6 Miniaturisierte Klauenpolmotoren
6.3 Kennwerte der Klauenpolmotoren
6.3.1 Messergebnisse des 6mm-Klauenpolmotors
Die Anschlussdaten der Klauenpolmotoren mit 6 mm Durchmesser und 6 mm Länge sind in Tabelle 6-1 zusammengefasst. Die identischen magnetischen Kreise beider Motortypen weisen Spulen unterschiedlicher Windungszahl auf.
Tabelle 6-1: Spulendaten der 6mm-Motoren
Spulendaten pro Phase KM6 - 360 KM6 - 200
Windungen 360 200
Kupferdurchmesser (µm) 55 80
Widerstand (Ω) 26 7,3
Induktivität (mH) 3 0,87
Abbildung 6-17 zeigt das Kippmoment des KM6-360 für konstante Spulenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl. Abweichend vom idealen Verlauf eines Synchron-motors ergeben sich für niedrige und für hohe Drehzahlen geringere Kippmomente. Bei den kleinen Drehzahlen ist das hauptsächlich auf Festkörperreibung in den Gleitlagern sowie Drehschwingungen infolge Rastmoment und Blockansteuerung zurückzuführen, bei höheren Drehzahlen auf die Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5000 10000 15000 20000 25000
Drehzahl in U/min
Kippmoment in mNm WWW 250 mA
200 mA 175 mA 150 mA 125 mA 100 mA
Abbildung 6-17: Kippmoment des KM6-360 für verschiedene konstante Spulenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl
Trägt man die maximalen Kippmomente über dem effektiven Strom auf, so ergibt sich der in Abbildung 6-18 dargestellte Verlauf. Durch Extrapolieren lässt sich etwa der Strom bestimmen, der zur Überwindung des dynamischen Reibmoments mindestens erreicht werden muss. Dieser beträgt ca. 50 mA. Die Kippmoment-Strom-Kurve ist über einen weiten Bereich nahezu linear. Eine Sättigung setzt noch nicht ein. Das lässt sich auch anhand der FEM-Berechnungen zeigen. Das maximale Moment wird in der Polzwischenstellung erzeugt. In dieser Position beträgt bei 100 mA Spulenstrom die Kerninduktion ca. 0,85 T, bei 250 mA sind es ca. 1,35 T, wobei noch keine Sättigung des Eisens im Kern erfolgt.
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0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 50 100 150 200 250 300
Strom in mA
Kippmoment in mNm WWW
Abbildung 6-18: Maximales Kippmoment des KM6-360 in Abhängigkeit vom Spulenstrom
Je nach Strom und Drehzahl betrug die Phasenspannung bei den Tests zwischen 3 V und 20 V. Besonders bei hohen Drehzahlen waren infolge der relativ hohen Induktivität große Spannungen zum Erreichen des Stroms notwendig.
Die abgegebene Leistung des KM6-360 in Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt Abbildung 6-19. Für einen Effektivstrom von 160 mA, der als Nennstrom angesehen werden kann (vgl. Abschnitt 6.3.3), beträgt bei einer Drehzahl von 15000 U/min die abgegebene Leistung beim Erreichen des Kippmoments ca. 300 mW. Kurzzeitig können mit 250 mA bei 15000 U/min sogar fast 500 mW abgegeben werden.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0 5000 10000 15000 20000 25000
Drehzahl in U/min
Abgegebene Leistung in W
250 mA 200 mA 175 mA 150 mA 125 mA 100 mA
Abbildung 6-19: Abgegebene mechanische Leistung des KM6-360 für verschiedene konstante Spulenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl
Der ermittelte Wirkungsgrad des KM6-360, berechnet aus Kippmoment und Drehzahl sowie aufgenommener Effektivleistung ist in Abbildung 6-20 mit dem Strom als Parameter dargestellt. Bei kleinen Strömen wird die Leistungsumsetzung ebenfalls von Lagerreibungs- und Schwingungserscheinungen dominiert, so dass keine hohe Effizienz
6.3 Kennwerte der Klauenpolmotoren
erreicht wird. Auch hier sind die Schwingungen hörbar. Diese negativen Einflüsse verschwinden mit zunehmendem Strom. Das deutet insgesamt auf eine notwendige, weitere Untersuchung und Verbesserung der Lagerung hin. Lagerspiel, Schmierstoff und Reibpartner spielen eine große Rolle, da bei kleinen Motoren die Gleitlager häufig im Gebiet der Festkörper- und Mischreibung betrieben werden.
Der Wirkungsgrad steigt zunächst mit der Drehzahl, da die Lagerreibung und die durch Rastmoment sowie Blockansteuerung erzeugten Drehschwingungen kleiner werden.
Das Maximum des Wirkungsgrads liegt bei diesem Motor zwischen 9000 U/min und 15000 U/min. Bei Drehzahlen von ca. 9000 U/min erreicht der Motor ohne zusätzliches Trägheitsmoment einen besonders ruhigen Lauf, was sich auch im Wirkungsgrad bemerkbar macht. Wirkt ein höheres Massenträgheitsmoment durch eine Last, wird der ruhigere Lauf schon bei deutlich kleineren Drehzahlen erreicht.
Bei weiterer Erhöhung des Stroms verringert sich der Wirkungsgrad wieder, da die Ohmsche Verlustleistung quadratisch, das Moment jedoch nur linear vom Strom abhängt und noch weitere Verluste durch Ummagnetisierung und Wirbelströme hinzukommen. Die Wirkungsgrade liegen etwa zwischen 15 % und 20 %. Der maximal gemessene Wirkungsgrad betrug beim KM6-360 21 %. Eine Wirkungsgradsteigerung ist mit der Verwendung von Siliziumeisen zur Verringerung der Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste zu erwarten. Durch die Verbesserung der Lagerung, gegenüber der verwendeten Stahl/Stahl-Gleitpaarung, dürfte sich jedoch die größte Wirkungsgradsteigerung erreichen lassen.
0 5 10 15 20 25
0 5000 10000 15000 20000 25000
Drehzahl in U/min
Wirkungsgrad in %
250 mA 200 mA 175 mA 150 mA 125 mA 100 mA
Abbildung 6-20: Wirkungsgrad des KM6-360 für verschiedene konstante Spulenströme in Abhängigkeit von der Drehzahl
Häufig werden in Datenblättern zu miniaturisierten Synchronmotoren extrapolierte Anhaltemomente und Leerlaufdrehzahlen angegebenen. Eine entsprechend auswertbare Kennlinie ergibt sich zum Beispiel für eine konstant gehaltene Phasenspannung. Dazu muss bei Drehzahländerung, wegen den Fußpunktwiderständen an den H-Brücken, die Betriebspannung U0 korrigiert werden (vgl. Abbildung 6-16).
Bei den vorgenommenen Messungen wurde hingegen die Betriebsspannung der Motorelektronik konstant gehalten. Abbildung 6-21 zeigt das Drehzahlverhalten des Kippmoments. Zur besseren Vergleichbarkeit mit den anderen Messungen sind die Anfangsströme angegeben. Damit sind die zu Beginn der Messung, bei sehr kleinen Drehzahlen (ca. 600 U/min) eingestellten Effektivströme gemeint. Zu berücksichtigen
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ist, dass sich bei konstanter Betriebsspannung die Drehzahlabhängigkeit des Moments, das heißt der Anstieg der Ausgleichsgerade, mit dem Fußpunktwiderstand der H-Brücke, wie bei Gleichstrommotoren mit einem Ankervorwiderstand ändert. Die sich für die unterschiedlichen Betriebsspannungen ergebenden idealisierten Kennlinien sind parallele Geraden. In Abbildung 6-21 ist eine dieser idealisierten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien für 160 mA Anfangsstrom eingetragen. Hieraus ergibt sich ein Anhaltemoment von ca. 0,27 mNm und eine Leerlaufdrehzahl von ca. 24000 U/min.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5000 10000 15000 20000 25000
Drehzahl in U/min
Kippmoment in mNm WWW
250 mA 200 mA 150 mA 100 mA 160 mA idealisiert
Abbildung 6-21: Kippmoment des KM6-360 für verschiedene Anfangs-spulenströme mit konstantgehaltener Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Drehzahl und idealisierte Kennlinie für den Nennstrom
Die hohe Induktivität des KM6-360 ließ nur relativ geringe Leerlaufdrehzahlen bei gleichzeitig hohen Phasenspannungen zu. Aus diesem Grund wurde der KM6-200 mit nur 200 Windungen pro System aufgebaut. Gleichzeitig wurde bei diesem Motor die Lagerung verbessert, indem die Rückschlussbohrungen von der Klauenscheibenseite her geringfügig freigebohrt wurden.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Drehzahl in U/min
Kippmoment in mNm W Leistung in W n
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Wirkungsgrad in %
Moment Leistung Wirkungsgrad
Abbildung 6-22: Kippmoment, abgegebene mechanische Leistung und Wirkungsgrad des KM6-200 für einen konstanten Spulenstrom von 225 mA in Abhängigkeit von der Drehzahl
6.3 Kennwerte der Klauenpolmotoren
Für die Vergleichbarkeit der Drehmomente ist mit dem Spulenstrom beim KM6-200 die gleiche Durchflutung wie beim KM6-360 einzustellen. Wegen der kleineren Windungszahl muss der Strom entsprechend erhöht werden. In Abbildung 6-22 ist das Kippmoment des KM6-200 in Abhängigkeit von der Drehzahl für einen Strom von 225 mA dargestellt. Dies entspricht beim KM6-360 einem Strom von 125 mA.
Durch den verringerten Anschlusswiderstand sinkt, trotz des höheren Stroms zum Erreichen einer identischen Durchflutung wie beim KM6-360, die Ohmsche Verlustleistung um ca. 9 %. In Verbindung mit der verbesserten Lagerung stieg der Wirkungsgrad dabei auf über 25 %. Mit der deutlich geringeren Induktivität lassen sich auch höhere Drehzahlen erreichen und die Leistungsfähigkeit dabei verbessern. Die bei Tests erreichte maximale Drehzahl betrug 84000 U/min bei 100 mA Effektivstrom, allerdings bei sehr hoher und kontinuierlich mit der Drehzahl gesteigerter Phasenspannung von 20 V. Das heißt, prinzipiell ist der Klauenpolmotor mit der entsprechenden Elektronik und Spulenauslegung durchaus auch bei höheren Drehzahlen betreibbar. Eine Grenzdrehzahl wegen einer möglichen Zerstörung des Rotors, wie bei Gleichstrommotoren mit Glockenanker, gibt es nicht.
Die Rast- und Reibmomente wurden ebenfalls mit der in Abschnitt 5.2 beschriebenen Methode ermittelt. Die ermittelten Rast- und Reibmomente liegen etwa in der selben Größenordnung (Tabelle 6-2).
Tabelle 6-2: Rast- und Reibmomente der 6mm-Motoren
Momente KM6 - 360 KM6 - 200
Rastmoment (mNm) 0,09 0,09
Reibmoment (mNm) 0,1 0,08
Abschließend sollen für den KM6-360, dessen Geometrie und Windungszahl der Spulen als Berechnungsgrundlage diente, die berechneten und experimentell ermittelten Werte verglichen werden. Der berechnete Werte für das maximale Moment betrug 0,32 mNm bei 100 mA (vgl. Abbildung 6-5). Das gemessene Kippmoment bei 100 mA dagegen nur 0,12 mNm (vgl. Abbildung 6-17). Diese Abweichung resultiert aus der Momenten-welligkeit infolge Blockansteuerung (vgl. Abschnitt 6.2.3), den Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten sowie dem relativ hohen Lagerreibmoment von ca. 0,1 mNm.