PMDC Motor

Gleichstrommotoren

Grundlagen

Basiskonfiguration

Permanentmagnet-Gleichstrommotoren mit Bürsten (PMDC Motoren) bestehen aus Permanentmagneten, die sich im Stator befinden, und Wicklungen im Rotor.

Die Enden der Wicklungsspulen sind mit Kollektorsegmenten verbunden, die einen Gleitkontakt mit den statischen Bürsten haben. Die Bürsten sind über Motorklemmen mit einer Gleichstromversorgung verbunden.

Durch eine Umkehr der Spannungspolarität lässt sich eine Änderung der Drehrichtung herbeiführen.

Der Stromfluss durch die Spulen erzeugt im Rotor magnetische Pole, die mit den Permanentmagnetpolen interagieren. Um die Richtung der Drehmomenterzeugung konstant zu halten, muss der Stromfluss umgekehrt werden, wenn der Nordpol des Rotors den Südpol des Stators passiert.

Zu diesem Zweck sind die Rutschkontakte segmentiert. Dieser segmentierte Rutschring heißt Kommutator. Das Bild links zeigt die Winkelposition kurz vor der Kommutation des Rotorwicklungsstroms, das rechte Bild zeigt die Winkelposition kurz danach.

Reale Gleichstrommotoren haben mehr als zwei Wicklungen und Kommutatorsegmente zur Erzeugung eines konstanteren Drehmoments.

Das untere Bild zeigt eine Konstruktion mit 5 Segmenten (HC685LG).

Die Permanentmagneten werden
durch eine Feder fixiert. (NF213G)

Hier eine Explosionszeichnung eines JE PMDC Motors Größe #200:

Die Kollektorsegmente bestehen aus Kupfer. Der obige Motor hat 3 Segmente.

Die Bürsten bestehen aus Edelmetall (Metallbürste) oder Kohlenstoff (Graphitbürste).

Eigenschaften von Edelmetallbürsten:

• Verwendung für kontinuierlichen Betrieb bei geringer Spannung.
• Niedrigerer Kontaktwiderstand und folglich geringerer Spannungsabfall als bei Graphitbürsten.
• Weniger elektromagnetische Geräuschentwicklung als bei Graphitbürsten.
• Konstruktion als "Feder-Metallbürsten" – die Bürste ist in dünne Schleifkontakte unterteilt, was einen besseren Kontakt mit den Kollektorsegmenten zur Folge hat.

Eigenschaften von Graphitbürsten:

• Einsatz für hohe Leistung, hohe Geschwindigkeit, regelmäßige Starts, hohe Lebensdauer, hohe Spannung.
• Konstruktion als Federkohlen oder Käfigbürsten (für besonders hohe Lebensdauer).

Kohlebürsten und Metallbürsten (rechts)

Käfigbürsten:

Bürstenversatz / Drehrichtung

Die Bürsten lassen sich um einen kleinen Winkel im Bezug zum Permanentmagneten versetzen (Bürstenversatz). Dadurch wird eine der Drehrichtungen begünstigt, die andere Drehrichtung erzeugt aber dann mehr Bürstenfeuer und eine schlechtere Leistung.

Das Anlaufdrehmoment für die günstigere Drehrichtung ist geringer, der maximale Effizienzpunkt liegt aber höher.

JE führt beide Optionen, versetzte und nicht versetzte Bürsten (nullorientiert), je nachdem, was für die Kundenanwendung günstiger ist. Existierende JE-Motorcodes eignen sich zum Versatz oder zur Nullorientierung und müssen in der jeweiligen Anwendung geprüft werden.

Permanentmagnete

JE bietet 3 Basisversionen von Magneten an:

• Motorcode P: Kunststoff- (Gummi-) Magnet, mit dem Gehäuse verklebt.
• Motorcode H: Trocken- oder nass gepresster Magnet, Segmente sind geklebt oder werden von Federn gehalten. Stärker als P.
• Motorcode Q: Seltenerdmagnet für sehr hohes Drehmoment und Effizienz.

Rotoreisenblechpaket

Die Wicklungen sind um den Rotor-Silikonstahl in Schlitzen angeordnet. Zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten besteht der Rotorstahl aus Blechen, zwischen denen sich eine Isolationsschicht befindet (Blechpaket).

Haltering

JE ummantelt bei vielen Motoren das Motorgehäuse mit einem weichen Eisenmantel. Dieser reduziert den Widerstand des Magnetkreises und verbessert die Leistung.

Endkappe

JE bietet zwei Versionen von Endkappen an:

• Metall (mit integrierten Kunststoffbürstenhalterungen)
  • besserer Kühlkörper für die Bürsten (bei hoher Geschwindigkeit)
  • es lässt sich ein Kugellager einpressen
  • bessere EMI (elektromagnetische Interferenz) Geräuschdämmung
• Kunststoff
  • geringere Kosten
  • keine Kugellager möglich

EMI Geräuschdämmung

Mit Bürsten ausgestattete Gleichstrommotoren erzeugen jedes Mal, wenn die Bürsten auf ein anderes Kommutatorsegment wechseln, ein EMI (elektromagnetische Interferenz) Geräusch.

Je höher die Versorgungsspannung, die Geschwindigkeit und der Strom sind, desto höher ist die Geräuschemission, die auch von der Anzahl der Segmente abhängig ist (d.h. dem Spannungsabfall zwischen den aneinander liegenden Segmenten).

Die Geräuschemission geschieht auf zweierlei Arten:

• Weiterleitung an den Stromversorgungsleiter
• Radiation durch die Luft

Gemäß Richtlinien und Standards muss diese Geräuschentwicklung eingedämmt werden. Zu diesem Zweck kann JE Tests durchführen und Geräuschdämmungsmaßnahmen ergreifen. Für diese Tests sollte idealerweise die gesamte Kundenanwendung verwendet werden.

Zusätzlich zur Geräuscheindämmung durch Verdrillen und Schutz der Leiter gibt es eine Auswahl verschiedener Geräuschdämmungskomponenten:

Varistors

Capacitor

Capacitors

Varistors+Capacitor

Capacitors+Chokes

Ein Kondensator kann in #300 eingesetzt werden, aber nicht in #200. In #600 lassen sich 2 Kondensatoren + 2 Drosselspulen einbauen (Metall-Endkappenversion).

Leistung

U = I • R + U Ui ... in die Wicklungen induzierte Spannung (hinteres EMF) Ui = k • ω (ω … Winkelgeschwindigkeit, ω = 2 • π • n)

Die Drehmomenterzeugung ist:  T  = k • I

Der Faktor k ist abhängig von Motorkonstruktionseigenschaften (Anzahl der Wicklungen, Stärke des Permanentmagneten, Luftspaltgröße, Rotordurchmesser, Rotorlänge).

Er ist durch die Konstruktion festgelegt, variiert aber in Abhängigkeit von den Motorherstellungstoleranzen.

Die Temperatur hat ebenfalls einen Einfluss (bei steigenden Temperaturen wird k wegen der niedrigeren Magnetstärke niedriger).

Die Basisgleichung für Gleichstrommotoren ist: ω = U/k – R/k2 • T

Sie besagt, dass die Geschwindigkeit ohne Last am höchsten ist und mit zunehmendem Lastdrehmoment abnimmt.

Verluste und Effizienz

Verluste ohne Last P_O:
Reibungsverluste an den Lagern und Bürsten, Hysterese- und Wirbelstromverluste. Da diese Verluste vom Drehmoment ohne Last und somit Strom ohne Last kompensiert werden müssen – gibt es auch in der Wicklung Stromverluste ohne Last: I_O² x R.

Lastverluste:
Mit steigendem Lastdrehmoment steigen auch die Stromverluste und somit die Wicklungsstromverluste.
Der Wicklungsstrom ist am höchsten, wenn der Rotor sich nicht dreht: P_{loss max} = U² / R

Am höchsten Effizienzpunkt herrscht das beste Verhältnis P_mech / P_el = P_mech /(U • I).

Die Effizienz ist an diesem Punkt ca. η = (1 - √ I_O/I_stall)²

Am Punkt der maximalen Ausgangsleistung ist die Geschwindigkeit halb so groß wie die Geschwindigkeit ohne Last.

Die Ausgangsleistung P_{mech max} ist etwas kleiner als ² / 4 R.

Lebensdauer

Die Lebensdauer eines Gleichstrommotors wird durch die Abnutzung der Bürsten begrenzt. Sie ist abhängig von:

• Geschwindigkeit (Kommutatoroberflächengeschwindigkeit)
• Stromaufnahme (durchschnittlicher Strom und Spitzen, Start/Stop Frequenz)
• Bürstenkonfiguration, Bürstenmaterial (siehe oben) und Kommutatorkonstruktion

Die typische Lebensdauer der JE PMDC Motoren reicht von 300 Stunden (kleine Motoren) bis ca. 2000 Stunden (größere Motoren, Käfigbürsten, kontinuierlicher Betrieb mit eher niedriger Ausgangsleistung).

Herstellungstoleranz

Herstellungstoleranz

In der Serienproduktion haben die Motoren eine Herstellungstoleranz.

Die Toleranz für die Geschwindigkeit ohne Last liegt bei +-10%, ist aber üblicherweise kleiner.

Nennarbeitspunkt

Der Nennarbeitspunkt (Nenndrehmoment) ist üblicherweise für den kontinuierlichen, zyklischen Betrieb definiert. Motorkonstruktionen können aber auch auf einen niedrigen zyklischen Betrieb oder Kurzzeitbetrieb zum Nennpunkt ausgelegt werden, dies gilt besonders bei Hochgeschwindigkeitsmotoren.

Der Nennpunkt wird als der Punkt der maximalen Effizienz oder als Punkt zwischen der maximalen Effizienz und der maximalen Ausgangsleistung lokalisiert.

Der Betrieb mit niedrigerem Betriebszeitzyklus erlaubt eine höhere Drehmomentlast (Überlast).

Die zulässige Überlast wird durch den Wicklungs-Temperaturanstieg begrenzt.

Wenn der Motor einen hohen Strom führt (niedrige Spannung, dicke Verdrahtung), wird sie auch vom Kommutator/von den Bürsten beeinflusst.

Kühlung (Metallflansch zum Metallbaugruppenträger oder zum Getriebe) steigert die Belastbarkeit.

Leistung bei erhöhter Motortemperatur

Ein Anstieg der Motortemperatur kann folgendermaßen begründet sein:

• Selbsterwärmung wegen Motorverlusten nach einiger Betriebszeit
• Höhere Umgebungstemperatur

Dies hat zweierlei Auswirkungen:

• Die Stärke des Permanentmagneten nimmt ab – dadurch steigt die Geschwindigkeit ohne Last
• Der Widerstand der Wicklung steigt – dadurch sinkt der Anlaufstrom

Beide Auswirkungen reduzieren den Anlaufdrehmomentwert.

Leistung bei verringerter Versorgungsspannung

Die Geschwindigkeitskurve fällt proportional zur Spannung ab. Umgekehrt steigt sie bei steigender Spannung (Beachten Sie aber die verringerte Lebensdauer oder sogar die thermale Überladung des Motors).

Dies gilt innerhalb von Grenzen von ca. +-50% Verringerung/Erhöhung der Spannung.

Hochspannung DC Motoren (HVDC)

HVDC Motoren lassen sich an die Netzversorgung mit 120 Vac oder 230 Vac anschließen. JE verfügt über Erfahrung, die Motorkomponenten entsprechend zu konstruieren, besonders die Kommutatoreinheit.

Zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom ist ein Gleichrichter notwendig. Er befindet sich (wenn genügend Platz ist) im Motorinneren oder gegebenenfalls außen.

Ein Umschalter ermöglicht den Betrieb in zwei Richtungen.

HVDCs ersetzen in vielen Anwendungen die Universalmotoren. Der Vorteil dabei liegt in der Verringerung des Kupfermaterials (Verwendung von Permanentmagneten anstelle einer Statorfeldwicklung) und in der Gewichtsersparnis.

JE Auswahl

Motorcode

Beispiel: NF183LG
(Durchm. 20,4 mm)

Beispiel: QC857SG
(Durchm. 49 mm)

Geber

Geber (Sensoren) können im Inneren des Motors oder an der Rückseite des Motors montiert werden.

Sie werden für eine präzise Geschwindigkeitskontrolle oder Winkelpositionskontrolle benötigt. Typische Anwendungen: Drucker und Scanner.

Es stehen verschiedene Optionen zur Verfügung:

• Optische Geber
• Halleffekt-Magnetsensoren
• Funktionsdrehmelder

JE bietet eine Reihe verschiedener optischer Geber an.

Das zugrunde liegende Prinzip ist folgendes:
Ein mit Schlitzen versehenes Rad oder ein schwarz/transparenter Fotodruckstreifen rotiert mit der Motorwelle.

Ein Fotosensor liefert eine Sinuswelle oder ein Pulsmuster, die/das der Geschwindigkeit des Motors folgt.

Das Ausgangssignal kann analog sein (0...3.3Vac) oder digital (0...3.3 Vdc oder 0...5Vdc).

Ein Signal oder zwei Signale um 90° versetzt (ermöglicht die Bestimmung der Drehrichtung und 4x Auflösung)

Verschiedene Auflösungsmöglichkeiten. Terminologie: CPR (Counts Per Revolution – Zähler pro Umdrehung) und LPI (Lines Per Inch – Linien pro Inch).

Beispiele:

HC385MG mit geschlitztem Geberrad
(CPR = 48; ein Signal, Sinuswelle 0...3.3Vac)

NF123G mit Abdruckrad
(CPR= 32; zwei Signale, Sinuswelle 0...3.3Vac)