„Hin und wieder werde ich gefragt, ob sich die DC-Motoren von Maxon auch als Generatoren eignen“, erzählt Urs Kafader, Leiter der Maxon Academy. „Die kurze Antwort lautet Ja. Unsere Motoren haben einen hohen Wirkungsgrad – auch im Generatorbetrieb.“ Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Spannung sowie zwischen Strom und Drehmoment seien darüber hinaus sehr einfach. Im Folgenden formuliert Kafader einige Regeln für eine erfolgreiche Auswahl des richtigen Antriebs für den Generatorbetrieb.
Gleich- oder Wechselspannung?
Regel 1: Um eine Gleichspannung zu erzeugen, ist ein bürstenbehafteter DC-Motor oder ein bürstenloser DC-Motor (EC) mit Spannungsgleichrichter zu wählen. Um hingegen eine Wechselspannung zu erzeugen, bedarf es eines bürstenlosen DC-Motors, bei dem nur zwei Phasen kontaktiert sind. Hallsensoren werden nicht benötigt.
Generatoren werden häufig bei Drehzahlen von 1.000min-1 oder darunter betrieben. Für kleine DC-Motoren ist das eine sehr tiefe Drehzahl. Um 10V oder mehr bei 1.000min-1 zu generieren, benötigt man eine Drehzahlkonstante von 100min-1/V oder weniger. Die entsprechenden Wicklungen sind im Portfolio von Maxon Motor nicht einfach zu finden. Nur ein paar hochohmige Wicklungen bei größeren Motoren erfüllen diese Bedingung. Kleinere Motoren haben dagegen höhere Drehzahlkonstanten. Die Tabelle 1 zeigt eine Auswahl von Motoren mit tiefer Drehzahlkonstante (oder hoher Generatorkonstante = erzeugter Spannung pro Drehzahl). Meist hat nur die Motorwicklung mit dem höchsten Widerstand eine ausreichende Drehzahlkonstante.
Regel 2: Ohne Berücksichtigung der Last sollte die Motorwicklung eine Drehzahlkonstante von
oder kleiner haben.
Als Alternative kann die Motordrehzahl auch durch ein Getriebe erhöht werden (s.u.). Die zweite Regel 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, sollte eher ein großer DC-Motor gewählt werden, bei dem der Widerstand relativ tief ist – auch bei grosser Generatorkonstante. Die bürstenlosen High-Torque-Motoren vom Typ EC-i 40 sind in dieser Hinsicht geeignet.
Leistungseinschränkungen
Den Motor sollte man aber 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. Das Drehmoment des Antriebs bestimmt die Größe und den Typ des Motorgenerators. Der Motor benötigt ein Dauerdrehmoment, das höher ist als das Drehmoment des Generators. Bei der Bestimmung des Drehmoments oder des Laststroms ist zudem 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 das aufgrund der eher tiefen Drehzahlen meist keine Herausforderung.
Grenzen bei 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 Ut der Wicklung grösser sein als U.
