Nutzung Eines Gleichstrombürstenmotors Als Generator

Entwicklungsingenieure könnte es überraschen, dass sowohl Bürsten- oder als auch bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) als Generatoren eingesetzt werden können. Ein Gleichstrom-Bürstenmotor benötigt einen Gleichspannungsausgang für eine Generatoranwendung, während ein bürstenloser Gleichstrommotor für Wechselspannungsanwendungen genutzt werden kann. Wird ein BLDC für einen Gleichspannungsausgang verwendet, ist ein Spannungsberichtigungskreis notwendig. Wird ein bürstenloser Gleichspannungsmotor für einen Wechselspannungsausgang verwendet, wird ein elektronisches Gerät für den Wandel von Gleichspannung in Wechselspannung benötigt.

In diesem Artikel werden die wesentlichen Zusammenhänge zwischen Drehzahl, Spannung, Drehmoment und Strom bei Einsatz eines Gleichstrom-Bürstenmotors als Generator untersucht.

EINFÜHRUNG

Da sich der Rotor eines Motors in einem Magnetfeld dreht, erzeugt die elektromotorische Kraft eine Spannung an den Rotorwicklungen, die „Gegen-EMK“ bezeichnet wird. Die Gegen-EMK-Konstante(KE), die in mV/min-1 angegeben wird, ist ein Anzeigewert auf dem Motordatenblatt. Der Gegen-EMKWert (Ui) ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit (ω) der Antriebswellendrehung und wird wie folgt definiert:

Bei Betreiben des Motors als Generator ist die Antriebswelle mechanisch gekoppelt und wird durch eine externe Quelle gedreht, sodass die Spulensegmente im Rotor durch einen sinusförmig variierenden magnetischen Fluss in der Luftspalte rotiert werden. Jede Drehung der Rotorwicklung wird mit einer Sinusspannung induziert, wobei die Höhe der Spannung über die Drehzahl und die magnetische Flussverkettung festlegt wird. Wenn beispielsweise eine Rotorspule aus einer Drehung besteht, ist die induzierte EMK sinusförmig mit einer Periode, die einem Elektrozyklus entspricht.

Konstruktionsbedingt wird ein Gleichstrom-Bürstenrotor auf eine ungerade Anzahl von Segmenten (3,5,7, ... usw.) aufgewickelt und versorgt die Spulen über ein Bürstenpaar mit Strom. Wenn die Antriebswelle im Erzeugungsmodus rotiert wird, kann die erzeugte Gegen-EMK-Spannung an den Ausgangsklemmen gemessen werden. Auf der Grundlage der Motorkonstruktion (mit Anzahl der Spulensegmente) ist typischerweise eine Spannungswelligkeit vorhanden und macht generell weniger als 5 % der Ausgangsspannung aus.

Da die Ausgangsspannung eine Funktion der Wellendrehzahl ist, sollte die Gegen-EMK-Konstante(KE) so gewählt werden, dass Gl. 1 erfüllt wird, wenn ein Motor als Generator genutzt werden soll. Ohne Berücksichtigung der Last sollte die Gegen- EMK-Konstante der Wicklung größer sein als  . Wenn die erreichbare Wellendrehzahl keinen ausreichenden Gegen- EMK-Wert erzielt, kann eine geeignete Getriebeuntersetzung hinzugefügt werden, um die Drehzahl an der Antriebswelle zu erhöhen, vorausgesetzt, dass die maximal zulässigen Drehzahlparameter des Motors nicht überschritten werden.

KLEMMENSPANNUNG, MAXIMALSTROM UND LASTWIDERSTAND

Abbildung 1 zeigt, dass die an der Klemme (Ui) des Motors erzeugte Spannung direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist, wenn die Last (RLast)nicht an die Klemmen angeschlossen ist. Unter diesen Bedingungen ist der Strom im Motor gleich Null. Wenn eine Last an die Motorklemme angeschlossen wird, fließt Strom und die Spannung wird je nach Gesamtlastwiderstand reduziert. Bei Anschluss der Last und Fließen des Stroms (ILast) durch den Stromkreis wird die Klemmenspannung (UT) wie folgt definiert:

Bei einer festen Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle nimmt die Klemmenspannung mit zunehmendem Laststrom ab (Gl. 3). Wenn die Gegen-EMK an den Klemmen mit dem inneren Spannungsabfall übereinstimmt, ist die Klemmenspannung gleich Null.

Abbildung 2 zeigt eine Grafik mit Laststrom gegenüber Klemmenspannung für einen idealen Gleichstrom- Bürstenmotor als Generator. Wenn die Motorklemmen nicht angeschlossen sind, ist UT gleich Ui, und es fließt kein Strom durch die Rotorwicklungen. Wenn die Klemmen kurzgeschlossen werden, würde eine maximale Strommenge durch den Stromkreis fließen und UT wäre gleich Null.

Der maximale Strom durch den Stromkreis kann wie folgt berechnet werden:

Wenn alle anderen Parameter konstant sind und die Winkelgeschwindigkeit an der Antriebswelle zunimmt, verschiebt sich die Grafik in Abb. 2 mit derselben Steigung nach rechts, wobei sowohl Ui als auch IMax größer werden. In Gl. 5 ist der Eigenwiderstand der Motorwicklungen (RRotor) der Begrenzungsfaktor für den Maximalstrom im Generatormodus. Wenn RRotor hoch ist, steigt die Empfindlichkeit des Generatorsystems und die resultierenden Spannungsschwankungen in Abhängigkeit von der Stromaufnahme erzeugen ein unstabiles System. Ein Motor mit einer höheren Gegen-EMK-Konstante und einem geringeren Widerstand gewährleistet einen stabilen Betrieb.

ANTRIEBSMOMENT UND LEISTUNGSBILANZ

Wenn ein Motor im Generatormodus mit offenen Klemmen betrieben wird, fließt kein Strom durch den Stromkreis und die mechanische Reibung führt zu Verlusten in der Antriebseinheit. Diese Bedingung ist ähnlich wie beim unbelasteten Motorbetrieb.

Die Gleichung für das Drehmoment (M) eines Motors lautet wie folgt:

Der Generator muss mit einem Drehmoment angetrieben werden, mit dem der erforderliche Laststrom in der Wicklung erzeugt wird, wenn die Klemmen am Lastwiderstand (RLast) geschlossen sind. Die Motorwahl ist durch den maximalen Betrag des Drehmoments begrenzt, der im Generatormodus auf die Antriebswelle angewendet werden kann. Der Betrieb eines Gleichstrom-Bürstenmotors ist durch das verfügbare maximale Dauerdrehmoment (thermisch und mechanisch) und die verfügbare maximale Dauerdrehzahl (mechanisch und elektrisch) begrenzt. Die Auswahl eines Motors, der das Generator-Drehmoment an der Antriebswelle handhaben und den Maximalstrom durch den Stromkreis leiten kann, verhält sich so ähnlich wie der Prozess der Motordimensionierung über gewünschte Lastpunkte.

Im stationären Zustand kann die mechanische Eingangsleistung zum Generator wie folgt definiert werden:

Die elektrische Ausgangsleistung für einen beliebigen Laststrom und eine Klemmenspannung kann durch den rechteckigen Bereich unter der Steigung wie in Abb. 2 dargestellt werden.

Die Ausgangsleistung erreicht ihren maximalen Wert, wenn UT halb so hoch wie Ui ist. An diesem Punkt entspricht der Laststrom ILast der Hälfte des Maximalstroms IMax.

Somit gilt:

Ein Motor, der als Generator genutzt wird, sollte nicht nur aufgrund von Leistungsüberlegungen ausgewählt werden. Idealerweise sollte PMax immer höher als die erforderliche elektrische Ausgangsleistung des Generators sein. Je nach Wert des Laststroms kann der Lastpunkt in der Grafik von Abb. 2 entlang der X-Achse bewegt werden. Somit kann die eigentliche Leistungsabgabe (PIst) niedriger als PMax sein. Bei Auswahl des richtigen Motors für eine Nutzung als Generator sollte PIst und nicht PMAX berücksichtigt werden. Dazu muss möglicherweise ein Motor mit einer höheren Nennleistung ausgewählt werden.

Der Wirkungsgrad des Generators kann wie folgt ermittelt werden:

AUSWAHL EINES MOTORS ALS GENERATOR

Beispiel 1: In diesem Beispiel wird die Auswahl eines Portescap Athlonix Gleichstrom-Bürstenmotors für eine Generatoranwendung geprüft. Die Gegen-EMK-Konstante für den Athlonix 17 DCT mit 209P Spule beträgt 1,17 mV/min-1. Die Kennlinien des Motors werden in Abb. 3 dargestellt. Wenn dieser Motor bei 5.000 U/min Wellendrehzahl als Generator verwendet wird, würde der Ausgangswert der Gegen-EMK bei 5,85 V liegen. (Gl. 1)

Der maximale Laststrom im Stromkreis bei einem Kurzschluss könnte wie folgt ermittelt werden:

Dieser Wert von IMax überschreitet den maximalen Dauerstrom des Motors (0,55 A). Dies ist bei einem intermittierenden Betrieb akzeptabel, der durch die thermische Zeitkonstante des Motors und den erwarteten Arbeitszyklus bestimmt wird. Bei einem Dauerbetrieb des Generators wird empfohlen, einen Lastwiderstand (RLoad) ach folgender Gleichung zu verwenden:

wobei IDauer der maximale Dauerstrom des Motors ist.

Wenn also ein Lastwiderstand von >3 Ω im Generator genutzt werden kann, ist die Spule 209P für eine Eingangsdrehzahl von bis zu 5.000 U/min gut geeignet. Wenn kein Lastwiderstand aufgrund von mechanischen oder technischen Einschränkungen verwendet werden kann oder wenn die Eingangsdrehzahl über 5.000 U/min liegt, könnte eine andere Spule ausgesucht werden. Zum Beispiel: Die Spule 211P könnte eine bessere Wahl für diese Anforderung sein.

Beispiel 2: Die Gegen-EMK des Portescap 16C18 Motors mit einer 205P Spule beträgt 0,70 mV/min-1. Bei 10.000 U/min beträgt die Ausgangsspannung bei offenem Stromkreis an der Klemme 7,0 V.

Bei einem Kurzschluss beträgt der maximale Strom, der durch die Wicklungen fließen kann:

Er liegt unter dem maximalen Wert für den Dauerstrom (IDauer)) des Motors. Daher ist die Generator-Nutzung dieses Motors bei 10.000 U/min Wellendrehzahl akzeptabel, ohne eine externe Widerstandslast zu berücksichtigen.

Die Ausgangskennwerte für 16C18 bei verschiedenen Wellendrehzahlen werden in Abb. 4 dargestellt.

Der schattierte Bereich entspricht dem Dauerbetrieb. Bei einem intermittierenden Betrieb sollten verschiedene Faktoren, wie maximaler Temperaturanstieg, maximale Wellendrehzahl, mechanisches Motorlimit und Generatorlaufzeit berücksichtigt werden.

Abb. 5 und 6 zeigen, dass der Wirkungsgrad von 16C18 bei geringerem Generatorstrom relativ höher ist. Bei der maximalen Ausgangsleistung beträgt der Ausgangswirkungsgrad praktisch 50 %. Als ideale Lösung könnte ein Generator ausgewählt werden, dessen Arbeitspunkt in der Nähe des maximalen Wirkungsgrads liegt. Dadurch können Verluste im System minimiert werden und kann eine reduzierte mechanische Eingangsleistung erforderlich sein, um die gewünschten Kennwerte für Ausgangsspannung/-strom zu erhalten.

SCHLUSSFOLGERUNG

Oft wird missverstanden, dass ein Gleichstrom-Bürstenmotor im Generatormodus nicht so effizient arbeitet wie im Motorbetrieb. Ein angemessen hoher Wirkungsgrad kann jedoch mit einer geeigneten Auswahl an Motoren, Lasten und Betriebsdrehzahl erzielt werden. Die elektrischen und mechanischen Faktoren müssen immer berücksichtigt werden, wenn Arbeitspunkte ermittelt werden. Kompetente Anwendungsingenieure mit umfassender Konstruktionserfahrung stehen Ihnen beratend zur Seite, um Ihnen zu helfen, den richtigen Motor für unterschiedlichste Anwendungen, wie Tachogeneratoren, Mörser und Energy Harvester, auszuwählen.

WENDEN SIE SICH AN EINEN INGENIEUR

Abbildung 1 - Ersatzschaltbild eines Gleichstrommotors als Generator
Abbildung 2 - Grafik von Laststrom vs. Klemmenspannung
Abbildung 3 - Arbeitsbereich des Portescap 17 DCT Motors
Abbildung 4 - Strom-/Spannungskennwerte von 16C18
Abbildung 5 - Ausgangsleistungskennwerte von 16C18
Abbildung 6 - Wirkungsgradkennlinien von 16C18