Wenn wir die Bezeichnung „12V“ an einem Motor sehen, handelt es sich dabei um die Nennspannung des Motors – also den Bereich, in dem er am besten arbeitet und am effizientesten ist. Die meisten 12-V-DC-Motoren können Spannungen verarbeiten, die etwa 10 % von diesem Wert abweichen, sodass sie problemlos zwischen etwa 10,8 Volt und 13,2 Volt funktionieren. Wenn sie jedoch zu lange außerhalb dieses Bereichs betrieben werden, leidet ihre Leistung, und ihre Lebensdauer verkürzt sich. Wenn die Spannung auf nur noch 9 Volt absinkt, verliert der Motor erheblich an Leistung, meistens auf etwa 55 bis 60 Prozent der Sollleistung, da die inneren magnetischen Felder nicht mehr stark genug sind. Überschreitet man 15 Volt, besteht eine ernsthafte Gefahr von Schäden an den Wicklungen und Überhitzungsproblemen. Auch ein dauerhafter Betrieb unter 9 Volt ist ungünstig, da dies die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Motor blockiert, und Probleme mit dem Kommutator verursacht. Normungsgremien wie die IEC haben diese Nennspannungen als Bezugsgrößen für die Bewertung von Motoren festgelegt, nicht als absolute Grenzwerte, die niemals überschritten werden dürfen.
Die mechanische Last bestimmt sowohl den Stromverbrauch als auch die Drehzahl in direktem Verhältnis. Wenn der Drehmomentbedarf steigt, erhöht sich der Ankerstrom stark, während die Drehzahl sinkt – verursacht durch eine ansteigende gegengeleitete elektromotorische Kraft (CEMF), die der angelegten Spannung entgegenwirkt. Bei typischen geblasenen 12v Gleichstrommotoren :
| Beladungszustand | Drehzahl (% der Leerlaufdrehzahl) | Stromaufnahme (% des Stillstandstroms) |
|---|---|---|
| Keine Last | 100% | 10—15% |
| Halbe Last | 75—85% | 40—50% |
| Volllast | 60—70% | 90—100% |
Diese umgekehrte Beziehung spiegelt die grundlegenden Motorphysik wider: Drehmoment ist linear zum Strom proportional, während die Drehzahl bei konstanter Spannung umgekehrt proportional zum Drehmoment ist. Eine Überlastung über die Konstruktionsgrenzen hinaus kann eine irreversible Entmagnetisierung von Permanentmagneten verursachen – ein häufiger Ausfallmodus, der in den IEEE Std 112-2017-Testprotokollen dokumentiert ist.
Die Drehzahl eines Gleichstrommotors mit Bürsten folgt im Allgemeinen einer linearen Beziehung zur Versorgungsspannung, solange die Lastbedingungen und die Temperatur konstant bleiben. Dies geschieht, weil die Gegenspannung (elektromotorische Kraft) proportional mit der Drehzahl ansteigt, sodass der Motor seinen stationären Zustand erreicht, wenn die Gegenspannung der zugeführten Spannung entspricht. Wenn jemand die Spannung von 12 Volt auf nur 6 Volt senkt, kann er etwa die halbe normale Leerlaufdrehzahl erwarten, möglicherweise zwischen 45 und 50 Prozent weniger. Interessant ist, wie sich das Drehmoment anders verhält. Während die Spannung abnimmt, sinkt das Drehmoment tatsächlich schneller ab, nahezu quadratisch zur Verringerung. Bei 8 Volt könnte das Drehmoment beispielsweise nur etwa zwei Drittel dessen betragen, was es bei vollen 12 Volt war, was bedeutet, dass der Motor keine schweren Lasten mehr bewältigen kann. Dies steht im starken Gegensatz zu Asynchronmotoren, bei denen die Drehzahl hauptsächlich von der Frequenz der Stromversorgung abhängt. Bei Gleichstrommotoren hingegen erfolgt die Drehzahlregelung einfach durch Anpassung des Spannungspegels. Wenn die Versorgungsspannung innerhalb von etwa 10 Prozent über oder unter dem Nennwert gehalten wird, trägt dies zu einer gleichmäßigen Leistung bei und verhindert frustrierende Situationen, in denen der Motor zu langsam läuft, aber übermäßigen Strom aufnimmt – etwas, das die Bürsten im Laufe der Zeit viel schneller verschleißen lässt.
Eine ordnungsgemäße Verkabelung schützt sowohl den Motor als auch die Steuerelektronik vor elektrischen Belastungen und unbeabsichtigten Schäden. Beginnen Sie stets mit der korrekten Polarität: Ein Vertauschen der Plus- und Minusanschlüsse kann interne Bauteile beschädigen oder bei intelligenten Reglern eine Schutzabschaltung auslösen.
Befolgen Sie diese bewährte Reihenfolge für einen zuverlässigen und risikoarmen Betrieb:
Wenn die Stromzufuhr eines Gleichstrommotors unterbrochen wird, wehren sich die induktiven Wicklungen im Inneren gegen den plötzlichen Rückgang des Stroms. Dadurch kollabiert das Magnetfeld rasch und erzeugt gefährliche Spannungsspitzen, die über 100 Volt ansteigen können. Solche elektrischen Überspannungen können MOSFETs beschädigen, Mikrocontroller-GPIO-Pins durchbrennen lassen oder Relaiskontakte durch wiederholte Belastung allmählich zerstören. Der Einbau einer qualitativ hochwertigen Freilaufdiode, wie z. B. einer handelsüblichen 1N4007 oder einer schnelleren Schottky-Diode, wirkt Wunder. Sie wird über die Motoranschlüsse geschaltet, wobei die Kathode mit dem positiven Anschluss und die Anode mit dem negativen verbunden wird. Die Diode bleibt im Normalbetrieb inaktiv, greift aber sofort ein, sobald der Motor abgeschaltet wird. Sie fängt dadurch effektiv die schädlichen Spannungsspitzen ab und leitet die gespeicherte Energie sicher zurück in die Motorkupplung, anstatt zuzulassen, dass andere Bauteile beschädigt werden. Laut Industriestandards wie UL 1004-1 und NEMA MG 1 ist dieser Schutz nicht nur empfohlen, sondern für jede nicht isolierte induktive Last in Fabriken oder Fahrzeugen vorgeschrieben.
Potentiometer bieten eine einfache Möglichkeit, die Drehzahl analog zu steuern, was sich hervorragend für kleine Projekte wie Lehrhilfen oder winzige Roboter eignet, die nicht viel Leistung benötigen. Was macht sie so beliebt? Die einfache Installation hilft wirklich weiter. Schließen Sie einfach drei Drähte an: V+ in die eine Richtung, den Abgriff in eine andere und Masse vervollständigt den Stromkreis. Hinzu kommt das befriedigende, physische Gefühl beim Einstellen der Werte. Doch hier liegt das Problem: Sie wirken wie variable Widerstände, die direkt an Motoren angeschlossen sind, wodurch sie durch verbrauchte elektrische Energie erhebliche Hitze erzeugen. Nehmen wir ein typisches 12-Volt-System mit etwa 2 Ampere Stromaufnahme. Wenn der Potentiometer zur Hälfte verstellt ist, könnte er über 24 Watt Energie in Form von Wärme vernichten. Die meisten gängigen, auf Bedienpanelen montierten Potentiometer können diese Wärmemenge einfach nicht sicher bewältigen. Aufgrund dieser Einschränkung eignet sich die lineare Steuerung nicht für Geräte, die kontinuierlich mit mehr als etwa einem halben Ampere betrieben werden. Wer Potentiometer in realen Anwendungen verwenden möchte, sollte sie auf kurze Aktivitätsphasen beschränken, bei denen der Drehmomentbedarf minimal ist. Und denken Sie daran, zusätzlichen thermischen Schutz in alle Konstruktionen einzubauen, die diese Bauteile enthalten.
Transistoren sorgen dafür, dass elektronische Schaltungen effizient funktionieren, wobei die Wahl des richtigen Typs entscheidend für die Gesamtleistung ist. Betrachten Sie beispielsweise NPN-Bipolartransistoren wie das Modell TIP120. Sie sind nahezu preiswert und funktionieren hervorragend mit Mikrocontrollern, doch Vorsicht: Im leitenden Zustand entsteht ein Spannungsabfall von 0,7 V. Bei etwa 5 A Strom erzeugt dies rund 3,5 Watt Verlustleistung direkt im Transistor selbst. Das bedeutet, dass Kühlkörper zwingend erforderlich werden und der Gesamtwirkungsgrad bei höherem Stromfluss unter 90 % sinkt. Im Vergleich dazu verhalten sich logikkompatible N-Kanal-MOSFETs wie die Varianten IRLB8721 oder FQP30N06L deutlich besser. Diese Bauteile weisen einen äußerst geringen Widerstand auf, teilweise nur 5 bis 10 Milliohm. Das Ergebnis? Weniger als ein Viertelwatt Verlust bei 5 A statt 3,5 Watt. Außerdem benötigen sie, da sie spannungsgesteuert und nicht stromgesteuert sind, keinen dauerhaften Basisstrom, was sie ideal für batteriebetriebene Geräte macht. Bei der Ansteuerung von 12-Volt-Gleichstrommotoren, wie sie in Autoteilen, Elektrowerkzeugen oder auch in den mittlerweile überall verbreiteten mittelstarken Aktuatoren vorkommen, überzeugen MOSFETs eindeutig durch bessere Temperaturstabilität, einfache Skalierbarkeit und langfristige Haltbarkeit.
Die Pulsweitenmodulation ermöglicht eine präzise und effiziente Drehzahlregelung von Motoren, indem die volle Versorgungsspannung sehr schnell ein- und ausgeschaltet wird. Was sich ändert, ist lediglich die Einschaltdauer während jedes Zyklus, bekannt als Tastverhältnis (Duty Cycle). Da Motoren eine gewisse inhärente Trägheit gegenüber plötzlichen Änderungen besitzen, glätten sie diese elektrischen Impulse natürlicherweise, sodass sowohl Drehmoment als auch Drehzahl proportional zum prozentualen Tastverhältnis ansteigen. Bei Verwendung moderner MOSFETs mit geringem Widerstand bleiben die Schaltverluste sehr gering, wodurch PWM-Systeme etwa 90 % effizienter sind als ältere lineare Ansätze. Auch die Wahl der richtigen Frequenz ist wichtig. Frequenzen unter 1 kHz erzeugen störende Geräusche und ruckartige Bewegungen, während Frequenzen über 20 kHz geräuschlos und vibrationsfrei arbeiten, was sie ideal für Anwendungen wie Drohnen, medizinische Geräte und Laborinstrumente macht. Die meisten industriellen Standards empfehlen, die PWM-Frequenz bei Standard-12-V-Gleichstrommotoren im Bereich von 16–18 kHz zu halten, da dieser Bereich in der Regel Probleme mit elektromagnetischen Störungen, unerwünschten Geräuschen und übermäßiger Wärmeentwicklung vermeidet. Durch die Anpassung von Tastverhältnis und Frequenz können Ingenieure die Leistung gezielt auf unterschiedliche Anwendungen abstimmen, sei es maximales Anfahrtdrehmoment oder die Minimierung von Störungen in der Nähe empfindlicher Messgeräte.
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