Elektrischer Servo- Motor4.77n.m Yaskawa Motor-Wechselstrom Servo-SGMP-15A3A4EPU 3000RMP

Ein einfacher Gleichstrommotor verfügt über eine Drahtspule, die sich in einem Magnetfeld drehen kann. Der Strom in der Spule wird über zwei Bürsten zugeführt, die einen beweglichen Kontakt mit einem Spaltring herstellen. Die Spule liegt in einem stetigen Magnetfeld. Die auf die stromdurchflossenen Drähte ausgeübten Kräfte erzeugen ein Drehmoment auf die Spule.

Die Kraft F auf einen Draht der Länge L, der einen Strom i in einem Magnetfeld B führt, ist iLB mal der Sinus des Winkels zwischen B und i, der 90° betragen würde, wenn das Feld gleichmäßig vertikal wäre. Die Richtung von F ergibt sich aus der Rechte-Hand-Regel*, wie hier gezeigt. Die beiden hier dargestellten Kräfte sind gleich und entgegengesetzt, werden aber vertikal verschoben, sodass sie ein Drehmoment ausüben. (Die Kräfte auf den anderen beiden Seiten der Spule wirken entlang derselben Linie und üben daher kein Drehmoment aus.)

Die Spule kann auch als magnetischer Dipol oder kleiner Elektromagnet betrachtet werden, wie durch den Pfeil SN angezeigt: Drehen Sie die Finger Ihrer rechten Hand in Richtung des Stroms, und Ihr Daumen ist der Nordpol. In der Skizze rechts ist der von der Rotorspule gebildete Elektromagnet als Permanentmagnet dargestellt, und das gleiche Drehmoment (Nord zieht Süden an) wirkt auch auf die Ausrichtung des Zentralmagneten.

• Wir verwenden durchgehend Blau für den Nordpol und Rot für den Süden. Dies ist nur eine Konvention, um die Orientierung zu verdeutlichen: Es gibt keinen Unterschied im Material an beiden Enden des Magneten und sie sind normalerweise nicht in einer anderen Farbe lackiert.

Beachten Sie die Wirkung desBürstenauf derSpaltring. Wenn die Ebene der rotierenden Spule die Horizontale erreicht, unterbrechen die Bürsten den Kontakt (es geht nicht viel verloren, da dies ohnehin der Punkt ist, an dem das Drehmoment Null ist – die Kräfte wirken nach innen). Der Drehimpuls der Spule trägt sie über diesen Knickpunkt hinweg und der Strom fließt dann in die entgegengesetzte Richtung, was den magnetischen Dipol umkehrt. Nach Passieren des Bruchpunkts dreht sich der Rotor also weiter gegen den Uhrzeigersinn und beginnt, sich in die entgegengesetzte Richtung auszurichten. Im folgenden Text werde ich größtenteils das Bild „Drehmoment an einem Magneten“ verwenden. Beachten Sie jedoch, dass die Verwendung von Bürsten oder Wechselstrom dazu führen kann, dass die Pole des betreffenden Elektromagneten ihre Position tauschen, wenn der Strom die Richtung ändert.

Das über einen Zyklus erzeugte Drehmoment variiert mit der vertikalen Trennung der beiden Kräfte. Sie hängt also vom Sinus des Winkels zwischen Spulenachse und Feld ab. Aufgrund des geteilten Rings ist es jedoch immer im gleichen Sinne. Die folgende Animation zeigt die zeitliche Variation. Sie können sie jederzeit stoppen und die Richtung überprüfen, indem Sie die Rechte-Hand-Regel anwenden.

Nun ist ein Gleichstrommotor auch ein Gleichstromgenerator. Schauen Sie sich die nächste Animation an. Die Spule, der geteilte Ring, die Bürsten und der Magnet bestehen aus genau der gleichen Hardware wie der Motor oben, aber die Spule wird gedreht, wodurch eine EMK erzeugt wird.

Wenn man mechanische Energie verwendet, um die Spule (N Windungen, Fläche A) mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit ω im Magnetfeld zu drehenB, es wird eine sinusförmige EMK in der Spule erzeugt. EMK (eine EMK oder elektromotorische Kraft ist fast dasselbe wie eine Spannung). Sei θ der Winkel zwischenBund die Normale zur Spule, daher ist der magnetische Fluss φ NAB.cos θ. Das Faradaysche Gesetz ergibt:

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Die obige Animation würde als Gleichstromgenerator bezeichnet. Wie beim Gleichstrommotor sind die Enden der Spule mit einem Spaltring verbunden, dessen beide Hälften von den Bürsten kontaktiert werden. Beachten Sie, dass die Bürsten und der geteilte Ring die erzeugte EMK „gleichrichten“: Die Kontakte sind so organisiert, dass der Strom immer in die gleiche Richtung fließt, denn wenn sich die Spule über den Totpunkt hinaus dreht, wo die Bürsten auf die Lücke im Ring treffen, werden die Verbindungen zwischen den Enden der Spule und den externen Anschlüssen umgekehrt. Die EMK beträgt hier (unter Vernachlässigung des Totpunkts, der praktischerweise bei Null Volt auftritt) |NBAω sin ωt|, wie skizziert.

Wenn wir Wechselstrom wollen, brauchen wir keine Gleichrichtung, also brauchen wir keine Spaltringe. (Das ist eine gute Nachricht, denn die Spaltringe verursachen Funken, Ozon, Funkstörungen und zusätzlichen Verschleiß. Wenn Sie Gleichstrom wünschen, ist es oft besser, einen Wechselstromgenerator zu verwenden und die Gleichrichtung mit Dioden durchzuführen.)

In der nächsten Animation berühren die beiden Bürsten zwei durchgehende Ringe, sodass die beiden Außenanschlüsse immer mit den gleichen Enden der Spule verbunden sind. Das Ergebnis ist die nicht gleichgerichtete, sinusförmige EMK, die durch NBAω sin ωt gegeben ist und in der nächsten Animation gezeigt wird.

Wie die ersten beiden Animationen zeigen, können Gleichstrommotoren und Generatoren dasselbe sein. Beispielsweise werden die Motoren von Zügen zu Generatoren, wenn der Zug langsamer wird: Sie wandeln kinetische Energie in elektrische Energie um und speisen den Strom wieder ins Netz ein. In letzter Zeit haben einige Hersteller damit begonnen, Kraftfahrzeuge rational herzustellen. In solchen Autos werden die Elektromotoren, die das Auto antreiben, auch dazu genutzt, die Batterien aufzuladen, wenn das Auto steht – das nennt man regeneratives Bremsen.

Hier ist also eine interessante Folgerung.Jeder Motor ist ein Generator. Dies gilt in gewisser Weise auch dann, wenn es als Motor fungiert. Die EMK, die ein Motor erzeugt, wird als bezeichnetGegen-EMK. Aufgrund des Faradayschen Gesetzes nimmt die Gegen-EMK mit der Geschwindigkeit zu. Wenn der Motor also keine Last hat, dreht er sich sehr schnell und beschleunigt, bis die Gegen-EMK zuzüglich des Spannungsabfalls aufgrund von Verlusten der Versorgungsspannung entspricht. Die Gegen-EMK kann man sich als „Regler“ vorstellen: Sie stoppt die unendlich schnelle Drehung des Motors (was den Physikern einige Peinlichkeiten erspart). Wenn der Motor belastet wird, nähert sich die Phase der Spannung der des Stroms an (sie beginnt, ohmsch auszusehen) und dieser scheinbare Widerstand ergibt eine Spannung. Daher ist die erforderliche Gegen-EMK kleiner und der Motor dreht langsamer. (Um die induktive Gegen-EMK zur Widerstandskomponente hinzuzufügen, müssen Sie phasenverschobene Spannungen hinzufügen. Siehe Wechselstromkreise.)

Spulen haben normalerweise Kerne

In der Praxis (und im Gegensatz zu den von uns gezeichneten Diagrammen) haben Generatoren und Gleichstrommotoren oft einen Kern mit hoher Permeabilität innerhalb der Spule, so dass große Magnetfelder durch mäßige Ströme erzeugt werden. Dies ist links in der folgenden Abbildung dargestelltStatoren(die Magnete, die stationär sind) sind Permanentmagnete.

Auch die Statormagnete könnten als Elektromagnete ausgeführt sein, wie oben rechts dargestellt. Die beiden Statoren sind in die gleiche Richtung gewickelt, um ein Feld in der gleichen Richtung zu erzeugen, und der Rotor hat ein Feld, das sich pro Zyklus zweimal umkehrt, weil er mit Bürsten verbunden ist, die hier weggelassen werden. Ein Vorteil von gewickelten Statoren in einem Motor besteht darin, dass man einen Motor herstellen kann, der mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben wirdUniversalmotor. Wenn Sie einen solchen Motor mit Wechselstrom antreiben, ändert sich der Strom in der Spule in jedem Zyklus zweimal (zusätzlich zu den Änderungen durch die Bürsten), aber gleichzeitig ändert sich auch die Polarität der Statoren, sodass sich diese Änderungen aufheben. (Leider gibt es aber immer noch Pinsel, auch wenn ich sie in dieser Skizze ausgeblendet habe.)

Um diesen einfachen, aber seltsamen Motor zu bauen, benötigen Sie zwei ziemlich starke Magnete (Seltenerdmagnete mit etwa 10 mm Durchmesser wären in Ordnung, ebenso wie größere Stabmagnete), einen steifen Kupferdraht (mindestens 50 cm), zwei Drähte mit Krokodilklemmen an beiden Enden, eine 6-Volt-Laternenbatterie, zwei Getränkedosen, zwei Holzblöcke, etwas Klebeband und einen scharfen Nagel.

Stellen Sie die Spule aus steifem Kupferdraht her, sodass keine externe Unterstützung erforderlich ist. Wickeln Sie 5 bis 20 Windungen in einem Kreis von etwa 20 mm Durchmesser, wobei die beiden Enden radial nach außen in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Diese Enden dienen sowohl als Achse als auch als Kontakte. Wenn der Draht eine Lack- oder Kunststoffisolierung hat, entfernen Sie diese an den Enden.

Mit Wechselströmen können wir die Feldrichtung umkehren, ohne Bürsten verwenden zu müssen. Das ist eine gute Nachricht, denn wir können die Lichtbogenbildung, die Ozonproduktion und den ohmschen Energieverlust vermeiden, die Bürsten mit sich bringen können. Da Bürsten zudem mit beweglichen Oberflächen in Kontakt kommen, verschleißen sie.

Bei einem Wechselstrommotor muss zunächst ein Drehfeld erzeugt werden. „Normaler“ Wechselstrom aus einer 2- oder 3-poligen Steckdose ist einphasiger Wechselstrom – er hat eine einzige sinusförmige Potenzialdifferenz, die nur zwischen zwei Drähten erzeugt wird – dem aktiven und dem neutralen. (Beachten Sie, dass das Erdungskabel keinen Strom führt, außer bei elektrischen Fehlern.) Mit einphasigem Wechselstrom kann man ein Drehfeld erzeugen, indem man beispielsweise mit einem Kondensator zwei phasenverschobene Ströme erzeugt. Im gezeigten Beispiel sind die beiden Ströme um 90° phasenverschoben, sodass die vertikale Komponente des Magnetfelds sinusförmig ist, während die horizontale Komponente wie gezeigt kosusförmig ist. Dies ergibt ein Feld, das sich gegen den Uhrzeigersinn dreht.

(* Ich wurde gebeten, dies zu erklären: Weder bei Spulen noch bei Kondensatoren ist die Spannung in Phase mit dem Strom. Bei einem Kondensator ist die Spannung maximal, wenn die Ladung auf den Kondensator geflossen ist und kurz davor steht, abzufließen. Somit liegt die Spannung hinter dem Strom. Bei einer rein induktiven Spule ist der Spannungsabfall am größten, wenn sich der Strom am schnellsten ändert, was auch dann der Fall ist, wenn der Strom Null ist. Die Spannung (Abfall) liegt vor dem Strom. Bei Motorspulen ist der Phasenwinkel eher kleiner als 90¡, weil elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.)

In dieser Animation zeigen die Diagramme den zeitlichen Verlauf der Ströme in den vertikalen und horizontalen Spulen. Die Darstellung der Feldkomponenten B_Xund B_jzeigt, dass die Vektorsumme dieser beiden Felder ein rotierendes Feld ist. Das Hauptbild zeigt das rotierende Feld. Es zeigt auch die Polarität der Magnete: Wie oben stellt Blau einen Nordpol und Rot einen Südpol dar.

Wenn wir in diesem Bereich des rotierenden Feldes einen Permanentmagneten anbringen oder wenn wir eine Spule einbauen, deren Strom immer in die gleiche Richtung fließt, dann wird daraus einSynchronmotor. Unter verschiedensten Bedingungen dreht sich der Motor mit der Geschwindigkeit des Magnetfelds. Wenn wir viele Statoren haben, anstatt nur die beiden hier gezeigten Paare, dann könnten wir es uns als Schrittmotor vorstellen: Jeder Impuls bewegt den Rotor zum nächsten Paar betätigter Pole. Bitte denken Sie an meine Warnung bezüglich der idealisierten Geometrie: Echte Schrittmotoren haben Dutzende Pole und recht komplizierte Geometrien!

Da wir nun über ein zeitlich veränderliches Magnetfeld verfügen, können wir die induzierte EMK in einer Spule – oder auch nur die Wirbelströme in einem Leiter – nutzen, um den Rotor in einen Magneten zu verwandeln. Das ist richtig, sobald Sie ein rotierendes Magnetfeld haben, können Sie einfach einen Leiter einstecken und er dreht sich. Dies gibt mehrere derVorteile von Induktionsmotoren: Keine Bürsten oder Kommutatoren bedeuten eine einfachere Herstellung, keinen Verschleiß, keine Funken, keine Ozonproduktion und keinen damit verbundenen Energieverlust.

Die Animation rechts stellt a darKäfigläufermotor. Der Käfigläufer hat (jedenfalls in dieser vereinfachten Geometrie!) zwei kreisförmige Leiter, die durch mehrere gerade Stäbe verbunden sind. Zwei beliebige Balken und die sie verbindenden Bögen bilden eine Spule – wie durch die blauen Striche in der Animation angedeutet. (Der Einfachheit halber wurden nur zwei der vielen möglichen Schaltungen gezeigt.)

Dieses Schema zeigt, warum sie als Käfigläufermotoren bezeichnet werden könnten. Die Realität sieht anders aus: für Fotos und weitere Details. Das Problem bei den in dieser Animation gezeigten Induktions- und Käfigläufermotoren besteht darin, dass Kondensatoren mit hohem Wert und hoher Nennspannung teuer sind. Eine Lösung ist der „Schattenpol“-Motor, dessen Drehfeld jedoch einige Richtungen aufweist, in denen das Drehmoment gering ist, und unter bestimmten Bedingungen dazu neigt, rückwärts zu laufen. Der beste Weg, dies zu vermeiden, ist die Verwendung von Mehrphasenmotoren.

Einphasig wird in häuslichen Anwendungen für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet, weist jedoch einige Nachteile auf. Erstens schaltet es sich 100 Mal pro Sekunde aus (Sie bemerken nicht, dass die Leuchtstofflampen bei dieser Geschwindigkeit flackern, weil Ihre Augen zu langsam sind: Selbst 25 Bilder pro Sekunde auf dem Fernseher sind schnell genug, um den Eindruck einer kontinuierlichen Bewegung zu erwecken.) Zweitens ist es schwierig, rotierende Magnetfelder zu erzeugen. Aus diesem Grund kann es sein, dass einige Haushaltsgeräte mit hoher Leistung (mehrere kW) eine dreiphasige Installation erfordern. In industriellen Anwendungen kommen in großem Umfang Drehstrommotoren zum Einsatz, und der Drehstrom-Induktionsmotor ist ein Standard-Arbeitstier für Hochleistungsanwendungen. Die drei Drähte (ohne Erde) führen drei mögliche Potentialunterschiede, die zueinander um 120° phasenverschoben sind, wie in der Animation unten gezeigt. Somit sorgen drei Statoren für ein gleichmäßig rotierendes Feld.

Wenn man einen Permanentmagneten in einen solchen Statorsatz einbaut, wird daraus einSynchroner Drehstrommotor. Die Animation zeigt einen Käfigläufer, in dem der Einfachheit halber nur eine der vielen Induktionsstromschleifen dargestellt ist. Ohne mechanische Belastung dreht es sich nahezu phasengleich mit dem Drehfeld. Der Rotor muss kein Käfigläufer sein: Tatsächlich dreht sich jeder Leiter, der Wirbelströme führt, und neigt dazu, dem Drehfeld zu folgen. Diese Anordnung kann eine gebenInduktionsmotorfähig zu hoher Effizienz, hoher Leistung und hohem Drehmoment über einen Bereich von Drehzahlen.

Mit einer Reihe von Spulen kann ein Magnetfeld erzeugt werden, das sich verschiebt und nicht dreht. Das Spulenpaar in der Animation unten wird von links nach rechts gepulst, sodass sich der Bereich des Magnetfelds von links nach rechts bewegt. Ein Permanent- oder Elektromagnet neigt dazu, dem Feld zu folgen. Dies gilt auch für eine einfache Platte aus leitendem Material, da die darin induzierten Wirbelströme (nicht dargestellt) einen Elektromagneten darstellen. Alternativ könnten wir sagen, dass nach dem Faradayschen Gesetz immer eine EMK in der Metallplatte induziert wird, um jeder Änderung des magnetischen Flusses entgegenzuwirken, und dass die Kräfte auf die von dieser EMK angetriebenen Ströme den Fluss in der Platte nahezu konstant halten. (Wirbelströme werden in dieser Animation nicht gezeigt.)