In dit artikel worden DC-motoren behandeld. Hierbij wordt een toelichting gegeven hoe een DC-motor werkt, wat voor soorten er zijn met voor en nadelen. Daarbij wordt aan het einde een reken voorbeeld gegeven met een motor.
Wat betekend DC-motor?
De motor die in deze blog wordt behandeld is de DC-motor. De manier waarop de motor wordt voorzien van energie zit in de naam (DC). Het staat voor direct current, ook wel vertaald naar het Nederlands: gelijkstroom.
Motoren van dit soort werken met lorentzkrachten, net zoals dat verschillende andere motoren dit concept ook toepassen. Hiermee wordt gedoeld dat er door stroom in die door een kabel loopt er een elektromagnetisch veld wordt opgewerkt. Dit veld wordt middels de rechterhand regel bepaald.
Werking en soorten DC motor
Vandaag de dag bestaan er verschillende soorten motoren. Deze onderscheiden zich in de bouw ervan. Daarintegen is het concept van het bekrachtigen met gelijkstroom hetzelfde.
Een DC motor bestaat uit een stator en een rotor, de stator is de behuizing van de motoren waarin de rotor vrij kan draaien bij een bekrachtiging. Per soort DC motor kan de opbouw verschillen, want bij de ene variant is de permanente magneet de stator en bij de ander de rotor. Bij de brushless variant worden er hall sensoren toegepast om te kunnen detecteren hoe het magnetisch veld van de rotor staat.
De rotor kan op verschillende manieren worden opgebouwd. Bij de een versie motor kan de rotor bestaan uit wikkelingen van kabels waar stroom doorheen gaat. Bij de andere kan de rotor een permanente magneet zijn, die kan bestaan uit 2 polen (1 polenpaar) of meerdere polenparen. verdere info onder het kopje Brushless DC-motor.
Door gebruik te maken van PWM (Pulse Width Modulation) kan de motor meer of minder koppel en hoeksnelheid geven. Dit komt omdat de bron een bepaald voltage kan geven in dit voorbeeld 24 volt, waarop een motor wordt aangesloten van nominaal 24 volt. Door de pulsbreedte van de bron aan te passen kan de gewenste spanning worden aangeboden, bijvoorbeeld 12 volt. Hierbij gaat de motor op de helft van het nominale koppel en de helft van de nominale hoeksnelheid draaien. Hoe dit wordt berekend wordt in het kopje berekeningen voor DC-motoren verder ingegaan.
Brushless DC-motor
Deze motor staat onder verschillende namen bekend zoals: BLDC motor (brushless DC motor), ECM of EM motor (Electronically Commutated Motor) of synchroon DC motor.
De motor heeft een permanente magneet als rotor die uit 2, 4, 6 of meer polen kan bevatten in een meervoud van 2. De rotor kan worden geroteerd door de stator waarin 3 spoelen zitten verwerkt. Deze 3 spoelen hebben een fase verschil van 120 graden, want door 1 spoel te bekrachtigen kan de noordpool worden aangetrokken van de rotor. Door dit geregeld de 3 spoelen om de beurt te bekrachtigen kan een koppel en een hoeksnelheid worden opgewekt. Het regelen wordt gedaan met hall sensoren die meten of met een binair (1 of 0) signaal
of het magneet veld van de rotor wordt gedetecteerd.
Brushed DC-motor
Een Brushed DC motor wordt ook wel in de volksmond een permanent magneet DC motor genoemd (PMDC). Hierbij is de stator opgebouwd uit een permanente magneet en zitten in de rotor de draden gewikkeld, waar de stroom doorheen loopt. De wikkelingen van de rotor worden bekrachtigd door contact te maken met de twee borstels (brushes).
Bij contact tussen de brushes en de rotor wordt er aan de rotor een polariteit meegegeven. Hierdoor gaat de rotor draaien omdat de ene kant van de rotor negatief is geladen zal er naar de noordpool in de stator worden geroteerd.
Brushed DC-motoren kunnen net zoals Brushless DC-motoren uit meervouden van 2 polen bestaan.
Klik hier om meer te weten te komen over hoe motoren kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals koelkasten.
Voor en nadelen van type DC-motor
Brushed DC
DC-motoren worden vooral toegepast om kleine lasten aan te drijven. Daarnaast is onderhoud van de motor een van de eigenschappen waarop vergeleken kan worden. Brushed DC-motoren hebben in vergelijking met Brushless motoren veel onderhoud nodig. Dit komt omdat de brushes gemaakt zijn van koolstof en naarmate van gebruik verslijten. Bij slijtage zal de connectie tussen de aanvoer van stroom en de rotor minder worden, tot het moment van uitval. Door de brushes wordt veel vermogen omgezet naar warmte en niet naar koppel en hoeksnelheid.
Brushed motoren zijn goedkoper om te maken, omdat er minder magnetische metalen voor gebruikt hoeven worden. Ook de bouw is eenvoudiger door alleen de rotor te wikkelen en een permanente stator met brushes te hebben werkt de motor. Bij slijtage van de brushes kan eenvoudig dit component worden vervangen.
Brushless DC
Brushless motoren zijn duurder door de drie spoelen en hall sensoren die in de stator zitten verwerkt. Deze componenten moeten worden uitgelijnd om goed te kunnen werken. Op moment dat de rotor uit meer dan 2 polen bestaat wordt de rotor moeilijker om te maken.
Aan de Brushless motor zitten veel voordelen. De motor is onderandere stiller, omdat de rotor geen contact maakt met de stator. Daarnaast wordt meer energie effectief gebruikt, omdat de motor efficiënter is dan de brushed variant. Daarnaast kunnen de signalen van de hall worden gebruikt om nauwkeuriger het magnetisch veld af te stemmen op hoe de rotor staat.
Berekeningen voor DC-motoren
De berekeningen die worden gedaan in deze paragraaf kunnen worden toegepast op alle twee de motoren die zijn behandeld in deze blog.
Om te beginnen is een stuk terug in dit artikel PWM behandeld. Een begrip wat hiermee samenhangt is Duty Cycle en betekend hoeveel procent er van de spanning geleverd wordt. Stel dat de tijd van een periode 2 milliseconde is [ms] en de puls breedte tijd 1 seconde is dan zal de duty cycle 50% zijn.
Want DC = 1/2*100 = 50%
Door de duty cylce te berkenen en de de spanning van de bron te weten kan ook de spanning die aan het systeem (de motor) wordt aangeboden berekend worden (Ugem).
Als de spanning van het systeem (Ugem) bekend is en de opdracht is om 3000 RPM (rounds per minut) te draaien met de motor. Dan kan het bijbehorende koppel worden dat de motor draait van onderstaande motor.
Ten eerste wordt de hoeksnelheid van de motor berekend.
n = 3000 RPM
ωm = 3000*2*π/60
ωm = 314,159… [rad/s]
Uit de tabel kan de torque constant (koppel constante worden gehaald. Deze wordt omgezet naar Nm/A.
Kt = 25.6*10-3 [Nm/A]
Uemk = (25.6*10-3) * 314,159…
Uemk = 8,04 [V]
De tabel geeft de informatie dat de terminal resistance 2.19 [Ω], voor de systeemspanning wordt 12 [V] aangenomen.
I = (12-8,04)/2.19
I = 1,807 [A]
Nu de stroom bekend is kan het totale koppel (elektromagnetische koppel Tem) wat de motor kan opwekken berekend worden. Hierbij wordt de koppel constante uit de tabel gebruikt.
Tem = (25.6*10-3) * 1,807
Tem = 4.63*10-2 [Nm]
In dit totale koppel zit ook de wrijving. Om te kunnen weten wat het effectieve koppel is moet de volgende formules worden gebruikt:
De nulstroom (no load current) kan worden gevonden in de tabel.
I0 = 27.1*10-3 [A]
Tw = (25.6*10-3) * (27.1*10-3)
Tw = 6.937*10-4 [A]
Tas = (4.63*10-2) – (6.937*10-4)
Tas = 4.56*10-2 [A]