Methoden zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors

Die Geschwindigkeitskontrolle ist eines der wichtigsten Leistungsmerkmale eines Gleichstrommotor Dies ist einer der Hauptgründe dafür, dass Gleichstrommotoren weiterhin weit verbreitet in Anwendungen eingesetzt werden, die präzise, einstellbare und reaktionsschnelle Bewegungen erfordern. Im Gegensatz zu Wechselstrommotoren, deren Drehzahl eng an die Frequenz der Stromversorgung gebunden ist, kann die Drehzahl eines Gleichstrommotors durch mehrere bewährte Methoden reibungslos und wirtschaftlich angepasst werden. Das Verständnis dieser Methoden ermöglicht es Ingenieuren und Produktdesignern, den am besten geeigneten Ansatz für eine bestimmte Anwendung auszuwählen und dabei Faktoren wie Kosten, Effizienz, Drehmomentanforderungen und Steuerungskomplexität auszugleichen.

Die Drehzahl eines Gleichstrommotors wird durch das Verhältnis zwischen der Ankerspannung, der gegenelektromotorischen Kraft, dem Ankerwiderstand und dem durch das Feld erzeugten magnetischen Fluss bestimmt. Durch Manipulation eines dieser Faktoren kann die Drehzahl des Motors erhöht oder verringert werden. In der Praxis wird dies hauptsächlich durch drei elektrische Steuerungsmethoden erreicht, während ein vierter, rein mechanischer Ansatz mit einem Untersetzungsgetriebe – das heute eine gängige und entscheidende Methode bei der Entwicklung von Motorlösungen ist – eine Drehzahlregelung ohne Änderungen am elektrischen System des Motors ermöglicht.

Ankerspannungsregelung

Die Steuerung der Ankerspannung ist die gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Methode zur Regelung der Drehzahl von Gleichstrommotoren. Da die Motorgeschwindigkeit ungefähr proportional zur an der Ankerwicklung anliegenden Spannung ist, führt eine Erhöhung der Versorgungsspannung dazu, dass sich der Motor schneller dreht, während eine Verringerung der Spannung den Motor verlangsamt. Diese Beziehung macht die Ankerspannungsregelung zu einem intuitiven und äußerst effektiven Mittel zur Erzielung einer sanften, kontinuierlichen Geschwindigkeitsanpassung.

In modernen Anwendungen wird die Ankerspannung typischerweise durch Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt, wobei die an den Motor gelieferte durchschnittliche Spannung durch schnelles Ein- und Ausschalten der Versorgung in einem kontrollierten Arbeitszyklus variiert wird. Dieser Ansatz bietet hervorragende Effizienz, schnelle Reaktion und einen großen Geschwindigkeitsanpassungsbereich und erzeugt im Vergleich zu Widerstandsmethoden relativ wenig Wärme. Die Ankerspannungsregelung eignet sich besonders gut für Anwendungen unterhalb der Nenndrehzahl des Motors, wo sie über den einstellbaren Drehzahlbereich ein relativ konstantes Drehmoment aufrechterhält, was sie zur bevorzugten Wahl für Präzisionsantriebe, automatisierte Anlagen und batteriebetriebene Geräte macht.

Feldflusskontrolle

Bei DC-Bürstenmotoren wird die elektromotorische Gegenkraft durch den magnetischen Fluss und die Drehzahl bestimmt. Die Ankerspannung ist die Summe der gegenelektromotorischen Kraft und des Spannungsabfalls an den Ankerwicklungen. Da der Spannungsabfall in der Wicklung im Normalbetrieb sehr gering ist, entspricht die Ankerspannung in etwa der gegenelektromotorischen Kraft.

Wenn Ankerspannung und Lastdrehmoment konstant gehalten werden, ist die Motordrehzahl umgekehrt proportional zum magnetischen Fluss. Eine Verringerung des magnetischen Flusses verringert die elektromotorische Gegenkraft, erhöht die Spannungsdifferenz im Ankerkreis und erhöht den Ankerstrom. Der höhere Strom gleicht den Drehmomentverlust durch einen geschwächten Magnetfluss aus und sorgt für ein stabiles Ausgangsdrehmoment. Schließlich läuft der Motor bei kleinerem Magnetfluss schneller und bei größerem Magnetfluss langsamer.

Bei Gleichstrommotoren mit Feldwicklungen kann der magnetische Fluss durch Variation des Feldstroms angepasst werden. Ein variabler Widerstand, der im Stromkreis der Feldspule in Reihe geschaltet ist, ermöglicht die Regulierung: Durch Verringern des Widerstands erhöht sich der Feldstrom, das Magnetfeld wird gestärkt und der Magnetfluss erhöht.

Permanentmagnet-Gleichstrommotoren sind nicht mit Feldwicklungen ausgestattet und ihr Magnetfeld wird von Permanentmagneten gespeist. Um den magnetischen Fluss zu erhöhen, können Magnete mit höherer magnetischer Leistung verwendet werden. Darüber hinaus ist der magnetische Haltering ein Bauteil mit hoher magnetischer Permeabilität. Es begrenzt magnetische Streuflüsse von den Magneten und optimiert den internen Magnetkreis. Der Einbau eines magnetischen Halterings reduziert magnetische Verluste und erhöht den effektiven magnetischen Fluss für die elektromechanische Energieumwandlung.

Ankerwiderstandskontrolle

Durch die Steuerung des Ankerwiderstands wird eine Geschwindigkeitsreduzierung erreicht, indem ein variabler Widerstand in Reihe mit dem Ankerkreis geschaltet wird. Mit zunehmendem Widerstand nimmt der Spannungsabfall am Widerstand zu, wodurch weniger Spannung zum Antrieb des Motors zur Verfügung steht und die Drehzahl sinkt. Umgekehrt führt die Verringerung des Widerstands dazu, dass mehr Spannung zum Anker gelangt und die Drehzahl bis zum Nennwert des Motors erhöht wird.

Obwohl diese Methode einfach, kostengünstig und leicht zu implementieren ist, weist sie erhebliche Nachteile auf. Ein erheblicher Teil der Eingangsenergie wird als Wärme im Widerstand abgegeben, was zu einem geringeren Gesamtwirkungsgrad führt, insbesondere bei reduzierten Geschwindigkeiten. Darüber hinaus erlaubt diese Methode nur eine Geschwindigkeitsreduzierung unterhalb der Nenngeschwindigkeit und bietet im Vergleich zu elektronischen Methoden eine relativ grobe Regelung. Daher ist die Steuerung des Ankerwiderstands im Allgemeinen auf Anwendungen mit geringerer Leistung, einfache Steuerungssysteme oder Situationen beschränkt, in denen eine gelegentliche, unkritische Geschwindigkeitsanpassung ausreicht und elektronische Antriebslösungen aus Kostengründen nicht gerechtfertigt sind.

Hinzufügen eines Getriebereduzierers

Zusätzlich zu den oben beschriebenen elektrischen Steuerungsmethoden kann die Ausgangsgeschwindigkeit auch mechanisch angepasst werden, indem der Gleichstrommotor an ein Untersetzungsgetriebe gekoppelt wird. Ein Getriebe reduziert die von der Motorwelle gelieferte Drehzahl und erhöht gleichzeitig proportional das verfügbare Drehmoment an der Abtriebswelle, entsprechend dem für die Anwendung gewählten Untersetzungsverhältnis.

Dieser Ansatz ist besonders wertvoll, wenn eine Anwendung eine feste, vorhersehbare Ausgangsdrehzahl erfordert, die deutlich unter dem natürlichen Betriebsbereich des Motors liegt, oder wenn ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl benötigt wird, ohne übermäßige elektrische Anforderungen an den Motor selbst zu stellen. Da der Motor weiterhin in der Nähe seines optimalen Drehzahl- und Effizienzbereichs arbeiten kann, während das Getriebe die Drehzahlreduzierung übernimmt, bietet diese Kombination häufig eine bessere Gesamteffizienz und Haltbarkeit als der alleinige Einsatz elektrischer Methoden zur Erzielung sehr niedriger Ausgangsdrehzahlen. Untersetzungsgetriebe werden häufig in Verbindung mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren in den Bereichen Robotik, industrielle Automatisierung, Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuganwendungen eingesetzt und können mit jeder der oben genannten Methoden zur elektrischen Drehzahlregelung kombiniert werden, um die endgültige Ausgangsdrehzahl weiter zu optimieren.

Fazit

Die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren ist entscheidend für die Optimierung der Systemleistung, die Verbesserung der Energieeffizienz und das Erreichen geplanter Funktionen. Bei der Auswahl einer geeigneten Lösung ist es wichtig, die tatsächlichen Anwendungsanforderungen, Energieeffizienzziele und Kostenbudgets vollständig zu berücksichtigen. Die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren von Hongyang Motor zeichnen sich durch ein flexibles Design aus und sind mit verschiedenen Geschwindigkeitsregelungslösungen kompatibel, um unterschiedliche Kundenanforderungen zu erfüllen. Wir bieten umfassende Produktkonfigurationen und professionellen technischen Support, damit die Geräte ihren besten Betriebszustand erreichen.