Motor - Projektlabor

Referat zum Elektromotor
ProLab SS 2005
Denis Nikolic
TU-Berlin
Berlin den 29. 06. 05
Motor
Ein Motor (von lat. movēre, mōvī, mōtum: bewegen) ist eine Kraftmaschine die zum Bewegen
und Antreiben von mechanischen Geräten Verwendung findet. Er wandelt Energieformen wie
thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um. Die
Spezifikation von Motoren sollte mindestens die Leistung (Eingangs- oder Ausgangsleistung)
und den Wirkungsgrad beinhalten.
Arten
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Druckluftmotor
Freikolbenmotor
Hydraulikmotor
Wankelmotor
Nanomotor
Stirlingmotor
Wasserkraftmaschine
Vakuummotor
Dieselmotor
Ottomotor
Scheibenläufermotor
Elektromotor
Erfinder
Als Erfinder des Elektromotors gilt Johann Kravogl, wobei auch der Physiker Ányos Jedlik eine
Urform des Elektromotors konstruierte. Der Erfinder des Wechselstrommotors heißt Nikola
Tesla.
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Nikola Tesla
Personendaten
NAME
TESLA, NIKOLA
ALTERNATIVNAMEN
KURZBESCHREIBUNG Erfinder und Elektro-Ingenieur
GEBURTSDATUM
10. Juli 1856
GEBURTSORT
Smiljan, Kroatien (seinerzeit Bestandteil von Österreich-Ungarn)
STERBEDATUM
7. Januar 1943
STERBEORT
New York
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Johann Kravogl
Personendaten
NAME
KRAVOGL, JOHANN
ALTERNATIVNAMEN
KURZBESCHREIBUNG Büchsenmacher und Mechaniker
GEBURTSDATUM
24. Mai 1823
GEBURTSORT
Lana (Südtirol)
STERBEDATUM
1. Januar 1889
STERBEORT
Brixen (Südtirol)
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Elektromotor
Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die mit Hilfe von magnetischen Feldern
elektrische in mechanische Arbeit umwandelt, indem sie eine Kraft und damit auch eine Bewegung
erzeugen kann. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0,6 und 0,98. Auf dem "Anker" ist eine Spule
aufgewickelt, durch die Strom fließt. Durch das umgebende Magnetfeld entsteht eine Lorentzkraft,
die den Anker, der mit der Achse fest verbunden ist, rotieren lässt. Auf diese Weise kann elektrische
Energie in Bewegungsenergie gewandelt werden.
Zur Stromübertragung auf die beweglichen Spulen werden sog. Bürsten eingesetzt:
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Zur Übertragung auf den sog. Kollektor (bei Gleich und- Wechselstrommotoren)
Bei Drehstrommotoren übertragen die Bürsten Ströme auf Schleifringe.
Gleichstrommaschine
Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben
wird oder einen Generator, der umgekehrt mechanische Energie in Gleichstrom wandelt.
Sie besteht aus einem unbeweglichen äußeren Teil, dem Stator, und einem drehbar gelagerten inneren
Teil, dem Rotor. Bei konventionellen Gleichstrommaschinen besteht der Stator aus einem
Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei
konventionellen Maschinen Anker genannt, es handelt sich um einen Elektromagneten.
Zu den Vorteilen der Gleichstrommaschinen gehören gutes Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.
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Aufbau
Reihenschlussmaschine
Hier sind Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Dadurch wechseln
Erregerfeld und Ankerstrom ihre Richtung synchron, so dass eine Speisung mit Wechselstrom
möglich wird. Solche Maschinen wurden als Bahnantriebe in Wechselstromnetzen eingesetzt.
Unter dem Begriff Universalmaschine oder Allstrommotor werden die Antriebe von
Haushaltsmaschinen, Bohrmaschinen etc zusammengefasst.
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Nebenschlussmaschine
Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet. Ein
Wechselspannungsbetrieb ist nicht üblich.
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Ansteuerung DC- Motor
Die H-Brücke als Richtungsgeber für den Motor
Motor
FF
12V
(PWM)
REW
12V
(PWM)
BESCHREIBUNG und AUFBAU
Die H- Brücke hat ihren Namen durch den Aufbau und ist wichtig als Richtungsgeber für den
DC- Motor. In der Mitte der Schaltung wird der Motor angeschlossen- hier mit einem
Widerstand dargestellt. Da ein DC- Motor gleichzeitig Generator ist soll durch die Dioden der
Rücklaufstrom aufgehalten werden.
Abhängig davon ob im Transistor Q5 oder im Transistor Q6 ein Basisstrom impliziert wird,
werden jeweils Transistor Q1 und Q4 angesteuert oder die Transistoren Q2 und Q3.
D.h. der Motor dreht sich linksrum oder rechtsrum.
Wollen wir uns angucken was passieren muss damit sich der Motor z.B. rechtsrum dreht.
D.h. in den Transistor Q5 wird ein Basisstrom impliziert. Der Basisstrom vom Q2N2222
sollte bei 10mA liegen, denn hier wird die höchste Wirkleistung erzielt .Wenn wir nun den
Q2N2222 mit 12V ansteuern wollen dann müssen wir ein 1.2kOhm Widerstand vorschalten
weil R=U/I nach dem Ohmeschen Gesetz ist. Ein 1k Widerstand tut es hier auch.
Wird die Basis vom Q5 mit Strom durchflossen wird ein Kollektorstrom aus der
Betriebsspannungsquelle gezogen. Hier ist aber noch der Q1 im Weg der durch die
Ansteuerung von Q5 ebenfalls angesteuert wird. Es ist zu beachten das Q1 ein PNPTransistor ist und Q5 ein NPN- Transistor ist. Die Pfeile auf den Transistoren markieren den
Emitter. Durch den Motor fließt also der Kollektorstrom vom Q1 und fließt über Q4 zur
Masse. Der Transistor Q4 wird mit dem Emitterstrom vom Q5 aktiviert. Die Transistoren
Arbeiten hier als Schalter da der Basisstrom ein Gleichstrom ist und kein Wechselsignal.
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MASCHE
Wenn wir nun einen 10 Ohm Motor benutzen, die H- Brücke mit 12V betreiben und davon
ausgehen das an den Transistoren ein Kollektor- Emitterspannung von 1.1 Volt abfallen
kommen beim Motor 9.8 Volt an, was man unten an den Ausgangssignalen gut erkennen
kann. Das blaue Signal zeigt das Potential an der Basis von Q5.
Ausgangssignale
V Steuer
V DC Motorkreis
V Motor
OHMSCHES GESETZ
Bei 10 Ohm für R5 welcher denn Motor darstellt und einer Betriebsspannung von 12 Volt
fließt hier ein Strom von 1 Amper. Das ist schon fast zu viel. Um den Motorstrom zu
verringern müsste man mit einer geringeren Betriebsspannung arbeiten oder den
Motorwiderstand erhöhen.
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PWM (Pulse Width Modulation)
Geschwindigkeitssteuerung der Motoren
Schmitt
Trigger
Integrator
Komparator
BESCHREIBUNG und AUFBAU
Für die Geschwindigkeitsregelung des Motors benötigen wir ein Pulsweiten moduliertes
Signal. D.h. der Motor wird langsamer ohne dass die Wirkleistung verringert wird. Wir
verwenden hierfür drei OPV`s. Der erste OPV wird mit einem Mitkopplung als SchmittTrigger geschaltet und wandelt die Gleichspannung mit der er betrieben wird in ein
Rechtecksignal um. Das Rechtecksignal wird im 2. OPV impliziert. Dieser wird mit einem
Kondensator gegengekoppelt und wird als Integrator betrieben. Der Integrator macht aus dem
Rechtecksignal ein Sägezahnsignal welches in den 3. OPV impliziert wird. Der 3. OPV
arbeitet als Komparator. Abhängig von der Spannung V4 erzeugt der Komparator das PWMSignal, was man unten am Ausgangssignaldiagramm sehr schön erkennen kann.
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Entstehung einer Pulsweitenmodulation
V DC Steuer
V Rechteck
Schmitt
V Dreieck
Integrator
PWM out
Das Messdiagramm zeigt die Ausgangssignale der drei OPV`s. Das grüne Ausgangssignal
liegt am Ausgang vom 1. OPV, dem Schmitt- Trigger und ist ein Rechtecksignal. Das blaue
Ausgangssignal liegt am Ausgang vom 2. OPV, dem Integrator und ist ein Sägezahnsignal.
Das rote Ausgangssignal liegt am Ausgang vom 3. OPV, dem Komparator und ist unser
gewünschtes Signal, das PWM- Signal. Das gelbe Signal ist die Spannung V4 und beeinflusst
die Breite vom PWM- Signal indem es die Sägezahnspannung in einer gewissen Höhe
abschneidet. Die Höhe, und somit die Pulsweite, hängen wiederum von der Spannung V4 ab.
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Beispielschaltung
Logik (Hirn Input)
1/0 enable/disable
1/0 in Richtung kippen
Versorgungspannungen
5V + GND
12V + GND
PWM Geschwindigkeitssteuerung
Motor
NE555N Timer
Verzögerungsglied
L298 H-Brücke
Beschreibung und Aufbau
Hier sehen wir die Schaltung für die Ansteuerung des Motors der die Jalousie von unserem
intelligenten Fenster kippen soll. Die H- Brücke und der PW Modulator erscheinen hier als
IC`s. Auf den inneren Aufbau der IC´s kommen wir später.
Fangen wir links an. Der IC NE555N liefert das PWM- Signal und geht auf Enabel A vom IC
L298. Wie man aber oben erkennen kann liegt hier ein AND-Gatter zwischen den PIN Q vom
NE555N und dem PIN Enabel A vom L298. Diese AND- Gatter erlaubt dem PWM- Signal
den L298 nur dann anzusteuern, wenn es das HIRN sagt. D.h. der Motor zum kippen der
Jalousie arbeitet erst dann wenn am AND- Gatter zwei High- Signale liegen. Das HIRN
bestimmt auch die Richtung vom Motor. Das Digitalsignal zur Richtungsbestimmung kommt
auf Input 1 oder Input 2. Kommt ein Highsignal auf Input 1 des L298 dreht sich der Motor
linksrum. Er dreht sich rechtsrum wenn ein Highsignal auf Input 2 liegt. Der Inverter den wir
oben sehen vermeidet dass auf Input 1-2 gleichzeitig ein Highsignal liegt, den das würde
unseren teuren IC nicht gut tun. Die Transistoren arbeiten als Schalter. Transistoren schalten
schneller ein als Sie abschalten. Deswegen mussten wir noch Verzögerungsglieder einbauen.
Diese Verzögern die Anschaltzeit der jeweils angesteuerten Transistoren und vermeiden das
unsere Transistoren im IC übersteuert werden. Die Verzögerungszeit wird durch ein
Widerstand und ein Kondensator berechnet.
Verzögerungszeit
T = C*R
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Innenaufbau L298
Der IC L298 Besteht aus zwei H- Brücken. Abhängig davon ob auf Enabel A oder Enabel B
ein Highsignal liegt wird die jeweilige H- Brücke aktiviert. Input 1 und 2 sowie Output 1 und
2 gehören zu Enabel A. Die anderen PIN`s gehören zu Enabel B. Der L298 benötigt zwei
Spannungsversorgungen. Eine für die Logik und eine für den Motor. Auf PIN 9 kommen also
5V und auf PIN 4 kommen 12V. Da wir zwei verschiedene Versorgungsspannungen benutzen
brauchen wir auch zwei getrennte Massen. Auf PIN 1 und 15 kommt die 12V Masse. Auf PIN
8 kommt die 5V Masse. Die 100nF Kondensatoren greifen Störsignale ab.
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Innenaufbau NE555N
Beschaltung NE 555N
Der NE555N wird wie in Fig. 5 dargestellt geschaltet und liefert ein PWM- Signal.
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Schrittmotor
Ein Schrittmotor ist ein Gleichstrommotor, bei dem der Rotor bei geschickter Wahl der
angesteuerten Statorspulen gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann
man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist,
anfahren.
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanz- und
Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren
kann.
Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus
Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem StatorMagnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.
Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden)
exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung
(Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie
im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt
werden.
Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW
wirtschaftlich eingesetzt werden.
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Ansteuerung Schrittmotor
Der L297 liefert dem Schrittmotor die nötigen Signale und lässt ihn drehen. Mit dem L297 kann man
den Schrittmotor im Halbschrittmodus oder im Full- Step- Modus betreiben. Der IC wird mit 5V
versorgt und wird mit einem PWM Signal am PIN Clock angesteuert.
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Ausgangssignal L297
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