Rotatiesnelheid elektromotor bepalen

Datum: Januari 2009

Inleiding:

Laatst was ik op de website van Vernier aan het rondkijken en daar kwam ik een interessant experiment tegen waarbij men de Vernier Volt meter probe gebruikte om de rotatiesnelheid van een eenvoudige zelfgebouwde elektromotor te bepalen. Ik had niet zoveel interesse om het motortje zelf te bouwen maar herinnerde me dat in een van mijn  experimenteerdozen ook een motor gebouwd werd. Ook werd op de website de mogelijkheid geboden om de meetsoftware die benodigd is voor de Go! Link van Vernier gratis te downloaden voor een netbook, de Asus EEEPc, die ik in mijn bezit heb. Een goede gelegenheid om alles in een enkel experiment te combineren.

Principe:

Voltmeter gebruiken om rotatiesnelheid te bepalen.

Materiaal:

  • Vernier Go!Link Interface
  • Vernier Voltmeter
  • Elektricteits experimenteerdoos
  • Batterij
  • Gelijkspanningsvoeding
  • Netbook - Asus EEEPc
  • Spreadsheet voor data analyse
 

Uitvoering:

  • Bouw de motor op zoals aangegeven is in de handleiding van de experimenteerdoos.
    Details van de motor zijn te zien in onderstaande foto's.
  • Bouw de opstelling op zoals weergegeven in onderstaande foto.
  • Stel de software in op een meting die 2-3 seconden duurt met een monstername snelheid van 1000 metingen per seconde.
  • Sluit de meetklemmen aan op het sleepanker.
  • Verbind de batterij (of gelijkspannings voedingsbron) aan de motor.
  • Laat deze even draaien.
  • Voer de meting uit.
  • Exporteer de data als text file.
  • Importeer deze in een spreadsheet.
  • Analyseer de data.

Resultaten:

Onderstaand filmpje laat zien dat de motor inderdaad draait:
Snapshot van de meting met een batterij aangekoppeld.
Snapshot van de meting met een gelijkspanningsvoedingsbron aangekoppeld.
Excel grafiek - na importeren in Excel 2007 - Batterij
Excel grafiek - na importeren in Excel 2007 - Voedingsbron

 

Voor het bepalen van het aantal minima kan men besluiten om deze handmatig te tellen maar men kan ook gebruik maken van de mogelijkheid die Excel biedt om een Macro te schrijven die dit automatisch doet. Dat laatste heb ik uiteindelijk gedaan. De code kan men vinden in de achtergrondinformatie. De analysesheet die de code bevat kan ook gedownload worden (zie opmerkingen)

De resultaten van de analyse zijn:

  • Batterij: 44/3s = 14-15 rotaties /s
  • Gelijkspanningsvoedingsbron: 88/3s = 29 rotaties/s

Discussie:

Een gelijkstroommotor is gebaseerd op het principe van het draaien van een spoel in een magneetveld zoals in dit experiment ook mooi te zien is. Een stroomvoerende draad gaat in een magneetveld draaien totdat de flux maximaal is. Bij een gelijkstroommotor wordt juist in die stand de stroomrichting omgedraaid. Een spoel bevindt zich rond een ijzeren kern (het anker) tussen de poolschoenen van een magneet (stator + magneet --> magneet). Het begin en het einde van de spoel is verbonden met een ring (de collector). Het begin en het einde van de spoel is verbonden met een ring (de collector) die opgebouwd is uit twee geïsoleerde stukken waar met behulp van veren koolborstels tegenaan gedrukt worden.
Op het moment dat er stroom door de spoel loopt creëert deze een magnetisch veld met een Noord- en Zuidpool die een interactie aangaat met de permanente magneet in het systeem (N-Z polen trekken elkaar aan, N-N en Z-Z stoten elkaar af). De motor begint te draaien totdat het contact verbroken worden omdat de borstels op een geïsoleerd (niet stroomgeleidend) deel liggen. Door de opgebouwde impuls blijft de rotor echter doordraaien en het proces kan zich weer herhalen. De stroomrichting is dan echter omgedraaid (door de opbouw van de collector) en de positie van de polen van het opgewekt magneetveld is dan ook omgedraaid. Hierdoor is er een samenspel van constante aantrekking en afstoting in het systeem waardoor de motor blijft draaien. Een mooie animatie over de werking van een gelijkstroommotor kan men vinden op: http://www.walter-fendt.de/ph11nl/electricmotor_nl.htm

We gebruiken de voltmeter om op een indirecte manier de rotatiesnelheid van de  motor te bepalen. We meten de spanning van het circuit. Als de motor draait zorgt het geïnduceerde EMF ervoor de de overall-spanning in het circuit daalt hetgeen we kunnen meten.

Volgens het boekje kan de motor een snelheid van 2000 toeren per minuut kunnen halen hetgeen overeenkomt met ca. 33 rotaties/seconde.

De platte batterij die ik gebruikte kan normaliter een spanning van 4.5 V genereren. Deze batterij was echter al wat ouder en deze spanning werd niet meer gegenereerd. Vandaar dus dat het toerental dat we vinden maar ca. de helft is van wat deze volgens de handleiding kan leveren. Dit was ook de reden voor mij om het experiment ook uit te voeren met een gelijkspanningsvoedingsbron die ik op 4.5 V had ingesteld. De rotatiesnelheid die we dan vinden (29 rotaties/seconde) ligt veel dichter in de buurt van de waarde die de handleiding van de experimenteerdoos geeft.

Conclusie:

  • Met een voedingsspanning van 4.5 V meten we een toerental van 29 rotaties/s voor de geteste gelijkspannings elektromotor.

Literatuur:

  • J.A Tijmensen, B. Taken; "Natuurkunde voor het MLO 2"; Bohn, Scheltema & Holkema; 1986; ISBN 9031307645; p. 115-119.
  • Martin L. Keen; "Het Hoe en Waarom boek van de Magneten en Magnetisme"; Zuid-Nederlandse Uitgeverij; 1968 (1963): ISBN 9024302544; p. 36-40.
  • Peter van Beeck; "Het elektronicaboek zonder titel"; Segment; 2003; ISBN 9053811583; p. 86-88, 92,93.
  • R.J. Flink; "Electriciteitsleer"; Nijgh & Van Ditmar; 1992; ISBN 9023606736; p. 154-156.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • De meetdata kan men vinden in de text files:
    motorspeed.txt
    motorspeed2.txt
  • De analyse kan men vinden in de spreadsheet: dataanalyse.xlsm
    In dit geval heb ik gebruik gemaakt van Excel 2007.
    De VB code kan ook in oudere versies van Excel gebruikt worden.
  • Dit experiment kan men natuurlijk ook uitvoeren met Coachlab of een multimeter die men aan de PC kan koppelen op voorwaarde dat men een voldoende hoge samplefrequentie kan instellen.
  • In een elektrisch apparaat noemt men de delen die niet bewegen "stator".

Achtergrondinformatie:

VB-code om het aantal minima te bepalen:

Sub AnalyseCycleData()
'A module to determine the number of minima

'Variabele Declaration
Dim rownum, colnum, cyclecounter, i As Integer 'counters
Dim previousvalue, currentvalue, nextvalue, MinMaxValue As Double 'holds values

'Initialize
rownum = 8 'first row that contains data
colnum = 2 'column that contains MIN data

'The data value has to be below this threshold value to be a valid minimum
MinMaxValue = InputBox("Geef de threshold waarde voor het bepalen van het minimum")
MinMaxValue = CDbl(MinMaxValue)

rownum = rownum + 1

'Determining MIN in data
While (ActiveSheet.Cells(rownum, colnum).Value <> "")

 'read datacells
 previousvalue = Round(ActiveSheet.Cells(rownum - 1, colnum).Value, 4)
 currentvalue = Round(ActiveSheet.Cells(rownum, colnum).Value, 4)
 nextvalue = Round(ActiveSheet.Cells(rownum + 1, colnum).Value, 4)

 'determine minimum
 If (previousvalue > currentvalue And nextvalue > currentvalue) Then
   'We only have a real min if we are below the treshold
   If currentvalue < MinMaxValue Then
    cyclecounter = cyclecounter + 1
   End If
 End If

 rownum = rownum + 1 'increase the rownumber
Wend

'Write the result away to a cell in the spreadsheet
ActiveSheet.Cells(23, 11).Value = cyclecounter

End Sub
Het experiment zoals het in de handleiding van de experimenteerdoos beschreven staat.

14/01/2009