InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > DC-elektromotor

DC-elektromotor

DC-elektromotor DC-elektromotoren worden overal toegepast: in onze huishoudens, op industrieel gebied, in de transportsector (trein-motoren), en voor de elektrische aandrijving van auto's. DC staat voor 'direct current', deze motor werkt op gelijkspanning. In sommige draaiende installaties worden extra eisen gesteld aan de draaisnelheid en/of positie van een te bewegen object. Een DC-elektromotor is hiervoor geschikte krachtbron.

Elektromotoren

In het algemeen zijn er 3 typen elektromotoren in gebruik voor industriële en huishoudelijke toepassingen:
  1. DC-motoren
  2. AC-motoren
  3. Synchrone motoren

-fig 1-<BR>
stator magneetveld is constant,<BR>
commutator draait de rotorstroom om,<BR>
rotor magneetveld keert ook om / Bron: Tronic-fig 1-
stator magneetveld is constant,
commutator draait de rotorstroom om,
rotor magneetveld keert ook om / Bron: Tronic
Zie figuur 1 (klik voor vergroting), een DC-motor bestaat uit een rotor -het draaiende gedeelte- en een stator (het statische gedeelte).

Het statormagneetveld is permanent: de grootte en richting van dit veld veranderen niet. Het statorveld wordt opgewekt met permanente magneten (traditionele magneet) of met elektromagneten. De rotor is via sleepcontacten (donkere blokjes) verbonden met de spanningsklemmen. Bij een draaiende beweging zorgt zo'n constructie -de commutator- voor een wisselend rotormagneetveld, omdat de stroomrichting in de rotor kan worden omgekeerd.

Het rotormagneetveld is gericht loodrecht op het rotoroppervlak. Als een draaiende sleepring 180° gedraaid heeft, wordt de rotorstroomrichting omgekeerd. Dit heeft een draaiende beweging tot gevolg, omdat het omgekeerde rotormagneetveld zich opnieuw gaat aanpassen aan het permanente magnetische veld.

DC-motor model

Een draaiend mechanisch systeem (met draaisnelheid ω) moet een koppel T leveren. Koppel is een maat voor kracht in een rotatierichting; de massa m van het draaiende systeem en de wrijving (B) bieden aanvankelijk weerstand tegen rotatie:

  • T = m*(dω/dt) + B*ω

Om een belasting aan het draaien te krijgen is altijd een minimum koppel vereist. Als het systeem eenmaal draait, slaat de draaiende massa ook rotatie-energie op. Daarom kan het minimum koppel dat nodig is om een systeem draaiend te houden geleidelijk verlaagd worden, als men een bepaalde frequentie (draaisnelheid) wil halen.

Elektrisch en mechanisch

- fig 2- / Bron: Tronic- fig 2- / Bron: Tronic
Het model voor een DC-motor met een permanente magneet beschrijft het gedrag in zowel het elektrische als het mechanische domein (zie figuur 2). Het circuit van de klemmen, sleepringen en rotor kan benaderd worden door een serieweerstand Ra, een serie inductie La, en een motor die vanwege inductie een tegenspanning Ea (emk) opwekt.

Volgens de theorie is het elektromagnetische koppel een functie van de geleverde stroom Ia en de flux Φ van de permanente magneet:

(ke en kt zijn constanten, Φ wordt constant verondersteld)

  • T e = k*Φ*Ia = kt*Ia

De tegenspanning Ea is afhankelijk van de hoeksnelheid ω:

  • Ea = ke*ω

De gemiddelde spanning Vt gelijk is aan de spanning over de weerstand, inductie en motor:

  • Vt = Ea+L (dIa/dt) + Ia*R

Voor de gemiddelde periodieke spanning (t = 0, t = T) over de spoel (La) geldt:
U = 1/T∫u(t) dt = 1/T L∫(di(t)/dt) dt = 1/T L∫d i(t) = 1/T L [ i ] = 1/T L(i(0) - i(T)) = 0

Deze term valt dus weg; na een beetje rekenen kunnen we de hoeksnelheid van de motor als functie van de aangeleverde spanning Vt bepalen:

ω = (1/ke) * (Vt - Ra*Te/kt) [πrad/seconde]

Aansturing van de motor

-fig 3-<BR>
-klik voor vergroting- / Bron: Tronic-fig 3-
-klik voor vergroting- / Bron: Tronic
Wanneer we een elektromotor willen aansturen is het van belang om te weten welke grootheden we graag willen kunnen instellen. In een airco systeem bijvoorbeeld is alleen controle over de snelheid van de motor nodig; in servo's -gebruikt in de industrie en robots- wil men graag snelheid en positie van een object kunnen controleren.

In figuur 3 is afgebeeld hoe een feedback-loop kan worden gebruikt bij de besturing van een motor. De converter zorgt voor de juiste ingangssignalen om de snelheid en positie van de motor (rotor) op het gewenste niveau te krijgen. Voor het ontwerp van een systeem moeten een aantal systeemparameters onderzocht worden; de traagheid van de belasting, de maximum snelheid, en de richting van bewegen moeten worden vastgesteld.

Instellen van de spanning

Door de ingangsspanning Vt te vergroten, vergroten we de stroom Ia, en kunnen we een hogere snelheid halen. Figuur 4 laat de koppel-snelheid karakteristiek zien. Omdat de term (Ra/ kt) relatief erg klein is, ziet de grafiek er bijna verticaal uit voor een gegeven waarde van Vt.

- fig 4- / Bron: Tronic- fig 4- / Bron: Tronic
Elke motor heeft een nominale stroom en een nominaal koppel (vastgelegd in de specificatie/datasheet). De stroom Ia is op te voeren door Vt te vergroten, maar de nominale stroom en het nominaal koppel mogen niet overschreden worden. Daarom zijn de gebieden die met stippellijnen zijn aangegeven verboden gebied.

Permanente DC-motoren zijn gelimiteerd in vermogen (tot een paar PK), en hebben een maximumsnelheid. Deze grenzen zijn te overkomen door het statorveld elektrisch te maken. Dit betekent dat de flux Φ (van het statorveld) een functie wordt van de geleverde stroom I stat, op deze manier is de flux Φ instelbaar. Voor de hoeksnelheid ω geldt:

ω = (1/ke * Φ stat) * (Vt - Ra*Te/(kt * Φ stat)) [πrad/seconde]

Voor snelheden lager dan de nominale snelheid wordt Φ stat constant gehouden (op de nominale waarde). Als de maximum snelheid is bereikt, kan de snelheid verhoogd worden door Vt constant ter houden (nominale waarde) en Φ stat te verlagen.

Afremmen van de motor

Wanneer een DC-motor afremt, werkt het als een generator (dynamo): de opgeslagen draaiingsenergie wordt omgezet in elektrische energie. De motor levert dan dus stroom. Dit betekent voor de elektronica die de motor aandrijft, dat de energie twee kanten op moet kunnen stromen. De converter (die de motor aanstuurt) zal dus de eigenschap moeten hebben dat de energie ook richting de bron kan stromen die het hele systeem van voedingsspanning voorziet. De converter moet zogenaamd in 2 kwadranten kunnen opereren: energie leveren en energie ontvangen. Wanneer het vereist is dat een motor 2 kanten op kan draaien, geldt deze energievoorwaarde ook voor tegengestelde richting; de converter moet dan in 4 kwadranten kunnen opereren.
© 2012 - 2018 Tronic, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Elektromotoren (gelijkstroom-, synchroon- & universeelmotor)Elektromotoren (gelijkstroom-, synchroon- & universeelmotor)Elektromotoren zijn motoren die elektrische energie omzet in mechanische energie, hoe dit precies werkt zal in dit artik…
Elektrische MotorenTegenwoordig zijn de elektrische motoren niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Veel toepassingen zoals bijvoo…
Energietechniek de generatorEnergietechniek de generatorDe wisselstroomgenerator is het hart van onze energievoorziening. Door kolen of gassen te verbranden en van de vrijkomen…
Klussen: elektronica gelijkspanning en wisselspanningBij elektronica gaat het erom om de elektronen stroom goed onder controle te hebben. Pas dan kan je er allerlei dingen m…
De Hybride MotorSteeds meer mensen kiezen voor een zuinige hybride auto. Deze wordt aangedreven door een zuinige hybride motor. Deze mot…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Tronic
  • Power electronics - Mohan, Undeland, Robbins - 3rd edition
  • Electric Machinery, third edition, Fitzgerald, Kingsley, Kusko
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic

Reageer op het artikel "DC-elektromotor"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Reactie

Eddy, 22-04-2016 09:39 #1
Op de printplaat zelf van een vlakschuurmachine waarin een universele motor steekt staan ook 2 kleine spoelen. Wat is het nut eigenlijk van die kleine spoelen op die printplaat? Reactie infoteur, 22-04-2016
Dat zal waarschijnlijk voor stroombegrenzing zijn (een spoel verzet zich tegen grote stroomverandering).

Infoteur: Tronic
Laatste update: 29-03-2017
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 7
Reacties: 1
Schrijf mee!