Portescap
Brushed-DC-Motoren als Generatoren betreiben
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren lassen sich als Generatoren betreiben und somit als Gleichstromversorgungsquelle nutzen. Was ist dabei zu beachten, und welche grundlegenden Beziehungen bestehen dabei zwischen Drehzahl, Spannung, Drehmoment und Stromstärke?
Das Internet der Dinge (IoT) ist auf dem Vormarsch und hat zu einer steigenden Anzahl intelligenter Sensoren und Geräte geführt, die sich miteinander verbinden lassen und Daten aneinander übertragen können. In der Industrie bildet das IIoT das Rückgrat der digitalen Transformation eines Unternehmens auf dem Weg zur Industrie 4.0. Weil zahlreiche dieser Geräte kabellos oder an abgelegenen Standorten betrieben werden, ist die Wahl des Antriebs hierbei von entscheidender Bedeutung. Batteriestrom ist ein Teil der Lösung, aber die Batterie muss letztendlich ausgetauscht oder wiederaufgeladen werden.
Dies ist ein Problem, dem sich nicht nur die Industrie stellen muss. Bei Aktivitäten im Freien, wie Camping oder Wandern, befindet sich keine Steckdose in der Nähe, und Akkus entladen sich möglicherweise lange bevor wieder Netzstrom zur Verfügung steht. Außerdem entscheiden sich mehr und mehr Menschen dazu, ihre Kohlenstoffbilanz zu senken und nachhaltige Ressourcen für die Stromerzeugung zu verwenden.
Vor diesem Hintergrund bedeutet die Fähigkeit, einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor als Generator und zur Erzeugung von Gleichstrom zu nutzen, einen großen Vorteil. Die Welle ist dabei mechanisch an eine externe Quelle gekoppelt, die für dessen Rotation sorgt. Die Spulensegmente des Rotors werden durch einen Magnetfluss in der Luftlücke gedreht, und es ist eine Spannungskonstante an den Ausgangsanschlüssen messbar. Anwender können also beispielsweise eine Windfahne an der Motorwelle anbringen, damit sogar eine leichte Brise bereits eine brauchbare Ausgangsspannung liefert.
Die erzeugte Spannung ist eine Funktion der Gegenspannungskonstante (ein charakteristischer Parameter des Motors, der in mV / U/min ausgedrückt wird) und der Drehzahl der Welle. Sie ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Motors, weil die erreichbare Drehzahl der Welle hoch genug sein muss, um die erforderliche Gegenspannung zu erzeugen, aber nicht so hoch sein darf, dass die maximal zulässigen Drehzahlparameter des Motors überschritten werden. Ist die Drehzahl zu hoch, sollte ein Motor mit einer höheren Nenndrehzahl gewählt werden. Ist die Drehzahl zu niedrig, lässt sich ein geeignetes Getriebe anbringen, um die Drehzahl der Motorwelle zu erhöhen.
Außerdem muss die Last berücksichtigt werden, die über die Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen werden soll. Maximaler Spannungsausgang tritt auf, wenn keine Last anliegt. Wenn bei konstanter Drehzahl eine Last angeschlossen ist, steigt der durch Last und Motorwicklungen fließende Strom wegen des sinkenden Lastwiderstands an. Im Generatormodus ist der Eigenwiderstand der Motorwicklungen der begrenzende Faktor für die maximale Stromstärke.
Auch die Gegenspannungskonstante spielt hier eine Rolle. Ein Motor mit hoher Gegenspannungskonstante und niedrigem Widerstand sorgt für einen stabilen Betrieb. Im Gegensatz dazu steigt bei einem hohen Widerstand der Wicklungen die Empfindlichkeit des Generatorsystems, und die daraus resultierende Spannungsänderung bei der Stromaufnahme führt zu einem instabilen System.
Auch das Drehmoment muss berücksichtigt werden, wobei die Auswahl des Motors eingeschränkt wird durch das maximal zulässige, im Generatormodus auf die Welle wirkende Drehmoment. Die Auswahl eines Motors zur Bewältigung des auf die Welle wirkenden Generatordrehmoments und der maximalen, im Stromkreis auftretenden Stromstärke ist vergleichbar mit der Auslegung eines Motors auf Basis der gewünschten Lastpunkte.
Im Folgenden werden zwei praktische Beispiele besprochen, bei denen Motoren aus der Athlonix-Reihe der bürstenbehafteten Gleichstrommotoren von Portescap verwendet werden. Die Gegenspannungskonstante des Athlonix 17 DCT mit 209P-Spule beträgt 1,17 mV / U/min, und der Widerstand der Spulenwicklungen beläuft sich auf 7,8 Ω. Wenn dieser Motor bei einer Wellendrehzahl von 5000 U/min verwendet wird, beträgt die Ausgangsspannung 5,85 V. Der maximale Laststrom im Kreislauf unter Kurzschlussbedingungen bei I=V/R beträgt 0,75 A. Dieser Wert überschreitet jedoch den maximal für diesen Motor zulässigen Dauerstrom (0,55 A). Eine Lösung bestünde darin, einen Serienlastwiderstand zu verwenden. Alternativ könnte eine andere Spule wie etwa die Version 221P verwendet werden.
Im zweiten Beispiel wird der 16C18-Motor von Portescap mit einer 205P-Spule verwendet. Er hat eine Gegenspannungskonstante von 0,70 mV / U/min und einen Spulenwiederstand von 65 Ω. Bei 10.000 U/min beträgt die Ausgangsspannung des offenen Schaltkreises an der Klemme 7,0 V. Unter Kurzschlussbedingungen beträgt die maximal mögliche, durch die Wicklungen fließende Stromstärke 0,108 A, liegt also unter dem maximal zulässigen Dauerstrom des Motors. Die Verwendung dieses Motors bei einer Wellendrehzahl von 10.000 U/min wäre also auch ohne Zuhilfenahme einer externen Widerstandslast tragbar.
Zu guter Letzt sollte der Konstrukteur auch die Leistungsfähigkeit des Motors im Generatormodus in Betracht ziehen. Es lässt sich zwar nicht die gleiche Leistungsfähigkeit wie bei der Nutzung als Motor erreichen, aber es kann ein angemessen hoher Wirkungsgrad erzielt werden, wenn bei Motor, Lasten und Betriebsdrehzahl die richtige Wahl getroffen wird.
Durch die Nutzung eines Motors als Generator entsteht eine praktische Stromquelle für unterwegs, allerdings müssen vorab alle Betriebspunkte bestimmt werden. Wer sich nicht bei allen Parametern vollständig sicher ist, sollte einen erfahrenen Anbieter zu Rate ziehen, der bei der Auswahl des geeigneten Motors für eine Anwendung behilflich sein kann.
Sunil Kedia ist Manager für die Entwicklung neuer Produkte im Kernmarkt von Portescap.
