefern die Antriebskraft für die ersten Elektrofahrzeuge und die heutigen Hybridautos und Elektroautos sowie für den Antrieb einer Vielzahl von kabellosen Geräten. Noch heute finden sich Gleichstrommotoren in so kleinen Anwendungen wie Spielzeug und Plattenlaufwerken oder in großen Baugrößen zum Betrieb von Stahlwalzwerken und Papiermaschinen. Große Gleichstrommotoren mit fremderregten Feldern wurden in der Regel bei Wicklerantrieben für Bergwerksaufzüge , für hohe Drehmomente sowie sanfte Drehzahlregelung mit Thyristorantrieben eingesetzt. Diese werden jetzt durch große AC-Motoren mit Frequenzumrichter ersetzt.

Wird ein Gleichstrommotor von außen mit mechanischer Leistung beaufschlagt, wirkt er als Gleichstromgenerator, ein Dynamo . Diese Funktion wird verwendet, um die Batterien von Hybrid- und Elektroautos zu verlangsamen und aufzuladen oder um Strom in das Stromnetz einer Straßenbahn oder einer elektrisch betriebenen Bahnstrecke zurückzugeben, wenn sie langsamer werden. Dieser Vorgang wird bei Hybrid- und Elektroautos als regeneratives Bremsen bezeichnet . In dieselelektrischen Lokomotiven verwenden sie ihre Gleichstrommotoren auch als Generatoren, um die Energie in Widerstandsstapeln zu verlangsamen, aber abzuführen. Neuere Designs fügen große Akkupacks hinzu, um einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen.

Gebürstet

Ein bürstenbehafteter Gleichstrom-Elektromotor, der mithilfe einer internen mechanischen Kommutierung ein Drehmoment aus einer Gleichstromversorgung erzeugt. Stationäre Permanentmagnete bilden das Statorfeld. Das Drehmoment wird nach dem Prinzip erzeugt, dass jeder stromdurchflossene Leiter, der sich in einem externen Magnetfeld befindet, eine Kraft erfährt, die als Lorentzkraft bekannt ist. Bei einem Motor ist die Größe dieser Lorentzkraft (ein durch den grünen Pfeil dargestellter Vektor) und damit das Ausgangsdrehmoment eine Funktion des Rotorwinkels, was zu einem Phänomen führt, das als Drehmomentwelligkeit bekannt ist. Da es sich um einen zweipoligen Motor handelt , besteht der Kommutator aus einem geteilten Ring, so dass sich der Strom jede halbe Umdrehung (180 Grad) umkehrt.

Der bürstenbehaftete Gleichstrom-Elektromotor erzeugt Drehmoment direkt aus Gleichstrom, der dem Motor zugeführt wird, indem er interne Kommutierung, stationäre Magnete ( Permanent- oder Elektromagnete ) und rotierende Elektromagnete verwendet.

Zu den Vorteilen eines Gleichstrommotors mit Bürsten gehören niedrige Anschaffungskosten, hohe Zuverlässigkeit und einfache Steuerung der Motordrehzahl. Nachteile sind der hohe Wartungsaufwand und die geringe Lebensdauer bei intensiver Nutzung. Die Wartung umfasst den regelmäßigen Austausch der stromführenden Kohlebürsten und Federn sowie das Reinigen oder Ersetzen des Kommutators . Diese Komponenten sind notwendig, um elektrische Leistung von außerhalb des Motors auf die Spinndrahtwicklungen des Rotors innerhalb des Motors zu übertragen.

Bürsten bestehen normalerweise aus Graphit oder Kohlenstoff, manchmal mit zugesetztem dispergiertem Kupfer, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Im Gebrauch verschleißt das weiche Bürstenmaterial, um sich dem Durchmesser des Kommutators anzupassen, und verschleißt weiter. Ein Bürstenhalter hat eine Feder, um den Druck auf die Bürste beim Kürzen aufrechtzuerhalten. Bei Bürsten, die mehr als ein oder zwei Ampere tragen sollen, wird ein offenes Kabel in die Bürste eingegossen und an die Motorklemmen angeschlossen. Sehr kleine Bürsten können auf einem Gleitkontakt mit einem Metallbürstenhalter beruhen, um Strom in die Bürste zu leiten, oder sie können auf einer Kontaktfeder beruhen, die auf das Ende der Bürste drückt. Die Bürsten in sehr kleinen, kurzlebigen Motoren, wie sie in Spielzeug verwendet werden, können aus einem gefalteten Metallstreifen bestehen, der den Kommutator berührt.

Bürstenlos

Typische bürstenlose Gleichstrommotoren verwenden einen oder mehrere Permanentmagnete im Rotor und Elektromagnete am Motorgehäuse für den Stator. Ein Motorcontroller wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um . Diese Konstruktion ist mechanisch einfacher als die von Bürstenmotoren, da sie die Komplikation der Kraftübertragung von außerhalb des Motors auf den sich drehenden Rotor eliminiert. Der Motorcontroller kann die Position des Rotors über Hall-Effekt- Sensoren oder ähnliche Geräte erfassen und den Zeitpunkt, die Phase usw. des Stroms in den Rotorspulen präzise steuern, um das Drehmoment zu optimieren, Strom zu sparen, die Geschwindigkeit zu regulieren und sogar etwas zu bremsen. Vorteile von bürstenlosen Motoren sind eine lange Lebensdauer, wenig oder keine Wartung und ein hoher Wirkungsgrad. Nachteile sind hohe Anschaffungskosten und kompliziertere Motordrehzahlregler. Einige dieser bürstenlosen Motoren werden manchmal als "Synchronmotoren" bezeichnet, obwohl sie keine externe Stromversorgung zum Synchronisieren haben, wie dies bei normalen AC-Synchronmotoren der Fall wäre.

Unkommutiert

Andere Arten von Gleichstrommotoren erfordern keine Kommutierung.

Homopolarer Motor – Ein homopolarer Motor hat ein Magnetfeld entlang der Drehachse und einen elektrischen Strom, der an einem bestimmten Punkt nicht parallel zum Magnetfeld verläuft. Der Name homopolar bezieht sich auf das Fehlen einer Polaritätsänderung. Homopolare Motoren haben notwendigerweise eine Single-Turn-Spule, was sie auf sehr niedrige Spannungen begrenzt. Dies hat die praktische Anwendung dieses Motortyps eingeschränkt.
Kugellagermotor - Ein Kugellager Motor ist ein ungewöhnlicher Elektromotor, der besteht aus zwei Lagerkugel ; -Typ - Lager, wobei die inneren Laufringe auf einer gemeinsame leitenden Welle angebracht ist , und die äußeren Laufringe mit einem hohen Strom, Niederspannungs - Stromversorgung. Bei einer alternativen Konstruktion werden die Außenringe in ein Metallrohr eingebaut, während die Innenringe auf einer Welle mit nichtleitendem Abschnitt montiert sind (zB zwei Hülsen auf einem Isolierstab). Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Rohr als Schwungrad fungiert. Die Drehrichtung wird durch den anfänglichen Spin bestimmt, der normalerweise erforderlich ist, um ihn in Gang zu setzen.

Permanentmagnet-Statoren

Ein Permanentmagnetmotor (PM) hat keine Feldwicklung am Statorrahmen, sondern verlässt sich auf PMs, um das Magnetfeld bereitzustellen, gegen das das Rotorfeld interagiert, um ein Drehmoment zu erzeugen. Bei großen Motoren können Kompensationswicklungen in Reihe mit dem Anker verwendet werden, um die Kommutierung unter Last zu verbessern. Da dieses Feld fest ist, kann es nicht für die Geschwindigkeitssteuerung angepasst werden. PM-Felder (Statoren) sind in Miniaturmotoren praktisch, um die Leistungsaufnahme der Feldwicklung zu eliminieren. Die meisten größeren Gleichstrommotoren sind vom Typ "Dynamo", die Statorwicklungen haben. In der Vergangenheit konnten PMs nicht dazu gebracht werden, einen hohen Fluss beizubehalten, wenn sie zerlegt wurden; Feldwicklungen waren praktischer, um die erforderliche Flussmenge zu erhalten. Große PMs sind jedoch kostspielig sowie gefährlich und schwierig zu montieren; dies begünstigt gewickelte Felder für große Maschinen.

Um das Gesamtgewicht und die Gesamtgröße zu minimieren, können Miniatur-PM-Motoren Hochenergiemagnete aus Neodym oder anderen strategischen Elementen verwenden; die meisten davon sind Neodym-Eisen-Bor-Legierungen. Elektrische Maschinen mit hochenergetischen PMs sind mit ihrer höheren Flussdichte zumindest mit allen optimal ausgelegten einfach gespeisten Synchron- und Induktionselektromaschinen konkurrenzfähig . Miniaturmotoren ähneln dem Aufbau in der Abbildung, haben jedoch mindestens drei Rotorpole (um den Start unabhängig von der Rotorposition zu gewährleisten) und ihr Außengehäuse ist ein Stahlrohr, das die Außenseiten der gekrümmten Feldmagnete magnetisch verbindet.

Gewickelte Statoren

Eine Feldspule kann im Nebenschluss, in Reihe oder in Verbindung mit dem Anker einer Gleichstrommaschine (Motor oder Generator) geschaltet werden.

Es gibt drei Arten von elektrischen Verbindungen zwischen Stator und Rotor, die für DC-Elektromotoren möglich sind: Serie, Nebenschluss/Parallel und Verbund (verschiedene Mischungen aus Reihe und Nebenschluss/Parallel) und jede hat einzigartige Drehzahl-/Drehmomenteigenschaften, die für unterschiedliche Lastdrehmomentprofile geeignet sind. Unterschriften.

Serienverbindung

Ein Reihen-DC-Motor verbindet die Anker- und Feldwicklungen in Reihe mit einer gemeinsamen Gleichstromquelle. Die Motordrehzahl variiert als nichtlineare Funktion von Lastdrehmoment und Ankerstrom; Strom ist sowohl dem Stator als auch dem Rotor gemeinsam, was zu einem Stromquadrat-Verhalten (I^2) führt. Ein Reihenmotor hat ein sehr hohes Anlaufdrehmoment und wird üblicherweise zum Anlassen von Lasten mit hoher Trägheit wie Züge, Aufzüge oder Hebezeuge verwendet. Diese Geschwindigkeits-/Drehmoment-Kennlinie ist nützlich bei Anwendungen wie Schleppbaggern , bei denen sich das Grabwerkzeug im unbelasteten Zustand schnell, beim Tragen einer schweren Last jedoch langsam bewegt.

Ein Reihenmotor sollte niemals ohne Last gestartet werden. Ohne mechanische Belastung des Reihenmotors ist der Strom niedrig, die von der Feldwicklung erzeugte Gegen-Elektromotorische Kraft ist schwach, und daher muss sich der Anker schneller drehen, um eine ausreichende Gegen-EMK zum Ausgleich der Versorgungsspannung zu erzeugen. Der Motor kann durch Überdrehzahl beschädigt werden. Dies wird als Ausreißerzustand bezeichnet.

Serienmotoren, die Universalmotoren genannt werden, können mit Wechselstrom betrieben werden . Da sich die Ankerspannung und die Feldrichtung gleichzeitig umkehren, wird weiterhin Drehmoment in der gleichen Richtung erzeugt. Sie laufen jedoch mit einer niedrigeren Drehzahl und einem niedrigeren Drehmoment bei Wechselstromversorgung im Vergleich zu Gleichstrom aufgrund des Reaktanzspannungsabfalls bei Wechselstrom, der bei Gleichstrom nicht vorhanden ist. Da die Drehzahl nicht von der Netzfrequenz abhängt, können Universalmotoren höhere Drehzahlen als Synchrondrehzahlen entwickeln und sind damit leichter als Asynchronmotoren gleicher mechanischer Nennleistung. Dies ist eine wertvolle Eigenschaft für handgeführte Elektrowerkzeuge. Universalmotoren für kommerzielle Zwecke haben normalerweise eine kleine Leistung, nicht mehr als etwa 1 kW Leistung. Für Elektrolokomotiven wurden jedoch wesentlich größere Universalmotoren verwendet, die von speziellen niederfrequenten Bahnstromnetzen gespeist wurden , um Kommutierungsprobleme bei hoher und wechselnder Last zu vermeiden.

Shunt-Anschluss

Ein Nebenschluss-Gleichstrommotor verbindet die Anker- und Feldwicklungen parallel oder überbrückt mit einer gemeinsamen Gleichstromquelle. Dieser Motortyp verfügt über eine gute Drehzahlregelung auch bei schwankender Last, hat jedoch nicht das Anlaufdrehmoment eines Reihen-DC-Motors. Es wird typischerweise für industrielle Anwendungen mit einstellbarer Geschwindigkeit wie Werkzeugmaschinen, Auf- und Abwickelmaschinen und Spannvorrichtungen verwendet.

Verbundverbindung

Ein Verbund-DC-Motor verbindet die Anker- und Feldwicklungen in einer Shunt- und einer Reihenkombination, um ihm die Eigenschaften eines Shunt- und eines Reihen-DC-Motors zu verleihen. Dieser Motor wird verwendet, wenn sowohl ein hohes Anlaufdrehmoment als auch eine gute Drehzahlregelung benötigt werden. Der Motor kann in zwei Anordnungen angeschlossen werden: kumulativ oder differentiell. Kumulative Verbundmotoren verbinden das Reihenfeld, um das Nebenschlussfeld zu unterstützen, das ein höheres Anlaufdrehmoment, aber weniger Drehzahlregelung bietet. DC-Differential-Compound-Motoren haben eine gute Drehzahlregelung und werden typischerweise mit konstanter Drehzahl betrieben.

Siehe auch

Externe Links

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So wählen Sie einen DC-Motor bei MICROMO . aus
DC-Motormodell in Simulink beim Dateiaustausch - MATLAB Central

Verweise

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