Unabhängig von seiner Konstruktion erfüllt ein Gleichstrommotor immer dieselbe Aufgabe: Er wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Für eine bestimmte Anwendung kann es eine ganze Reihe von Motoren geben, die für diese Aufgabe in Frage kommen, wobei der Konstrukteur die endgültige Auswahl anhand von Parametern wie Größe, Gewicht, Wirkungsgrad, Drehmoment- und Drehzahlanforderungen, Lebensdauer und Kosten trifft.
Die Berücksichtigung dieser Faktoren kann den Konstrukteur zu einer einzigen, bestmöglichen Motorauswahl veranlassen. Was jedoch nicht immer beachtet wird, ist die Möglichkeit, durch die Wahl der am besten geeigneten Spule das Motordesign zu optimieren und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Auswirkung der Spule
Wie wirkt sich die Spule also auf unsere Designüberlegungen aus? Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird durch den Stromverbrauch und die Drehmomentkonstante bestimmt. Die Drehmomentkonstante wiederum wird durch den Spulenradius, die magnetische Flussdichte, die Länge des Motors und die Anzahl der Spulenwicklungen bestimmt. Die ersten drei dieser Parameter werden durch den gewählten Motor und seinen Durchmesser festgelegt. Die Anpassung der Anzahl der Spulenwicklungen kann sich jedoch auf die Drehmomentkonstante für eine vorgegebene Motorgröße auswirken.
Dies ist wichtig, weil die Leerlaufdrehzahl des Motors bei einem vorgegebenen Motor und unter Vernachlässigung der Reibung durch die verfügbare Versorgungsspannung und die Drehmomentkonstante der Spule definiert ist. Wenn wir im Katalog eines Motorherstellers nach einem geeigneten Produkt suchen, das einen bestimmten Betriebspunkt und eine bestimmte Leistung erfüllen soll, finden wir vielleicht mehrere Spulen zur Auswahl, die unseren Anforderungen entsprechen, aber über unterschiedliche Versorgungsspannungen und Stromanforderungen verfügen. Die Spule wird daher so gewählt, dass sie den Motor an die vorhandene Stromversorgung anpasst.
Die Wahl der Spule wirkt sich auch auf den Motorwirkungsgrad in der Anwendung aus. Lassen Sie uns zum Beispiel die eisenlosen Gleichstrommotoren näher betrachten: Sie sind unter anderem für ihren hohen Wirkungsgrad bekannt. Wenn es neben der Reibung Verluste gibt, handelt es sich in der Regel um Wärme, die durch den Strom erzeugt wird, der durch den Kupferdraht der Spule fließt. Diese Verluste sind proportional zum Spulenwiderstand multipliziert mit dem Quadrat des Stroms. Der Motorwirkungsgrad ist bei einem geringeren Drehmoment aufgrund des geringeren Motorstroms höher, so dass auch hier die Wahl der Spule einen großen Einfluss haben kann.
Entscheidung treffen
Wenn wir eine Anwendung betrachten, die einen Dauerbetrieb bei einer festen Drehzahl und einem festen Drehmoment erfordert (zum Beispiel wie bei einer medizinische Infusionspumpe), dann finden wir im Katalog des Motorherstellers möglicherweise eine Reihe von Spulen, die unseren Anforderungen bei dem erforderlichen Arbeitspunkt und der erforderlichen Leistung entsprechen.
Wenn die verfügbare Stromversorgung für unsere Anwendung eine Spannungsquelle ist, die eine Festspannung liefert, wird die Auswahl an Spulen weiter eingegrenzt und der Konstrukteur kann diejenige auswählen, die zur Verbesserung der Anwendung am besten geeignet ist. Bei einer Spannungsquelle ist es typisch, dass es eine geringere Anzahl von Spulenoptionen gibt, und es kann sogar sein, dass es nur eine Option für eine bestimmte Anwendung gibt.
Die Anzahl der Optionen ist tendenziell größer, wenn eine Stromquelle – ein bestimmter Maximalstrom über einen Bereich von Versorgungsspannungen – anstelle einer Spannungsquelle zur Verfügung steht, um denselben Arbeitspunkt zu erreichen. Jetzt haben wir möglicherweise eine größere Anzahl möglicher Spulen, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, und der Konstrukteur kann wirklich damit beginnen, die Anwendung anzupassen.
Wenn die Gesamteffizienz das Hauptkriterium ist, könnte uns das in eine Richtung führen. Bei anderen Anwendungen könnte die Spule mit der geringsten Stromaufnahme die beste Wahl sein, da sie zu einer längeren Lebensdauer des Kommutierungssystems führt und die Anzahl der Zyklen mit einer einzigen Batterieladung bei batteriebetriebenen Anwendungen erhöht.
Kundenspezifisch gefertigte Spulen
Die Verfügbarkeit einer Reihe von Standardspulen kann uns bei der Anpassung des Motors an die Anwendung einen großen Schritt weiterbringen, aber es kann trotzdem Fälle geben, bei denen der Konstrukteur eine noch weiter optimierte Lösung benötigt. Bei einer kritischen Anwendung, bei der der Kostendruck weniger ins Gewicht fällt als die optimale Leistung und bei der der Konstrukteur nicht die Freiheit hat, die Stromversorgung für eine Standardspule anzupassen, könnte eine kundenspezifisch entwickelte Spule die beste Lösung bieten.
Die Wahl der Spule in Abhängigkeit vom erforderlichen Motorbetriebspunkt und der Stromversorgung hat also einen großen Einfluss auf die Optimierung der Anwendung. Für eine bestimmte Aufgabe kann es verschiedene Standardspulen geben, die denselben Arbeitspunkt mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromanforderungen erreichen können, wobei jede von ihnen unterschiedliche Anwendungsbereiche hinsichtlich Wirkungsgrad, Stromverbrauch und Lebensdauer hat. Es kann auch von Vorteil sein, den Motorlieferanten zu bitten, eine kundenspezifische Spule herzustellen, wenn die Anwendung dies rechtfertigt.
Die Überlegungen zu den Spulen unterstreichen aber auch die Vorteile der Zusammenarbeit mit einem sachkundigen Motorhersteller wie Portescap in den frühen Phasen der Entwicklung, bevor kritische Parameter endgültig festgelegt sind und wenn es die größtmögliche Möglichkeit gibt, den Motor tatsächlich auf die Bedürfnisse der Anwendung anzupassen.
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