Thermisches Verhalten von Schrittmotoren: Effizienz durch Temperaturmanagement

Das thermische Verhalten von Schrittmotoren spielt eine entscheidende Rolle in ihrer Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Dieser Fachbeitrag taucht in die Welt des Temperaturmanagements ein und beleuchtet die Bedeutung des thermischen Verhaltens sowie die Methoden zur Kontrolle der Erwärmung.

Bedeutung der Temperaturkontrolle:

Die Leistungsfähigkeit eines Schrittmotors hängt stark von der Höhe des möglichen Phasenstroms ab. Allerdings wird dieser Strom durch die zulässige Erwärmung in den Motorwicklungen begrenzt. Eine zu hohe Erwärmung kann nicht nur die Motorleistung beeinträchtigen, sondern auch die Lebensdauer des Motors verkürzen. Daher ist das effiziente Temperaturmanagement von großer Bedeutung.

Wärmeverluste und Temperaturdifferenzen:

Die elektrischen Größen des Motors, wie Phasenstrom I_Ph  und Phasenwiderstand R_Phw, beeinflussen die elektrischen Verluste im Motor P_VM. Diese Verluste erzeugen Wärme, die zu einer Erwärmung der Motorwicklungen führt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Wicklungen und der Umgebungstemperatur ∆ϑ_WU beeinflusst die Motorleistung und die Effizienz. Diese Differenz ∆ϑ_OU setzt sich aus der Temperaturdifferenz ∆ϑ_OU zwischen Wicklung ϑ_W und Motoroberfläche sowie zwischen Motoroberfläche und Umgebung zusammen.

∆ϑ_WU = ϑ_W – ϑ_U = ∆ϑ_WO + ∆ϑ_OU = 2 I_Ph² R_Phw R_thM

Auswirkungen der Umgebungstemperatur:

Verändert sich die Umgebungstemperatur, wirkt sich das direkt auf die Temperaturdifferenz aus. Bei steigender Umgebungstemperatur muss die Erwärmung der Wicklungen kontrolliert werden, um die Motorleistung zu gewährleisten.
Werden niedrigere oder auch höhere Umgebungstemperaturen notwendig, kann vom Anwender der zulässige Phasenstrom nach der Formel

selbst berechnet werden.

Grenzen der Phasenströme:

Die in Datenblättern angegebenen Phasenströme sind für eine Umgebungstemperatur von ϑ_U = 55°C ausgelegt. Bei abweichenden Umgebungstemperaturen kann der zulässige Phasenstrom durch eine entsprechende Berechnung ermittelt werden. Dies hilft, die Motorleistung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu optimieren.

Anpassung der Einschaltdauer:

Um unzulässige Erwärmung zu vermeiden, kann die Einschaltdauer des Motors variiert werden. Durch die Anpassung der Einschaltdauer kann der Phasenstrom neu berechnet werden, um eine sichere Betriebstemperatur zu gewährleisten.
Kann die Einschaltdauer E_D des Motors in gewissen Grenzen variiert werden, ist der in den Datenblättern angegebene Phasenstrom nach

neu zu berechnen.

Zusätzliche Kühlungsmaßnahmen:

Bei Bedarf können zusätzliche kühlende Maßnahmen wie Kühlrippen in Erwägung gezogen werden. Diese Maßnahmen erfordern eine Neuberechnung des Wärmewiderstands R_thM des Motors unter Berücksichtigung der veränderten Motoroberfläche A_Mo*.
Mit der „neuen" Motoroberfläche A_Mo* und dem geltenden Wicklungserwärmungsfaktor C_PCu = 103 grd cm2 / W erhält man für den neuen Wärmewiderstand R_thM*

Effizienz durch Temperaturmanagement:

Das Verständnis und die Kontrolle des thermischen Verhaltens von Schrittmotoren ermöglichen eine effiziente und leistungsfähige Nutzung. Durch die optimale Einstellung von Phasenströmen, Einschaltdauer und ggf. zusätzlichen Kühlungsmaßnahmen kann die Motorleistung maximiert und die Lebensdauer des Motors verlängert werden.

Schlussfolgerung:

Das thermische Verhalten von Schrittmotoren ist ein entscheidender Faktor für ihre Leistung und Zuverlässigkeit. Durch die gezielte Steuerung der Erwärmung können Ingenieure sicherstellen, dass die Motoren unter verschiedenen Bedingungen effizient und stabil arbeiten. Dies führt zu einer optimalen Nutzung der Schrittmotoren in einer Vielzahl von Anwendungen.