Hoe werkt een DC-motor? Magnetisme in actie!
Hoe werkt een DC-motor? Magnetisme in actie!
Lesduur is: 50 minOnderdelen in deze les
Hoe werkt een DC-motor? Magnetisme in actie!
Wat weet jij al over de werking van een DC-motor?
Leerdoel
Aan het einde van deze les kun je de werking van een kleine DC-motor uitleggen en begrijp je hoe elektrische elektrische energie in rotatie omzet.
Een elektromotor werkt op basis van
Warmte
Magnetisme
Elektronen stapelen zich op in een spoel
Wrijving
Magnetisme
We beschouwen hier even een elektromagneet. Een elektromagneet bestaat uit een elektrische wikkeling rond een metalen kern. Als we een elektrische stroom door die wikkeling sturen, dan zal de metalen kern magnetisch worden met een Zuidpool aan de ene kant en een Noordpool aan de andere kant.
Magnetisme
Als we de stroomzin door de elektrische wikkeling omkeren, dan blijft de metalen kern magnetisch, maar dan wisselen de polen.
Magnetisme
Een ander basisprincipe van magnetisme is dat gelijke polen – bijvoorbeeld twee zuidpolen – elkaar afstoten en dat tegengestelde polen – bijvoorbeeld een noord en een Zuidpool – elkaar aantrekken.
Hoe bepaal je de richting van het magnetische veld?
Met een voltmeter
Gebruik de rechterhandregel
Met een kompas
Gebruik van de linkerhandregel
Magnetisme
De zin van magnetische veld bepalen we door de rechterhandregel. De veldlijnen gaan buiten de spoel van Noord naar Zuid
I
I
Rotor en stator
De kleine DC motortjes die wij gewoonlijk tegenkomen in kleine elektrische toestellen werken typisch met 3 – of een veelvoud van 3 – elektromagneten in de rotor.
Rotor en stator
De rotor is het gedeelte van de DC motor dat ronddraait.
De stator is het statische of vaststaande deel van de motor. Bij kleine DC motortjes bestaat die uit een metalen behuizing met daarin 1 of meer permanente magneten telkens bestaande uit een noord en een Zuidpool.
Rotor en stator
De groene en de rode spoel induceren beide een Noordpool. Deze noordpolen worden ook afgestoten door de permanente Noordpool van de stator en aangetrokken door de permanente Zuidpool van de stator. De rotor wordt door al deze afstoot en aantrekkingskrachten in beweging gezet en begint rond te draaien.
De kunst bestaat er bij een DC motor in om vanaf nu, op het juiste moment de stroomzin door de spoelen om te keren, zodat de rotor blijft ronddraaien.
Je ziet hier dat bij de tweede situatie de groene spoel een Noordpool gebleven is, maar dat de rode spoel nu een Zuidpool geworden is – samen met de blauwe spoel.
Rotor en stator
Deze nieuwe situatie wordt ook hier maximaal afgestoten door de statormagneten, en de motor draait door. In de volgende situatie krijgen we weerom 2 noordpolen en een Zuidpool magneet. In situatie 4 is het weerom de blauwe spoel die alleen bekrachtigd is – zoals in situatie 1, maar hier veroorzaakt de blauwe spoel een Noordpool. Na de 6e stap beginnen we terug bij stap 1.
De stator van onze DC motor draait rond, maar we moeten hier spanning opzetten om, hoe zouden we dit doen?
Commutator
Tot op dit punt lijkt dit werkingsprincipe nog niet te ingewikkeld, maar je zou er eens over moeten nadenken hoe we telkens op het juiste moment de stroomzin door deze 3 verschillende spoelen gaan omkeren. We voeden de DC motor immers met een gelijkspanning.
Commutator en borstels
Een commutator draait mee rond met de rotor van de motor. Onze commutator bestaat hier uit 3 geleidende delen – ook lamellen genoemd die elektrisch van elkaar gescheiden zijn. De borstels of sleepringen hangen vast aan de stator van de motor en hangen dus stil. Ze wrijven tegen de commutator-lamellen en brengen zo elektrische DC stroom over op de commutator.
Commutator en borstels
De 3 spoelen van de 3 elektromagneten van de rotor zijn vast verbonden met twee van de 3 commutator-lamellen. Het is hier mooi te zien dat de drie spoelen in driehoek staan.
Commutator en borstels
Op deze tekening vloeit er een stroom door de blauwe spoel – van rechts naar links en er vloeit een kleinere stroom door de rode en groene spoel vermits die nu in serie staan. Dit veroorzaakt twee noordpolen in de groene en blauwe spoel en een Zuidpool in de blauwe spoel en de motor draait.
Hoe kunnen we nu de draairichting van deze DC-motor omdraaien?
Omdraaien van de draairichting
Voor-en nadelen van commutator
VOORDEEL:
Faseomkering spoelen altijd synchroon met toerental
Het voordeel aan werken met een commutator is dat het omwisselen van de stroom door de spoelen altijd synchroon verloopt met de draaisnelheid en de stand van de motor – omdat de commutator mechanisch vast hangt aan de rotor. De commutator maakt in dit geval van onze DC spanning in principe een 3 fase wisselspanning die mechanisch gesynchroniseerd wordt met het toerental van de motor…
NADELEN:
Wrijving van borstels , dus:
Slijtage
Minder hoge toerentallen
Geluid
Tegen EMK en vrijloopdiode
Door stroom door de spoelen van de stator te sturen gaat onze DC-motor ronddraaien. Als we stoppen met stroom door de spoel van de rotor te sturen, dan worden er twee spanningen opgewekt:
De gegenereerde spanning. De DC motor zal zich nog even als generator gedragen. De rotorspoel draait namelijk nog steeds en beweegt zich in het magnetisch veld van de statormagneten en dit veroorzaakt een stroom en spanning in de rotorspoel. Dit wordt de gegenereerde spanning genoemd maar deze spanning is altijd een beetje lager dan de oorspronkelijke bronspanning en daardoor dus vrij ongevaarlijk en deze spanning dooft ook vrij snel uit omdat het toerental ook snel vermindert.
De geïnduceerde spanning. Een motor bestaat uit spoelen. Spoelen hebben de eigenschap dat ze, na het uitschakelen van de bron, toch nog stroom willen laten vloeien in de kring. Deze inductiestroom kan zo een zeer hoge geïnduceerde spanning veroorzaken. Tot honderden – soms duizenden volt zodat er zelfs vonken kunnen ontstaan over open schakelaars. Als de schakelaar een elektronische schakelaar is zoals een transistor – dan kan die stuk gaan door deze hoge inductiespanning.
Tegen EMK en vrijloopdiode
In dit schema zien we een DC motor die ronddraait omdat de elektrische stroomkring gesloten is. Als we de schakelaar openen, dan word er in de spoelen van de motor een inductiespanning gegenereerd. Deze elektrische energie veroorzaakt over de schakelaar een zodanige grote spanning dat er zelfs vonken kunnen ontstaan. Als we de schakelaar zouden vervangen door een transistor of mosfet, dan zou deze opgewekte inductiespanning deze transistor of mosfet kunnen vernietigen. Een inductiespanning kan al snel oplopen tot enkele 100-en of zelfs 100-en volts en daar kunnen onze componenten niet tegen De eenvoudigste oplossing is om over de motor een diode te plaatsen in antiparallel. Op de momenten dat de elektronische schakelaar de stroom spert en dat er in de motor dus een inductiespanning wordt opgewekt, ontstaat er een kleine stroomkring met enkel de diode en de motor in de kring. De inductiestroom vloeit via de diode terug de motor in, wordt omgezet in warmte en dooft zo vrij snel uit zonder de mosfet of transistor te beschadigen.
Schrijf 3 dingen op die je deze les hebt geleerd.
Schrijf 2 dingen op waarover je meer wilt weten.
Stel 1 vraag over iets dat je nog niet zo goed hebt begrepen.
