Leistung bei sich drehendem Schrittmotor

[Stepper (Gast)]

Hi,

eine weitere Unklarheit in Puncto Schrittmotoren:

Angenommen ich habe einen sich drehenden Schrittmotor und eine 
Quellspannung Uq = 10V. Es fließt ein Strom i=2A.

Am Innenwiderstand des Motors fallen bei 2A Stromstärke 2V ab und 
erzeugen eine Verlustleistung von 4W. Durch seine Drehzahl erzeugt er 
eine Gegen-EMK von 8V.

Da die Quelle nur "sieht", dass 2A Strom bei einer Spannung von 10V 
abgegeben werden muss diese die 20W liefern. 4W gehen im Motor in Form 
von Wicklungsverlusten verloren. Doch wo gehen die übrigen 16W die ganze 
Zeit hin? Was passiert mit denen?

lg

[Michael B. (laberkopp)]

Stepper schrieb:
> Doch wo gehen die übrigen 16W die ganze
> Zeit hin? Was passiert mit denen?

Na in den Antrieb zur Aufhebung der gegen-EMK

Stepper schrieb:
> Durch seine Drehzahl erzeugt er
> eine Gegen-EMK von 8V.

(wobei die reinen Zahlenwerte nicht ganz realistisch sind).

 http://de.nanotec.com/support/faq/ (Plug & Drive Motore und 
Motorcontroller:Welches Netzteil ist erforderlich ?)
 http://www.torcbrain.de/drehmoment-und-leistung/ (Nm und upm in Watt)

[Stepper (Gast)]

Du meinst die 16W werden als mechanische Leistung frei? Aber was ist, 
wenn der Schrittmotor völlig unbelastet ist? Dann erzeugt er ja auch 
eine Gegen-EMK, abhängig von der Drehzahl.

[Jochen S. (schiffner)]

Wenn sich der Motor drehen soll brauchst du einen irgendwie gearteten 
Wechselstrom. Somit ist deine Betrachtung kein Gleichstromnetzwerk mehr. 
Der Motor ist eine ohmsch-induktive Last und erzeugt keine reine 
Wirkleistung. Die mechanische Leistung plus Erwärmung ist Wirkleistung, 
EMK führt zu Blindleistung.

[Stepper (Gast)]

Nun.. die wechselhafte Ansteuerung der zwei Schrittmotorwicklungen 
dürften diesen "wie auch immer gearteten Wechselstrom" darstellen.

Aber das Erzeugen des Wechselstroms erfolgt ja über die H-Brücke. Hinter 
der H-Brücke ist es wieder Gleichstrom.

Wenn die Gegen-EMK nun zu Blindleistung führt, wie ist das damit 
vereinbar, dass die Leistungs-Quelle Uq mit dem Strom i immerzu die 
20Watt "sieht" ?

[Stepper (Gast)]

Wenn ich mir das ganze mit einem normalen Bürsten-Gleichstrommotor 
vorstelle, dem ein Konstantstrom aufgeprägt ist passt es. Der Motor 
beschleunigt konstant, die Gegen-EMK wird proportional zur Drehzahl 
immer größer, damit wird auch die Leistungsaufnahme immer größer, was 
dazu passt, dass die Rotationsenergie mit dem Quadrat der 
Winkelgeschwindigkeit steigt. D.h. für eine konstante Steigerung der 
Drehzahl muss die Beschleunigungsleistung auch konstant steigen.

Nur kann der Schrittmotor ja bei Konstantstrom nicht beschleunigen denn 
seine Drehzahl wird über die Frequenz des Wechselfeldes vorgegeben.

Ich erkenne gerade die Analogie zum Synchronmotor, bei dem ist das ja 
ähnlich aber eventuell etwas anschaulicher. Trotzdem steh ich da gerade 
noch auf dem Schlauch.

Kann jemand erklären bzw. hat noch weiterführendes anschauliches 
Material, was ich mir dazu reinziehen könnte?

[Jochen S. (schiffner)]

Wenn der Motor sich dreht fließen durch Motor und Brücke Blindströme, 
deine Gleichspannung speist nur wirkstrom. Dein Diagramm passt so nicht. 
Die EMK wirkt nicht gegen Gleichstrom/-Spannung sondern nur gegen 
Transienten und Wechselstrom.

[Jochen S. (schiffner)]

Der Schrittmotor ist ein elektronisch kommutierter Synchronmotor. Die 
H-Brücke kann als Servoregler, FU etc. angesehen werden. Gespeist wird 
mit Wirkleistung, im H-Brücke - Motorkreis zirkuliert Scheinleistung, 
abgegeben wird wirkleistung (mechanisch, thermisch)

[eProfi (Gast)]

Die Eingangsleistung von 20W verteilt sich wie folgt:
 - Verluste im Treiber (Ts, Rs, Cs, Platine)
 - Verluste in Verbindungen (Kabel, Stecker)
 - Verluste im Eisen (Wirbelstrom durch Umpolen und durch Choppen)
 - Verluste im Kupfer (ohmisch und kapazitiv)
 - Verluste der Mechanik (Lagerreibung, Luftwiderstand, Rastmoment)
 - abgegebene mechanische Leistung

Der Spulenstrom hat mit dem Eingangsstrom des Treibers wenig gemeinsam.
Man sieht den Treiber am besten als Step-Down- (Buck-) Wandler.
Meist ist ein viel zu hoher Spulenstrom eingestellt, der zu Resonanzen 
und damit zu verringerter Leistungsfähigkeit (Drehmoment) führt.

Erstaunlich ist, dass die Gegen-EMK auch nur eine theoretische Größe 
ist.
Man könnte meinen, einen Motor nur bis zur Drehzahl (Versorgungsspannung 
durch EMK-Konstante) betreiben zu können. Tatsächlich geht wesentlich 
mehr, da die Gegen-EMK sinusförmig ist und man in den Punkten um die 
Null-Linie Leistung in die Spulen pumpt. Volles Drehmoment erreicht man 
selbstredend nicht.

[Elektrofan (Gast)]

> - Verluste im Kupfer (ohmisch und kapazitiv)

Kapazitiv: geht nicht.

[Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann)]

Hallo "Stepper"

> Du meinst die 16W werden als mechanische Leistung frei? Aber was ist,
> wenn der Schrittmotor völlig unbelastet ist? Dann erzeugt er ja auch
> eine Gegen-EMK, abhängig von der Drehzahl.

Du hast bei deinem Eingangspost nicht angegeben, ob der Motor mit 
Konstantstrom oder Konstantspannung betrieben wird. Auf jeden Fall bist 
du von dem seltenen Fall ausgegangen, dass die Gegen-EMK gerade so groß 
ist wie der Anteil der Versorgungsspannng, der über der 
Motornennspannung liegt. Das ist i.A. nicht der Fall.

Beim Konstantspannungsbetrieb würde der Motor ohne Last bei niedrigeren 
Drehzahlen kaputt gehen, weil der Strom stark ansteigen würde. Bei der 
gängigeren Konstantstrom-Ansteuerung sinkt statt dessen der aus der 
Quelle entnommene Strom. Der Stromregler sorgt aber über die PWM dafür, 
dass der Wicklungsstrom im Motor gleich bleibt, in dem die Einschaltzeit 
kleiner wird.

Man kann das auch ganz praktisch nachvollziehen. Einfach mal einen Motor 
ohen Last drehen lassen, am Besten mit einer Zahnriemenscheibe o.ä. auf 
der Welle. Den Strom am Netzteil oder Mittels Multimeter beobachten und 
anfangen, die Riemenscheibe zu bremsen. Je nach Drehzahl und Drehmoment 
des Motors muss man aufpassen, sich nicht die Finger zu verbrennen. Auf 
jeden Falls kann man sehen, wie der Strom (vom Netzteil) abhängig von 
der Last ansteigt.

Weiteres Lesefutter dazu siehe:
http://www.schrittmotor-blog.de/betrachtungen-zur-leistung-von-schrittmotoren/

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann