Expert Blog
Gelijkstroommotoren als generatoren
Zowel gelijkstroommotoren met als zonder borstels kunnen als generator worden gebruikt. Maar er zijn een paar belangrijke punten waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van de aandrijving.
Af en toe vragen mensen me of je gelijkstroommotoren van maxon als generator kunt gebruiken. Onze motoren zijn zeer efficiënt en dit geldt ook wanneer ze als generator worden gebruikt. De basisberekeningen tussen snelheid en spanning en stroom en koppel zijn zeer eenvoudig. Hieronder volgen een paar regels.
Gelijkspanning of wisselspanning?
Regel #1: Kies voor het opwekken van gelijkspanning een gelijkstroommotor met borstels of gebruik een borstelloze EC-motor (BLDC) met spanningsgelijkrichter. Kies voor het opwekken van wisselspanning een borstelloze EC-motor en sluit alleen 2 fasen aan. Hall-sensoren zijn voor borstelloze motoren niet nodig.
Snelheidsconstante kn
Veel generatoren werken bij toerentallen van 1000 rpm of minder. Voor kleine motoren is dat een tamelijk lage snelheid. Om 10 V of meer te genereren bij 1000 rpm is een toerentalconstante van maar 100 rpm/V of minder nodig. De productportefeuille van maxon bevat niet zoveel van deze wikkelingen. Er bestaan maar een paar wikkelingen met hoge weerstand op grotere motoren die aan deze eis voldoen. Kleinere motoren hebben hogere snelheidsconstanten.
Regel #2: Zonder rekening te houden met de belasting moet de wikkeling over een snelheidsconstante beschikken van kn < n/u of lager. Een andere mogelijkheid is om de motorsnelheid te verhogen. Gebruik hiervoor een tandwielkast (zie hieronder).
Weerstand
Regel #2 vereist motoren met een hoge generatorconstante. Maar helaas bezitten deze wikkelingen ook de hoogste weerstand. Een hoge weerstand reduceert de uitgangsspanning onder belasting, waarbij de uitgangsspanning zeer gevoelig voor de laadstroom wordt.
Regel #3: Voor een stabiele uitgangsspanning bij een bepaald lastbereik kunt u beter een grotere motor kiezen met minder weerstand, zelfs bij motoren met een hoge generatorconstante.
De EC-i 40 motoren met een hoog koppel zijn vanuit dit oogpunt heel interessant.
Niet alleen op het motorvermogen letten
Kies de motor-generator niet uitsluitend op grond van het vermogen. Om aan de koppelvereisten te voldoen, kan het zijn dat een motor nodig is met een veel hoger vermogen dan het opgewekte vermogen. Vooral als het toerental van de generator vrij laag uitvalt in vergelijking met typische motorsnelheden.
Waaraan te denken bij het koppel en het toerental
De hoeveelheid koppel van de generator bepaalt de grootte en het type van de motor-generator. Kies een motortype met een continu koppel dat hoger is dan het koppel van de generator. Houd bij de berekening van het koppel of de laadstroom rekening met het beoogde gebruik. Moet de generator gedurende lange perioden continu draaien, of met tussenpozen, of alleen met korte tussenpozen? In overeenstemming met het gewenste gebruik, moet een motorgrootte met voldoende continue koppel of stroom worden gekozen. Houd eveneens rekening met het maximumtoerental van het motortype. Maar op grond van de doorgaans lage snelheden is dit nauwelijks een probleem.
Waaraan te denken bij stroom en spanning
De meest geschikte wikkeling van een bepaald motortype volgt uit de eisen die aan stroom en opgewekte spanning verbonden zijn. Kies een wikkeling die zelfs onder belasting de vereiste spanning U kan opwekken. Uitgaande van een vast toerental van de generator n, hebben we een opgewekte spanning van de wikkeling Ut nodig die groter is dan U
Zonder rekening te houden met de belasting, kiest u de snelheidsconstante volgens regel #2, d.w.z. een wikkeling met genoeg hoge weerstand. Aangezien met toenemende weerstand de stroomcapaciteit afneemt, moet gecontroleerd worden of de continue stroom nog steeds groot genoeg is.
Ut = n/kn – Rmot · IL > U
De grafiek geeft heel mooi de ambivalente effecten van verschillende wikkelingen weer.
- Hoe hoger de wikkelingsweerstand, hoe hoger de opgewekte (onbelaste) spanning.
- Maar hoe hoger de wikkelingsweerstand, hoe gevoeliger de opgewekte spanning voor veranderingen in de laststroom wordt.
Deze tegenstrijdige effecten kunnen tot op zekere hoogte uit de weg worden geruimd door grotere motoren te kiezen die lagere weerstanden aan de dag leggen voor dezelfde generatorconstante (volgens regel #3).
Tandwiel-motorcombinaties
Regel #4: Gebruik overbrengingen om zeer lage snelheden te verhogen. maxon overbrengingen zijn echter niet echt goed in het aansturen vanaf de uitgang. Gebruik overbrengingen die achterwaarts kunnen worden aangedreven, d.w.z. planetaire overbrengingen tot twee fasen of rechte tandwieloverbrengingen. (Of speciaal ontworpen overbrengingen).
De reden voor het gebruik van tandwiel-motorcombinaties is het zeer trage aandrijfmechanisme in generatoren, bijvoorbeeld aangedreven door een wind- of waterturbine of zelfs met de hand. Enkele opmerkingen en adviezen:
- De overbrengingen moeten in zulke gevallen in omgekeerde richting worden aangedreven. Maar maxon overbrengingen zijn niet speciaal ontworpen voor omgekeerde werking en het rendement is laag.
- Hoge reductietandwielkasten (3 trappen en hoger) kunnen niet achterwaarts worden aangedreven. Ze draaien met andere woorden niet als ze vanaf de output met het maximaal toegestane koppel worden aangedreven. Gebruik planetaire overbrengingen met 1 of 2 trappen. Deze overbrengingen kunnen vanaf de output worden bediend.
- Gebruik liever rechte overbrengingen in plaats van planetaire overbrengingen. Rechte overbrengingen kunnen gemakkelijker achterwaarts worden aangedreven en het rendement is in het algemeen hoger.
Speciaal geval: Gelijkstroommotor als DC-tachometer
Regel #5: Gebruik voor DC-tachometers het beste gelijkstroommotoren met edelmetalen borstels. Deze zijn beter geschikt voor de kleine stromen. Kies de wikkeling in overeenstemming met de vereiste tachospanning en het snelheidsbereik in uw toepassing. Maakt u zich geen zorgen over de wikkelingsweerstand. Zorg gewoon voor een belastingsweerstand van enkele kΩ om de stromen klein te houden.