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Kleiner Gleichstrommotor

EIN Gleichspannungs Motor ist ein Motor in welchem elektrische Energie geformt wie a DC, wird in mechanische Energie umgewandelt. Seine Funktionsweise basiert auf der Lorentzkraft Das hier stromführendDirigent erleben in a Magnetfeld. Der Gleichstrommotor ist der am häufigsten verwendete Motor.^[Quelle?]

Wie arbeiten Elektromotoren basiert auf einem magnetischen Wechselfeld. Bei einem Gleichstrommotor erfolgt daher die mechanische Wirkung im Motor über die Kommutator (Sammler) oder elektronisch bei der sog bürstenloser Elektromotor, ändert sich die Richtung des Magnetfeldes ständig.

Die Haupteigenschaft des Gleichstrommotors ist, dass die Drehgeschwindigkeit lässt sich auf einfache Weise arrangieren. Dadurch eignet sich ein solcher Motor besonders gut für regelbare Elektromotoren fährt.

Kleine Gleichstrommotoren werden häufig in Geräten verwendet, die mit Batterie's oder Batterien arbeiten. Mit dem Aufstieg der Leistungselektronik Andererseits werden große Gleichstrommotoren zunehmend durch increasingly Drehstrom-Asynchronmotoren mit Frequenzumrichter.

Geschichte

Der erste Elektromotor war 1832 entwickelt von William Stör, und später (um 1837) von den Amerikanern vermarktet Thomas Davenport. Aber weil Strom damals nur geliefert werden konnte von Volta-Säulen Dies war kein kommerzieller Erfolg und der Elektromotor trat in den Hintergrund.

Der Gleichstrommotor wurde durch Zufall (wieder)entdeckt von Hippolyte Fontaine im 1873. Beim Verbinden von zwei Gramm Dynamoder ist gegangen went Dynamo Funktion als Motor, elektrisch angetrieben durch den anderen. Mit dieser Entdeckung der Reversibilität elektrischer Maschinen verläuft die Geschichte des Gleichstrommotors parallel zu der des Gleichstromgenerator.

Konstruktion

Eigenbau eines Gleichstrommotors

Gleichstrommotoren bestehen wie alle anderen Motoren im Wesentlichen aus zwei Teilen: Der stationäre äußere Teil wird als Stator genannt, der drehbare, innere Teil heißt der Rotor.

Der Stator ist ein hohler Eisenzylinder mit einer geraden Anzahl von Magnetpolen im Inneren. Diese Magnetpole erzeugen das Erregerfeld zwischen den Hauptpolen und durch den Luftspalt und den Rotor. Für kleine Motoren, Permanentmagnete gebraucht, mit größeren Motoren Elektromagnete. Gleichstrommotoren sind zusätzlich mit Hilfspolen und/oder Ausgleichswicklungen versehen, um Ankerreaktion entgegenzuwirken.

Der Rotor – auch Anker genannt – ist a Eisen Zylinder mit axialen Schlitzen versehen, in denen die Ankerwicklungen liegen. Die Wicklungen rotieren im Magnetfeld des Stators. Die Enden dieser Wicklungen sind mit den Lamellen des Kommutators verbunden. Durch Kohlebürsten die die Kommutatorschaufeln berühren, wird der Rotor mit Strom versorgt.

Auf der Rotorwelle befindet sich bei größeren Motoren zusätzlich ein Ventilator installiert, der ausreichend Kühlluft durch den Motor bläst, um die internen Wärmeverluste.

Operation

Ein einfacher Gleichstrommotor: Gleichstrommotordrehung Fließt ein Gleichstrom durch die rotierende Wicklung oder Ankerwicklung, wird im Anker (auch Rotor genannt) ein Magnetfeld erzeugt. Die linke Seite des Rotors wird vom festen linken Magneten weggedrückt und vom festen rechten Magneten angezogen, wodurch sich der Rotor dreht. Der Rotor beginnt sich um 180° zu drehen. Wenn der Rotor horizontal an den richtigen Polen angekommen ist, stoppt die Bewegung. Die einzige Möglichkeit, den Rotor am Drehen zu halten, besteht darin, die Pole des rotierenden Ankers umzukehren. Dies geschieht durch die Kommutator. Dadurch wird die Stromrichtung durch die Spulen umgekehrt, wodurch sich das Magnetfeld im Rotor oder Anker umkehrt. Die linke Seite des Rotors wird vom feststehenden linken Magneten weggedrückt und vom feststehenden rechten Magneten angezogen, wodurch sich der Rotor, auch Anker genannt, weiterdreht. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder.

Einfaches Diagramm zum Betrieb eines Gleichstrommotors 1 und 2: Kohlebürsten; A und B: Klingen des Kommutator; a und b: Leiter, die mit den Lamellen verbunden sind. (Beachten Sie, dass ein Strom, der auf Sie zukommt, durch einen Punkt dargestellt wird und wenn er Sie verlässt, ein Kreuz ist. Die Kraft F kann daraus abgeleitet werden über die derived Flemings linke Regelregel)

Paar

Durch das Magnetfeld bildet sich am Anker ein schwimmendes Element Paar ausgeübt. Das im Motor erzeugte Drehmoment wird durch die Formel bestimmt:

${displaystyle T=ccdot Phi cdot I_{ ext{a}}}$

Darin ist:

T = Paar in Newtonmeter (Nm)

c = Motorbaukonstante

Φ = Polarfluss des Erregerfeldes in weber (Wb)

ich_ein = Ankerstrom in Ampere (EIN)

Gegenspannung

Das Drehen des Ankers wird Induktion in den Wicklungen wird eine Spannung erzeugt. Die Richtung dieser induzierten Spannung ist der angelegten Klemmenspannung entgegengesetzt und wird daher als Sperrspannung (Gegen-EMK) bezeichnet.

${displaystyle E_{r}=ccdot omega _{ ext{r}}cdot Phi }$

Darin ist:

E_r = Gegenspannung in Volt (V)

c = Motorbaukonstante

ω_r = Rotorwinkelgeschwindigkeit in Radiant pro zweite (rad/s)

Φ = polarer Fluss des Anregungsfeldes in Weber (Wb)

Leistungsumwandlung

Bei einem Gleichstrommotor wird elektrische Leistung nach folgender Formel in mechanische Leistung umgewandelt:

${displaystyle E_{r}cdot I_{a}=P_{ ext{elek}}Longleftrightarrow P_{ ext{mech}}=Tcdot omega _{ ext{r}}}$

Nicht alle elektrische Leistung wird in mechanische Leistung umgewandelt. Ein Teil der zugeführten Leistung geht verloren und wird im Motor als Wärme abgegeben. Diese Leistungsverluste sind:

• Kupferverlustep_cu: Joule-Verluste in Anker-, Erreger-, Hilfs- und/oder Kompensationswicklungen.
• Eisenverlustep_fe: Hysterese und Wirbelstromverluste in der ferromagnetischen Kette von Rotor und Polschuhen.
• Mechanische Verluste p_ich: Reibungsverluste durch Lager, Bürsten am Kommutator, Luftreibung entlang des rotierenden Rotors und Lüfterantrieb.

Die nutzbare Wellenleistung P_Asche lässt sich dann berechnen mit:

${displaystyle P_{ ext{as}}=P_{ ext{clamp}}-P_{ ext{cu}}-P_{ ext{fe}}-P_{ ext{m}}}$

Effizienz

Die Rückkehr η eines Gleichstrommotors ist das Verhältnis der nutzbaren Wellenleistung p_Asche zur Eingangsleistung p_Klemme:

${displaystyle eta ={frac {P_{ ext{as}}}{P_{ ext{clamp}}}}}={frac {P_{ ext{as}}}{P_{ ext{as}} P_{ ext{cu }} P_{ ext{fe}} P_{ ext{m}}}}}$

Ausführungsformen

Die Art und Weise, in der die Erregerwicklung mit der Ankerwicklung verbunden ist, bestimmt maßgeblich das Verhalten des Gleichstrommotors. Die gängigsten Ausführungsformen sind:

Permanentmagnetmotor

Schema des Arbeitsprinzips einer permanenterregten Gleichstrommaschine gelijk

Bei Motoren mit kleinen Leistungen (< 1 kW) werden häufig Permanentmagnete zur Erregung verwendet. Der Vorteil dieser Motoren besteht darin, dass sie kleiner, leichter, effizienter und zuverlässiger sind als Motoren mit Spulenerregung. Nachteilig ist, dass keine Steuerung der Anregung möglich ist.

Für schwerere Motoren waren Permanentmagnete in der Vergangenheit nicht geeignet, da es schwierig war, geeignete Materialien zu finden, die die hohen Feldstärken halten konnten. Aufgrund neuerer Innovationen für magnetische Materialien werden Permanentmagnete wie Neodym-Magnet, mit denen kompakte große Gleichstrommotoren ohne Feldspulen gebaut werden können.

Seltsam erregter Motor

Bei Motoren mit Fremd- oder Fremderregung wird die Erregerspule – die das Erregerfeld bereitstellt – aus einer separaten Spannungsquelle gespeist, so dass sie unabhängig von der Ankerspannung geregelt werden kann. Da das Erregerfeld dieses Motors lastunabhängig ist, wird es U/min bleiben mit steigendem Drehmoment nahezu konstant. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei Abschwächung der Erregung die Drehzahl ansteigt (Motor beschleunigt), wodurch der Motor bei Verlust der Erregung durchdreht.

Serienmotor

Serienmotor

Beim Reihenmotor ist die Erregerspule in Serie mit der Ankerwicklung. Diese Reihenwicklung besteht aus wenigen Windungen dicken Kupferdrahtes. Reihenmotoren können stark überlastet werden und haben ein großes Anlaufmoment, wodurch sie stark ziehen und schnell beschleunigen. Allerdings ändert sich die Drehzahl mit der Belastung sehr stark. Die Besonderheit dieses Motors ist, dass er U/min ist umgekehrt proportional zu Paar, oder bei großer Last ist die Drehzahl klein, bei leichter Last hoch, und ohne Last läuft der Motor wild. Runaway bedeutet, dass die Geschwindigkeit unannehmbar hoch wird, was den Motor beschädigen kann. Der Vorschaltmotor kann daher nur dort eingesetzt werden, wo immer eine Last vorhanden ist, beispielsweise durch direkte Ankopplung an die anzutreibende Maschine.

Der Reihenmotor wird dort eingesetzt, wo hohe Anlaufmomente erforderlich sind, wie z. B. als Fahrmotor in elektrische Züge und Straßenbahnen. Auch der Anlasser im Auto ist ein Serienmotor.

Nebenschlussmotor

Nebenschlussmotor

Beim Nebenschlussmotor ist die Erregerspule parallel mit der Ankerwicklung. Diese Nebenschlusswicklung besteht aus vielen Windungen von dünnem Kupferdraht. Der aufgenommene Strom teilt sich im Motor in zwei Teile; der größte Teil davon fließt durch die Ankerwicklung und nur ein relativ kleiner Teil (höchstens 5%) durch die Erregerspule. Wesentliche Unterschiede des Nebenschlussmotors gegenüber dem Reihenmotor sind: Die Drehzahl des Nebenschlussmotors ändert sich nur sehr wenig mit der Last. Ein Nebenschlussmotor kann bei Verlust der Last niemals wild laufen (es sei denn, der Fluss geht verloren). Die Drehzahl von Shunt-Motoren kann in weiten Grenzen und sehr genau geregelt werden, ohne viele Verluste. Das Anlaufmoment ist ungünstiger als beim Reihenmotor.

Der Nebenschlussmotor wird hauptsächlich in Maschinen verwendet, die mit konstanter Drehzahl bei unterschiedlichen Lasten arbeiten, wie z Kräne und trampen, sowie für Antriebe, bei denen die Geschwindigkeit geregelt werden muss.

Verbundmotor

Der Compound-Motor ist eine Kombination der beiden oben genannten Motoren; es hat sowohl eine Reihen- als auch eine Nebenschlusserregerwicklung. Die Eigenschaften dieses Motors liegen zwischen denen der Reihen- und Nebenschlussmotoren.

• Motor der Compound-Serie: Starkes Serienfeld mit schwachem Nebenfeld ergibt einen Motor mit hohem Anlaufmoment, ohne dass der Motor durchdreht. Das vorhandene Shuntfeld verhindert dies.
• Zusammengesetzter Nebenschlussmotor: Starkes Nebenschlussfeld mit schwachem Reihenfeld ergibt Nebenschlussmotor mit höherem Anlaufdrehmoment als Standard-Nebenschlussmotor. Der Nachteil ist, dass die Geschwindigkeit mit zunehmender Last abnimmt. Daher werden bei diesem Motortyp nach dem Starten des Motors die Reihenwicklungen kurzgeschlossen.
• Kompensierter Nebenschlussmotor: Nebenschlussmotor mit schwachem Vorschaltfeld (manchmal nur eine Polumdrehung), der der feldschwächenden Wirkung der Ankerreaktion entgegenwirkt, damit der Motor auch bei hohen Ankerströmen stabil weiterläuft.
• Gegenverbundmotor: Starkes Nebenschlussfeld mit a Gegenteil schwaches Serienfeld sorgt dafür, dass die Drehzahl bei steigender Last immer konstant bleibt. Solche Motoren können unter dem Einfluss der Ankerreaktion instabil werden.

Geschwindigkeitskontrolle

Eine wichtige Eigenschaft des Gleichstrommotors ist, dass er U/min lässt sich leicht variieren. Dazu können folgende Methoden verwendet werden:

• Anregungsstromvariation
• Variation des Ankerkettenwiderstands
• Variation der Motorspannung

Erregerstrom

Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann durch den Strom gesteuert werden, der durch die Erregerwicklung durch a . fließt Widerstand arrangieren. Durch das Abschwächen des Magnetfelds der Hauptpole muss sich der Rotor schneller drehen, um die erforderliche Gegenspannung bereitzustellen. Umgekehrt dreht sich der Rotor langsamer, wenn das Magnetfeld verstärkt wird; dies wird durch die Sättigung des Anregungsfeldes begrenzt.

Widerstand der Ankerkette

Startvorrichtung für einen Nebenschlussmotor

Durch Reihenwiderstände im Serie mit der Rotorwicklung steigt der Spannungsabfall an der Ankerkette, so dass die Sperrspannung (und damit die Drehzahl) abnimmt.

Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der Anlaufstrom beim Starten des Motors begrenzt werden kann. Denn beim Anfahren aus dem Stillstand ist die Sperrspannung Null und die volle Klemmenspannung liegt nur an der Rotorwicklung an (${Displaystil I_{a}=(U-E_{r})/R_{a}}$). Wenn sich der Rotor zu drehen beginnt, wird eine Gegenspannung erzeugt und der Serienwiderstand kann allmählich verringert werden, bis die Gegenspannung so groß geworden ist, dass sie den Spannungsabfall am Widerstand ersetzen kann.

Der Nachteil ist, dass diese Methode nicht verlustfrei ist schließlich Teil des Vermögens (${Displaystil I^{2}*R}$) wird in den Widerständen in Wärme umgewandelt.

Motorspannung

Thyristorgesteuerter Gleichrichter

Die gebräuchlichste Methode – insbesondere bei Motoren mit Permanentmagneterregung – zur Drehzahlregelung ist die Variation der Klemmenspannung. Voraussetzung ist, dass das Magnetfeld für die Anregung eine konstante Stärke hat. Möglichkeiten sind:

• Ward-Leonard-Schaltung
• Thyristor geregelter Gleichrichter
• Zerhacker mit DC-Netzteil

Externe Links

• (das) Animation einer Gleichstrommaschine
• (und) Elektromotoren und Generatoren
• (fr) Magnetische Schaltungen des Maschinen
• (fr) Gleichstrommotor: Animation
• (fr) Génératrice à Courant Weiter : Animation
• (fr) Maschine à Strom kontinuierlich
• (fr) Modélisation d'un moteur à current continuant
• (fr) Regulation de vitesse d'un moteur à current continuant
• (fr) Moteur à Eintrittsplan
• (fr) Évolution des moteurs à courant Fortsetzung und Traktion