DC-Motoren

Gleichstrommotoren, Antriebsgeräte, die von Kleinspielzeug über wiederaufladbare Elektrowerkzeuge bis hin zu Elektrofahrzeugen reichen. Diese elektromechanischen Maschinen bestehen aus einer inneren leitenden Spule, dem Anker, und einem äußeren Magneten, dem sogenannten Stator. Eine Gleichstromquelle versorgt den Anker durch einen Kommutatorschlupf mit Strom. Induktion elektromagnetischer Kraft und Drehung der Schleife. Die Größe der elektromagnetischen Kraft hängt vom Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Spule ab, wodurch das Drehmoment mit der Drehung schwankt. Mehrere Wicklungen, die um den Anker herum angeordnet sind, minimieren Drehmomentschwankungen und verhindern, dass die Kommutatorform die Stromversorgung kurzschließt. Der Kommutatorschlupf schaltet periodisch die Stromrichtung durch die Spule um, wodurch die Ausrichtung der Magnetfelder weiter verhindert wird. In diesem Video werden Gleichstrommotorkonfigurationen vorgestellt und die Messung der Leistungsmerkmale von Gleichstrommotoren wie Drehzahl, Strom und Spannung bei unterschiedlicher Last demonstriert.

Permanentmagnet-Stater in Gleichstrommaschinen sind am gebräuchlichsten, aber wenn das Stater-Magnetfeld durch Leiterwicklungen erzeugt wird, können Leistungsmerkmale, wie Drehzahl und Drehmomentabgabe, durch das Design des elektrischen Feldes geändert werden. Zum Beispiel hängt die Drehzahl mit der vom Motor entwickelten Spannung zusammen, die als Elektromotorkraft oder EMK bezeichnet wird. In ähnlicher Weise ist das Drehmoment proportional zum Strom. Diese Eigenschaften variieren je nach Bauform des Motors und beeinflussen die für bestimmte Anwendungen gewählte Motorkonstruktion. Die vier grundlegenden elektronischen Konfigurationen von Gleichstrommaschinen sind separat erregt, Shunt, Serie und Verbund. Getrennt erregte Motoren verwenden separate Netzteile für das Feld und den Anker, was eine unabhängige Steuerung zur Unterstützung unterschiedlicher Lasten ermöglicht. Bei der Shunt-Konstruktion, der gebräuchlichsten Konfiguration, werden die Feldwicklungen parallel zur Ankerlast mit einer gemeinsamen Gleichstromversorgung geschaltet. Dies ermöglicht eine einstellbare Drehzahl bei wechselnder Last, was in Werkzeugmaschinen und Kreiselpumpen nützlich ist. In der Reihenkonfiguration versorgt eine Gleichstromversorgung das Feld und den Anker in Reihe. Dies bietet ein höheres Anlaufdrehmoment zur Überwindung von internen Lasten in Geräten wie Zügen, Aufzügen oder Hebezeugen. Verbundmotoren verwenden sowohl Nebenschluss- als auch Reihenschaltungen für eine hohe Anlaufdrehmoment- und Drehzahlregelung. Das Shunt-Feld kann vor oder nach dem Reihenfeld geladen werden. Nachdem nun die Konfigurationen von Gleichstrommotoren skizziert wurden, wird die Analyse der Strom-, Spannungs- und Lastbeziehungen in Nebenschluss-Gleichstrommotoren demonstriert.

Die in den DC-Tests gesammelten Daten können bei Bedarf zur Erstellung von Ersatzschaltungsmodellen verwendet werden. Stellen Sie vor dem Messen der elektrischen Eigenschaften des Gleichstrommotors die Gleichstromversorgung mit geringer Leistung auf 0,8 Ampere ein und verbinden Sie die Versorgungsklemmen mit dem Maschinenanker. Notieren Sie dann die Spannung und den Strom der Versorgung. Verwenden Sie als Nächstes ein Multimeter, um Spannung und Strom über den Anker zu messen, indem Sie das Shunt-Feld und das Reihenfeld wickeln. Verwenden Sie die Daten, um den Widerstand in jeder Komponente zu schätzen. Nachdem Sie die grundlegenden Eigenschaften des Gleichstrommotorgenerators gemessen haben, stellen Sie den eingebauten Feldrheostat auf die maximalen Einstellungen ein und messen Sie seinen Widerstand. Stellen Sie abschließend den externen Reihenfeldrheostat auf seine Obergrenze ein und messen Sie dessen Widerstand.

Im Anschluss an die Tests des Gleichstrommotors wird eine Synchronmaschine verwendet, um den Anker der Gleichstrommaschine zu drehen. Somit wird die Gleichstrommaschine als Generator betrieben, ohne Feldanregung, dann ohne Last. Unter diesen Bedingungen entspricht die Klemmenspannung der EMK. Die Drehzahl des Generators wird gemessen und zur Berechnung des Magnetismus verwendet, der vom Anker in Abwesenheit von Spulenanregung aufrechterhalten wird, was als Restmagnetismus bezeichnet wird. Überprüfen Sie zunächst, ob der Drehstromtrennschalter, der Synchronmotor und der Gleichstrommotor ausgeschaltet sind. Befestigen Sie dann ein kleines Stück Klebeband am Außenrotor des Gleichstrommotors. Nachdem Sie überprüft haben, dass der Variac auf null Prozent eingestellt ist, verdrahten Sie den Variac mit der dreiphasigen Steckdose. Verbinden Sie als Nächstes das Setup wie gezeigt. Überprüfen Sie dann, ob sich der Startlaufschalter in der Startposition befindet. Vergewissern Sie sich nach den Einstellungen des Variac, dass alle Anschlüsse von den Versorgungsklemmen frei sind. Schalten Sie erst dann den dreiphasigen Trennschalter ein. Schalten Sie anschließend das Hochspannungs-Gleichstromnetzteil ein, drücken Sie die VI-Anzeigetaste, um den Betriebsendstrom anzuzeigen, und stellen Sie den Spannungsregler auf 125 Volt ein. Drücken Sie nicht die Starttaste, bevor Sie den Spannungsregler einstellen. Drücken Sie die Starttaste, das Gleichstromnetzteil und schalten Sie das Gerät ein. Erhöhen Sie anschließend langsam den Variac-Ausgang, bis die Klemmenspannung 120 Volt beträgt. Wenn der Synchronmotor eine stationäre Drehzahl erreicht, stellen Sie den Startlaufschalter auf Laufen. Achten Sie auf Änderungen des Maschinensounds. Der Maschinensound wird im stationären Zustand monoton. Verwenden Sie das Blitzlicht, um die Bewegung des Motors einzufrieren, indem Sie die Stroboskoprate mit der Motordrehzahl synchronisieren. Das am Rotor befestigte Band erscheint stationär, wenn das Blitzlicht synchronisiert ist. Vergewissern Sie sich, dass es sich bei dieser Rate um die Motordrehzahl handelt, indem Sie die Stroboskoprate langsam erhöhen, um den Lüfter mit der nächsthöheren Rate zu synchronisieren. Wenn dies korrekt ist, ist dies das Doppelte der ersten beobachteten Stroboskop-Synchronisationsrate. Diese Startsequenz wird vor jedem weiteren Testlauf wiederholt. Erfassen Sie nach dem Start die Drehzahl des Motors und die Ankerspannung. Verwenden Sie dann diese Daten, um die Restmagnetfeldstärke zu berechnen.

Gleichstrommaschinen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Sobald die Betriebsparameter verschiedener Maschinen charakterisiert sind, können sie auf der Grundlage von Designspezifikationen für ein bestimmtes Gerät ausgewählt werden. Der DC-Generator kann in verschiedenen Konfigurationen, wie z. B. der Shunt-Konfiguration, charakterisiert werden. Bei geöffnetem Schalter S1, ohne Lastprüfung, werden die Feldendlastwiderstände auf das Maximum eingestellt. Anschließend werden die Wellendrehzahl und die Anschlussspannung wie zuvor beschrieben aufgezeichnet. Der Shunt-Widerstand wird in fünf Stufen reduziert, bis der minimale Widerstand erreicht ist. Und die Klemmenspannung und der Strom über den Shunt-Widerstand werden gemessen. Der Motor kann mit simulierten Lasten mit Lastwiderständen gemessen werden, die dem gleichen Protokoll folgen. Jeder Typ von DC-Generator verfügt über einen eigenen Spannungs-Strom-Ausgang. Shunt-Generatoren können Spannung für einen breiten Bereich der Stromlast bereitstellen, während Reihengeneratoren eine steigende Spannung mit der Stromlast bereitstellen. In einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine drahtlose Stromquelle bevorzugt wird, wie z. B. bei motorisierten Prothesen, sind Gleichstrommotoren der Aktuator der Wahl. Bei der neuronal gesteuerten Prothese der unteren Gliedmaßen werden entweder Oberflächen- oder transdermale Sensoren verwendet, um Signale an motorisierte Gelenke in der Ersatzgliedmaße zu senden, ähnlich wie bei einem intakten Bein. Die Beugung von Schnapper und Fuß wird natürlicher und intuitiver gesteuert, als dies mit einem starren Gliedmaßenersatz möglich wäre.

Sie haben gerade Joves Einführung in Gleichstrommotoren gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein Gleichstrommotor funktioniert und wie man seine Parameter charakterisiert. Danke fürs Zuschauen.