Wie kann ein Gleichstrommotor als Generator verwendet werden: Praktische Anwendungen, Auswahl, Leistung

Irgendwo in einer Schublade wartet ein kleiner Gleichstrommotor auf seinen Einsatz, gerettet aus einem kaputten Spielzeug, einem Handventilator oder einem alten Drucker. Sie haben gelesen, dass es auch als Generator rückwärts laufen kann, und möchten nun wissen, ob das wirklich stimmt und wie man es richtig macht.

Kurze Antwort: Ja, und es ist kein Trick erforderlich. Ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor und ein Permanentmagnet-Gleichstromgenerator sind dieselbe Maschine, werden jedoch von entgegengesetzten Seiten her beschrieben. Seit 1988 bauen wir in Yuyao Mikro-Gleichstrommotoren, und die Frage nach dem Generator taucht ständig auf, von Studenten, die eine kleine Windkraftanlage verkabeln, bis hin zu Ingenieuren, die eine Handkurbel-Ladeoption hinzufügen. Darauf kommt es wirklich an.

Warum ein Gleichstrommotor als Generator verwendet werden kann

Die Energieumwandlung innerhalb einer Gleichstrommaschine erfolgt symmetrisch. Schiebt Strom durch eine Spule, die in einem Magnetfeld sitzt, wird die Spule zur Seite gedrückt, sodass sich der Rotor dreht. Drehen Sie stattdessen denselben Rotor und die Spule bewegt sich durch das Feld, der magnetische Fluss, der sie verbindet, ändert sich und an den Anschlüssen entsteht eine Spannung. Das ist das Faradaysche Induktionsgesetz, das genau das tut, was es in jedem jemals gebauten Generator tut.

Was einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor so praktisch macht, ist sein Kommutator. Im Inneren des Ankers ist die induzierte Spannung alternierend, da jede Spule unter einem Nordpol und dann unter einem Südpol verläuft. Der Kommutator tauscht die Verbindung zur Außenwelt genau im richtigen Moment, sodass die beiden Anschlüsse eine feste Polarität behalten. Es handelt sich um einen mechanischen Gleichrichter und ist der Grund dafür, dass ein Bürstenmotor Gleichstrom ohne eine einzige elektronische Komponente liefert.

Das Schöne daran ist, dass eine Zahl zwei Aufgaben erledigt. Die Spannungskonstante, die angibt, wie schnell sich ein Motor pro Volt dreht, sagt Ihnen auch, wie viel Spannung er pro Umdrehung erzeugt. Ein Motor mit einer Nennspannung von 12 V und 6.000 U/min im Leerlauf erzeugt etwa 12 V, wenn etwas anderes ihn auf 6.000 U/min dreht.

Gebürstet oder bürstenlos: Was aus den Drähten kommt

Beide Familien können Strom erzeugen, aber sie versorgen Sie mit unterschiedlichem Strom, und dieser Unterschied entscheidet darüber, wie viel Arbeit der Rest Ihres Stromkreises leisten muss.

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren liefern Gleichstrom

Drehen Sie die Welle, und an den Klemmen erscheint Gleichstrom, mit einer Welligkeit, die von der Kommutierung herrührt. Zwei Drähte, nichts weiter erforderlich, und ein Multimeter zeigt sofort den Messwert an.

Bürstenlose Gleichstrommotoren liefern dreiphasigen Wechselstrom

Bei einem bürstenlosen Motor sitzen die Wicklungen im Stator und die Magnete drehen sich, sodass durch Drehen der Welle eine dreiphasige Spannung an den Statorleitungen induziert wird, die bei einem typischen BLDC trapezförmig und bei einem PMSM sinusförmig ist. Da es nichts gibt, was es mechanisch gleichrichtet, benötigen Sie eine dreiphasige Brücke und einen Glättungskondensator oder einen Controller, der die aktive Gleichrichtung unterstützt, bevor diese Energie eine Batterie laden kann.

Schritt für Schritt einen Motor in einen Generator verwandeln

Die meisten Leute beginnen mit dem Motor, der bereits auf der Werkbank ist, und das ist ein absolut guter Ansatz. Die kleinen Bürstenmotoren, die in Spielzeugen und Handgeräten verwendet werden, sind die klassische Wahl für ein erstes Windturbinen- oder Handkurbel-Experiment, da sie Permanentmagnete enthalten und bereits bei wenigen hundert Umdrehungen pro Minute eine ablesbare Spannung erzeugen.

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1. Beginnen Sie mit der richtigen Maschine. Es muss Permanentmagnete haben. Ein gebürsteter Permanentmagnetmotor aus einem Spielzeug, Ventilator oder Drucker ist ebenso geeignet wie ein bürstenloser Motor. Induktions- und Wundfeldmaschinen funktionieren nicht auf die gleiche Weise.
2. Trennen Sie die Elektronik. Wenn der Motor mit einer Treiberplatine, einem Geschwindigkeitsregler oder einem Akku geliefert wurde, isolieren Sie ihn. Sie möchten die rohen Motorklemmen.
3. Koppeln Sie die Welle mit einer Antriebsmaschine. Eine Handkurbel, ein Propeller, ein Wasserrad oder eine Turbine reichen aus, solange sie die Welle gleichmäßig drehen.
4. Messen Sie die Leerlaufspannung. Stellen Sie ein Multimeter auf Gleichspannung für einen Bürstenmotor und auf Wechselspannung für einen bürstenlosen Motor ein, drehen Sie es dann mit der Hand und beobachten Sie, wie der Messwert Ihrer Geschwindigkeit folgt.
5. Beachten Sie die Volt pro U/min. Drehen Sie mit einer bekannten Geschwindigkeit, zeichnen Sie die Spannung auf, und Sie haben die Konstante, die Sie zur Dimensionierung aller anderen Elemente benötigen.
6. Bei Bedarf korrigieren. Dreiphasenbrücke und Kondensator für einen bürstenlosen Motor; Für einen gebürsteten Kondensator reicht in der Regel ein Kondensator zwischen den Anschlüssen aus, außerdem eine Sperrdiode, wenn Sie eine Batterie speisen.
7. Fügen Sie eine Last hinzu und messen Sie erneut. Erwarten Sie einen Spannungsabfall, da der Strom, der durch den Wicklungswiderstand fließt, Sie immer Volt kostet.
8. Achten Sie auf Hitze und Bürstenlichtbögen. Wenn der Motor heiß läuft, ziehen Sie mehr Strom, als er abgeben kann.

Wie viel Spannung und Leistung können Sie realistischerweise erreichen?

Die Spannung skaliert nahezu linear mit der Geschwindigkeit, was die Berechnung vereinfacht. Teilen Sie die Nennspannung durch die Leerlaufdrehzahl und Sie erhalten die Generatorkonstante. Bei einem typischen Mikromotor liegt diese Konstante irgendwo zwischen einem und drei Volt pro tausend U/min, weshalb eine träge Handkurbel ein oder zwei Volt erzeugt, während eine Turbine, die sich mit ein paar tausend U/min dreht, die Nennspannung des Motors erreichen kann.

Die Leerlaufspannung ist die optimistische Zahl. Sobald Strom fließt, sinkt die Klemmenspannung um den Strom multipliziert mit dem Wicklungswiderstand. Bei einem kleinen Motor kann der Ankerwiderstand einige Ohm betragen, so dass der Einsatz eines Ampere mehrere Volt kosten kann. Messen Sie erneut bei angeschlossener Last; Das ist die Zahl, die Ihre Schaltung tatsächlich sieht.

Leistung folgt Drehmoment. Der Strom, den ein Generator liefert, ist proportional zum auf die Welle ausgeübten Drehmoment, sodass eine schwache Antriebsmaschine bei niedriger Drehzahl Spannung liefert, ohne dass dahinter ein Strom fließt. Als grober Richtwert gilt: Ein kleiner Bürstenmotor, der mit einem ordentlichen Bruchteil seiner Nenndrehzahl betrieben wird, gibt etwa die Hälfte bis drei Viertel der von Ihnen eingesetzten mechanischen Leistung zurück, wobei der Wicklungswiderstand, der Bürstenabfall, die Lagerreibung und die Eisenverluste den Rest ausmachen.

Auswahl eines Motors für den Generatorbetrieb

Wenn Sie einen Motor speziell für die Stromerzeugung auswählen, achten Sie nicht nur auf die Nummer auf dem Etikett, sondern überprüfen Sie stattdessen einige Merkmale.

• Ausnahmslos Permanentmagnete. Ferrit- oder Seltenerdmagnete stellen Ihnen das Erregerfeld kostenlos zur Verfügung, was die Erzeugung in einer so kleinen Maschine ermöglicht.
• Niedriger Wicklungswiderstand, sodass weniger Ihrer mechanischen Eingaben im Kupfer in Wärme umgewandelt werden.
• Niedriger Leerlaufstrom und sanftes Rasten, denn glatte Anker beginnen sich mit weniger Kraftaufwand zu drehen, wenn eine leichte Brise oder eine Handkurbel Ihr Antrieb ist.
• Eine Geschwindigkeitsbewertung, die zu Ihrem Antrieb passt. Da die Spannung mit der Drehzahl steigt, benötigt ein schnellerer Motor weniger Umdrehungen, um eine nutzbare Leistung zu erreichen.
• Ein Getriebe, mit Bedacht eingesetzt. Im Normalbetrieb tauscht ein Getriebemotor Drehzahl gegen Drehmoment; Bei der Erzeugung können Sie es auch umgekehrt betreiben und ein langsames Wasserrad die Motorwelle viel schneller drehen lassen, solange Sie die zusätzliche Reibung und die zusätzlichen Verluste in Kauf nehmen.

Motoren, die sich leicht drehen lassen und im Leerlauf wenig Strom verbrauchen, sind in der Regel die freundlichsten Generatoren. Dies ist einer der Gründe, warum wir energiesparende Bürstenkonstruktionen im Katalog haben. Sie verhalten sich vorhersehbar, wenn die Energie in die andere Richtung fließt, und aufgrund ihrer geringeren Verluste bleibt ein größerer Teil Ihrer Energie im Stromkreis und nicht in den Wicklungen.

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Fehler, die Menschen überraschen

• Ich erwarte, dass jeder Motor funktioniert. Ein Spaltpol- oder Dreiphasen-Induktionsmotor wird ohne externe Erregung keine nutzbare Leistung erbringen.
• Zu langsam drehen. Die Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit, sodass ein langsames Kurbeln fast nichts bringt.
• Vergessen, einen bürstenlosen Motor zu reparieren. Dreiphasiger Wechselstrom, der in Batterieklemmen eingespeist wird, ist eine gute Möglichkeit, etwas zu beschädigen.
• Der ursprüngliche Controller bleibt angeschlossen. Die Rückspeisung eines Treibers über seine eigene Ausgangsstufe endet selten gut.
• Bürstenverschleiß ignorieren. Bürsten sind Verbrauchsmaterialien und der kontinuierliche Generatorbetrieb ist für sie schwieriger als der gelegentliche Einsatz eines Motors.
• Überlastung der Antriebsmaschine. Der Strom ist proportional zum Drehmoment, sodass ein stark belasteter Generator die ihn antreibende Turbine zum Stillstand bringen kann.
• Der Leerlaufspannung vertrauen. Es handelt sich nicht um die Betriebsspannung; Messen Sie unter Last, bevor Sie eine Zahl entwerfen.

Wo Motor-als-Generator bereits in realen Produkten vorkommt

Regeneratives Bremsen ist in der Produktionsform ein Motor-als-Generator-System. Wenn ein Elektrofahrzeug langsamer wird, wenn ein Akku-Bohrschrauber den Auslöser loslässt und wenn ein Roboterarm abbremst, lässt die Steuerung die Maschine als Bremse wirken und schiebt die zurückgewonnene Energie zurück in den Akku. In der Robotik ist das Routine, und die gleichen Gelenke treiben das an Industrieroboter Wir liefern Motoren, die einen Teil jedes Zyklus erzeugen und nicht verbrauchen.

Für solche Anwendungen sind Motoren erforderlich, die Tausende von Richtungswechseln problemlos tolerieren. Genau dafür sind die leichtgängigen Bürstenkonstruktionen unserer Roboterreihe konzipiert.

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In kleinerem Maßstab findet die Erzeugung in Handkurbel-Taschenlampen und Radios, aufziehbaren Taschenlampen, kleinen Windturbinen, Mikro-Wasserkraftanlagen, Heimtrainern und der Energiegewinnung aus Türen, Drehkreuzen und Verkaufsautomaten statt. Keiner davon benötigt einen speziell gebauten Generator. Sie benötigen einen Permanentmagnetmotor, ein vernünftiges Übersetzungsverhältnis oder eine entsprechende Drehzahlanpassung und einen Gleichrichter, dessen Ausgang Gleichstrom sein muss.

Ein letztes Wort, bevor Sie die Welle drehen

Wir stellen seit 1988 Mikro-Gleichstrommotoren her, was bedeutet, dass wir miterlebt haben, wie sehr viele von ihnen auf der Generatorseite des Stromkreises landeten, manchmal absichtlich und manchmal zufällig. Wenn Sie an einem Produkt arbeiten, bei dem ein Motor antreiben und erzeugen muss, teilen Sie uns die Spannung, Geschwindigkeit, das Drehmoment und den Arbeitszyklus mit, die Sie im Sinn haben, und wir helfen Ihnen, die Optionen einzugrenzen, unabhängig davon, ob es sich um ein Standardmodell mit Bürsten, ein bürstenloses Design oder eine Getriebeeinheit handelt.

Wenn Sie zunächst sehen möchten, wie sich diese Motoren in realen Geräten verhalten, finden Sie in unserem Überblick die Die häufigsten Anwendungen für DC-Bürstenmotoren ist ein guter Anfang.