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Bürstenbehafteter DC-Motor als Generator

Zu beachten: Drehzahl, Spannung, Drehmoment und Strom
Bürstenbehafteter DC-Motor als Generator

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Entwicklern und Konstrukteuren von Elektromotoren ist bekannt, dass ein bürstenbehafteter DC-Motor auch als Generator betrieben werden kann. Geht es darum, eine zunehmende Anzahl intelligenter, ferngesteuerter Geräte mit Strom zu versorgen, wird dieses Konzept meist außeracht gelassen. Um die Technologie optimal zu nutzen, müssen bei der Festlegung der Betriebspunkte jedoch elektrische und mechanische Faktoren berücksichtigt werden. Zu beachten sind die grundlegenden Beziehungen zwischen Drehzahl, Spannung, Drehmoment und Strom.

Sunil Kedia, Core Market New Product Development Manager bei Portescap, West Chester, Pennsylvania, USA

Inhaltsverzeichnis
1. DC-Motor als Generator-Alternative
2. Der Innenwiderstand begrenzt den Strom im DC-Generator
3. Zwei Beispiele aus der Praxis
4. Erzielbarer Wirkungsgrad des DC-Generators

Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) ist die Zahl der intelligenten Sensoren und Geräte, die miteinander verbunden sind und Daten austauschen, rasant gestiegen. Im industriellen Umfeld bildet dieses Industrial IoT das Rückgrat für die digitale Transformation eines Unternehmens als Teil der Reise in Richtung Industrie 4.0. Da viele dieser Geräte drahtlos oder an abgelegenen Orten betrieben werden, ist die Frage, wie sie mit Strom versorgt werden sollen, von zentraler Bedeutung. Der Batteriebetrieb ist ein Teil der Lösung, aber irgendwann muss die Batterie ersetzt oder wieder aufgeladen werden. Der Gleichstromgenerator bietet sich oft als Alternative.

DC-Motor als Generator-Alternative

Selbstverständlich ist das nicht nur ein industrielles Problem. Outdoor- und Freizeit-Aktivitäten führen die Menschen aus dem Netz, mit dem Risiko, dass die Batterien vor der nächsten Steckdose leer sind. Außerdem gibt es eine wachsende Zahl von Menschen, die mehr Nutzen aus nachhaltigen Ressourcen ziehen wollen, um den benötigten Strom zu erzeugen.

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Vor diesem Hintergrund kann die Fähigkeit eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors, als Generator eine sichere Gleichstromversorgung bereitzustellen, sehr nützlich sein. Da die Welle des Motors mechanisch mit einer externen Quelle gekoppelt ist und von dieser gedreht wird, entsteht im Luftspalt zwischen den Spulensegmenten des Rotors und der Ständerwicklung ein magnetischer Fluss, der an den Ausgangsklemmen als Gegen-EMK gemessen werden kann. Wird beispielsweise ein Windrad an der Welle eines Motors angebracht, kann schon eine leichte Brise eine nützliche Ausgangsspannung erzeugen.

Die erzeugte Spannung ist eine Funktion der Gegen-EMK-Konstante (ein charakteristischer Parameter des Motors, der in mV/rpm angegeben wird) und der Wellendrehzahl. Dieser Parameter ist bei der Auswahl des Motors zu beachten, wenn er als Generator eingesetzt werden soll. Dabei muss die erreichbare Wellendrehzahl ausreichend sein, um die erforderliche Gegen-EMK zu erzeugen, aber nicht so hoch, dass die maximal zulässigen Drehzahlparameter des Motors überschritten werden. Ist sie zu hoch, sollte ein anderer Motor mit einer höheren Drehzahl gewählt werden. Wenn sie zu niedrig ist, kann ein geeignetes Getriebe hinzugefügt werden, um die Drehzahl an der Motorwelle anzupassen.

Der Innenwiderstand begrenzt den Strom im DC-Generator

Eine weitere Überlegung betrifft die Last, die über die Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen wird. Die maximale Ausgangsspannung tritt auf, wenn keine elektrische Last angeschlossen ist. Bei abnehmendem Widerstand der angeschlossenen Last und bei konstanter Wellendrehzahl steigt der Strom, der sowohl durch die Last selbst als auch durch die Motorwicklungen fließt. Damit ist der Eigenwiderstand der Motorwicklungen der begrenzende Faktor für den maximalen Strom im Generatorbetrieb.

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Auch die Gegen-EMK-Konstante hat einen Einfluss auf die Effizienz des Betriebs. Ein Motor mit einer höheren Gegen-EMK-Konstante und einem geringeren Widerstand wird einen stabileren Betrieb ermöglichen. Ist der Widerstand der Wicklungen dagegen hoch, steigt die Empfindlichkeit des Generatorsystems und die daraus resultierende Spannungsschwankung bei der Stromaufnahme erzeugt ein instabiles System.

Das Drehmoment muss ebenfalls berücksichtigt werden, wobei die Motorauswahl durch das maximale Drehmoment begrenzt wird, das im Generatorbetrieb auf die Welle aufgebracht werden kann. Die Auswahl eines Motors, der für das Generator-Drehmoment an der Welle ausgelegt ist und den maximalen Strom durch seinen Stromkreis leiten kann, ähnelt dem Prozess der Dimensionierung eines Motors basierend auf den gewünschten Lastpunkten.

Zwei Beispiele aus der Praxis

Die Gegen-EMK-Konstante des Athlonix 17 DCT mit 209P-Spule von Portescap beträgt 1,17 mV/Umdrehung, während der Widerstand in den Spulenwicklungen 7,8 Ω beträgt. Wird dieser Motor als Generator bei einer Wellendrehzahl von 5.000 U/min verwendet, beträgt die Ausgangsspannung 5,85 V. Der maximale Laststrom durch den Stromkreis unter Kurzschlussbedingungen ergibt gemäß I=U/R 0,75 A. Dieser Wert übersteigt jedoch den maximalen Dauerstrom dieses speziellen Motors (0,55 A). Eine Lösung wäre die Verwendung eines Serienlastwiderstandes; eine andere wäre die Verwendung einer anderen Spule – in diesem Beispiel könnte die 221P-Spule eine bessere Wahl sein.

Als zweites Beispiel hat der Portescap-Motor 16C18 mit einer 205P-Spule eine Konstante der Gegen-EMK von 0,70 mV/Umdrehung und einen Spulenwiderstand von 65 Ω. Bei 10.000 U/min beträgt die Leerlaufausgangsspannung an der Klemme 7,0 V. Im kurzgeschlossenen Zustand beträgt der maximale Strom, der durch die Wicklungen fließen kann, 0,108 A, was geringer ist als der maximale Dauerstrom für den Motor. Daher wäre die Verwendung dieses Motors als Generator bei einer Wellendrehzahl von 10.000 U/min ohne Berücksichtigung einer externen Widerstandslast möglich.

Erzielbarer Wirkungsgrad des DC-Generators

Als letzte Überlegung sollte der Konstrukteur den Wirkungsgrad des Motors im Generatorbetrieb betrachten. Dieser ist zwar geringer als bei der Motor-Funktion, aber mit der richtigen Auswahl des Motors, der Lasten und der Betriebsdrehzahl kann ein relativ hoher Wirkungsgrad erreicht werden. (ge)

Kontakt:
Portescap S.A.
Rue Jardinière 157
CH 2300 La Chaux-de-Fonds
Tel: +41 32 925 62 40
sales.europe@portescap.com
www.portescap.com

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