Prinzip der WärmeerzeugungSchrittmotor.
1. Bei allen Arten von Motoren sieht man üblicherweise einen Eisenkern und eine Wicklung.Die Wicklung besitzt einen Widerstand. Unter Spannung entstehen Verluste, deren Größe proportional zum Quadrat des Widerstands und des Stroms ist. Diese Verluste werden oft als Kupferverluste bezeichnet. Weicht der Strom vom Standard-Gleichstrom oder der Sinuswelle ab, entstehen zusätzlich Oberwellenverluste. Der Kern weist Hystereseeffekte und Wirbelströme auf, die im Wechselfeld ebenfalls Verluste verursachen. Diese Eisenverluste hängen von Größe und Material, Stromstärke, Frequenz und Spannung ab. Kupfer- und Eisenverluste äußern sich in Form von Wärme und beeinträchtigen somit den Wirkungsgrad des Motors. Schrittmotoren sind im Allgemeinen auf Positioniergenauigkeit und Drehmoment ausgelegt. Ihr Wirkungsgrad ist relativ gering, der Strom im Allgemeinen relativ hoch und weist viele Oberwellen auf. Die Frequenz der Stromänderung variiert mit der Drehzahl, wodurch Schrittmotoren im Allgemeinen Wärme erzeugen. Dieses Problem ist gravierender als bei herkömmlichen Wechselstrommotoren.
2, der angemessene Bereich vonSchrittmotorHitze.
Die zulässige Wärmeentwicklung eines Motors hängt hauptsächlich von der Qualität seiner internen Isolierung ab. Die interne Isolierung ist bei hohen Temperaturen (130 Grad oder mehr) leistungsfähig, bevor sie zerstört wird. Solange die interne Temperatur 130 Grad nicht übersteigt, wird der Motor nicht beschädigt, und die Oberflächentemperatur bleibt unter 90 Grad.
Daher ist eine Oberflächentemperatur des Schrittmotors von 70–80 Grad normal. Mit einem einfachen Punktthermometer lässt sich die Temperatur grob bestimmen: Hält man die Oberfläche 1–2 Sekunden lang mit der Hand an, liegt die Temperatur unter 60 Grad; berührt man sie nur kurz, beträgt sie etwa 70–80 Grad; verdampfen wenige Wassertropfen schnell, liegt die Temperatur über 90 Grad.
3, SchrittmotorErwärmung bei Geschwindigkeitsänderungen.
Bei Verwendung von Konstantstrom-Ansteuerungstechnik bleibt der Strom bei Schrittmotoren im Stillstand und bei niedriger Drehzahl konstant, um ein konstantes Drehmoment zu gewährleisten. Sobald die Drehzahl einen bestimmten Wert überschreitet, steigt das interne Gegenpotenzial des Motors an, der Strom sinkt allmählich und damit auch das Drehmoment.
Daher ist die Erwärmung durch Kupferverluste drehzahlabhängig. Im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen entsteht in der Regel viel Wärme, bei hohen Drehzahlen hingegen wenig. Die Eisenverluste (wenn auch anteilsmäßig geringer) verändern sich jedoch nicht im gleichen Maße, und die Gesamtwärme des Motors ist die Summe beider Verluste. Die obige Beschreibung stellt daher nur eine allgemeine Situation dar.
4. Die Auswirkungen von Hitze.
Obwohl die Motorwärme im Allgemeinen die Lebensdauer des Motors nicht beeinträchtigt, müssen die meisten Kunden ihr keine Beachtung schenken. Sie kann jedoch ernsthafte negative Auswirkungen haben. Beispielsweise führen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der internen Motorteile zu Veränderungen der strukturellen Spannungen und geringfügigen Änderungen des internen Luftspalts. Dies beeinträchtigt das dynamische Verhalten des Motors, wodurch es bei hohen Drehzahlen leicht zu Schrittverlusten kommen kann. Ein weiteres Beispiel: In manchen Anwendungsbereichen, wie etwa bei medizinischen Geräten und hochpräzisen Prüfgeräten, ist eine übermäßige Motorwärme unerwünscht. Daher ist eine Kontrolle der Motorwärme unerlässlich.
5. Wie kann die Wärmeentwicklung des Motors reduziert werden?
Die Reduzierung der Wärmeentwicklung bedeutet die Verringerung von Kupfer- und Eisenverlusten. Die Reduzierung der Kupferverluste erfolgt in zwei Richtungen: durch Verringerung des Widerstands und des Stroms. Dies erfordert die Auswahl eines möglichst widerstandsarmen Motors mit geringem Nennstrom. Bei einem Zweiphasenmotor können die Motoren in Reihe geschaltet werden, ohne dass Parallelschaltungen erforderlich sind. Dies steht jedoch oft im Widerspruch zu den Anforderungen an Drehmoment und hohe Drehzahl. Für den ausgewählten Motor sollten die automatische Halbstromregelung und die Offline-Funktion des Umrichters optimal genutzt werden. Erstere reduziert den Strom automatisch, wenn der Motor stillsteht, während letztere den Stromfluss vollständig unterbricht.
Darüber hinaus führt die Unterteilung des Antriebs aufgrund der nahezu sinusförmigen Stromwellenform mit weniger Oberschwingungen zu einer geringeren Motorerwärmung. Es gibt nur wenige Möglichkeiten, Eisenverluste zu reduzieren, und die Spannungsebene spielt dabei eine wichtige Rolle. Obwohl ein mit hoher Spannung betriebener Motor höhere Drehzahlen ermöglicht, führt dies auch zu einer höheren Wärmeentwicklung. Daher sollte die geeignete Ansteuerspannung unter Berücksichtigung von Drehzahl, Laufruhe, Wärmeentwicklung, Geräuschentwicklung und anderen relevanten Faktoren gewählt werden.
Regelungstechniken für Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge von Schrittmotoren.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Schrittmotoren steigt auch das Interesse an deren Steuerung. Beim Anfahren oder Beschleunigen kann es vorkommen, dass sich die Schrittmotorimpulse zu schnell ändern. Aufgrund der Trägheit folgt der Rotor den Änderungen des elektrischen Signals nicht mehr, was zu Blockierungen oder Schrittverlusten führt. Beim Anhalten oder Verzögern kann es aus demselben Grund zu Überschwingen kommen. Um Blockierungen, Schrittverluste und Überschwingen zu vermeiden, wird die Arbeitsfrequenz erhöht und die Drehzahlregelung des Schrittmotors verbessert.
Die Drehzahl eines Schrittmotors hängt von der Pulsfrequenz, der Anzahl der Rotorzähne und der Anzahl der Taktschläge ab. Seine Winkelgeschwindigkeit ist proportional zur Pulsfrequenz und mit diesem synchronisiert. Sind die Anzahl der Rotorzähne und die Anzahl der Taktschläge bekannt, lässt sich die gewünschte Drehzahl durch Steuerung der Pulsfrequenz erreichen. Da der Schrittmotor mithilfe seines Synchrondrehmoments anläuft, ist die Anlauffrequenz nicht zu hoch, um Schrittverluste zu vermeiden. Insbesondere mit steigender Leistung nehmen der Rotordurchmesser und die Massenträgheit zu, wodurch sich die Anlauffrequenz und die maximale Betriebsfrequenz um bis zu das Zehnfache unterscheiden können.
Die Anlauffrequenzcharakteristik des Schrittmotors ist so ausgelegt, dass er beim Anlauf nicht direkt die Betriebsfrequenz erreicht, sondern einen Anlaufprozess durchläuft, d. h. von einer niedrigen Drehzahl allmählich auf die Betriebsdrehzahl ansteigt. Beim Stoppen, wenn die Betriebsfrequenz nicht sofort auf Null sinkt, erfolgt eine schrittweise Reduzierung der Drehzahl auf Null.
Das Ausgangsdrehmoment des Schrittmotors nimmt mit steigender Pulsfrequenz ab. Je höher die Anlauffrequenz, desto geringer das Anlaufdrehmoment und desto schlechter die Ansteuerfähigkeit. Beim Anlauf kann es zu Schrittverlusten kommen, und beim Stopp kann es zu Überschwingen kommen. Um den Schrittmotor schnell auf die erforderliche Drehzahl zu bringen und Schrittverluste oder Überschwingen zu vermeiden, ist es entscheidend, den Beschleunigungsprozess so zu gestalten, dass das vom Schrittmotor bei jeder Betriebsfrequenz bereitgestellte Drehmoment optimal genutzt wird und nicht überschritten wird. Daher durchläuft der Schrittmotor im Allgemeinen drei Phasen: Beschleunigung, Konstantdrehzahl und Verzögerung. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen sollten so kurz wie möglich sein, die Phasen mit konstanter Drehzahl so lang wie möglich. Insbesondere bei Anwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern, muss die Zeit vom Start bis zum Ende des Betriebs so kurz wie möglich sein. Dies erfordert eine möglichst kurze Beschleunigungs- und Verzögerungsphase bei gleichzeitig maximaler konstanter Drehzahl.
Wissenschaftler und Techniker im In- und Ausland haben umfangreiche Forschungen zur Drehzahlregelung von Schrittmotoren durchgeführt und verschiedene mathematische Modelle zur Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung entwickelt, darunter Exponential- und Linearmodelle. Auf dieser Grundlage wurden diverse Steuerschaltungen konstruiert und entwickelt, um die Bewegungseigenschaften von Schrittmotoren zu verbessern und deren Anwendungsbereich zu erweitern. Die exponentielle Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt die inhärenten Moment-Frequenz-Charakteristiken von Schrittmotoren. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schrittmotor während der Bewegung keine Schritte verliert und gleichzeitig die inhärenten Eigenschaften des Motors optimal genutzt werden, um die Ansprechzeit zu verkürzen. Aufgrund von Änderungen der Motorlast ist dies jedoch schwer zu erreichen. Die lineare Beschleunigung und Verzögerung hingegen berücksichtigt lediglich die Winkelgeschwindigkeit und die Impulsproportionalität des Motors innerhalb des Lastkapazitätsbereichs. Schwankungen der Versorgungsspannung, der Lastumgebung und deren Eigenschaften werden nicht berücksichtigt. Diese Beschleunigungsmethode ist konstant. Der Nachteil besteht darin, dass sie die Abhängigkeit des Ausgangsdrehmoments von der Drehzahl nicht vollständig berücksichtigt. Bei hohen Drehzahlen kann es zu Überlastungen des Schrittmotors kommen. Schritt.
Dies ist eine Einführung in das Heizprinzip und die Beschleunigungs-/Verzögerungs-Prozesssteuerungstechnologie von Schrittmotoren.
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Veröffentlichungsdatum: 27. April 2023