Wie man DC-Motoren als Generatoren verwendet

Bild 1 Die Spannung-Strom-Kennlinie verschiedener Wicklungen des DC-Motors RE 40 mit Edelmetallbürsten bei 500 UpM. Man beachte die unterschiedliche Steigung jeder Wicklung. Bild: maxon

Eignen sich DC-Motoren auch als Generatoren? Die kurze Antwort lautet: ja! Die maxon-Motoren haben einen hohen Wirkungsgrad – auch im Generatorbetrieb. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Spannung sowie zwischen Strom und Drehmoment sind darüber hinaus sehr einfach. Im Folgenden einige Regeln für eine erfolgreiche Auswahl des richtigen Antriebs für den Generatorbetrieb.

Gleich- oder Wechselspannung?

Regel 1:

Um eine Gleichspannung zu erzeugen, wähle einen bürstenbehafteten DC-Motor oder verwende einen bürstenlosen DC-Motor (EC) mit Spannungsgleichrichter!

Um eine Wechselspannung zu erzeugen, wähle einen bürstenlosen DC-Motor und kontaktiere nur zwei Phasen! Hallsensoren werden nicht benötigt.

Drehzahlkonstante k_n

Generatoren werden häufig bei Drehzahlen von 1000 UpM oder darunter betrieben. Für unsere kleinen DC-Motoren ist dies eine sehr tiefe Drehzahl. Um 10 V oder mehr bei 1000 UpM zu generieren, benötigt man eine Drehzahlkonstante von 100 UpM/V oder weniger. Die entsprechenden Wick­lungen sind im maxon motor-Portfolio nicht einfach zu finden. Nur ein paar hochohmige Wicklungen bei größeren Motoren erfüllen diese Bedingung. Kleinere Motoren haben dagegen höhere Drehzahlkonstanten.

Tabelle 1 zeigt eine Auswahl von Motoren mit tiefer Drehzahlkonstante (oder hoher Generatorkonstante = erzeugter Spannung pro Drehzahl).

Tabelle 1 Auswahl von Motoren mit tiefer Drehzahlkonstante.

Meist hat nur die Motorwicklung mit dem höchsten Widerstand eine Drehzahlkonstante von unter 100 UpM/V.

Regel 2:

Ohne Berücksichtigung der Last sollte die Motorwicklung eine Drehzahlkonstante

oder kleiner haben.

Als Alternative kann die Motordrehzahl auch durch ein Getriebe erhöht werden (siehe weiter unten).

Widerstand

Regel 2 verlangt nach Motoren mit hoher Generatorkonstante. Leider haben diese Wicklungen ebenfalls hohe Widerstände. Ein hoher Widerstand reduziert die Ausgangsspannung unter Last und die Ausgangsspannung reagiert empfindlich auf den Laststrom.

Regel 3:

Um eine stabile Spannung über einen großen Lastbereich zu erhalten, wähle eher einen großen DC-Motor, wo der Widerstand relativ tief ist – auch bei großer Generatorkonstante!

Die bürstenlosen EC-i 40 High Torque-Motoren von maxon sind in dieser Hinsicht sehr interessant.

Leistungseinschränkungen

Den Motor-Generator sollte man nicht nur aufgrund der Leistung wählen. Um die Drehmomentanforderungen zu erfüllen, muss oft ein Motor mit viel höherer Typenleistung verwendet werden als verlangt. Insbesondere, wenn die Drehzahl verglichen mit typischen Motordrehzahlen eher tief ist.

Grenzen bezüglich Drehmoment und Drehzahl

Das Drehmoment des Antriebs bestimmt die Größe und den Typ des Motor-Generators. Der Motor benötigt ein Dauerdrehmoment, das höher ist als das Drehmoment des Generators. Beim Bestimmen des Drehmoments oder des Laststroms ist die Betriebsart zu berücksichtigen. Läuft der Gene­rator dauernd während langer Zeit, in intermittierenden Betriebszyklen oder nur während kurzer Intervalle? Entsprechend benötigt man einen DC-Motor mit genügend Dauerdreh­moment oder Dauerstrom. Auch die Grenzdrehzahl des Motors muss respektiert werden. Allerdings ist dies aufgrund der eher tiefen Drehzahlen meist keine Herausforderung.

Grenzen bezüglich Strom und Spannung

Die passende Wicklung eines gegebenen Motortyps ergibt sich aus den Anforderungen für Strom und erzeugter Spannung. Die Wicklung muss die geforderte Spannung U auch unter Last erzeugen können. Unter der Annahme einer festen Generatordrehzahl n muss die erzeugte Spannung U_t der Wicklung größer sein als U:

Ohne Berücksichtigung des Laststroms wählt man die Drehzahlkonstante gemäß Regel 2: Die Wicklung braucht also einen genügend hohen Widerstand. Da die erlaubten Ströme mit zunehmendem Widerstand abnehmen, sollte man prüfen, ob der Dauerstrom nach wie vor ausreicht.

Bild 1 zeigt sehr schön die gegenläu­figen Effekte von verschiedenen Wicklungen:

Je höher der Wicklungswiderstand, desto höher die erzeugte (Leerlauf-)Spannung.

Aber: Je höher der Wicklungswiderstand ist, umso empfindlicher reagiert die Ausgangsspannung auf Stromänderungen.

Diese gegenläufigen Effekte können bis zu einem gewissen Grad vermieden werden, indem man größere Motoren auswählt, welche kleinere Widerstände für dieselbe Generatorkonstante aufweisen (gemäß Regel 3).

Getriebe-Motor-Kombinationen

Regel 4:

Verwende Getriebe, um sehr tiefe Drehzahlen zu erhöhen! Allerdings sind die maxon motor-Getriebe nur bedingt für Übersetzungen in höhere Geschwindigkeiten geeignet. Am besten eignen sich Getriebe, die rückdrehbar sind: Also Planetengetriebe mit einer oder zwei Stufen sowie Stirnradgetriebe (oder Spezial- anfertigungen).

Gründe für die Verwendung von Getriebe-Motor-Kombinationen liegen in den oft sehr langsamen Antriebs­mechanismen bei Generatoren; da sie zum Beispiel durch Wind, Wasser oder von Hand angetrieben werden. Einige beachtenswerte Aspekte und Empfehlungen dazu:

Getriebe werden in diesen Fällen von der Abgangsseite her angetrieben. Allerdings sind die maxon-Getriebe nicht speziell auf Rückdrehbarkeit ausgelegt und der Wirkungsgrad ist eher bescheiden.

Getriebe mit hoher Untersetzung (drei Stufen und höher) sind nicht rückdrehbar; sie drehen also nicht, wenn sie mit dem maximalen Dauerdrehmoment angetrieben werden. Besser geeignet sind ein- oder zweistufige Planetengetriebe. Diese können meist von der Abgangsseite her angetrieben werden.

Noch besser sind Stirnradgetriebe. Sie sind viel leichter rückdrehbar und der Wirkungsgrad in diese Richtung ist höher.

Spezialfall: DC-Motor als DC-Tacho

Regel 5:

Für DC-Tachos verwende DC-Motoren mit Edelmetallbürsten. Wähle die Wicklung gemäß der geforderten Tachospannung und dem Drehzahl­bereich Deiner Anwendung! Der Wicklungswiderstand spielt hier keine Rolle, solange der Lastwiderstand einige kW groß und die Ströme entsprechend klein sind.