Software: SimX - Einfuehrung - DC-Motor - Drehzahl

↑

← →

Drehzahl-Experiment

Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule des Motors fließt, wird ein Drehmoment erzeugt und der Motor beginnt sich zu drehen. Diesen Vorgang werden wir jetzt mit dem Modell simulieren.

• Zusätzlich zum Strom wollen wir das Drehmoment des Motors als Signalverlauf darstellen:
  • Luftspaltmoment T als Ergebnisgröße des Motors für die Ausgabe aktivieren.
  • Für den Motor dieses Luftspaltmoment T in einem neuem Signalfenster darstellen.
  • Simulation zurücksetzen und starten, damit Signalverlauf berechnet wird.
• Der Verlauf des Drehmoments T sieht genauso aus, wie der Stromverlauf, denn es gilt T=kT·i.
  
• 
  Das in der Bibliothek bereitgestellte Motor-Modell besitzt keine beweglichen, drehbaren Teile! Damit sich etwas drehen kann, muss man also noch die drehbare Masse des Rotors von 40 g·cm² als Modell-Element ergänzen:
• In der Bibliothek existiert eine physikalische Domäne "Rotatorische Mechanik". Hieraus verwenden wir die rotatorische Trägheit:
  

• Der Rotor unseres Motors besitzt eine Drehträgheit J=40 g·cm².
• Wir wollen uns in Form von Signalen anschauen, um welchen Winkel phi sich der Rotor dreht und wie groß die Drehgeschwindigkeit om wird.
• Wir haben inzwischen 4 Signalfenster auf dem Bildschirm, so dass es langsam etwas unübersichtlich wird:
  • Das Signal-Fenster T-Motor können wir schließen.
  • Die übrigen Signale ziehen wir mit dem Cursor per Drag&Drop einfach in das Signal-Fenster für den Strom (Hinweis: ziehen der Signal-Legende, z.B. ).
  • Im Zielfenster deutet beim Drag&Drop ein blauer Rahmen an, ob das vorhandene Diagramm genutzt wird, oder ob ein neues Diagramm angelegt wird:
    
• Nun wollen wir uns die Zeit nehmen und die Signal-Verläufe genauer betrachten:
  
  • Der Strom i steigt wieder von Null beginnend an. Aber anstatt einen Endwert von 4,8 A zu erreichen, verringert sich der Motor-Strom dann wieder.
  • Ursache für das Absinken des Motorstroms ist die beginnende Drehbewegung des Motors. Die Rotor-Drehzahl om erhöht sich stetig.
  • Der vom Rotor zurückgelegte Winkel phi wird dabei immer größer.
• Am Ende der durchgeführten Simulation haben die Signale noch keinen Endwert erreicht. Deshalb wollen wir in der Simulationssteuerung tStop=10 ms setzen. Ohne vorheriges Rücksetzen kann man die Simulationsrechnung durch Start beginnend von der bisherigen Endzeit 4 ms fortsetzen lassen.
• Anstatt der Maßeinheit rad wollen wir die anschaulichere Einheit ° verwenden (Hinweis: das Grad ° ist identisch mit deg). Das bewerkstelligt man einfach über das Menü an der Maßeinheit:
  
• Genauso lassen wir uns die Drehzahl in U/min anzeigen:
  
• Der verwendete Motor erreicht ohne Belastung eine Enddrehzahl von ungefähr 2300 U/min.
• Die Enddrehzahl ist erreicht, wenn der Motorstrom kein antreibendes Drehmoment mehr erzeugt. Dann wird der Rotor nicht mehr beschleunigt.
• Ein Motor wirkt gleichzeitig als Generator. Der Motorstrom geht im Leerlauf (ohne Reibung) auf Null, wenn die infolge der Rotor-Drehung induzierte Spulenspannung gleich der Betriebsspannung ist. Dann ist die Spannungsdifferenz über der Spule gleich Null.
• Abschließend zu diesem Experiment werden wir den Rotor noch mit einer Dämpfung belasten (Rotatorische Mechanik). Ein Dämpfer-Element erzeugt ein Last-Moment, das proportional zur Drehzahl ist:
  
• Von Null beginnend wollen wir die Last (Dämpfung b) vorsichtig erhöhen, bis ein Endstrom von ungefähr i=0,5 A fließt:
  • Datei:Software SimX - toolbar simulation.gif
    Spätestes bei dieser iterativen Suche des erforderlichen Dämpfungswertes ist es sinnvoll, von der Menü-Benutzung auf die Werkzeugleiste Simulation umzusteigen. Diese sollte nun dauerhaft angezeigt und benutzt werden.
  • Hinweis: Bei der weiteren Nutzung von SimulationX sollte man schrittweise nur die Werkzeugleisten in Betrieb nehmen, deren Funktionen man permanent benötigt!
    
• Die Enddrehzahl verringert sich bei dieser Belastung um ca. 10%.
• Die elektrische Leistung von 12 W=24 V·0,5 A wird teilweise in der Motor-Spule verheizt (1,25 W=0,5²A²·5 Ohm). Der überwiegende Teil von 10,75 W entspricht der aufgewandten mechanischen Leistung.
• Hinweis: den Endstrom i(tStop) kann man auf zwei Arten ermitteln
  • Wahl von i-Motor im Ergebnisfenster (z.B. über die Legende) und Wahl des Zeitpunktes X mit dem Cursor. Der Wert Y in der Fußzeile des Ergebnisfensters entspricht dann dem Stromwert. (Siehe vorheriges Bild).
  • Wahl des Elements Motor in der Modellansicht oder im Modellexplorer. Der aktuelle Wert des Motorstroms erscheint in der zugehörigen Liste der Ergebnisgrößen:
    

← →