Automatische Übersetzung anzeigen
Dies ist eine automatisch generierte Übersetzung. Wenn Sie auf den englischen Originaltext zugreifen möchten, klicken Sie hier
#Produkttrends
{{{sourceTextContent.title}}}
Motion Control - Eine Abkürzung zur Dimensionierung von Motoren
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
Die Motorkonstante hilft bei der Auswahl von Gleichstrommotoren in Motion-Control-Anwendungen.
{{{sourceTextContent.description}}}
Bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrommotoren sind eine gute Wahl für leistungsempfindliche oder nach Effizienz strebende Anwendungen.
Im Datenblatt eines Gleichstrommotors oder -generators wird häufig die Motorkonstante Km angegeben, die die Drehmomentempfindlichkeit geteilt durch die Quadratwurzel des Wicklungswiderstands darstellt. Die meisten Konstrukteure betrachten diese intrinsische Motoreigenschaft als eine esoterische Kennzahl, die nur für den Motorkonstrukteur nützlich ist und keinen praktischen Wert bei der Auswahl von Gleichstrommotoren hat.
Km kann jedoch dazu beitragen, den iterativen Prozess bei der Auswahl eines Gleichstrommotors zu reduzieren, da er im Allgemeinen wicklungsunabhängig für ein bestimmtes Gehäuse oder eine bestimmte Motorbaugröße ist. Selbst bei eisenlosen Gleichstrommotoren, bei denen Km von der Wicklung abhängt (aufgrund von Variationen des Kupferfüllfaktors), bleibt er ein solides Werkzeug im Auswahlprozess.
Da Km nicht unter allen Umständen die Verluste in einem elektromechanischen Gerät berücksichtigt, muss der minimale Km größer sein als berechnet, um diese Verluste zu berücksichtigen. Diese Methode ist auch eine gute Realitätsprüfung, weil sie den Benutzer zwingt, sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsleistung zu berechnen.
Die Motorkonstante berücksichtigt die grundlegende elektromechanische Natur eines Motors oder Generators. Die Auswahl einer geeigneten Wicklung ist einfach, nachdem eine ausreichend leistungsstarke Gehäuse- oder Rahmengröße bestimmt wurde.
Die Motorkonstante Km ist definiert als:
Km = KT/R0,5
In einer Gleichstrommotoranwendung mit begrenzter Leistungsverfügbarkeit und einem bekannten erforderlichen Drehmoment an der Motorwelle wird der minimale Km eingestellt.
Für eine gegebene Motoranwendung wird der minimale Km-Wert sein:
Km = T / (PIN - POUT)0,5
Die in den Motor eingespeiste Leistung ist positiv. PIN ist einfach das Produkt aus Strom und Spannung, wobei keine Phasenverschiebung zwischen ihnen angenommen wird.
PIN = V X I
Die vom Motor abgegebene Leistung wird positiv sein, da sie mechanische Leistung liefert und einfach das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment ist.
LEISTUNG = ω X T
Ein Motion-Control-Beispiel beinhaltet einen Gantry-artigen Antriebsmechanismus. Es wird ein kernloser Gleichstrommotor mit einem Durchmesser von 38 mm verwendet. Es wird beschlossen, die Drehgeschwindigkeit zu verdoppeln, ohne den Verstärker zu verändern. Der bestehende Arbeitspunkt liegt bei 33,9 mN-m und 2.000 U/min (209,44 rad/sec) und die Eingangsleistung beträgt 24 V bei 1 A. Außerdem ist keine Erhöhung der Motorgröße akzeptabel.
Der neue Arbeitspunkt liegt bei der doppelten Drehzahl und dem gleichen Drehmoment. Die Beschleunigungszeit ist ein vernachlässigbarer Prozentsatz der Bewegungszeit, und die Schwenkgeschwindigkeit ist der kritische Parameter.
Berechnen des minimalen Km
Km = T / (PIN - POUT)0,5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 V X 1A -
418.88 rad/sec X 33,9 X 10-3 N-m) 0,5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 W - 14,2 W) 0,5
Km = 10,83 X 10-3 N-m/√W
Berücksichtigen Sie die Toleranzen der Drehmomentkonstante und des Wicklungswiderstands. Wenn z. B. die Drehmomentkonstante und der Wicklungswiderstand Toleranzen von ±12 % aufweisen, ist Km der ungünstigste Fall:
KMWC = 0,88 KT/√(R X 1,12) = 0,832 Km
oder fast 17 % unter den Nennwerten bei kalter Wicklung.
Die Erwärmung der Wicklung wird Km weiter reduzieren, da der Kupferwiderstand um fast 0,4 %/°C ansteigt. Erschwerend kommt hinzu, dass sich das Magnetfeld mit steigender Temperatur abschwächt. Je nach Dauermagnetmaterial kann dies bis zu 20 % bei einem Temperaturanstieg von 100 °C betragen. Die 20%ige Abschwächung bei 100°C Magnettemperaturanstieg gilt für Ferritmagnete. Neodym-Bor-Eisen hat 11 % und Samarium-Kobalt etwa 4 %.
Interessanterweise würde bei gleicher mechanischer Eingangsleistung, wenn das Ziel ein Wirkungsgrad von 88 % ist, der minimale Km von 1,863 N-m/√W auf 2,406 N-m/√W steigen. Das ist gleichbedeutend mit dem gleichen Wicklungswiderstand, aber einer 29 % größeren Drehmomentkonstante. Je höher der gewünschte Wirkungsgrad ist, desto höher ist der erforderliche Km.
Wenn im Fall der Motoranwendung der maximal verfügbare Strom und die ungünstigste Drehmomentbelastung bekannt sind, berechnen Sie die niedrigste akzeptable Drehmomentkonstante, indem Sie
KT = T/I
Nachdem Sie eine Motorfamilie mit ausreichendem Km gefunden haben, wählen Sie eine Wicklung aus, deren Drehmomentkonstante leicht über dem Minimum liegt. Beginnen Sie dann mit der Bestimmung, ob die Wicklung in allen Fällen von Toleranzen und Anwendungseinschränkungen eine zufriedenstellende Leistung erbringt.
Es liegt auf der Hand, dass die Auswahl eines Motors oder Generators durch die erste Bestimmung des minimalen Km bei leistungssensiblen Motor- und effizienzfordernden Generatoranwendungen den Auswahlprozess beschleunigen kann. Der nächste Schritt besteht dann darin, eine geeignete Wicklung auszuwählen und sicherzustellen, dass alle Anwendungsparameter und Motor-/Generatoreinschränkungen akzeptabel sind, einschließlich der Berücksichtigung der Wicklungstoleranz.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen, thermischen Effekten und internen Verlusten sollte man immer einen etwas größeren Km wählen, als die Anwendung erfordert. Ein gewisser Spielraum ist notwendig, da es aus praktischer Sicht nicht unendlich viele Wicklungsvarianten gibt. Je größer der Km ist, desto eher kann er die Anforderungen einer bestimmten Anwendung erfüllen.
Im Allgemeinen können praktische Wirkungsgrade über 90 % praktisch nicht erreicht werden. Größere Motoren und Generatoren haben größere mechanische Verluste. Dies ist auf Lager-, Windungs- und elektromechanische Verluste wie Hysterese und Wirbelströme zurückzuführen. Bei Bürstenmotoren kommen noch Verluste durch das mechanische Kommutierungssystem hinzu. Bei der bei kernlosen Motoren beliebten Edelmetallkommutierung können die Verluste extrem gering sein, geringer als die Lagerverluste.
Eisenlose Gleichstrommotoren und -generatoren haben in der bürstenbehafteten Variante dieser Bauart praktisch keine Hysterese- und Wirbelstromverluste. Bei den bürstenlosen Varianten sind diese Verluste zwar gering, aber vorhanden. Das liegt daran, dass der Magnet in der Regel relativ zum Rückeisen des Magnetkreises rotiert. Dadurch werden Wirbelstrom- und Hystereseverluste induziert. Es gibt jedoch auch bürstenlose Gleichstromversionen, bei denen sich der Magnet und das Gegeneisen im Gleichschritt bewegen. In diesen Fällen sind die Verluste in der Regel gering.