Schrittmotor – Häufig gestellte Fragen zur Heizung

1. Warum Schrittmotorwird es heißer?

Die meisten gängigen Motoren bestehen aus einem Eisenkern und Wicklungsspulen. Die Wicklungen weisen einen Widerstand auf, und ihre Bestromung verursacht Verluste. Die Größe dieser Verluste ist proportional zum Widerstand und zum Quadrat des Stroms – dies bezeichnen wir als Kupferverluste. Bei Strom, der nicht dem Standard-Gleichstrom oder einer reinen Sinuswelle entspricht, treten zusätzlich Oberwellenverluste auf. Der Eisenkern zeigt Hysterese- und Wirbelstromeffekte, die in einem Wechselfeld Verluste verursachen. Die Größe dieser Verluste hängt vom Material, dem Strom, der Frequenz und der Spannung ab – dies werden als Eisenverluste bezeichnet. Sowohl Kupferverluste als auch Eisenverluste äußern sich in Wärme und beeinträchtigen dadurch den Wirkungsgrad des Motors. Schrittmotoren legen im Allgemeinen Wert auf Positioniergenauigkeit und Drehmoment, daher ist ihr Wirkungsgrad relativ gering, die Ströme sind typischerweise hoch, der Oberwellenanteil ist signifikant und die Frequenz des Wechselstroms ändert sich mit der Drehzahl. Folglich erwärmen sich Schrittmotoren häufig, oft stärker als herkömmliche Wechselstrommotoren. Dieses Verhalten gilt auch für spezielle Typen wie …Vakuum-Schrittmotoren,Hochvakuum-Schrittmotoren, UndUltrahochvakuum-Schrittmotoren, wo das Wärmemanagement aufgrund des Fehlens von Konvektionskühlung noch wichtiger wird.

2. Warum werden Hoch- und Niedrigtemperatur-Schrittmotoren und Servomotoren heißer als herkömmliche Motoren?

Motoren, die für den Betrieb bei hohen und niedrigen Temperaturen ausgelegt sind, verwenden Spulenmaterialien, die höheren Temperaturen standhalten und eine höhere Isolationsfestigkeit aufweisen. Dadurch ist ihre Wärmeableitungsfähigkeit etwas geringer als die von herkömmlichen Servomotorwicklungen, was jedoch die Hochtemperaturleistung des Motors nicht beeinträchtigt. Für Anwendungen mitReinigung von Vakuum-Schrittmotoren,Staubsaugermotoren reinigen, oderVakuummotoren für HalbleiteranlagenDiese Eigenschaft wird bereits bei der Konstruktion berücksichtigt. EbensoVakuum-ServomotorenUndHochvakuum-ServomotorenAufgrund ihrer speziellen Bauweise können sie unter identischen Bedingungen etwas höhere Temperaturen aufweisen.

3. Wie verändert sich die Erwärmung eines Schrittmotors mit der Drehzahl?

Bei Verwendung von Konstantstrom-Ansteuerungstechnik bleibt der Strom in einem Schrittmotor im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen konstant, um ein konstantes Drehmoment zu gewährleisten. Mit steigender Drehzahl bis zu einem bestimmten Punkt erhöht sich die Gegen-EMK im Motor, der Strom sinkt allmählich und das Drehmoment nimmt ebenfalls ab. Daher ist die durch Kupferverluste verursachte Erwärmung drehzahlabhängig. Die Erwärmung ist im Allgemeinen im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen höher und bei hohen Drehzahlen niedriger. Die Eisenverluste (obwohl sie einen geringeren Anteil ausmachen) folgen jedoch nicht demselben Trend. Die Gesamterwärmung des Motors ist die Summe beider Verluste, daher ist die obige Beschreibung nur eine allgemeine Richtlinie. Schrittmotoren mit geringer AusgasungBei der Verwendung in Reinraumumgebungen kann durch sorgfältige Auswahl der Drehzahl die Erwärmungs- und Ausgasungsrate besser gesteuert werden.

4. Auswirkungen der Erwärmung

Obwohl die Erwärmung eines Motors dessen Lebensdauer im Allgemeinen nicht beeinträchtigt und die meisten Kunden sich keine großen Sorgen machen müssen, kann starke Erwärmung negative Auswirkungen haben. Beispielsweise können Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der internen Bauteile zu strukturellen Spannungen und leichten Veränderungen des internen Luftspalts führen. Dies kann das dynamische Verhalten des Motors beeinflussen und ihn anfälliger für Schrittverluste bei hohen Drehzahlen machen. In manchen Anwendungen ist übermäßige Motorerwärmung unzulässig – etwa in Medizingeräten und hochpräzisen Prüfgeräten. Daher muss die Motorerwärmung angemessen kontrolliert werden. Dies ist besonders wichtig für Hochtemperatur-Vakuummotoren,strahlungsresistente Vakuummotoren, UndNiedertemperatur-Vakuummotoren, wo extreme Betriebsbedingungen bereits an die Grenzen des Materials stoßen.

5. Wie man die Motorerwärmung reduziert

Durch die Reduzierung der Erwärmung werden Kupfer- und Eisenverluste verringert.

Um Kupferverluste zu reduzieren, gibt es zwei Ansätze: geringerer Widerstand und geringerer Strom. Wählen Sie bei der Motorauswahl nach Möglichkeit einen Motor mit niedrigem Widerstand und niedrigem Nennstrom. Bei Zweiphasenmotoren ist die Reihenschaltung der Parallelschaltung vorzuziehen. Diese Vorgehensweise steht jedoch oft im Widerspruch zu den Anforderungen an hohes Drehmoment und hohe Drehzahl. Nutzen Sie bei einem bereits ausgewählten Motor die automatische Halbstromregelung und die Offline-Funktion des Treibers. Die Halbstromregelung reduziert den Strom automatisch, wenn der Motor stillsteht, während die Offline-Funktion den Strom vollständig abschaltet. Darüber hinaus erzeugen Mikroschrittantriebe Stromverläufe, die einer Sinuswelle mit weniger Oberschwingungen näherkommen, was zu einer geringeren Erwärmung des Motors führt.

Es gibt nur wenige Möglichkeiten, Eisenverluste zu reduzieren. Die Ansteuerspannung spielt dabei eine Rolle: Höhere Spannungen verbessern zwar die Hochgeschwindigkeitseigenschaften, erhöhen aber auch die Wärmeentwicklung. Daher sollte eine geeignete Ansteuerspannung gewählt werden, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Hochgeschwindigkeitsleistung, Laufruhe, Wärmeentwicklung, Geräuschentwicklung und anderen Kriterien gewährleistet. Für spezielle Anwendungen wie … Reinigung von Vakuum-Schrittmotorenin Halbleiterfabriken oderSchrittmotoren mit geringer Ausgasung Bei Vakuumbeschichtungsanlagen werden diese Kompromisse noch kritischer.