Die Motorkonstante

[LoD]

Mist, da ist mir vorhin ein langes Post verloren gegangen... Versuchs nochmal zusammenzukrigen:

Das alles waren Vorüberlegungen zur inneren Widerspruchsfreiheit einer Darstellung, die sich auf ein Thema konzentriert, die Motorkonstante.

Genau so hab ich das verstanden! Wollte nur ein Detail näher beleuchten, was mir aber nicht annähernd so struckturiert gelungen ist wie Dir.

Die Zahnung bei Schrittmotor, die im Kommentar weiter angesprochen wird, ist eine Polzahlerhöhung, um zu vielen kleinen Schritten zu kommen.

Sicher kann man diese Zahnung als eigene Pole auffassen, allerdings kann man sie nur gebündelt ansteuern, deshalb neige ich zu einer seperaten Bezeichnung.
den Zweck der Schritte hatte ich mit

(neben anderen hier sehr erwünschten Effekten)

Andeuten wollen. Um allein die Schritte zu realisieren wäre aber ein Zahnung innen ODER außen völlig ausreichend. Wenn die Polschuhfläche beispielsweise glatt ist und nur der Magnet die Zähne hat, müssen die Polpaare jeweils (Zahnbreite/Polpaarzahl) gegeneinander versetzt sein. der Vortrieb würde genauso Schrittweise funktionieren, das B-Feld könnte erhöht werden, damit würde das Moment Steigen (allerdings nur maginal). Nur die Steigung des Momentes bei kleinen Winkeländerungen wird flacher. Ruhigerer Lauf, aber auch weniger Steif beim Halten einer Position.
Es mag sein, dass sich auch hierfür wieder Beispiele finden lassen. Die Version, die Thorsten Ostermann zeigt hat aber beispielsweise eine Doppeltverzahnung wenn man genau hinschaut. (unten rechts am deutlichsten)
Bild hier  

Bei den meisten Anodrnungen habe ich die nötige deutliche Polausprägung für z.B. 200 Schritte pro Umfang erkennen können, aber das Rastmoment hat trotz allem einen recht welligen Verlauf.

Was heist hier "troz allem"? Gerade deshalb und ganz bewußt!

Speziell die Untersuchung der Drehwinkel einiger Motoren im Mirkoschrittbetrieb bei statischer Ansteuerung mit Sinus und Cosinunsförmigen Signalen zeigt keine Abweichung des mechanischen vom elektrischen Winkel, die auf eine bewußte Rastung hindeutet.

für mich wiedersprechen sich die begriffe "statisch", "Mikroschrittbetrieb" und "sinus-cosinus-förmige Signale" alle drei jedes alle anderen. Wenn ich Dich richtig verstehe meinst Du, wenn mikroschrittweise ansteuert, wobei die Sollströme jeweils dem Sinus bzw Cosinus des gewünschten zwischen Winkels entspricht (oder so ähnlich). Wenn Du das meinst, dann habe ich das auch nie bestritten. Ein Stepper ist eben dafür gemacht seine Positionen zu halten. Weiterhin bestreite ich auch nicht, dass man den Stepper gegenüber seinem Vollschrittbetrieb in seinen Laufeigenschaften verbessern kann.

Interessant ist in dem Zusammenhang vielleicht die Abweichung in Anhängigkeit vom reduzierten Strom, der zu einer verstärkten Wirkung der Reluktanz im Winkelfehler führt und die drehrichtungsabhängige Verschiebung der Ausrichtung auf den Pol, die durch die Remanenz im stromlosen Pol bedingt ist.
Manfred

Entweder ich habe nur Bahnhofverstanden (gut möglich), oder Du meinst Tatsächlich, dass die Restmagnetisierung eines inaktiven Poleweicheisenkerns den Läufer doch um ein paar hundertstelsekunden von der Sollposition eines aktiven Pols wegzieht... In diesem Fall, hoffe ich dass das nicht ernst gemeint war

[Manf]

Kurz zur Erläuterung: wenn man für "statisch" "quasi statisch" einsetzt klärt es sich leicht auf.

Ich habe mal eine Meßanordnung aufgebaut, mit der man die Differenzen des elektrischen und mechanischen Winkels messen kann, einfach um zu sehen, welche Urschen die Abweichungen zwischen beiden hervorrufen.

Ich habe diese quasistatisch betrieben und ohne Last. Und nun rate mal was die größte Abweichung zwischen der Ansteuerung und dem mechanischen Winkel hervorgebracht hat?

Du wurst es nicht glauben, ohne Lastmoment ist es die Remanenz. So genau baut man Schrittmotoren.

Ich wußte es vorher auch nicht.
Manfred

[LoD]

Hast Du nun Schritt für (Mikro)Schritt für Schritt gemessen, oder auch das Zeitverhalten nach dem einstellen eines neuen (Mikro)Schritts? Womit hast Du den Mechanischen Winkel gemessen?

[Manf]

Es ist natürlich eine Vorrichtung, die Mikro-Schritt für Schritt mißt und zwar über Nacht eingeschwungene Mikroschritte, das muß man dann schon wirklich fast statisch nennen.

Sauberer wäre es gewesen, mit einem Spiegel mit wirklichen langem Zeiger zu messen, aber es bot sich an, einen leichten Kuststoffzeiger zuehmen und ihn mit einer Lichtschranke an einer Linear-Positioniervorrichtung berührungslos abzutasten.

Der Fehler zwischen der Kreisbahn und der LinearPositioniervorrichtung ist berücksichtigt worden. War ohnehin zu klein. Es wurden mehrere 4 Schrittintervalle unter verschiedenen Ansteuerungsbedingungen aufgenommen.
Manfred

[Manf]

Sicher kann man diese Zahnung als eigene Pole auffassen, allerdings kann man sie nur gebündelt ansteuern, deshalb neige ich zu einer seperaten Bezeichnung.
Um allein die Schritte zu realisieren wäre aber ein Zahnung innen ODER außen völlig ausreichend. Wenn die Polschuhfläche beispielsweise glatt ist und nur der Magnet die Zähne hat, müssen die Polpaare jeweils (Zahnbreite/Polpaarzahl) gegeneinander versetzt sein. der Vortrieb würde genauso Schrittweise funktionieren, das B-Feld könnte erhöht werden, damit würde das Moment Steigen (allerdings nur maginal). Nur die Steigung des Momentes bei kleinen Winkeländerungen wird flacher.

Ich bin mit Äußerungen zu den kleinen Zähnen oder Polen im Schrittmotor noch nicht einverstanden. Es sind Pole die sich nur gemeinsam ansteuern lassen, das ist nicht ungewöhnlich wieso sollte man Pole, die sich nicht einzeln ansteuern lassen, nicht Pole nennen.

Ich sehe das so, daß ein Motor der die doppelte Polzahl hat, pro Ansteuerperiode den halben Winkel zurücklegt. Wie viele Pole man realisiert, das hängt von der günstigen Gestaltung des Feldes ab. (Und vom Aufwand für die Pole.)
Neulich auf der Automatica hat mir ein Motorenforscher der DLR eine sehr beeindruckende Konstruktion eines neuen Robotermotors erklärt. "Wir verwenden ausschließlich Hohlachsenmoteren, weil wir ja die Kabel zentral im Roboterarm führen müssen" klar, wenn man es weiß, wo denn sonst?

Der größte Volumenanteil des Motors war das Loch in der Mitte (etwas übertrieben) und rund herum erstaunlich viele Pole die zwar getrennte Wicklungen haben, aber gruppenweise eine gemeinsame Ansteuerung.

Viele Schritte pro Umdrehung das heißt viele Pole; ich Suche schnell noch ein Bild (ob ich es schnell finde weiß ich nicht), auf dem ein Schrittmotor mit zwei Wicklungen ist. Die Wicklungen sind jeweils zylindrisch mit Platten oben und unten die auf den Nord und dem Südpol liegen wie Handflächen von denen die Finger wie bei gefalteteten Händen [-o< abwechselnd in den Ankerspalt greifen (Inter-digital) im Sinne des Wortes. Die zwei Polfingerkörper sind dann um einen halben Polwinkel versetzt auf der Achse gestapelt und erzeugen so das Drehfeld. Der Anker ist ein Permanentmagnet der genausoviele Pole hat, nicht versetzt eben.
Warum diese Pole nicht Pole genannt werden sollen leuchtet mir noch nicht ein.
Manfred

So, da ist jetzt auch noch das Bild von einer wirklich billigen Ausführung die aber ein ihrer Einfachkeit besonders deutlich ist. http://www.mech.nwu.edu/courses/433/...er10stator.jpg

[LoD]

Es ist natürlich eine Vorrichtung, die Mikro-Schritt für Schritt mißt und zwar über Nacht eingeschwungene Mikroschritte, das muß man dann schon wirklich fast statisch nennen.

Wenn das nur fast statisch war, möchte ich ein paar Dinge wissen:
Hast Du die Messung auf einer entkoppelten Messplattform gemacht?
Bist Du Dir sicher, dass sich die ganze Nacht wirkich keine Fliege in dem Zimmer bewegt hat?
Gab es auffällige Temperaturschwankungen oder Änderungen der Luftfeuchtigkeit?
Wie sieht bei Dir eine Statische Messung aus?

*renn*

[Manf]

Ich sage es lieber positiv:
Es ist eine Kunst, die angemessene Genauigkeit einzusetzen.

Wenn ich eine entkoppelte Meßplattform dadurch ersetzen kann, daß ich eine Messung, die nur 3 Stunden dauert einfach nicht abschalte (weil ich ohnehin nicht daneben stehe) und automatisch 3 mal wiederhole und duch Korrelation belege, daß ich die Meßplattform nicht benötige, dann habe ich klug gehandelt.

Die Messung lief im nachts im Keller (Labor) sauber, ohne Zugluft, nur tote Fliegen. Was Messtechnik ist weiß ich ja seit mehr als 25 Jahren, wenn ich später mal zu Zittern anfange gehe ich halt beim Messen nicht mehr so nahe dran.

Ich kann Dich wirklich beruhigen: Ich verstehe auch die Bedenken die in der Situation einer "one shot Messung" aus Zeit oder Kosten Gründen bestehen. Da muß man den Aufwand a priori absichern. Wenn man dagegen die Messung beliebig oft wiederholen kann, dann kann man sich mit einfachen Mitteln eine sichere Basis verschaffen. Messen ist Informationsgewinn und den kann man sich auf unterschiedlichen Wegen verschaffen.
Manfred

[Blackbird]

Um auf den Startbeitrag von @Manf; der Motorkonstante bei Gleichstrommotoren, einzugehen:

Im Diagramm ist die (andere) Motorkonstante nspez=2529 1/V/min angegeben. Umgerechnet auf die Darstellung von @Manf beträgt sie:
k=0.00377591 (d.h.: k=30 / (PI * nspez)).
Nur ist sie so nicht besonders "handhabbar".

nspez ermittelt man aus mehreren Messungen am (unterschiedlich) belasteten Motor:
Im ist der gemessenen Motorstrom
n ist die Drehzahl
Um ist die Motorspannung (an den Klemmmen gemessen)
Ri ist der Innnewiderstand (bei blockiertem Motor gemessen)

nspez = n / (Um - Ri * Im) | für alle Meßreihen mit n, Im, Um

Alle Werte für nspez werden gemittelt und ergeben die Motorkonstante. Bei Glockenankermotoren ist nspez für alle Belastungen konstant, bei "billigen" Gleichstrommotoren kann sie sich mit steigender Belastung verändern. dafür gibt es noch einen Korrekturfaktor. Aber das würde hier den Rahmen sprengen.

Um die rote Kurve (n = f(iM)) im Diagramm (s.o.) zeichnen zu können, rechnet man:

n = (Um - Ri * Im) * nspez | Im gibt man sich einfach in kleinen Schritten vor, Um ist eine konstante Motorspannung

Die grüne Kurve (Pw = f(Im)) im Diagramm errechnet sich zu:
Pw = (Um - Ri * Im) * (Im -I0) | I0 ist der Leerlaufstrom, Pw ist die Wellenleistung

Jetzt fehlt nur noch: Wie kann ich diese Diagramme verwenden, um einen geeigneten Antrieb für einen Roboter zu finden?

Man ermittelt den Leistungsbedarf und die dabei notwendige Drehzahl. Dann sucht man im Diagramm für die gewünschte Akkuspannung den Punkt, an dem die grüne Kurve die Pw erreicht und liest den Strom ab. Bei gleichen Strom kann man auf der roten Kurve dann links die Drehzahl des Motors ablesen.
nMotor / nAbtrieb = Getriebeuntersetzung.

Das wars schon.

Blackbird

[LoD]

Hmm... irgendwie kommt mir das gerade etwas komisch vor, vielleicht habe ich das Diagramm aber noch nicht völlig durchschaut. (hab ich die Legende nur noch nicht gefunden? Wär nett die sonst nochmal zu anzugeben)
Was mich gerade etwas stört ist dass wenn ich nach Deiner Methode die grüne Linien ablese ich eigentlich mit 6.6V und 40W nur 4000U/min laufen lassen kann Dieses Diagramm sagt mir unmittlebar auch nichts über das Anhaltemoment aus, was bei einem Motor der unter Last anfahren muss nicht ganz unwesentlich ist. (bei Flugmodellen und Schiffen ist das Anlaufen recht sicher, bei kupplungsfreien Fahrzeugen muss man bei der Wahl der Untersetzung dieses Kriterium mindestens mitberücksichtigen. Allerdings ist es nicht ganz so trivial die Reibungsgrundlast vorab zu bestimmen.)

[Blackbird]

Dieses Diagramm sagt mir unmittlebar auch nichts über das Anhaltemoment aus, was bei einem Motor der unter Last anfahren muss nicht ganz unwesentlich ist.

Völlig richtig. Aber da da noch ein Getriebe (mit einer nicht zu vernachlässigenden Elastizität) ist, kann der Motor anlaufen. Die komplette Berechnung ist nicht so einfach und wird (wenn überhaupt) nur im Maschinenbau vorgenommen. Hier geht es mir nur um einfache Hilfsmittel, die aber dem Optimum ziemlich nahekommen.

die grüne Linien ablese ich eigentlich mit 6.6V und 40W nur 4000U/min laufen lassen kann

Die 40W-Linie (von rechts) schneidet die grüne Kurve (6,6V-Kurve) bei ca. 9,5A. Die rote Kurve (ebenfalls die 6,6V-Kurve) schneidet bei 9,5A die 5000 U/min-Linie (von links).

Da sind 2 (3) Diagramme in einem gezeichnet, das verwirrt.
Entweder Pw = f(Im) oder n = f(Im) oder Eta = f(Im).

Reibung innerhalb des Antriebes sollte aber nicht so doll sein. Sonst hat man schlecht gebaut

Zum Rechenweg:
Bei einem festen Raddurchmesser und einer gewünschten Geschwindigkeit (daraus berechnet man die Drehzahl) soll der Roboter eine bestimmte Kraft aufbringen (was wegschieben z.B.). Daraus kann man die Leistung Pw bestimmen.
Dann weiter wie oben beschrieben.

Das Schwierigste bei der ganzen Rechnerei ist die hinreichend genaue Bestimmung der erforderlichen Leistung/Drehzahl/Kraft/... Da liegen die größten Fehlerquellen (und falschen Annahmen).
Den Motor und das Getriebe aussuchen ist dagegen einfach und ziemlich genau.

Und ich wollte hier nur den (vereinfachten) Rechenweg für Motor und Getriebe aufzeigen.
Alles andere hängt ja vom Roboter/Fahrzeug/Arm/... ab.


Blackbird