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DC-Motoren als Generatoren
Sowohl bürstenbehaftete als auch bürstenlose DC-Motoren können als Generatoren betrieben werden. Allerdings müssen bei der Auslegung des Antriebs einige wichtige Punkte berücksichtigt werden.
Ich werde immer wieder einmal gefragt, ob sich maxon DC-Motoren als Generatoren eignen. Unsere Motoren sind sehr effizient, dies gilt auch dann, wenn Sie als Generatoren zum Einsatz kommen. Die grundlegenden Berechnungen zwischen Drehzahl und Spannung sowie Strom und Drehmoment sind sehr einfach. Die folgenden Regeln helfen bei der Wahl:
Gleich- oder Wechselspannung?
Regel 1: Um Gleichspannung zu erzeugen, wählen Sie einen bürstenbehafteten DC-Motor oder verwenden Sie einen bürstenlosen EC-(BLDC-)Motor mit einem Spannungsgleichrichter. Zur Erzeugung von Wechselspannung wählen Sie einen bürstenlosen EC-Motor und schliessen nur zwei Phasen an. Bürstenlose Motoren benötigen keine Hall-Sensoren.
Drehzahlkonstante kn
Viele Generatoren werden mit Drehzahlen von 1 000 min-1 oder weniger betrieben. Für kleine Motoren ist dies eine sehr niedrige Drehzahl. Um 10 V oder mehr bei 1 000 min-1 zu erzeugen, bedarf es einer Drehzahlkonstante von nur 100 min-1/V oder weniger. Solche Wicklungen sind im maxon Portfolio schwer zu finden. Nur einige wenige Wicklungen mit hohem Widerstand in grösseren Motoren erfüllen diese Anforderung. Kleinere Motoren verfügen über höhere Drehzahlkonstanten.
Tabelle 1 zeigt eine Auswahl an Motoren mit niedriger Drehzahlkonstante (oder hoher Generatorkonstante = erzeugte Spannung pro Drehzahl). Normalerweise führt nur die Motorwicklung mit dem höchsten Widerstand zu einer Drehzahlkonstante von weniger als 100 min-1/V.
Regel 2: Ohne Berücksichtigung der Last sollte die Wicklung eine Drehzahlkonstante von kn < n/U oder kleiner aufweisen. Alternativ kann die Motordrehzahl durch den Einsatz eines Getriebes erhöht werden (siehe unten).
Widerstand
Regel 2 erfordert Motoren mit hoher Generatorkonstante. Leider haben diese Wicklungen auch den höchsten Widerstand. Ein hoher Widerstand verringert die Ausgangsspannung unter Last. Dadurch ist die Ausgangsspannung gegenüber dem Laststrom sehr empfindlich.
Regel 3: Für eine stabile Ausgangsspannung über einen bestimmten Lastbereich wählen Sie lieber einen grösseren Motor, bei dem der Widerstand auch bei Motoren mit hoher Generatorkonstante geringer ist.
Die EC-i 40 High Torque Motoren sind unter diesem Gesichtspunkt sehr interessant.
Leistungsbeschränkungen
Wählen Sie den Motor-Generator nicht nur aufgrund der Leistung aus. Um die Drehmomentanforderungen zu erfüllen, benötigen Sie möglicherweise einen Motor mit einer viel höheren Nennleistung als die zu erzeugende Leistung. Vor allem dann, wenn die Generatordrehzahl im Vergleich zu typischen Motordrehzahlen eher niedrig ist.
Drehmoment- und Drehzahlbeschränkungen
Die Höhe des Drehmoments auf dem Generator definiert die Grösse und den Typ des Motor-Generators. Wählen Sie einen Motortyp mit einem Dauerdrehmoment, das höher als das Generatordrehmoment ist. Bei der Berechnung des Drehmoments oder der Strombelastung muss die Betriebsart berücksichtigt werden. Läuft der Generator über lange Zeiträume oder in intermittierenden Betriebszyklen oder nur in kurzen Intervallen? Dementsprechend muss eine Motorgrösse mit ausreichendem Dauerdrehmoment oder Strom gewählt werden. Beachten Sie zudem die Maximaldrehzahl des Motortyps. Aufgrund der allgemein niedrigen Drehzahlen ist dies jedoch selten ein Problem.
Strom- und Spannungsbegrenzungen
Die am besten geeignete Wicklung eines bestimmten Motortyps ergibt sich aus den Anforderungen an Strom und erzeugte Spannung. Die Wicklung muss auch unter Last die erforderliche Spannung U erzeugen können. Unter der Annahme einer festen Generatordrehzahl n benötigen wir eine erzeugte Spannung der Wicklung Ut, die grösser als U ist.
Wählen Sie die Drehzahlkonstante nach Regel 2, d. h. eine Wicklung mit ausreichend hohem Widerstand, ohne Berücksichtigung der Last. Da die Stromkapazität mit zunehmendem Widerstand abnimmt, stellen Sie sicher, dass der Dauerstrom immer noch gross genug ist.
Ut = n/kn – Rmot · IL > U
Die Grafik zeigt recht schön die gegenläufigen Effekte verschiedener Wicklungen.
- Je höher der Wicklungswiderstand, desto höher die erzeugte (Leerlauf-)Spannung.
- Je höher jedoch der Wicklungswiderstand, desto empfindlicher wird die erzeugte Spannung gegenüber Laststromänderungen.
Diese widersprüchlichen Effekte können bis zu einem gewissen Grad eliminiert werden, indem grössere Motoren ausgewählt werden, die niedrigere Widerstände für die gleiche Generatorkonstante aufweisen (gemäss Regel 3).
Die Spannungs-Strom-Kennlinien der verschiedenen Wicklungen des RE 40 mit Edelmetallbürsten bei 500 min-1. Beachten Sie die verschiedenen Steigungen der Wicklungen.
Getriebe-Motor-Kombinationen
Regel 4: Verwenden Sie Getriebe, um sehr niedrige Drehzahlen zu erhöhen. maxon Getriebe sind jedoch nicht wirklich gut darin, vom Ausgang angetrieben zu werden. Verwenden Sie rückwärts angetriebene Getriebe, d. h. Planetengetriebe bis zu zwei Stufen oder Stirnradgetriebe. (Oder speziell entwickelte Getriebe.)
Die Verwendung von Getriebe-Motor-Kombinationen ist darin begründet, dass Generatoren einen sehr langsamen Antriebsmechanismus haben, z. B. von einer Wind- oder Wasserkraftanlage oder sogar von Hand angetrieben werden. Ein paar Beobachtungen und Empfehlungen:
- Die Getriebe müssen in diesen Fällen rückwärts angetrieben werden. maxon Getriebe sind jedoch nicht wirklich für Rückdrehbarkeit ausgelegt und der Wirkungsgrad ist niedrig.
- Getriebe mit hoher Untersetzung (3 Stufen und höher) sind nur beschränkt rückdrehbar, d. h. sie drehen sich nicht, wenn sie mit dem maximal zulässigen Drehmoment vom Ausgang angetrieben werden. 1- oder 2-stufige Planetengetriebe sind besser geeignet, denn sie können vom Ausgang aus betrieben werden.
- Verwenden Sie besser Stirnradgetriebe anstelle von Planetengetrieben. Stirnradgetriebe sind leichter rückdrehbar und weisen dabei allgemein einen höheren Wirkungsgrad auf.
Special case: DC motor as DC tacho
Regel 5: Verwenden Sie DC-Motoren mit Edelmetallbürsten für DC-Tachos, da sie besser für niedrige Ströme geeignet sind. Wählen Sie die Wicklung entsprechend der gewünschten Tachospannung und dem Drehzahlbereich in Ihrer Applikation aus. Machen Sie sich keine Sorgen um den Wicklungswiderstand. Stellen Sie einfach sicher, dass ein Lastwiderstand von mehreren kΩ vorhanden ist, um die Ströme klein zu halten.