Hoe werkt een gelijkstroommotor?

Hoe werkt een gelijkstroommotor?

Een DC-motor is een van de belangrijkste uitvindingen in de geschiedenis van de elektrotechniek en zet elektrische gelijkstroom om in mechanische energie. Van industriële machines en transportsystemen tot huishoudelijke apparaten en robotica, is het een essentieel onderdeel in talloze toepassingen. Het begrijpen van hoe een DC-motor werkt, is essentieel voor ingenieurs, technici en iedereen die geïnteresseerd is in elektromechanische systemen.

Dit artikel legt de werking van een gelijkstroommotor uit, evenals de onderdelen, typen en toepassingen, en de wetenschap achter de werking. We bespreken ook hoe koppel wordt opgewekt, de rol van de commutator en hoe het toerental en de draairichting worden geregeld.

Basisprincipe van werking

Het fundamentele werkpriëncipe van een gelijkstroommotor is gebaseerd op elektromagnetisme . Wanneer een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, ondervindt deze een mechanische kracht. Dit wordt beschreven door de linkshandregel van Fleming, die stelt dat:

• De duim de richting van de kracht (beweging) aangeeft.

• De duim de richting van het magnetische veld aangeeft (noord naar zuid).

• De wijsvinger de richting van de stroom aangeeft (positief naar negatief).

Door de geleider in een specifieke configuratie binnen de motor te plaatsen, kan deze kracht worden benut om een continue rotatie te verkrijgen.

Belangrijkste onderdelen van een gelijkstroommotor

Anker (rotor)

Het draaiende deel van de motor dat stroom voert via wikkelingen. Deanker is gemonteerd op een as en wisselt interactie met het magnetische veld om koppel te genereren.

Commutator

Een gesegmenteerde koperen ring die verbonden is met de ankerwikkelingen. De functie ervan is om de stroomrichting in elke ankercoil om te keren terwijl deze roteert, zodat het koppel altijd in dezelfde richting wordt opgewekt.

Penselen

Gemaakt van koolstof of grafiet, waarbij de borstels elektrisch contact onderhouden tussen de vaste stroomvoorziening en de roterende commutator.

Veldwikkeling of permanente magneten

Deze wekken het stationaire magnetische veld op waarin het anker roteert. In sommige ontwerpen worden elektromagneten gebruikt; in andere ontwerpen zorgen permanente magneten voor het veld.

Lagers

Ondersteunen de roterende as, verminderen de wrijving en maken soepele beweging mogelijk.

Behuizing (frame)

De buitenste behuizing die de componenten bijeenhoudt, beschermt tegen beschadiging en mogelijk helpt bij warmte-afvoer.

Stap-voor-stap werkproces

1. Verbinding van de voeding
   Er wordt gelijkstroom naar de motorpolen gevoerd, waarbij de positieve en negatieve aansluitingen verbonden zijn met de borstels.

2. Stroomstroom door het anker
   De borstels geleiden de elektrische stroom naar de commutator, die deze doorleidt naar de ankerwikkelingen.

3. Magnetische Veldinteractie
   De stroom in de ankervoeringen wekt haar eigen magnetisch veld op. Dit komt in wisselwerking met het stilstaande magnetisch veld van de veldvoeringen of permanente magneten.

4. Krachtgeneratie
   De wisselwerking tussen de twee magnetische velden levert een kracht op de ankerleiders, waardoor de rotor gaat draaien.

5. Commutatie
   Terwijl de rotor draait, keert de commutator de stroomrichting in de ankervoeringen om elke halve draai. Dit zorgt ervoor dat het opgewekte koppel behouden blijft in dezelfde draairichting.

6. Continue Rotatie
   Het proces herhaalt zich voortdurend zolang de voedingsspanning wordt toegepast, wat een duurzame mechanische rotatie oplevert.

Rol van Commutatie in een Gelijkstroommotor

Commutatie is cruciaal voor het behouden van een vloeiende draaiing. Zonder het op het juiste moment omkeren van de stroom in de ankerveren, zou het koppel van richting veranderen en zou de motor stoppen of schokken. In motoren met borstels wordt mechanische commutatie uitgevoerd door de borstels en de commutatorsegmenten. In borstelloze motoren wordt de commutatie gedaan door elektronische schakelingen.

Soorten gelijkstroommotoren en hun werkingverschillen

Gelijkstroommotor met in serie geschakelde veldwikkeling

• De veldwikkeling is in serie aangesloten op de ankerveren.

• Levert een hoog startkoppel, waardoor het geschikt is voor toepassingen zoals kranen en elektrische treinen.

• Het toerental varieert sterk bij belastingswijzigingen.

Gelijkstroommotor met parallel geschakelde veldwikkeling

• De veldwikkeling is parallel aangesloten op de ankerveren.

• Biedt een goede snelheidsregeling onder wisselende belasting.

• Veel gebruikt in industriële machines die een stabiele werking vereisen.

DC-motor met samengestelde wond

• Combineert zowel serie- als shuntveldwikkelingen.

• Biedt een evenwicht tussen een hoog startmoment en een goede snelheidsregeling.

Permanent magnetischedc-motor

• Gebruikt permanente magneten voor het veld in plaats van wikkels.

• Eenvoudiger ontwerp, hoge efficiëntie en compacte grootte.

• Ze worden gevonden in kleine apparaten, speelgoed en automobieltoepassingen.

Brushless DC motor (BLDC)

• Gebruikt elektronische commutatie in plaats van borstels.

• Efficiënter, langer en minder onderhoud.

• Gewoonlijk in elektrische voertuigen, drones en precisie-instrumenten.

Hoe een gelijkstroommotor koppel produceert

Koppel is de rotatiekracht die door de motor wordt geproduceerd. Bij een gelijkstroommotor hangt het koppel af van:

• De sterkte van het magnetische veld.

• De hoeveelheid stroom in de ankervo windingen.

• Het aantal actieve geleiders in het magnetische veld.

De basisvergelijking voor koppel in een gelijkstroommotor is:

T = k × Φ × Ia

Waarbij:

• T = Koppel

• k = Motorconstante

• φ = Magnetische flux per pool

• Ia = Ankerstroom

Het verhogen van de ankerstroom of de magnetische flux zal het koppel verhogen.

Snelheidsregeling in een gelijkstroommotor

De snelheid kan worden geregeld door het aanpassen van:

• Ankerspanning : Hogere spanning verhoogt de snelheid.

• Veldstroom : Het verhogen van de veldstroom versterkt het magnetisch veld en verlaagt de snelheid; het verlagen ervan verhoogt de snelheid.

• PWM Bediening : Pulsbreedtemodulatie maakt nauwkeurige en efficiënte snelheidsaanpassingen mogelijk.

Richtingregeling

De draairichting van een gelijkstroommotor kan worden omgekeerd door de polariteit van de ankerstroom of de veldstroom om te keren (maar niet beide tegelijk). Dit wordt vaak gebruikt in omkeerbare aandrijvingen zoals elektrische lieren en industriële transportbanden.

Efficiëntiefactoren

De efficiëntie van een gelijkstroommotor hangt af van het minimaliseren van verliezen, waaronder:

• Elektrische verliezen in wikkelingen (weerstandsverliezen).

• Mechanische verliezen in lagers en wrijving.

• Kernverliezen door magnetische hysteresis en wervelstromen.

Ontwerpen zonder borstels bieden over het algemeen een hoger rendement, omdat daarmee de borstelwrijving wordt geëlimineerd en elektrische vonkvorming wordt verminderd.

Voordelen van gelijkstroommotoren in praktisch gebruik

• Precieze en vloeiende toerentalregeling.

• Hoge startkoppelkracht voor zware belastingen.

• Snelle reactie op besturingssignalen.

• Compatibiliteit met batterij-gebaseerde stroombronnen.

Beperkingen om in overweging te nemen

• Onderhoudseisen voor afgewerkte ontwerpen.

• Kortere levensduur in zware belastingsomstandigheden indien slecht onderhouden.

• Elektrisch geluid van borstels en commutatoren.

Toepassingen van DC-motoren

• Vervoer : Elektrische auto's, treinen en trams.

• Industriële Machinerie : Rolmills, transportbanden en liften.

• Automatisering : Robotica, CNC-machines en actuatoren.

• Consumentenelektronica : Elektrische gereedschappen, ventilatoren en huishoudelijke apparaten.

De toekomst van gelijkstroommotortechnologie

Met de opkomst van hernieuwbare energiesystemen, elektrische mobiliteit en geavanceerde automatisering blijft de gelijkstroommotor relevant. Verbeteringen in materialen, elektronische regelaars en productiemethoden verbeteren de prestaties, verminderen het onderhoud en breiden het toepassingsgebied uit. Met name borstelloze gelijkstroommotoren zullen naar verwachting toekomstige ontwerpen domineren vanwege hun efficiëntie en betrouwbaarheid.

Conclusie

Een gelijkstroommotor werkt door elektrische energie van een gelijkstroombron om te zetten in mechanische rotatie, via de wisselwerking van magnetische velden en stroomvoerende geleiders. De gecoördineerde werking van zijn componenten — anker, commutator, borstels en veldsysteem — zorgt voor continue koppelopwekking. Of het nu een geborstelde of borstelloze configuratie betreft, het vermogen van een gelijkstroommotor om nauwkeurige snelheidsregeling, hoog koppel en aanpasbaarheid te bieden, maakt deze onmisbaar in vele industrieën.

Veelgestelde vragen

Wat is de hoofdfunctie van een gelijkstroommotor?

De hoofdfunctie is het omzetten van elektrische gelijkstroomenergie in mechanische rotatie-energie.

Hoe wordt de snelheid van een gelijkstroommotor geregeld?

Door de ankerversnelling, veldstroom aan te passen of gebruik te maken van elektronische PWM-regeling.

Waarom heeft een gelijkstroommotor een commutator nodig?

De commutator keert de stroomrichting in de ankerwikkelingen op het juiste moment om, zodat de rotatie in dezelfde richting blijft doorgaan.

Kan een gelijkstroommotor draaien zonder borstels?

Ja, in borstelloze gelijkstroommotoren vervangen elektronische circuits de borstels voor commutatie.

Wat bepaalt het koppel van een gelijkstroommotor?

Koppel wordt bepaald door de magnetische flux, ankerverstelling en de motorconstructie.