Gelijkstroommotoren zijn alomtegenwoordige machines die worden aangetroffen in een verscheidenheid aan elektronische apparatuur die in verschillende toepassingen wordt gebruikt.

Meestal worden deze motoren ingezet in apparatuur die een vorm van roterende of bewegingsproducerende besturing vereist.Gelijkstroommotoren zijn essentiële componenten in veel elektrotechnische projecten.Door een goed begrip van de werking van DC-motoren en de regeling van het motortoerental kunnen ingenieurs toepassingen ontwerpen die een efficiëntere bewegingsregeling realiseren.

In dit artikel wordt dieper ingegaan op de soorten DC-motoren die beschikbaar zijn, hun werkingsmodus en hoe snelheidsregeling kan worden bereikt.

Wat zijn gelijkstroommotoren?

Leuk vindenAC-motorenDC-motoren zetten ook elektrische energie om in mechanische energie.Hun werking is het omgekeerde van een gelijkstroomgenerator die een elektrische stroom produceert.In tegenstelling tot AC-motoren werken DC-motoren op gelijkstroom, niet-sinusvormig, unidirectioneel vermogen.

Basisconstructie

Hoewel DC-motoren op verschillende manieren zijn ontworpen, bevatten ze allemaal de volgende basisonderdelen:

• Rotor (het deel van de machine dat roteert; ook wel het “anker” genoemd)
• Stator (de veldwikkelingen of het “stationaire” deel van de motor)
• Commutator (kan geborsteld of borstelloos zijn, afhankelijk van het motortype)
• Veldmagneten (zorgen voor het magnetische veld dat een as laat draaien die met de rotor is verbonden)

In de praktijk werken DC-motoren op basis van interacties tussen magnetische velden geproduceerd door een roterend anker en die van de stator of het vaste onderdeel.

Een sensorloze DC borstelloze motorcontroller.Afbeelding gebruikt met dank aanKenzi Mudge.

Operatie principe

Gelijkstroommotoren werken volgens het elektromagnetismeprincipe van Faraday, dat stelt dat een stroomvoerende geleider een kracht ondervindt wanneer hij in een magnetisch veld wordt geplaatst.Volgens de 'linkerhandregel voor elektromotoren' van Fleming is de beweging van deze geleider altijd in een richting loodrecht op de stroom en het magnetische veld.

Wiskundig gezien kunnen we deze kracht uitdrukken als F = BIL (waarbij F kracht is, B het magnetische veld is, I staat voor stroom en L de lengte van de geleider is).

Soorten DC-motoren

Gelijkstroommotoren vallen in verschillende categorieën, afhankelijk van hun constructie.De meest voorkomende typen zijn geborsteld of borstelloos, permanente magneet, serie en parallel.

Geborstelde en borstelloze motoren

Een geborstelde gelijkstroommotormaakt gebruik van een paar grafiet- of koolborstels die dienen voor het geleiden of leveren van stroom van het anker.Deze borstels worden meestal in de buurt van de commutator gehouden.Andere nuttige functies van borstels in gelijkstroommotoren zijn onder meer het garanderen van een vonkvrije werking, het regelen van de stroomrichting tijdens rotatie en het schoonhouden van de commutator.

Borstelloze gelijkstroommotorenbevatten geen kool- of grafietborstels.Ze bevatten meestal een of meer permanente magneten die rond een vast anker draaien.In plaats van borstels gebruiken borstelloze gelijkstroommotoren elektronische circuits om de draairichting en snelheid te regelen.

Permanente magneetmotoren

Permanente magneetmotoren bestaan ​​uit een rotor omgeven door twee tegengestelde permanente magneten.De magneten leveren een magnetische veldflux wanneer DC wordt doorgegeven, waardoor de rotor met de klok mee of tegen de klok in draait, afhankelijk van de polariteit.Een groot voordeel van dit type motor is dat deze synchroon kan draaien met een constante frequentie, waardoor een optimale snelheidsregeling mogelijk is.

Seriegewonden gelijkstroommotoren

Bij seriemotoren zijn de statorwikkelingen (meestal gemaakt van koperen staven) en veldwikkelingen (koperen spoelen) in serie geschakeld.Bijgevolg zijn de ankerstroom en veldstromen gelijk.Hoge stroom vloeit rechtstreeks van de voeding naar de veldwikkelingen, die dikker en minder zijn dan bij shuntmotoren.De dikte van de veldwikkelingen verhoogt het draagvermogen van de motor en produceert bovendien krachtige magnetische velden die serie-DC-motoren een zeer hoog koppel geven.

Shunt-gelijkstroommotoren

Bij een shunt-gelijkstroommotor zijn het anker en de veldwikkelingen parallel geschakeld.Door de parallelschakeling krijgen beide wikkelingen dezelfde voedingsspanning, hoewel ze afzonderlijk worden bekrachtigd.Shuntmotoren hebben doorgaans meer windingen op de wikkelingen dan seriemotoren, waardoor tijdens bedrijf krachtige magnetische velden ontstaan.Shuntmotoren kunnen een uitstekende snelheidsregeling hebben, zelfs bij wisselende belastingen.Ze missen echter meestal het hoge startkoppel van seriemotoren.

Een motor- en snelheidsregelcircuit geïnstalleerd in een miniboormachine.Afbeelding gebruikt met dank aanDilshan R. Jayakody

Snelheidsregeling DC-motor

Er zijn drie belangrijke manieren om snelheidsregeling te bereiken in DC-seriemotoren: fluxregeling, spanningsregeling en regeling van de ankerweerstand.

1. Fluxcontrolemethode

Bij de fluxcontrolemethode wordt een reostaat (een soort variabele weerstand) in serie geschakeld met de veldwikkelingen.Het doel van dit onderdeel is om de serieweerstand in de wikkelingen te vergroten, waardoor de flux wordt verminderd en daardoor de snelheid van de motor toeneemt.

2. Methode voor spanningsregeling

De variabele regelmethode wordt doorgaans gebruikt in shunt-gelijkstroommotoren.Er zijn wederom twee manieren om controle over de spanningsregeling te bereiken:

• Het shuntveld verbinden met een vaste opwindende spanning terwijl het anker wordt voorzien van verschillende spanningen (ook wel meervoudige spanningsregeling genoemd)
• Variëren van de spanning die aan het anker wordt geleverd (ook bekend als de Ward Leonard-methode)

3. Methode voor controle van de ankerweerstand

De regeling van de ankerweerstand is gebaseerd op het principe dat de snelheid van de motor recht evenredig is met de tegen-EMK.Dus als de voedingsspanning en de ankerweerstand op een constante waarde worden gehouden, zal de snelheid van de motor recht evenredig zijn met de ankerstroom.