WAS IST EIN DYNAMO? EINE ERKLÄRUNG VON DER FUNKTIONSWEISE ÜBER DIE BEZIEHUNG ZUM MOTOR BIS HIN ZU ANWENDUNGEN IN DER ENERGIERÜCKGEWINNUNG UND STROMERZEUGUNG

Ein Dynamo ist ein Gleichstromgenerator, der mechanische Energie, beispielsweise durch Drehbewegung, in elektrische Energie umwandelt. Früher wurde er auch als Ladegerät in Kraftfahrzeugen eingesetzt, doch das Grundprinzip der Stromerzeugung findet auch in modernen Motoren und regenerativen Systemen Anwendung.

Ein Motor ist normalerweise ein Gerät, das mithilfe von Elektrizität Drehkraft erzeugt. Wenn jedoch die Welle von außen gedreht wird, kann er als Generator fungieren und für regeneratives Bremsen, Energierückgewinnung sowie zur Stromerzeugung in kleinen Anlagen genutzt werden.

In diesem Artikel werden die Funktionsweise des Dynamos, der Unterschied zum Lichtmaschine sowie die Beziehung zum Motor erläutert und es werden Auswahlkriterien für Motoren vorgestellt, die für Stromerzeugungs- und Rekuperationsanwendungen geeignet sind.

Was ist ein Dynamo? Ein Gleichstromgenerator, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt

Ein Dynamo ist ein Gleichstromgenerator, der mechanische Energie, wie beispielsweise von außen zugeführte Drehkraft, in elektrische Energie umwandelt. Er nutzt die „elektromagnetische Induktion“, bei der durch die relative Bewegung von Magneten und Spulen eine Spannung erzeugt wird, und gewinnt über einen Kommutator und Bürsten Gleichstrom.

Früher wurde er zum Laden von Autobatterien und zur Stromversorgung elektrischer Bauteile verwendet. Heutzutage sind Lichtmaschinen, die Wechselstrom erzeugen und in Gleichstrom umwandeln, die gängige Lösung.

Übrigens werden auch Stromerzeugungsvorrichtungen für Fahrräder im Allgemeinen als Dynamos bezeichnet, wobei es jedoch auch Modelle gibt, die Wechselstrom erzeugen. Technisch gesehen bezieht sich der Begriff „Dynamo“ hingegen auf Generatoren, bei denen der Gleichstrom über einen Kommutator gewonnen wird. Das zugrunde liegende Prinzip der elektromagnetischen Induktion findet sich auch in modernen Motoren und regenerativen Systemen wieder und wird in einem breiten Anwendungsspektrum genutzt.

Der Dynamo erzeugt Strom mithilfe der elektromagnetischen Induktion

Dynamos erzeugen Strom mithilfe der „elektromagnetischen Induktion“, bei der durch die relative Bewegung zwischen Magnetfeld und Spule eine Spannung entsteht. Bei Gleichstromgeneratoren wird der erzeugte Strom mithilfe eines Kommutators und von Bürsten als Gleichstrom abgegriffen.

Im Folgenden werden das Prinzip der Spannungserzeugung durch elektromagnetische Induktion sowie der Mechanismus zur Gewinnung von Gleichstrom erläutert.

Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, entsteht Spannung

Die Grundlage der Stromerzeugung ist die „elektromagnetische Induktion“, bei der durch die Änderung des durch eine Spule hindurchgehenden Magnetflusses eine Spannung entsteht. Elektromagnetische Induktion kann erzeugt werden, indem man eine Spule in einem Magnetfeld dreht oder einen Magneten relativ zur Spule bewegt.

In einem Dynamo wird die von einem Motor oder einer Turbine erzeugte Drehkraft genutzt, um eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Magnet und Spule zu erzeugen. Solange die Drehung anhält, wird kontinuierlich Spannung erzeugt.

Die erzeugte Spannung hängt von der Stärke des Magnetfelds, der Anzahl der Spulenwindungen und der Drehzahl ab. Die tatsächlich entnehmbare elektrische Leistung wird jedoch auch von der angeschlossenen Last und dem Innenwiderstand beeinflusst.

Entnahme als Gleichstrom mittels Kommutator

Bei einem Dynamo wird der in der Spule erzeugte Strom mithilfe eines Kommutators und von Bürsten als Gleichstrom entnommen. Da sich die Polarität der an der rotierenden Spule entstehenden Spannung bei jeder halben Umdrehung umkehrt, handelt es sich in dieser Form um Wechselstrom.

Der Kommutator ist ein Bauteil, das sich zusammen mit dem Rotor dreht, während die Bürsten die feststehenden Kontakte sind, über die der Strom in den externen Stromkreis abgeführt wird. Indem der Kommutator die Verbindungen entsprechend der Drehung umschaltet, wird die Richtung des nach außen abgeführten Stroms konstant gehalten.

Da jedoch periodische Schwankungen im Ausgangsstrom verbleiben, handelt es sich nicht um vollständig geglätteten Gleichstrom. Da der Kommutator und die Bürsten im Kontakt zueinander arbeiten, kann es zu Verschleiß oder Kontaktstörungen kommen, weshalb regelmäßige Inspektionen und ein Austausch erforderlich sind.

Dynamo und Lichtmaschine unterscheiden sich in ihrer Stromerzeugungsweise

Sowohl der Dynamo als auch der Generator sind Stromerzeuger, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, unterscheiden sich jedoch in ihrem Aufbau und ihrem Gleichrichtungsverfahren. Der Dynamo ist ein Gleichstromgenerator, der mithilfe eines Kommutators und von Bürsten Gleichstrom liefert.

Ein Wechselstromgenerator erzeugt Wechselstrom, der durch Gleichrichter wie Dioden in Gleichstrom umgewandelt wird. Die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Früher wurden Dynamos zum Laden von Fahrzeugbatterien verwendet, doch heute sind aus Gründen der Stromerzeugungsleistung und Wartungsfreundlichkeit Lichtmaschinen die gängige Wahl. Ihre grundlegende Funktion, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, ist jedoch dieselbe.

Bei Motoren und Dynamos ist die Richtung der Energieumwandlung umgekehrt

Motoren und Dynamos haben gemeinsam, dass sie elektrische und mechanische Energie umwandeln. Während ein Motor jedoch mithilfe von Strom Drehkraft erzeugt, wandelt ein Dynamo von außen zugeführte Drehkraft in elektrische Energie um.

Im Folgenden werden die grundlegende Funktionsweise eines Motors sowie der Mechanismus erläutert, durch den er unter Einwirkung äußerer Kräfte als Generator fungiert.

Ein Motor wandelt elektrische Energie in Drehbewegung um

Ein Motor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie, beispielsweise Drehbewegung, umwandelt. Er nutzt die elektromagnetische Kraft, die auf einen Strom wirkt, der durch ein Magnetfeld fließt, um die Drehwelle anzutreiben.

Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor mit Eisenkern (Kernmotor) beispielsweise wird im vom Stator erzeugten Magnetfeld Strom durch die auf den Eisenkern des Rotors gewickelten Spulen geleitet. Durch die dabei entstehende elektromagnetische Kraft wird der Rotor in Bewegung versetzt, wodurch die Drehkraft nach außen übertragen wird.

Darüber hinaus werden Motoren allgemein als Antriebsquelle für eine Vielzahl von Geräten verwendet, darunter Förderanlagen in Produktionsanlagen, Roboter, Pumpen und Ventilatoren. Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren gibt es übrigens auch kernlose Ausführungen ohne Eisenkern.

Wenn ein Motor durch eine äußere Kraft in Drehung versetzt wird, fungiert er als Generator

Ein Motor kann als Generator fungieren, wenn seine Welle von außen in Drehung versetzt wird. Dabei kehrt sich die Richtung der Energieumwandlung gegenüber dem normalen Antriebsbetrieb um, sodass mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wird beispielsweise die Drehkraft von Rädern, Windrädern oder Wasserrädern auf die Motorwelle übertragen, entsteht durch die relative Bewegung der Magnete und Spulen im Inneren eine Spannung. Das Grundprinzip der Stromerzeugung ist die elektromagnetische Induktion, die auch bei Dynamos zum Tragen kommt.

Je nach Motortyp sind Schaltungen für die Erregung, Gleichrichtung und Steuerung erforderlich, weshalb geprüft werden muss, ob die Konstruktion für den Einsatz als Generator geeignet ist. Entscheidend ist jedoch nicht die Drehung in umgekehrter Richtung, sondern die Drehung der Welle durch eine äußere Kraft.

Die Stromerzeugungsfunktion von Motoren wird für regeneratives Bremsen und die Energierückgewinnung genutzt

Die Eigenschaft, dass ein Motor, wenn er durch eine äußere Kraft in Drehung versetzt wird, als Generator fungiert, wird für die regenerative Bremsung und die Energierückgewinnung genutzt. Da die bei der Verzögerung einer Maschine entstehende kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist eine effiziente Energienutzung möglich.

Im Folgenden werden die Funktionsweise der regenerativen Bremsung und die Verwendungsmöglichkeiten des zurückgewonnenen Stroms erläutert.

Bei der regenerativen Bremsung wird die kinetische Energie beim Abbremsen in elektrische Energie umgewandelt

Regeneratives Bremsen ist ein Verfahren, bei dem die kinetische Energie, die beim Abbremsen von Maschinen oder Fahrzeugen entsteht, über den Motor in elektrische Energie umgewandelt wird. Normalerweise wird der Motor mit Strom angetrieben, doch beim regenerativen Bremsen fungiert der Motor als Generator und erzeugt Strom.

Wenn der Motor als Generator Strom nach außen abgibt, entsteht ein Drehmoment, das der Drehbewegung entgegenwirkt, wodurch die Maschine abgebremst wird. Ein weiteres Merkmal ist, dass die kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in manchen Fällen zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann.

Die regenerative Bremsung wird nicht nur bei Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie Schienenfahrzeugen zum Bremsen eingesetzt, sondern auch bei der Abwärtsbewegung von Aufzügen und Kränen sowie zur Verzögerung von Förderanlagen.

Der zurückgewonnene Strom kann wiederverwendet oder gespeichert werden

Der durch regeneratives Bremsen gewonnene Strom kann zum Aufladen von Batterien, zur Stromversorgung anderer Geräte oder zur Rückspeisung ins Netz genutzt werden. Im Schienenverkehr wird beispielsweise ein System eingesetzt, bei dem der beim Abbremsen zurückgewonnene Strom in Akkus gespeichert und beim Beschleunigen des Zuges wiederverwendet wird.

Falls jedoch keine Anlagen vorhanden sind, die den regenerierten Strom aufnehmen können, besteht die Gefahr eines übermäßigen Spannungsanstiegs. Es gibt zwar auch Verfahren, bei denen der Strom mithilfe von Bremswiderständen in Wärme umgewandelt wird, doch dies führt nicht zu einer Wiederverwendung der Energie.

Für eine effiziente Rückgewinnung von elektrischer Energie ist eine ganzheitliche Konzeption wichtig, die nicht nur den Motor, sondern auch den Wechselrichter zur Stromumwandlung, die Energiespeichersysteme sowie die Steuerkreise umfasst.

Motoren können auch für die Stromerzeugung in kleinem Maßstab und zur Energierückgewinnung genutzt werden

Motoren können durch die Zufuhr einer externen Drehkraft auch zur Kleinenergieerzeugung und zur Energierückgewinnung genutzt werden. Typische Anwendungsbeispiele sind beispielsweise die Stromerzeugung in kleinem Maßstab unter Nutzung der Drehbewegung von Wind- oder Wasserrädern, die Rückgewinnung von überschüssiger Energie aus den Drehachsen von Maschinen sowie der Einsatz in Versuchs- und Messgeräten.

Allerdings sind nicht alle Motoren für Stromerzeugungszwecke geeignet. Neben der Drehzahl, mit der die erforderliche Spannung und Leistung erzielt werden kann, müssen auch die Lastbedingungen, die Wärmeentwicklung im Dauerbetrieb sowie die Lebensdauer geprüft werden.

Insbesondere bei der Wind- und Wasserkraft schwankt die Drehzahl je nach Windgeschwindigkeit und Wassermenge, weshalb eine Regelungsschaltung zur Stabilisierung der Spannung wichtig ist. Um eine stabile Stromerzeugung zu gewährleisten, muss bei der Auslegung nicht nur die Leistung des Motors selbst berücksichtigt werden, sondern auch die Kombination mit der Drehquelle, der Stromumwandlungsschaltung und den Energiespeichersystemen.

Zu beachtende Punkte bei der Auswahl von Motoren für Stromerzeugungs- und Rekuperationsanwendungen

Beim Einsatz von Motoren für Stromerzeugungs- und Energierückgewinnungsanwendungen müssen nicht nur Drehzahl, erzeugte Spannung und Leistung, sondern auch Wirkungsgrad, Verluste und Lebensdauer berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die Kompatibilität mit der Steuerungsschaltung und der Last entscheidend für eine stabile Stromentnahme.

Die wichtigsten zu prüfenden Punkte bei der Auswahl eines Motors für Stromerzeugungs- und Rekuperationsanwendungen sind die folgenden.

Im Folgenden werden die Prüfpunkte erläutert, die bei der Auswahl eines für Stromerzeugungs- und Rekuperationsanwendungen geeigneten Motors zu beachten sind.

Zusammenhang zwischen Drehzahl, erzeugter Spannung und Leistung prüfen

Bei der Auswahl eines Motors für Stromerzeugungszwecke ist es wichtig zu prüfen, ob bei der vorgesehenen Drehzahl die erforderliche Spannung und Leistung erzielt werden können. Die erzeugte Spannung hängt vom Motortyp, den Wicklungsspezifikationen und der Drehzahl ab.

Da zudem bei der Entnahme von elektrischer Energie ein Drehmoment entsteht, das die Drehbewegung behindert, ist eine ausreichende Kraft der Antriebsquelle erforderlich. Überprüfen Sie daher nicht nur die Drehzahl, sondern auch, ob die erforderliche elektrische Leistung bei angeschlossener Last bereitgestellt werden kann.

Selbst wenn im Leerlauf eine Spannung anliegt, können die Spannung und die Drehzahl unter tatsächlichen Betriebsbedingungen sinken. Bei Anwendungen zur Stromerzeugung und zur Energierückgewinnung ist eine Bewertung unter Berücksichtigung der Lastbedingungen und des Temperaturanstiegs unerlässlich.

Wirkungsgrad und Verluste prüfen

Bei Anwendungen zur Stromerzeugung und Energierückgewinnung müssen der Wirkungsgrad des Motors und die Energieverluste überprüft werden. Denn nicht die gesamte zugeführte mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, sondern ein Teil geht beispielsweise als Wärme verloren.

Zu den wichtigsten Verlustarten zählen Kupferverluste aufgrund des elektrischen Widerstands der Spulen, Eisenverluste, die bei Motoren mit Eisenkern auftreten, sowie mechanische Verluste durch Reibung in den Lagern und Luftwiderstand. Bei gleichen Eingangsbedingungen kann ein Motor mit geringeren Verlusten mehr elektrische Energie zurückgewinnen, was auch zu einer geringeren Wärmeentwicklung führt.

Allerdings lässt sich nicht unbedingt davon ausgehen, dass ein Motor, der im Antriebsbetrieb hocheffizient ist, bei der Stromerzeugung denselben Wirkungsgrad erreicht. Neben der tatsächlichen Drehzahl und den Lastbedingungen ist eine Bewertung unter Einbeziehung der Verluste in der Stromumwandlungsschaltung von entscheidender Bedeutung.

Auswahl unter Berücksichtigung von Größe, Lebensdauer und Steuerungsschaltung

Bei der Auswahl von Motoren für Stromerzeugungs- und Rekuperationsanwendungen sind nicht nur Größe und Gewicht im Hinblick auf die Einbaubarkeit in die Anlage zu berücksichtigen, sondern auch die Lebensdauer sowie die Kompatibilität mit der Steuerungsschaltung. Insbesondere bei Dauerbetrieb ist die Überprüfung der Lagerlebensdauer, der Wärmeentwicklung und der Betriebstemperatur unerlässlich.

Bei Anwendungen mit starken Schwankungen der Drehzahl und der Last sind zudem Maßnahmen gegen Überdrehzahl und Überspannung erforderlich. Um den erzeugten Strom nutzen zu können, werden je nach Anwendungszweck Gleichrichterkreise, Spannungswandler und Batterieladesteuerungen kombiniert.

Um eine stabile Stromerzeugung zu gewährleisten, ist es wichtig, nicht nur die Spezifikationen des Motors allein zu betrachten, sondern eine umfassende Betrachtung vorzunehmen, die auch die Bedingungen der Drehquelle und der Stromversorgung einbezieht. Bei komplexen Anforderungen ist es ratsam, sich an den Hersteller zu wenden.

Zusammenfassung

Ein Dynamo ist ein Gleichstromgenerator, der mithilfe elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Auch Motoren können als Generatoren fungieren, wenn ihre Welle von außen in Drehung versetzt wird; sie finden Anwendung in der regenerativen Bremsung, der Energierückgewinnung und der Stromerzeugung in kleinen Anlagen.

Bei der Auswahl eines Motors für Stromerzeugungs- oder regenerative Bremsanwendungen ist es wichtig, neben Drehzahl, erzeugter Spannung und Leistung auch den Wirkungsgrad, die Verluste und die Lebensdauer umfassend zu prüfen. Motoren, die bei der Stromerzeugung einen hohen Wirkungsgrad und geringe Verluste aufweisen, tragen zu einer effizienten Energienutzung bei.

Takiron CI führt Kleinmotoren im Sortiment. Wenn Sie Beratung zur Auswahl von Motoren oder zu technischen Spezifikationen für Stromerzeugungs- und regenerative Bremsanwendungen benötigen, wenden Sie sich bitte jederzeit an uns.

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