Erfahren Sie die Grundlagen der Gegen-EMF, wie man sie misst und welche Vor- und Nachteile verschiedene Motortypen haben.
In Teil 1 dieser FAQ haben wir uns mit bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) befasst, wobei letztere einige Ähnlichkeiten mit einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) aufweisen. Das vereinfachte PMSM-Diagramm in Figure 1 ähnelt dem in Teil 1 dargestellten Diagramm für den BLDC-Motor abzüglich der elektronischen Kommutierungsschaltung. Subtile, aber signifikante Unterschiede zwischen den beiden zeigen sich jedoch darin, dass der BLDC-Motor eine sinusförmige Gegen-EMK aufweist, während der PMSM eine trapezförmige Gegen-EMK aufweist.
Was ist die Gegen-EMF und wie kann ich sie messen?
Gegen-EMF (VBEMF) ist die Spannung, die ein rotierender Motor in seiner Doppelfunktion als Generator erzeugt und proportional zur Drehzahl ist. Abbildung 2a zeigt eine vereinfachte Modelldarstellung VBEMF, Serienwiderstand (RS) und Serieninduktivität (LS). Messen VBEMF, trennen Sie den Motor von der Eingangsstromquelle, schließen Sie Ihr Oszilloskop an die Motorklemmen an und drehen Sie den Motor mit einer bekannten Geschwindigkeit. Sie können das direkt beobachten VBEMF auf dem Oszilloskop (Abbildung 2b), denn wenn kein Strom fließt, RS und LS trägt keinen Spannungsabfall bei.
Oft möchten Sie die Gegen-EMK während des Motorbetriebs messen, um Geschwindigkeits- und Positionsinformationen zu erhalten. In einem typischen elektronischen Kommutierungsschema eines dreiphasigen BLDC-Motors führen zu jedem Zeitpunkt nur zwei Phasen Strom, und eine Motorsteuerung kann die Gegen-EMK an der dritten, nicht erregten Phase messen. Alternativ können Sie den Serienstrom messen I und berechnen Sie die Gegen-EMK:
Weitere Informationen finden Sie unter „Lenzsches Gesetz und Gegen-EMF“ in Tipps zur Bewegungssteuerung.
Welche Nachteile haben PMSM- oder BLDC-Motoren?
Bei Gleichstrommotoren ist es manchmal praktisch, die Feldstärke zu variieren, was mit Permanentmagneten nicht möglich ist. Bei konstanter Feldstärke arbeitet ein herkömmlicher Gleichstrommotor bis zu der Drehzahl, bei der sich die Gegen-EMK des Motors der Eingangsspannung nähert, im Modus mit konstantem Drehmoment. An diesem Punkt verringert die Reduzierung des Feldstroms die Gegen-EMK, und der Motor kann mit höherer Drehzahl, aber geringerem Drehmoment betrieben werden, wodurch ein Modus mit konstanter Leistung entsteht. Dieser Modus kann in Anwendungen wie Werkzeugmaschinen nützlich sein, wo ein Werkzeug mit konstanter Schnittleistung arbeiten kann, selbst wenn sich die Materialdichte ändert.
Für jeden Permanentmagnetmotor werden Probleme in der Lieferkette mit Permanentmagneten immer kritischer, wie in diesem Bericht des US-Energieministeriums hervorgehoben wird. Daher wird weiterhin nach Alternativen geforscht. Optionen gibt es schon seit langem, einschließlich des in Teil 1 besprochenen Gleichstrommotors mit Bürsten, wenn auch mit Nachteilen. Eine weitere Alternative ist der Wundläufer-Synchronmotor (WRSM). Figure 3 zeigt Bürsten und Schleifringe, die Gleichstrom zu und von den Rotorwicklungen eines WRSM transportieren. Bei den Schleifringen und Bürsten besteht kein Lichtbogen- und Überschlagsrisiko wie beim Kommutator eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors, dennoch unterliegen sie weiterhin mechanischem Verschleiß.
Eine weitere Option ist der AC-Induktionsmotor. In Figure 4 Links besteht der Rotor aus einer Leiterschleife, die einen laminierten Eisenkern umgibt. Wenn sich die Welle dreht, induziert das Statormagnetfeld Wechselströme in der Schleife, was zu magnetischen Polaritätsumkehrungen im Rotorkern führt, wie in der Schrägansicht rechts dargestellt. Der Rotor versucht, mit den rotierenden Magnetfeldern des Stators Schritt zu halten, aber es gelingt ihm nicht. Andernfalls würde die Leiterschleife das Magnetfeld des Stators nicht mehr durchschneiden und ihr Strom würde auf Null sinken. Folglich läuft der Motor mit „Schlupf“ – ein paar Prozent unter der Synchrondrehzahl.
Anstelle einer Leiterschleife verfügt ein typischer Dreiphasen-Induktionsmotor über mehrere Leiter, die in einer Konfiguration angeordnet sind, die einem Käfigläufer ähnelt, und wird oft als Käfigläufermotor bezeichnet. Ohne Kommutator oder Schleifringe ist dieser Motor seit langem ein zuverlässiges Arbeitstier. Es ist optimal, wenn es bei Anwendungen wie dem regelmäßigen Nachfüllen eines Wasserturms mit voller Geschwindigkeit und Last läuft, da der Motor eine Pumpe mit konstanter Drehzahl antreibt. Seine Effizienz wird beeinträchtigt, wenn er mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Lasten betrieben wird – zum Beispiel beim Antrieb einer Pumpe mit variabler Drehzahl, die trotz wechselndem Bedarf einen konstanten Wasserdruck aufrechterhält, oder als Traktionsmotor in einem Elektrofahrzeug.
Was sollte ich sonst noch über Motoren wissen?
In Teil 3 dieser Serie beschreibe ich einen Elektromotor, der keine Permanentmagnete, keinen Kommutator, keine Bürsten, keine Schleifringe und keinen Käfigläufer hat. Wir werden uns auch mit der Rolle moderner Antriebselektronik befassen, die diesen Motor praktisch macht und die Leistung und Effizienz anderer Motortypen steigert. Abschließend werden wir uns mit Leistungs- und Effizienzmessungen befassen. In der Zwischenzeit, EEWorld hat gerade eine Reihe von Präsentationen zum Thema Motorantriebsdesign erstellt, die Sie hier bei Bedarf ansehen können.
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