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Bürstenlose Motoren mit genuteter Wicklung Teil 2: Ausgabe 08/2020, 27.05.2020

Sättigung bei hohem Drehmoment und Strom

Wie weichen die Motordaten von mehrpoligen bürstenlosen Motoren mit genuteter Wicklung – also mit Eisenkern – vom idealen linearen Verhalten ab? Im Gegensatz zu den klassischen eisenlosen maxon Motoren haben die maxon Flachmotoren und die EC-i Motoren eine Wicklung mit Eisenkern. Dies ergibt einen höheren Magnetfluss der Wicklung, und der Motor wird stärker.

Autor: Urs Kafader, Leiter technische Ausbildung, maxon

Bilder: maxon

m ersten Teil des Artikels ging es darum, wie die hohe Induktivität die Stromantwort verlangsamt. Bei hohen Drehzahlen ergeben sich Abweichungen vom einfachen linearen Verhalten der Motoren mit eisenloser Wicklung. Teil 2 behandelt nun in vereinfachter Darstellung die Effekte der magnetischen Sättigung bei hohen Strömen. Der Eisenkern kann den Magnetfluss nur bis zu einer bestimmten Grenze verstärken; darüber findet keine Verstärkung des Magnetflusses der Wicklung mehr statt. Das resultierende Anhaltemoment des Motors weicht von einer einfachen linearen Extrapolation der Kennlinie ab. Man beachte, dass maxon im Moment (2020) alle Motordaten ohne Berücksichtigung der Sättigung darstellt.

Magnetische Flussdichte einer Spule
Der magnetische Fluss einer konventionellen Wicklung ist proportional zur Anzahl Windungen multipliziert mit dem Strom im Draht. Ein höherer Strom bedeutet eine höhere Flussdichte, und für den Motor wird mehr Drehmoment erzeugt. Die Drehmomentkonstante des Motors kM drückt diese Proportionalität zwischen Strom und Drehmoment aus.
Platziert man weichmagnetisches Eisen in ein externes Feld (erzeugt zum Beispiel durch eine Spule um den Eisenkern), magnetisiert sich das Eisen, das heisst, die internen magnetischen Momente richten sich nach und nach entlang des äusseren Feldes aus. Diese Magnetisierung generiert einen zusätzlichen Magnetfluss, und im Motor wird zusätzlich Drehmoment erzeugt. Im Endeffekt bedeutet dies, dass die Drehmomentkonstante des Motors grösser wird.
Dieses einfache Bild gilt für kleine Motorströme und tiefe Magnetisierung des Eisenkerns (Abbildung 1). Und es resultiert eine Drehmomentkonstante kM, welche für die lineare Abhängigkeit zwischen Strom und Drehmoment im Motor steht.

Sättigung
Werden die Ströme grosser, sättigt sich der Eisenkern im Magnetfeld der Spule. Sättigung bedeutet, dass alle internen magnetischen Momente des Eisens gänzlich ausgerichtet sind. Eine Erhöhung des äusseren Feldes (mehr Strom) hat keinen Einfluss mehr auf die Magnetisierung; es steigt nur noch der Fluss der Spule selber an. Anders gesagt: Um mehr Drehmoment aus dem Motor zu kriegen, ist viel mehr Strom nötig. Oder auch: Mit derselben Stromerhöhung wird nur wenig zusätzliches Drehmoment erzeugt. Die Drehmomentkonstante wird kleiner.
Die Sättigung tritt bei hohen Strömen auf und wird bei den Motordaten im maxon Katalog nicht berücksichtigt (Abbildung 2). Hohe Ströme bedeuten aber auch, dass die Abweichungen von den spezifizierten Werten nur im Kurzzeitbetrieb auftreten. Im Wesentlichen sind nur zwei Parameter betroffen: Anlaufstrom und Anhaltemoment.
Praktische Aspekte und  Zusammenfassung Wie bedeutsam sind die Sättigungseffekte in Realität? Alle betroffenen Motoren haben eine sehr flache Kennlinie und entsprechend ein sehr hohes Anhaltemoment verglichen mit dem Nennmoment. Bekanntlich bewegen sich vernünftige Überlastmomente höchstens bis etwa zum fünffachen Nennmoment. Zusätzlich sind die Spitzenmomente häufig durch die Maximalströme der Regler (zum Beispiel maxon ESCON oder EPOS) begrenzt.
Die Tabelle vergleicht verschiedene Stromwerte von genuteten mehrpoligen EC-i Motoren. Es ist zu erkennen (vgl. auch Abbildung 4 zur Illustration): Die Anlaufströme liegen weit oberhalb, was die Standard-Regler an Maximalstrom liefern können. In realen Anwendungen können die spezifizierten Anlaufströme – und die entsprechenden Anhaltemomente – nicht erreicht werden.
Allerdings können die Motoren mit dem Maximalstrom des Reglers noch immer massiv überlastet werden. Die Sättigung wird erst bedeutsam bei Strömen und Drehmomenten, die höher sind, als was sinnvollerweise erreicht werden kann.
Was man daraus lernen kann: In den meisten Anwendungen steht gar nicht genug Strom zur Verfügung, um auch nur in die Nähe der Sättigungsproblematik zu kommen. Sättigung ist kein wirkliches Problem, ausser man hat ein Netzgerät und einen Regler, welche diese grossen Ströme liefern können. Ob der Motor eine so hohe Überlast liebt, ist wiederum eine andere Frage.

Infoservice
maxon motor ag
Brünigstrasse 220, 6072 Sachseln
Tel. 041 666 15 00
info@maxongroup.com, www.maxongroup.com

 



Abbildung 1: Die blaue Linie skizziert den zusätzlichen magnetischen Fluss aufgrund der Magnetisierung des Eisenkerns bei kleinen Strömen. Der gesamte magnetische Fluss wird durch die rote Linie dargestellt. Deren Steigung – und damit die Drehmomentkonstante des Motors kM – ist grösser als im eisenlosen Fall.


Abbildung 2: Sättigung des Eisenkerns (blaue Linie). Bei höheren externen Feldern aufgrund des Wicklungsstroms trägt der Eisenkern nichts mehr zur Magnetisierung bei. Der totale Fluss und damit das Motordrehmoment steigt weniger steil an.


Diagramm und Bemerkung zur Sättigung: «Das angegebene Anhaltemoment entspricht dem linear errechneten Lastmoment (ohne magnetischen Sättigungseffekt), welches bei Nennspannung den Stillstand der Welle bewirkt. Bei EC flat und EC-i Motoren kann dieses Moment durch Sättigungseffekte oft nicht erreicht werden.»


Abbildung 4: Vergleich des Nennstroms und des Anlaufstroms mit dem maximalen Strom passender Regler. Ebenfalls ist der Strom angegeben, bei dem eine signifikante Abweichung in der Drehmomentkonstante beobachtet wurde.


Erweitertes Betriebsbereichsdiagramm des EC-i 40, 70 W High Torque (der dritte Motor in der Tabelle). Man beachte, dass theoretisch das Anhaltemoment ohne Sättigung bei 60 A liegt; das ist fast dreimal weiter rechts, als das gesamte Diagramm geht!