Bewegungsverhalten – mechanische Zeitkonstante

Die elektrische Zeitkonstante der klassischen eisenlosen maxon Wicklung ist bedeutend kürzer als die mechanische Reaktion der Motoren (typisch einige ms, Tabelle). Für die meisten praktischen Anwendungen kann man deshalb sagen, dass der Strom ohne Verzögerung anliegt und die Bewegung damit ausgeführt wird. Das Drehmoment wird sofort wirksam und unterstützt die hohe Dynamik des Motors. Die Motoren mit der kleinsten mechanischen Zeitkonstanten finden sich in der Baureihe maxon EC-i High Torque. Die Dynamik ergibt sich aus einer Kombination von hohem Drehmoment – erzeugt durch die eisenbehaftete Wicklung und die starken Magneten im Rotor – und der tiefen Massenträgheit des Rotors. Unglücklicherweise weist die genutete Wicklung eine elektrische Zeitkonstante auf, die in derselben Größenordnung wie die mechanische Zeitkonstante liegt. Somit wird das dynamische Verhalten durch die Zeit verzögert, die der Strom braucht, um anzusteigen; es ist schwierig, den Strom schnell genug in die Wicklung zu kriegen. Zusätzlich können Sättigungseffekte das maximal erreichbare Drehmoment einschränken, und die resultierende mechanische Zeitkonstante ist länger als die ideale Angabe in der Spezifikation. Die zweite Lektion: Nimm die mechanische Zeitkonstante nicht für bare Münze. Es gibt noch andere Effekte, die einen Einfluss haben, nicht zuletzt die Massenträgheit der Last. 

Autor: Urs Kafader,
Leiter technische Ausbildung, maxon

Intelligenter Dreiphasen-Motortreiber kommt ohne Kühlkörper aus

Mit Bridgeswitch lassen sich BLDC-Motoren bis zu 300 W mit 98,5 % Wirkungsgrad versorgen.
Die Bridgeswitch-ICs im Vertrieb der HY-LINE Power Components nutzen Advanced FREDFETs (Fast Recovery Diode Field Effect Transistors) mit integrierter verlustfreier Strommessung auf der Low- und High-Side einer Halbbrücke, was zu einem Wechselrichter-Wandlungswirkungsgrad von bis zu 98,5 % bei bürstenlosen DC (BLDC)-Motorantriebsanwendungen bis zu 300 W führt. Der hohe Wirkungsgrad zusammen mit der guten thermischen Ableitung des Bausteins macht einen Kühlkörper überflüssig. Dies reduziert sowohl die Systemkosten als auch das Gewicht. Integrierte verlustfreie Strommessung, Busspannungserkennung und thermische Erfassung auf Systemebene machen diese Chip-Familie ideal für den Betrieb kleiner BLDC-Motoren in Heimanwendungen und kleinen kommerziellen Pumpen, Lüftern und Gebläsen. Die verbauten 600-V-FREDFETs haben schnelle Bodydioden mit ultraweichem Rückwärtserholverhalten. Dadurch werden Schaltverluste und elektromagnetische Störungen reduziert. Die neuen, selbstversorgenden Halbbrückentreiber-ICs kommen ohne zusätzliche Stromversorgung aus. Sie enthalten zudem integrierte Schutzschaltungen und eine robuste Eindraht-Status-Update-Schnittstelle, die die Kommunikation zwischen dem Motor-Mikrocontroller und bis zu drei BridgeSwitch-Einheiten ermöglicht. Jede Bridgeswitch-Einheiten kann mit unterschiedlichen High- und Low-Side-Strombegrenzungen konfiguriert werden, wodurch Mikrocontroller und externe Schaltungen entbehrlich sind, um das System vor offenen oder kurzgeschlossenen Motorwicklungen zu schützen und so die Anforderungen der IEC60335-1 zu erfüllen. Weitere Merkmale sind eine PWM-Frequenz von bis zu 20 kHz und ein kleiner Signalausgang, der eine genaue Echtzeit-Berichterstattung über den FREDFET-Drainstrom liefert, welcher den positiven Motorwicklungsstrom widerspiegelt. Zu den Sicherheitsfunktionen gehören die zweistufige Übertemperaturerkennung, die Begrenzung des Stroms für jeden einzelnen Zyklus auf Low- und High-Side sowie der Überspannungs- und Unterspannungsschutz für den DC-Bus. Die Bausteine sind mit allen gängigen Regelalgorithmen kompatibel, wie feldorientierter Regelung (FOC) sowie sinusförmigen und trapezförmigen Modi mit sensorischer und sensorloser Erkennung, die in verschiedenen Referenzdesigns beschrieben werden. Bridgeswitch ist in InSOP-24C erhältlich – einem kleinen oberflächenmontierbaren Gehäuse mit Kriechstrecken von mehr als 3,2 mm. ds
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