Wie funktionieren Gleichstrommotoren in Bezug auf den Strom und welche Folgen hat der Strom durch sie?

Letztendlich muss man sich darüber im Klaren sein, dass eine elektrische Maschine im Grunde ein Wandler von elektrischer Energie in mechanische Energie ist, der Magnetfelder als Bindeglied nutzt. Das magnetische Feld/der magnetische Fluss wird entweder durch Magnete oder durch Elektromagnete erzeugt.

Motoren im Allgemeinen waren schon immer ein schwieriges Thema, um das ich mich nicht vollständig kümmern kann. Was bestimmt bei Gleichstrommotoren die Geschwindigkeit, mit der sich der Motor dreht?

Die Geschwindigkeit, mit der sich der Rotor der elektrischen Maschine dreht, ist grundsätzlich für alle Arten von elektrischen Maschinen gleich (Induktion, Sync, SR, BLDC, BLAC, gebürstet, Hysterese ...).

Die Änderungsrate des Flusses.

Wie diese Änderungsrate erzeugt wird, ist für jede Maschine sehr spezifisch. Aber im Grunde wird der Rotor versuchen, sich selbst auszurichten, indem er einen magnetischen Fluss auf dem Stator und dem Rotor erzeugt, genau wie Magnete es tun. Dieses elektromagnetische Drehmoment manifestiert sich als mechanisches Drehmoment (da es senkrecht zu einer frei rotierenden Achse steht).

Ein Drehmoment, das auf eine gewisse Trägheit wirkt, führt zu einer Beschleunigung, die den Rotor auf unendliche Geschwindigkeit bringen möchte.

Aufgrund des Lenzschen Gesetzes ist dies nicht möglich. Sie haben jetzt ein rotierendes Magnetfeld, das an Spulen vorbeiläuft, dies induziert eine Spannung, die der Spannungsquelle entgegengesetzt ist, die Sie verwenden, um Strom in die elektrische Maschine zu zwingen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um EM_Torque zu erzeugen.

Je schneller Sie fahren, desto höher ist diese Spannung, desto mehr widersetzt sie sich der verwendeten Spannungsquelle. Irgendwann können Sie keinen Strom mehr in die Wicklungen zwingen, um ein Magnetfeld zu erzeugen => kein EM_Torque mehr --> kein Rotordrehmoment mehr --> keine Beschleunigung mehr.

Sie haben jetzt Ihre maximale Leerlaufgeschwindigkeit erreicht.

Wie bereits erwähnt, erzeugen unterschiedliche Maschinen den sich ändernden Fluss durch unterschiedliche Mechanismen

• Gebürstete Maschine (DC-Stator DC-Rotor)

PM-Stator und ein gewickelter Rotor, Bürsten werden verwendet, um elektrische Energie auf den Rotor zu übertragen, um einen Gleichstrom und somit ein unidirektionales Magnetfeld auf dem Rotor zu erzeugen. Legen Sie die Spannungsquelle an und der Rotor dreht sich, um sich selbst auszurichten. Dies bewirkt, dass über die Bürsten eine „Kommutierung“ auftritt und das Rotormagnetfeld geändert wird, indem es vom aktuellen Statorpol weggeschoben und zum nächsten angezogen wird.

Mehr Spannung ==> mehr EM_Torque ==> Schnellere Kommutierung

• Syncrounous Machine (AC-Stator DC-Rotor)

Gewickelter Rotor, gewickelter Stator. Die Leistung wird normalerweise über einen Haupterreger (im Grunde ein rotierender Transformator) auf den Stator übertragen und erzeugt im Rotor einen Gleichstrom, der die Richtung nicht ändert. Der Stator wird dann mit einer Wechselspannungsquelle erregt. Der Rotor „rastet“ auf diesem variierenden Statorfeld ein und wird im Grunde mit ihm herumgeschleift. Um die Drehzahl einer Synchronmaschine zu erhöhen, wird die Frequenz der Spannungsquelle am Stator verändert: Höher == Schneller.

• BLAC, BLDC (AC-Stator, DC-Rotor)

Dies sind im Grunde nur Synchronmaschinen, aber sie haben Permanentmagnete am Rotor. Je höher die Statorfrequenz, desto höher die Rotordrehzahl. AC & DC kommt nur von der Art der verwendeten Stromregelung.

• Geschaltete Reluktanz (AC-Stator ... Rotor)

Schöne Maschinen, markanter Rotor, KEINE WICKLUNGEN, KEINE FELDERZEUGUNG. Gewundener Stator. Der Stator wird erregt, um einen Fluss zu erzeugen. Ein nicht ausgerichteter Rotor erfährt ein Reluktanzdrehmoment und versucht, sich selbst auszurichten, um die Reluktanz in der vorliegenden magnetischen Gleichspannung zu minimieren ==> mechanisches Drehmoment ==> Beschleunigung. Sobald die Ausrichtung erfolgt ist, hören Sie auf, den Stator zu feuern, und lassen den Rotor kurz „auslaufen“, bevor Sie erneut feuern

• Induktionsmaschine. (AC-Stator, AC-Rotor)

Gewickelter Stator, gewickelter Rotor. Im Gegensatz zu einer Synchronmaschine sind die Rotorwicklungen jedoch normalerweise kurzgeschlossen (wodurch eine Konstruktion ähnlich einem Käfigläufer entsteht). Das Anlegen einer Wechselspannung an den Stator erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Dies induziert eine Spannung am Rotor und erzeugt aufgrund des Kurzschlusses einen Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das vom rotierenden Statorfeld herumgezogen wird

Ich denke manchmal an einen idealen Motor. Ideal, da es keinen Widerstand, keine Reibung hat. Er wirkt wie ein Generator mit einer Ausgangsspannung von Kf, wobei K eine von der Motorkonstruktion abhängige Konstante und f die Frequenz ist. Das ist für einen Permanentmagnetmotor nicht schlecht. Sie legen eine Spannung an und es zieht Strom und dreht sich hoch. Es erreicht eine konstante Geschwindigkeit und verbraucht keinen Strom mehr, sodass der Strom jetzt 0 ist. Die Geschwindigkeit wird durch V = Kf angegeben, sodass die erzeugte Spannung der angelegten Spannung gerade entgegengesetzt ist, weshalb der Strom 0 ist.

Sie können dies auch verwenden, um über kleine Abweichungen vom Ideal nachzudenken und was sie bewirken würden.

Nicht sehr streng, aber gibt mir einen Einblick.

Sie scheinen zu übersehen, dass ein Motor auch eine mechanische Maschine ist. Newtons zweites Gesetz ist sehr relevant und besagt, dass Kraft$F$ist das Produkt der Masse$m$und Beschleunigung$a$:

Die Kraft ist hier das vom Motor erzeugte Drehmoment. Wenn dieses Drehmoment gleich dem von der Last gelieferten Drehmoment ist (z. B. durch Reibung), dann gibt es keine Nettokraft, also keine Beschleunigung, und der Motor dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit, was auch immer das ist. Wenn das Drehmoment des Motors mehr oder weniger wird, beschleunigt oder verzögert die mechanische Last.

Das Drehmoment des Motors ist in erster Näherung proportional zum Strom durch den Motor. Mehr Strom führt zu einem stärkeren Magnetfeld und damit zu mehr Drehmoment. Der Motor dreht möglicherweise schneller, wenn gemäß dem obigen Newtonschen Gesetz ein Nettodrehmoment in diese Richtung vorhanden ist.

Wenn sich der Motor dreht, bewegt sich auch der Rotor durch das Statorfeld. Es ist im Wesentlichen ein Generator und gleichzeitig ein Motor. Die Gegen-EMK ist in erster Näherung proportional zur Motordrehzahl. Die Gegen-EMK erscheint in Reihe mit der Induktivität und dem Widerstand der Motorwicklungen und in der intuitivsten Situation, in der die mechanische Last den Motor nicht dazu zwingt, relativ zu der an die Motorklemmen angelegten Spannung rückwärts zu laufen, die Gegen-EMK der angelegten Spannung entgegenwirkt ( Lenzsches Gesetz ).

Wenn Sie also einen Motor an eine 12-V-Batterie anschließen und er sich schnell genug dreht, dass die Gegen-EMK 10 V beträgt, dann ist es so, als würden Sie 2 V an den Motor anlegen. Das erklärt die Gleichung:

$V-\mathcal{E}$ist wirklich nur die an den Motor angelegte Nettospannung, also ist dies nur das Ohmsche Gesetz:$I=V/R$. Wir können dies tun, weil echte Motoren einen erheblichen Gleichstromwicklungswiderstand haben.

Hier ist eine nette Denkübung: Was würde passieren, wenn Sie einen Motor ohne Wicklungswiderstand und eine ideale Spannungsquelle hätten, um ihn mit Strom zu versorgen?

Das heißt, wenn sich der Wicklungswiderstand 0 nähert, nähert sich der vom Motor gezogene Strom unendlich. Da die Kraft proportional zum Strom ist, geht die Kraft auch gegen unendlich. Somit hat ein Motor ohne Widerstand eine perfekte Geschwindigkeitsregelung: Jeder Versuch, von der durch die angelegte Spannung eingestellten Geschwindigkeit abzuweichen, führt zu einem unendlichen Strom, der eine unendliche Kraft zur Korrektur der Geschwindigkeitsabweichung zur Folge hat. Der Strom durch die Spannungsquelle ist proportional zu der Kraft, die erforderlich ist, um diese Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Echte Motoren, die einen gewissen Widerstand haben, nähern sich diesem Verhalten nur an. Wenn Sie an eine Spannungsquelle (Autobatterie) angeschlossen sind und versuchen, den Motor zu verlangsamen (mit der Hand zu bremsen), nimmt die Gegen-EMK ab, was zu einer höheren Nettospannung an den Wicklungen führt, was den Strom erhöht, was die Kraft erhöht, was lässt den Motor versuchen, nicht von Ihrer Hand gebremst zu werden. Wie gut der Motor dies kann, ist umgekehrt proportional zur Spannungsquelle und zum Serienwiderstand des Motors.