Fem faktorer som driver prestandan för en dc-motor
Lite mindre storlek och lite mer effekt, tack. Så brukar
det låta när man ska välja motor för en utrymmesbe-
gränsad tillämpning och vår motorexpertis ligger i just
små precisionsrörelser med höga prestandakrav. Men
vad är det egentligen som påverkar prestandan för
en dc-motor? I denna guide tittar vi på några faktorer
som är avgörande. Och självklart är det inte så enkelt
att bara effekten är viktig.
4-polig servomotor med extremt högt moment trots kompakta mått.
Hela poängen med en elmotor är att omvandla elektrisk effekt till mekanisk effekt. I princip kan samma maskin användas för att omvandla mekanisk effekt till elektrisk effekt, men då brukar man kalla maskinen för en generator istället.
I exempelvis en DC-motor används en kopparlindning tillsam- mans med en permanentmagnet för att skapa en elektromagne- tisk kraft som resulterar i en rörelse. Exakt hur detta går till sparar vi till en framtida artikel.
Medan elektrisk effekt är en produkt av ström och spänning kan man beskriva mekanisk effekt som en produkt av moment och vinkelhastighet.
Hastighet och moment skapar tillsammans den mekaniska effekten
Brushless DC-Servomotor 1. Rear cover 2. PCB 3. Hall sensors 4. Bearing support 5. Ball bearing 6. Shaft
7. Magnet 8. PCB 9. Coil
10. Spring washer 11. Spacer
12. Stator laminations 13. Housing
14. Lead wires
FAULHABER
borstlös
servomotor
Bilden visar FAULHABERs karakteristiska burlindning utan järnkärna, som möjliggör både litet luftgap och hög kopparfyllnad samtidigt som rotorn bli lätt och accelerationssnabb.
För att skapa en effektiv motor krävs att magnetkretsen består av material med god magnetisk permeabilitet som till exempel järn.
Men eftersom magnetkretsen består av en stationär del (statorn) och en rörlig del (rotorn) måste det finnas ett luftgap mellan dessa två delar – annars blir det helt enkelt inte mycket till rotation.
Luft har, till skillnad från järn, låg permeabilitet. Luftgapet bör där- för hållas så litet som möjligt. Samtidigt är det önskvärt att luftga- pet är lika stort i hela motorn eftersom fluktuationer i luftgap kan orsaka problem med turbulens i luften mellan rotor och stator.
Att kunna konstruera en motor med minimalt och uniformt luftgap samtidigt som man undviker kontakt mellan rotorn och statorn kräver en mycket väl kontrollerad tillverkningsprocess som gör det möjligt att hålla toleranserna på sin sida.
Luftgapet bör vara litet och uniformt
Mängden koppar som går att få plats med i en elmotor är direkt avgörande för vilken prestanda man kan få. Antalet varv i lindningen är avgörande för vilken matningsspänning som är lämpligast. Samtidigt vill man gärna använda så stor diameter på koppartråden som möjligt, eftersom detta ger lägre resistans än tunnare tråd. Beroende på om det är en DC-motor eller en borstlös motor har man lindningen i rotorn alternativt i statorn.
Att kunna linda rotor eller stator på ett sådant sätt att man får in maximal kopparfyllnad är alltså direkt avgörande för prestanda och verkningsgrad. Beroende på hur tillverkningsprocessen hos motortillverkaren ser ut kan man linda på olika sätt och med olika grad av kopparfyllnad som resultat.
Kopparfyllnad
Bilden visar flödestätheten i en given punkt. Här ser man tydligt att neodym, samarium-kobolt och ferriter ger olika flödestäthet och kräver olika stor volym.
En kraftig fältstyrka är direkt avgörande för det moment motorn genererar och därför är även valet av magnetmaterial viktigt.
Många har säkert hört talas om ferriter eller neodymmagneter.
De sistnämnda är egentligen en sintrad legering som består av neodym, järn och bor. Neodym är den kraftigaste magnettypen som finns idag och är i många fall lämplig i motortillämpningar.
Eftersom ferritermagneter är betydligt billigare än neodymmag- neter använder man de billigare ferritmagneterna i enkla motorer där storlek och prestanda inte är avgörande. Men även om neodymmagneter är fantastiska sett till styrka, så kan den omgi- vande temperaturen vara en begränsade faktor. Vissa typer av neodym med låg koercivitet börjar tappa styrka redan vid 80ºC, men det finns varianter som klarar temperaturer upp till ett par hundra grader.
För applikationer som kräver högre temperaturer är sama- rium kobolt-magneter ett bättre val. De ger lägre fältstyrka vid rumstemperatur, men presterar väl ända upp till omkring 500ºC, beroende på vilken variant man väljer.
Magnetprestandan
är viktig, men det
handlar om mer än
bara styrka
Generellt sett kan man säga att en långsmal motor ger lägre moment och högre varvtal, medan en kort motor med större dia- meter ger högt moment men är inte kapabel till lika höga varvtal.
Vad som ger mest effekt är egentligen ovidkommande, eftersom de allra flesta tillämpningar är begränsade storleksmässigt. Välj istället motor beroende på vad du får plats med. Skulle det vara så väl att applikationen tillåter antingen en långsmal motor eller en platt motor med stor diameter brukar man få räkna med att ha större utväxling för att nå användbara moment och varvtal med en smal motor än med en platt motor.
Längd eller diameter, välj den dc-motor som passar din applikation bäst
En liten ordlista
Term Beskrivning Enhet
Effekt (P) Energi som omvandlas per tidsenhet Watt [W]
Verkningsgrad (η) Förhållandet mellan nyttiggjord och tillförd energi i ett system %
Spänning (U) Potentialskillnad, elektromotorisk kraft Volt [V]
Ström (I) Laddningsmängd per tidsenhet Ampere [A]
Vridmoment (M) En krafts förmåga att vrida ett objekt kring en axel Newtonmeter [Nm]
Varvtal Antal varv per tidsenhet Rotationer per minut [rpm]
Vinkelhastighet (ω) Rotation per tidsenhet Radianer per sekund [rad/s]
Exempel på långsmal motor. Platt motor med stor diameter.
Compotech Provider AB, Box 21029, 100 31 Stockholm, 08-441 58 00, www.compotech.se
Fredrik Ståhl Utvecklingschef
fredrik.stahl@compotech.se 08-441 58 13
Behöver du rådgöra kring motorer och rörelser i din applikation eller vill du koppla in experter som tar hand om utvecklingen?
Hör av dig direkt – berätta vad ni vill få ut och vilka förutsättningar som finns i er industriella applikation – vi lyssnar gärna på dina funderingar!
