Wie man Motordatendiagramme für Gleichstrommotoren liest. 1.0.0

Das Verstehen und Interpretieren der Motordatendiagramme von Gleichstrommotoren (DC-Motoren, DC = direct current) kann kompliziert erscheinen, ist aber leicht zu erklären.

Wie man Motordatendiagramme für Gleichstrommotoren liest.



Das Verstehen und Interpretieren der Motordatendiagramme von Gleichstrommotoren (DC-Motoren, DC = direct current) kann kompliziert erscheinen, ist aber leicht zu erklären. Auch wenn es wie eine unübersichtliche Anordnung zufälliger Linien aussieht, es werden mit den Linien die Leistung und das Verhalten eines DC-Motors effektiv dargestellt.


Anmerkung

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, es wird das Verhalten von DC-Motoren beschrieben, die mit Gleichstrom und konstanter Gleichspannung betrieben werden.

Für DC-Motoren, die mit wechselndem Strom betrieben werden, z. B. in Fernsteueranlagen, hinter Drehzahlstellern, etwa mit Pulsweiten-Modulation (PWM), gelten abweichende Rechenwege (Formeln) und veränderte Meßergebnisse.



I. Grundlagen kennen


Ein Motordatendiagramm (Motor Performance Curves) vermittelt fünf spezifische Parameter:

  • Drehmoment,
  • Stromaufnahme,
  • Drehzahl,
  • Leistung (elektrisch),
  • Wirkungsgrad.

Die Gesamtleistungsdaten, mit ihrem gemeinsamen NULL-Punkt, im Schnittpunkt der beiden kartesischen Koordinaten +X und +Y, veranschaulichen die optimalen Bedingungen, unter denen der DC-Motor arbeiten sollte, sowie seine Grenzen. Anhand dieser Informationen kann man feststellen, ob der gewählte DC-Motor für die geplante Anwendung geeignet ist.


DC-Motorendiagramm #4.jpg


I.1 Drehmoment (T = torque)

Das Drehmoment (T), gemessen in Nm, kg/cm oder lb/in, ist die Kraft, die die Antriebswelle des DC- Motors liefern kann. Das Drehmoment wird auf der X-Achse abgelesen. Es ist am größten wenn der DC-Motor blockiert wird (Stillstand), d. h. die Bremskraft ist größer als die Drehkraft.


I.2 Strom (I = current)

Die gerade aufsteigende schwarze Linie repräsentiert die Stromaufnahme (I) des DC-Motors, vom Leerlauf bis zum Stillstand. Die Steigung dieser Linie verdeutlicht den direkten Zusammenhang von Drehmoment zur Stromstärke.


Hinweis

Die Markierung des Maximalstroms (Blockierstrom = stall current) ist ein rechnerischer (interpoliert) Wert. Sie sagt aus, spätestens hier verbrennt der Motor. Wann der Motor verbrennt ist von zwei Faktoren abhängig, dem Drahtquerschnitt der Motorwicklungen und dem fließenden Strom. Die Drahtstärke der Motorwicklungen und die Anzahl der Wicklungen sind im Datenblatt des Motors zu finden. Der höchste verträgliche Motorstrom kann aus der maximalen elektrischen Leistung, gemessen in Watt, errechnet werden.


I.3 Drehzahl (N = speed)

Die Drehzahl des DC-Motors wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Die gerade, nach unten abfallende Linie (rote Linie) verdeutlicht die Abhängigkeit der Drehzahl (N) vom Drehmoment, über den gesamten Leistungsbereich.


I.4 Leistung (P = output power)

Die Ausgangsleistung (P) ist die einfachste Darstellung (blaue Linie) im Diagramm und zeigt an, wieviel Leistung (gemessen in Watt) ein Motor liefern kann. Leistung, im Laufe der Zeit, ist ein Maß für die Arbeit.


I.5 Wirkungsgrad (h = efficiency)

Der Wirkungsgrad (eta), auch Effizienz genannt, ist das Verhältnis von Nutzenergie zur zugeführten Energie, angegeben in Prozent (%) oder als Dezimalzahl. Diese Linie (rosa Linie) verläuft etwa parabolisch. Der Scheitelpunkt der Wirkungsgradkurve liegt bei den niedrigeren Drehmomentwerten und nimmt danach wieder ab, bis der Motor zu seinem Stillstand kommt.



II. Der Nennbetriebspunkt (Rated operating point)


Der optimale Arbeitspunkt (= Nennbetriebspunkt) des betrachteten DC-Motors liegt auf dem höchsten Punkt der Wirkungsgradkurve. Durch die dünne, braune Linie, nach unten gelotet, wird angezeigt, in Kombination mit welchen anderen Meßwerten, der Motor seine maximale Effizienz erzielt, in Bezug auf einen wirtschaftlichen Stromverbrauch eine maximale Lebensdauer.



III. Auswertung der Datenkurven


Die Datenkurven eines DC-Motors bieten die Möglichkeit den Motor auf dem Papier zu bewerten, um festzustellen, ob er für die geplante Anwendung die richtige Wahl ist. Durch den vorgesehenen Einsatzort des DC-Motors ist die Betriebsspannung bereits vorgegeben. Darüber hinaus ist bekannt wieviel Kraft, in Form von Drehmoment (torque), der DC-Motor auf Dauer erbringen muß, um die notwendige Arbeit zu leisten. Der Motor selbst definiert den Strom, der durch seine Wicklungen fließen darf.


Es gibt grundsätzlich zwei Wege den Motor zu bewerten. Man beginnt etwa mit der Auswertung des Drehmoments und findet dann den zugehörigen Stromwert oder man nimmt den Nennbetriebsstrom und liest damit das Nenndrehmoment ab. Zieht man dann, über der ermittelten Markierung für das Drehmoment eine senkrechte Linie nach oben, so schneidet diese Linie die drei weiteren Kurven: Drehzahl, Leistung und Wirkungsgrad. An den Schnittpunkten kann man nun die zugehörigen Werte ermitteln, durch Ablesen auf den Skalen rechts oder links.


Neben dem geforderten Drehmoment und den Stromangaben sind oft auch die leistungsabhängigen Motordrehzahlen für die Motorentscheidung von Bedeutung. Die Drehzahl ist im Nullpunkt am höchsten und nimmt über dem Drehmoment linear ab. Damit verhält sie sich zum Strom reziprok (indirekt proportional).



IV. Bewertungsbeispiel


Bei den DC-Motorbewertungen gibt es zwei extreme Bewertungskriterien. Es sind der Wirkungsgrad oder die Motorleistung. Ein weiteres Kriterium könnte die Drehzahl sein. Die vorstehende Grafik beschreibt einen realen DC-Motor (HC315MG-30037), der mit einer Gleichspannung von 24 V betrieben wird. Um die Nennbetriebsleistung des DC-Motors zu ermitteln, besteht der erste Schritt darin, den Punkt des Spitzenwirkungsgrads auszulesen.


Der Spitzenwirkungsgrad liegt auf 69,08 %. Aus diesem Punkt führt eine dünne, braune Linie senkrecht nach unten um die weiteren, zu bewerteten Leistungsparameter zu finden. Jedes Mal, wenn die vertikale Linie eine weitere Linie des Diagramms schneidet, zeigt sie zugehörige Leistungswerte an.


IV.1 maximalem Wirkungsgrad von 69,08 %,


Drehmoment (T) : 10,38 mNm,

Drehzahl (N) : 18.104 UPM,

Strom (I) : 1,19 A

Leistung (P) : 19,67 W



IV.2 maximaler Leistung von 36,29 W,


Wirkungsgrad : 43,08 %,                  

Drehmoment (T) : 32,44 mNm,

Drehzahl (N) : 10.776 UPM,

Strom (I) : 3,22 A.



V. Kontinuierliche und wechselde Belastung


Bei DC-Motoren unterscheidet man grundsätzlich zwei Verwendungsbereiche, die durch ihre Drehmomentabgabe definiert werden. Diese Bereiche sollen die sicheren Betriebsgrenzen des Motors aufzeigen.


V.1 Kontinuierlicher Nutzungsbereich

Der kontinuierliche Nutzungsbereich erstreckt sich von 0 % bis 30 % der kompletten Drehmomentkapazität des DC-Motors. Die Position des optimalen Wirkungsgrades, der Effizienz, des Motors liegt in diesem Bereich. Dieses ist der sicherste Bereich für den Betrieb des DC-Motors.


V.2 Zeitweiliger Nutzungsbereich

Dieser Bereich liegt zwischen 30 % und 60 % der gesamten Drehmomentkapazität. Hier kann der DC-Motor dennoch kurzzeitig Aufgaben übernehmen. Er sollte jedoch zur Aufrechterhaltung der Einsatzbereitschaft nicht ständig laufen. Durch Verwendung einer aktiven Kühlung können DC-Motoren in diesem Bereich etwas länger betrieben werden. Zu beachten ist daher, je weiter der Arbeitspunkt von der maximalen Effizienz entfernt ist, je höher wird die Stromaufnahme. Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls steigt exponentiell.


V.3 Gefahrenzone

Die Gefahrenzone beginnt oberhalb von 60 % der Drehmomentkapazität. Bei diesen Belastungen über 60 % wird der Motor schnell überhitzen und die Gefahr des Durchbrennens der Motorwicklung erhöht.



Ergänzung:




Siehe: „Gleichstrommotoren, die mit wechselndem Strom betrieben werden.“

Beispiele findet man etwa bei DC-Motoren, die über Drehzahlsteller gesteuert werden.

  • Version 1.0.0

  • Moin Wolf,


    Zitat:

    Das Drehmoment (T), gemessen in Nm, kg/cm oder lb/in, ist die Kraft, die die Antriebswelle des DC- Motors liefern kann.


    Ein Drehmoment ist keine Kraft.

    Per Definition ist das (Dreh-)Moment das Produkt aus Kraft x Weg, oder Kraft x Hebelarm.

    Wellen übertragen Drehmomente, und üben Kräfte auf Lager aus.


    Die aktuelle international gültige abgeleitete Einheit nach dem SI-System ist das Newtonmeter ( Nm ) mit dem deutschen Formelzeichen M für Moment, und dem englischen Formelzeichen T für engl. Torque. Dies sollte nicht vermischt werden.

    Denn das deutsche Formelzeichen T wird für die Angabe eines Temperaturwertes verwendet.


    Von der Dimension her entspricht das (Dreh-)Moment als abgeleitete SI-Einheit in Nm der mechanischen Energie, bzw. der technischen Arbeit, sowie der Wärmemenge von 1 Joule oder einer Ws .


    Für die Umrechnung in andere nicht mehr gebräuchliche ältere Einheiten gibt es hinreichend viele Um-Rechenhilfen im www u.a.



    M.f.G. Jörg

    • Zitat:

      Von der Dimension her entspricht das (Dreh-)Moment als abgeleitete SI-Einheit in Nm der mechanischen Energie, bzw. der technischen Arbeit, sowie der Wärmemenge von 1 Joule oder einer Ws .

      Das darf nicht miteinander verglichen werden! Energie und Arbeit sind skalare Grössen, während das Drehmoment ein Vektor ist d.h. die Dimensionen sind also nicht gleich!


      Gruss Mathias

    • Hallo Mathias,


      ich freue mich von Dir zu hören. :thumbup:


      Zeitweise bin ich hier sehr einsam. Ich diskutiere gern mit Fachleuten, streite aber nicht mit Laien. :sh:

  • Moin Wolf,

    Zitat:

    Hinweis

    Die Markierung des Maximalstroms (Blockierstrom = stall current) ist ein rechnerischer (interpoliert) Wert. Sie sagt aus, spätestens hier verbrennt der Motor. Wann der Motor verbrennt ist von zwei Faktoren abhängig, dem Drahtquerschnitt der Motorwicklungen und dem fließenden Strom. Die Drahtstärke der Motorwicklungen und die Anzahl der Wicklungen sind im Datenblatt des Motors zu finden. Der höchste verträgliche Motorstrom kann aus der maximalen elektrischen Leistung, gemessen in Watt, errechnet werden.


    Der max. mögliche Strom eines DC Motors, auch Blockierstrom genannt, sagt mitnichten aus das der Motor verbrennt.

    Da dieser Strom bei jedem Einschaltvorgang an Nennspannung immer auftritt, zeigt, das hier keine Verbrennung des Motors eintritt.

    Der Blockierstrom ist vielmehr der maximal mögliche Strom eines Motors der sich aufgrund des inneren ohmschen Widerstandes und der anliegenden elektrischen Spannung ergibt.


    Eine thermische Schädigung des Motors hängt von mehreren Faktoren ab:

    In erster Linie von der Dauer und Höhe der Wärmeleistung ( PWärme = I2 * R ) des Stromes in den Wicklungen. Zweitens von der Wicklungstemperatur und -widerstand. Ferner von der Umgebungstemperatur, der Motormasse und dem Gehäuseaufbau sowie evt. vorhandener Zusatz- oder Zwangskühlungen.



    Der höchste verträgliche Motorstrom kann aus der maximalen elektrischen Leistung, gemessen in Watt, errechnet werden.


    Prinzipiell ja, aber dies ist für jeden Anwendungsfall und Motortyp sehr unterschiedlich und hängt von sehr vielen Parametern ab, die z.T. schon erwähnt wurden.

    Was ist deiner Aussage nach mit "höchster verträglicher Motorstrom" gemeint ?

    Viel besser wäre hier eine Aussage zur Betriebsart und dem zugeordneten max. Betriebsstrom.


    Beispielsweise:

    Bei ununterbrochenem Dauerbetrieb mit der geforderten Nennleistung darf der Nennstrom ( siehe dazu die Herstellerangaben ! ) bei Nennspannung nicht oder nur kurzfristig überschritten werden.


    Oder beim Lastwechselbetrieb mit zeitlich beschränkten Anteilen von Teil- und Überlast.


    Oder der Aussetzbetrieb mit z.B. einer mittleren Einschaltdauer ( ED ) von 20 .. 40% kann der Betriebsstrom kurzzeitig das 2 .. 3 fache des Nennstromes für Dauerbetrieb betragen, sofern der Motor in den Betriebspausen genügend Zeit zum Abkühlen hat.


    M.f.G. Jörg

  • Moin Wolf,

    Zitat:

    Für DC-Motoren, die mit wechselndem Strom betrieben werden, ..


    deine Wortwahl wechselnder Strom, erinnert sehr an den Begriff Wechselstrom. Hier besteht die große Gefahr, das der Leser annimmt, der Strom wechselt seine Richtung. Genau dies ist aber hier nicht gemeint.


    Eindeutig besser wäre hier die Formulierung pulsierender Gleichstrom zu verwenden. Ein Stromverlauf der bei gleich bleibender Richtung in der Höhe veränderlich ist.

    Siehe dazu u.a. auch hier.


    M.f.G. Jörg

    • Ahoi Wolf,.

      dein Versuch zur Klärung der Sachverhalte ist per se begrüßenswert.

      Allerdings durch die nicht immer korrekte Semantik teilweise verwirrend oder gar physikalisch unrichtig:

      Ein Drehmoment ist keine Kraft !!!


      M.f.G. Jörg ?(

    • ED solltest du noch erklären.

    • ED solltest du noch erklären.


      Ahoi Peter,

      vielen Dank für den Hinweis.

      Ich habe jetzt einen entsprechenden Link eingefügt.


      M.f.G. Jörg