Gelijkstroom-reductiemotor dimensioneren: met koolborstels of borstelloos, cilindrische, planetaire of wormwielkast, rekenvoorbeeld, spanning en regeling.
AI Dit artikel is gemaakt met behulp van AI.
Wat is een gelijkstroom-reductiemotor?
Een reductiemotor is een combinatie van motor en tandwielkast. De tandwielkast zorgt ervoor dat de uitgaande as met een kleiner toerental en een groter koppel draait dan de motoras[1]. Bij de gelijkstroom-reductiemotor, kortweg DC-reductiemotor, is de motor een gelijkstroommotor. Kleine gelijkstroommotoren worden meestal via permanente magneten bekrachtigd en drijven bijvoorbeeld actuatoren, blazers en fietsaandrijvingen aan[2].
Het verband beschrijft de overbrengingsverhouding i, het quotiënt van ingaand en uitgaand toerental. Zonder verliezen geldt dezelfde verhouding omgekeerd voor de koppels, dus uitgaand koppel = i · motorkoppel. Bij meerdere trappen is de totale overbrengingsverhouding het product van de afzonderlijke overbrengingsverhoudingen[3]. In de praktijk kost elke trap vermogen; reken daarom met het rendement η van de tandwielkast uit het gegevensblad:
- Uitgaand toerental nuit = nmotor / i
- Uitgaand koppel Muit = Mmotor · i · η
Met koolborstels of borstelloos
De klassieke DC-reductiemotor heeft een motor met koolborstels. Bij constante flux kan zijn toerental worden gestuurd via de ankerspanning, het koppel is evenredig met de ankerstroom. Dat maakt de aansturing eenvoudig. Nadelen zijn het borstelvuur, de hoofdoorzaak van hoogfrequente storingen, en de slijtage: bij hoge toerentallen worden de borstels heet en slijten zij bijzonder snel. In stilstand ontbreekt de tegenspanning, bij het inschakelen vloeit daarom een hoge stroom[2].
De borstelloze gelijkstroommotor (BLDC) is technisch een permanent bekrachtigde synchrone machine die een elektronische schakeling uit gelijkspanning voedt. Hij komt zonder koolborstels en sleepringen toe, maar heeft een brugschakeling met vermogenstransistoren nodig en bij sensorgestuurde commutatie drie hallsensoren voor de rotorstand[4]. Waar over lange looptijden geen borstelslijtage mag optreden, pleit daarom veel voor de borstelloze motor; voor eenvoudige actuatoren volstaat vaak de motor met koolborstels met zijn eenvoudige aansturing. Basisinformatie over beide uitvoeringen vindt u in ons artikel gelijkstroommotoren in detail.
Tandwielkasttypen vergeleken
Het type tandwielkast bepaalt waar de uitgaande as ligt[1], welke overbrengingsverhouding per trap mogelijk is en hoeveel vermogen verloren gaat:
| Type tandwielkast | Ligging van de uitgaande as | Overbrengingsverhouding | Eigenschappen |
|---|---|---|---|
| Cilindrische tandwielkast | parallel, verschoven | tot ongeveer 6 per trap, bij meerdere trappen hoger | hoog rendement, luider dan wormwielkast |
| Planetaire tandwielkast | coaxiaal | trappen te combineren | compact, belasting verdeeld over meerdere planeetwielen |
| Wormwielkast | haaks, in een ander vlak | in één trap tot 150 | stil, bij hoge overbrengingsverhouding laag rendement, onder voorwaarden zelfremmend |
| Kegeltandwielkast | haaks, in één vlak | afhankelijk van de uitvoering | omleiding over 90 graden |
Cilindrische tandwielkasten brengen het vermogen direct en puur mechanisch over en bereiken zo een hoog rendement; met één trap is in de praktijk gewoonlijk een overbrengingsverhouding tot ongeveer zes mogelijk[5]. Planetaire tandwielkasten hebben coaxiale assen, zijn compact gebouwd en brengen hoge koppels over, omdat meerdere planeetwielen parallel ingrijpen. Omdat het vermogen via minimaal twee tandingrepen loopt, kan het verliesvermogen ten opzichte van een eenvoudige cilindrische trap verdubbelen[6]. Wormwielkasten halen in één stap reducties tot 150 en gelden als de stilste tandwieloverbrengingen; het glijden tussen worm en wiel verlaagt bij hoge overbrengingsverhoudingen echter het rendement[7]. In continubedrijf warmt een dergelijke tandwielkast daarom op, en meestal is koeling nodig[7].
DC-reductiemotor dimensioneren: rekenvoorbeeld
Uitgangspunt is altijd de belasting. Het koppel is hefboomarm maal kracht, M = F · r, het mechanisch vermogen P = 2π · n · M[8]. Een voorbeeld: een transportrol met 100 mm diameter moet een band met 0,2 m/s bewegen, de trekkracht aan de rolomtrek bedraagt 200 N.
- Belastingskoppel: M = 200 N · 0,05 m = 10 Nm
- Uitgaand toerental: n = v / (π · d) = 0,2 m/s / (π · 0,1 m) ≈ 0,64 1/s ≈ 38 1/min
- Overbrengingsverhouding bij 3.000 1/min motortoerental: i ≈ 3.000 / 38 ≈ 79, gekozen i = 80, dus 37,5 1/min aan de uitgaande zijde
- Motorkoppel bij aangenomen rendement van de tandwielkast η = 0,8: 10 Nm / (80 · 0,8) ≈ 0,16 Nm
- Uitgaand vermogen: 2π · 0,625 1/s · 10 Nm ≈ 39 W; de motor moet ongeveer 49 W leveren
Met i = 80 is een enkele cilindrische trap overvraagd; in aanmerking komen een meertraps cilindrische of planetaire tandwielkast of een eentraps wormwielkast. Het rendement vult u in uit het gegevensblad van het gekozen type tandwielkast, niet als vaste waarde; bij een wormwielkast met hoge overbrengingsverhouding ligt het lager dan bij cilindrische tandwielkasten[7]. Bij het berekende koppel komen reserves voor versnelling, aanloop onder belasting en wrijving.
Twee verdere gegevens horen in elke dimensionering. Het bedrijfstype: S1 staat voor continubedrijf met constante belasting, S2 voor kortstondig bedrijf met opgegeven belastingsduur[9]. Een motor voor S2 mag kleiner uitvallen, maar alleen als de belasting werkelijk kort blijft. En de spanning: uit I = P / U volgt dat bij gelijk vermogen bij 12 V tweemaal zoveel stroom vloeit als bij 24 V. In het voorbeeld levert de motor 49 W; bij een aangenomen motorrendement van 70 % neemt hij ongeveer 70 W op, dat zou ongeveer 5,8 A bij 12 V zijn in plaats van 2,9 A bij 24 V. Wat dat betekent voor bedrading, accu en elektronica, laat ons artikel over 12V-motoren zien.
Toerental regelen, afremmen en beveiligen
Omdat het toerental van de gelijkstroommotor de ankerspanning volgt[2], regelt u een DC-reductiemotor via de spanning, in de praktijk met een PWM-regelaar. Hoe PWM, H-brug en stroomregeling samenwerken, beschrijven wij in het artikel DC-motor aansturen en regelen. Voor het afremmen kan de motor als generator werken: keert de stroomrichting om, dan dient de tegenspanning voor het afremmen en voor energieterugvoeding[2].
Bij hef- en verstelaandrijvingen is het vasthouden in stilstand doorslaggevend. Wormwielkasten zijn alleen bij hoge overbrengingsverhouding, gering aantal gangen en een spoedhoek van de worm onder 5 graden zelfremmend. Om veiligheidsredenen kan de zelfremming geen rem vervangen; zij maakt het echter mogelijk de rem kleiner te dimensioneren[7]. Waar een last moet worden vastgehouden, plant u daarom een houdrem in.
Voor de bescherming tegen omgevingsinvloeden telt de beschermingsgraad: IP54 beschermt tegen stof in schadelijke hoeveelheid en spatwater uit alle richtingen en is in industriële installaties typisch, bij IP65 staat het eerste cijfer 6 voor stofdicht, het tweede cijfer 5 voor bescherming tegen waterstralen[10]. Voor installaties met natte reiniging controleert u daarom hogere beschermingsgraden dan IP54.
Een DC-reductiemotor is slechts zo goed als zijn afstemming: motor, tandwielkast, rem en aansturing moeten bij de belasting passen. Als aanbieder van de complete aandrijflijn dimensioneren wij bij ATEK Drive Solutions deze componenten passend op elkaar uit één hand. Een overzicht van onze motoren vindt u in het assortiment; met belastingskoppel, toerental, bedrijfstype en spanning van uw toepassing adviseren wij u graag via ons contact.
Veelgestelde vragen
Wat is het voordeel van een gelijkstroom-reductiemotor ten opzichte van een DC-motor zonder tandwielkast?
De tandwielkast verlaagt het hoge motortoerental en verhoogt in dezelfde verhouding, na aftrek van de verliezen, het koppel. Zo drijft een kleine, snel draaiende motor een langzame belasting met groot koppel aan.
Hoe kies ik de overbrengingsverhouding voor een DC-reductiemotor?
Deel het motortoerental door het gewenste uitgaande toerental. Controleer vervolgens of het motorkoppel vermenigvuldigd met overbrengingsverhouding en rendement van de tandwielkast het belastingskoppel inclusief reserve voor versnelling en aanloop haalt.
Welke tandwielkast past bij welke toepassing?
Cilindrische tandwielkasten voor hoog rendement met parallel verschoven uitgaande zijde, planetaire tandwielkasten voor coaxiale, compacte opbouw met hoge koppels, wormwielkasten voor grote overbrengingsverhoudingen in één trap en stille loop, kegeltandwielkasten voor een omleiding over 90 graden in één vlak.
12 V of 24 V: welke spanning is beter?
Bij gelijk vermogen halveert de stroom bij dubbele spanning. 24 V verlaagt daarom kabeldoorsneden en verliezen. 12 V is zinvol wanneer de toepassing toch al een 12-V-boordnet of een 12-V-accu gebruikt.
Welke rol speelt het bedrijfstype S1 of S2?
S1 betekent continubedrijf met constante belasting, S2 kortstondig bedrijf met een vastgelegde belastingsduur. Een motor die alleen voor S2 is ontworpen, kan bij continubedrijf oververhit raken.
Houdt een zelfremmende wormwielkast de last veilig vast?
Nee. Zelfremming treedt alleen onder bepaalde voorwaarden op en vervangt om veiligheidsredenen geen rem. Voor hangende lasten hoort een houdrem in de aandrijving.
Hoe kan het toerental van een DC-reductiemotor worden geregeld?
Via de ankerspanning, meestal met een PWM-regelaar. Voor twee draairichtingen en actief afremmen komt er een H-brug bij. Borstelloze motoren hebben sowieso een commutatie-elektronica nodig die het toerental mee regelt.
Bronnen
- Wikipedia (DE): Getriebemotor
- Wikipedia (DE): Gleichstrommaschine
- Wikipedia (DE): Übersetzung (Technik)
- Wikipedia (DE): Bürstenloser Gleichstrommotor
- Wikipedia (DE): Stirnradgetriebe
- Wikipedia (DE): Planetengetriebe
- Wikipedia (DE): Schneckengetriebe
- Wikipedia (DE): Drehmoment
- Wikipedia (DE): Nennbetriebsart
- Wikipedia (DE): IP-Schutzart
