Ausführliche Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Motorspannung und Leistung | Realisierung eines energiesparenden Designs durch Niederspannungsantrieb

Bei der Entwicklung von Produkten, in denen Motoren zum Einsatz kommen, bildet das korrekte Verständnis des Zusammenhangs zwischen Spannung und Motorleistung die Grundlage für eine angemessene Motorauswahl und eine effiziente Konstruktion.

Wie verändern sich die Drehzahl und das Drehmoment des Motors bei einer Änderung der angelegten Spannung, und in welchem Zusammenhang stehen diese Größen mit dem Strom? Ohne Kenntnis dieser grundlegenden Eigenschaften ist es nicht möglich, Motorspezifikationen festzulegen, die den Leistungsanforderungen des Produkts entsprechen.

Insbesondere in den letzten Jahren ist das Interesse an Motoren, die auch bei niedrigen Spannungen stabil laufen, im Zuge der steigenden Nachfrage nach batteriebetriebenen Produkten wie IoT-Geräten und tragbaren medizinischen Geräten gewachsen.

In diesem Artikel werden zunächst die technischen Zusammenhänge zwischen Motoren und Spannung erläutert; anschließend stellen wir Ihnen die Eigenschaften von kernlosen Motoren vor, die bereits ab einer Spannung von mindestens 1,0 V starten können.

Der Zusammenhang zwischen der Spannung eines Motors und dessen Drehzahl, Drehmoment und Stromstärke

Die wichtigsten Parameter, die die Leistung eines Motors bestimmen – Spannung, Drehzahl, Drehmoment und Stromstärke – stehen in einem engen Zusammenhang miteinander.

Inhalt dieses Abschnitts

• Warum steigt die Drehzahl, wenn man die Spannung erhöht?
• Das proportionale Verhältnis zwischen Drehmoment und Stromstärke
• Auswirkungen der Gegen-EMK

Bei Gleichstrommotoren und bürstenlosen Motoren steigt die Drehzahl mit zunehmender angelegter Spannung, und das Drehmoment entsteht proportional zur Stromstärke. Außerdem entsteht bei der Drehung des Motors eine Gegen-EMK, die den tatsächlich durch die Wicklung fließenden Strom verringert.

Durch das Verständnis dieser Zusammenhänge ist es möglich, je nach Lastbedingungen die geeigneten Spannungseinstellungen und Regelungsverfahren auszuwählen.

Warum steigt die Drehzahl, wenn die Spannung erhöht wird?

Bei Gleichstrommotoren steigt die Drehzahl, wenn die angelegte Spannung erhöht wird. Mit steigender Drehzahl nimmt auch die Gegen-EMK zu, und der Betrieb stabilisiert sich schließlich an dem Punkt, an dem sich ein Gleichgewicht zwischen „angelegter Spannung = Gegen-EMK + interner Spannungsabfall“ einstellt.

Das erzeugte Drehmoment ist hingegen proportional zum Wicklungsstrom. Steigt das Lastdrehmoment an, erhöht sich der erforderliche Strom, und entsprechend steigt auch das erzeugte Drehmoment an. Der Motor läuft stabil bei einer Drehzahl, bei der das Lastdrehmoment und das erzeugte Drehmoment übereinstimmen.

Spannungsgleichung: „V = KeN + IR“

Im Allgemeinen steigt bei geringer Last oder unter gleichen Bedingungen die Drehzahl mit zunehmender angelegter Spannung an, und damit steigt auch die Gegen-EMK. Folglich steigt die Drehzahl im Großen und Ganzen proportional zur Spannung an.

Durch die Nutzung dieses proportionalen Zusammenhangs ist eine Drehzahlregelung mittels Spannungssteuerung möglich.

Auch kernlose Motoren und bürstenlose Motoren funktionieren nach demselben Prinzip, wobei das Verhältnis zwischen Spannung und Drehzahl die Grundlage der Konstruktion bildet.

Wählen Sie bei der Produktentwicklung die geeignete Spannung aus, um die erforderliche Drehzahl zu erreichen.

Das proportionale Verhältnis zwischen Drehmoment und Stromstärke

Das Drehmoment eines Motors wird als Produkt aus dem durch die Wicklung fließenden Strom und der Drehmomentkonstante ausgedrückt. Diese Beziehung lässt sich durch die folgende Formel darstellen, wobei das Drehmoment direkt proportional zum Strom ist.

Motordrehmoment: „T = Kt × I“

Wenn die Last zunimmt und ein höheres Drehmoment erforderlich wird, sinkt die Drehzahl des Motors vorübergehend. Mit sinkender Drehzahl nimmt die Gegen-EMK ab, wodurch der in den Wicklungen fließende Strom zunimmt.
Proportional zum Anstieg des Stroms steigt auch das erzeugte Drehmoment an, und an dem Punkt, an dem es sich mit dem Lastdrehmoment ausgleicht, wird ein neuer Arbeitspunkt festgelegt.

Wenn beispielsweise durch einen Motor mit einer Drehmomentkonstante von 5,0 mN·m/A ein Strom von 0,2 A fließt, beträgt das erzeugte Drehmoment 1,0 mN·m.

Durch die Nutzung dieses proportionalen Zusammenhangs (T = Kt I) lässt sich das auftretende Drehmoment allein anhand der Strommessung abschätzen. Dies stellt einen nützlichen Anhaltspunkt für die Auslegung von Regelkreisen, die Überwachung des Lastzustands sowie die Auslegung von Überlastschutzvorrichtungen dar.

Auswirkungen der Gegen-EMK

Wenn sich der Motor dreht, entsteht durch den Stromerzeugungsprozess eine Gegen-EMK, die entgegen der angelegten Spannung wirkt. Die Gegen-EMK lässt sich durch die folgende Formel berechnen und nimmt proportional zur Drehzahl zu.

Elektromotorische Kraft: „E = Ke × N“

Je höher die Drehzahl ist, desto stärker wird die Gegen-EMK, und da sich der Unterschied zur angelegten Spannung verringert, wird der durch die Wicklung fließende Strom auf natürliche Weise begrenzt.

Im Leerlauf entspricht die Gegen-EMK nahezu der angelegten Spannung, und da der Spannungsabfall aufgrund des Innenwiderstands äußerst gering ist, fließt lediglich der Leerlaufstrom.

Durch diesen „Selbstbegrenzungseffekt aufgrund der Gegen-EMK“ wird der Betriebspunkt des Motors bei einer Drehzahl festgelegt, bei der sich das Lastdrehmoment und das erzeugte Drehmoment die Waage halten.

Wenn das Gerät hingegen mit niedriger Spannung betrieben wird, ist die erzeugte Gegen-EMK ebenfalls geringer, weshalb insbesondere beim Einschalten die Sicherstellung einer ausreichenden Stromstärke ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung ist. Bei der Auslegung müssen die Auswirkungen der Versorgungskapazität und des Innenwiderstands berücksichtigt werden.

Spannungskennlinie von Motoren und wichtige Aspekte bei der Auswahl

Bei der Auswahl eines Motors müssen die Spannungseigenschaften, wie beispielsweise der Betriebsspannungsbereich, die Nennspannung und die Anlaufspannung, genau bekannt sein.

Inhalt dieses Abschnitts

• Zusammenhang zwischen den T-N-Eigenschaften und der Versorgungsspannung
• Nennspannung und Betriebsspannungsbereich
• Herausforderungen beim Betrieb mit Niederspannung

Im Motor-Katalog sind die Nennspannung, der Betriebsspannungsbereich, die Mindeststartspannung und weitere Angaben aufgeführt.

Ohne zu wissen, wie sich diese Werte auf die tatsächliche Produktleistung auswirken, ist eine angemessene Motorauswahl nicht möglich. Zudem ist bei batteriebetriebenen Geräten eine Konstruktion, die den Spannungsabfall berücksichtigt, unerlässlich.

Zusammenhang zwischen den T-N-Eigenschaften und der Versorgungsspannung

Die T-N-Kennlinie (Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie), die die Leistung eines Motors beschreibt, ändert sich stark in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung. Bei einer Änderung der Versorgungsspannung verschiebt sich die gesamte T-N-Kurve parallel, wobei die Leerlaufdrehzahl und das Anlaufdrehmoment unter gleichen Bedingungen im Wesentlichen proportional zur Spannung sind.

Beispielsweise gelten unter Bedingungen nahe der Leerlaufdrehzahl folgende Werte: Wenn an einen Motor mit einer Nennspannung von 3,0 V eine Spannung von 6,0 V angelegt wird, liegen die Leerlaufdrehzahl und das Anlaufdrehmoment theoretisch im Bereich von 10.000 U/min bis etwa 20.000 U/min,das Anlaufdrehmoment von 5,0 mN·m auf etwa 10,0 mN·m, wobei diese Werte im Wesentlichen proportional zur Spannung ansteigen. In der Praxis kann es jedoch vorkommen, dass sich diese Werte aufgrund der Eigenschaften des Magnetkreises und der Wärmeentwicklung nicht genau verdoppeln.

Durch die Nutzung dieser Eigenschaft lässt sich die durchschnittliche angelegte Spannung (Tastverhältnis) mittels PWM-Steuerung regulieren, wodurch die Drehzahl des Motors stufenlos verändert werden kann.

Bei der Produktkonstruktion ist es erforderlich, den Spannungsbereich festzulegen, der die geforderten Drehmomente und Drehzahlen erfüllt, und die Stromversorgungsschaltung entsprechend zu entwerfen.

Nennspannung und Betriebsspannungsbereich

Die Nennspannung ist der Spannungswert, anhand dessen die Leistung des Motors bewertet wird. Der Betriebsspannungsbereich wird gemäß den Spezifikationen (Datenblatt) des jeweiligen Produkts und Herstellers festgelegt und unter Berücksichtigung von Schwankungen in der Stromversorgung ausgelegt.

Bei hohen Spannungen, die den zulässigen Spannungsbereich überschreiten, kommt es zu Überhitzung und einer verkürzten Lebensdauer, während bei zu niedrigen Spannungen das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl nicht erreicht werden.

Bei der Auswahl eines Motors müssen Schwankungen der Versorgungsspannung unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen berücksichtigt werden.

Bei batteriebetriebenen Geräten nimmt die Motorleistung im Laufe der Nutzungszeit aufgrund eines Spannungsabfalls ab.

Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist die Auswahl eines Motors von entscheidender Bedeutung, der auch nach einem Spannungsabfall die erforderliche Leistung aufrechterhalten kann.

Herausforderungen beim Betrieb mit niedriger Spannung

Bei batteriebetriebenen Geräten nimmt die Motorleistung im Laufe der Betriebszeit aufgrund des Spannungsabfalls der Batterie ab. Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist die Auswahl von Motoren, die auch bei niedriger Spannung anlaufen können, sowie eine Schaltungsauslegung unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls erforderlich.

[Die wichtigsten Herausforderungen beim Betrieb mit Niederspannung]

• Funktionsstörung aufgrund einer zu niedrigen Startspannung
• Fehlgeschlagener Lastantrieb aufgrund eines Drehmomentabfalls
• Fehlfunktionen der Steuerkreise oder Auslösen der Schutzschaltungen
• Verminderte Genauigkeit der Akkustandsanzeige

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist es sinnvoll, Motoren auszuwählen, die sich durch hervorragende Anlaufeigenschaften bei niedrigen Spannungen auszeichnen. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen ein zuverlässiger Betrieb erforderlich ist – wie beispielsweise bei Sicherheits- und medizinischen Geräten –, sind Motoren mit einer niedrigen Mindestbetriebsspannung unerlässlich.

Im folgenden Abschnitt werden die kernlosen Motoren von C.I. Takiron erläutert, die bereits bei einer niedrigen Spannung von 1,0 V gestartet werden können.

Kernlose Motoren von C.I. Takiron, die bereits bei niedrigen Spannungen betrieben werden können

Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron zeichnen sich dadurch aus, dass sie bereits ab 1,0 V gestartet werden können, und tragen somit zur Energieeinsparung und zu einer längeren Lebensdauer batteriebetriebener Geräte bei.

Inhalt dieses Abschnitts

• Anlaufverhalten von kernlosen Motoren bei niedriger Spannung
• Vorteile eines energiesparenden und hocheffizienten Designs
• Anwendungsbeispiele und Produktauswahl nach Einsatzbereich

Dank der kernlosen Bauweise ohne Eisenkern wird ein nahezu nulliges Rastmoment und damit ein gleichmäßiger Lauf gewährleistet; zudem wird trotz der kompakten Bauweise ein hocheffizienter Betrieb erreicht.

In Anwendungsbereichen wie medizinischen Geräten, Sicherheitsausrüstung und Hobbyartikeln, in denen die Batterielebensdauer den Produktwert maßgeblich beeinflusst, ermöglicht dieser Motor einen stabilen Betrieb im Niederspannungsbereich, was mit herkömmlichen Motoren bisher nur schwer zu realisieren war.

Anlaufverhalten von kernlosen Motoren bei niedriger Spannung

Dank der kernlosen Bauweise, bei der auf einen Eisenkern verzichtet wird, entstehen beim Anlaufen weder Rastmoment noch Eisenverluste, und der Betrieb ist bereits ab 1,0 V möglich.

Dank dieser Eigenschaft kann der Betrieb auch bei niedrigem Batteriestand fortgesetzt werden, wodurch sich die Häufigkeit des Batteriewechsels verringern lässt.

Bei batteriebetriebenen elektronischen Schlössern kann es beispielsweise vorkommen, dass herkömmliche Motoren aufgrund einer sinkenden Batteriespannung instabil laufen. Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron hingegen sind in Ausführungen erhältlich, die bereits ab 1,0 V starten können und somit auch im Niederspannungsbereich zu einem stabilen Betrieb beitragen.

Diese Eigenschaft ist insbesondere in Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung, in denen ein zuverlässiger Betrieb erforderlich ist, wie beispielsweise bei Sicherheits- und medizinischen Geräten.

Die durch die kernlose Bauweise ermöglichte Startleistung bei niedriger Spannung trägt unmittelbar zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Produkts bei.

Vorteile eines energiesparenden und hocheffizienten Designs

Durch die Kombination aus Niederspannungsbetrieb und hocheffizientem Betrieb lässt sich der Stromverbrauch erheblich senken.

Da bei batteriebetriebenen medizinischen Geräten und Sicherheitsvorrichtungen ein lang andauernder Dauerbetrieb erforderlich ist, trägt diese energiesparende Eigenschaft unmittelbar zur Verbesserung der Produktzuverlässigkeit bei.

[Die wichtigsten Vorteile des energiesparenden Designs]

• Verlängerung der Batterielebensdauer (Reduzierung der Austauschhäufigkeit)
• Gewichtsreduzierung der Produkte durch die Verkleinerung der Stromversorgung
• Wärmeableitung (Vereinfachung des Wärmemanagements)
• Verbesserung der ununterbrochenen Betriebszeit

Da die kernlosen Motoren von C.I. Takiron keine Eisenverluste durch einen Eisenkern aufweisen, lässt sich der Stromverbrauch bei gleicher Leistung senken.

Bei tragbaren medizinischen Geräten verlängert sich beispielsweise die Betriebsdauer pro Akkuladung, was zu mehr Komfort für die Patienten führt. Bei Hobbyprodukten lässt sich zudem auch mit kleinen Batterien eine ausreichende Betriebsdauer gewährleisten, wodurch sich die Verkleinerung der Produkte und die Verbesserung ihrer Leistung miteinander vereinbaren lassen.

Anwendungsbeispiele und Produktauswahl nach Einsatzbereich

C.I. Takiron verfügt über nachweisbare Erfahrungen bei der Anwendung in Bereichen, bei denen ein Batteriebetrieb vorausgesetzt wird, wie beispielsweise bei elektronischen Schlössern, tragbaren medizinischen Geräten und Hobbyprodukten.

Wir bieten maßgeschneiderte Lösungen für Ihre jeweiligen Anwendungszwecke sowie ein flexibles Produktionssystem, das von Kleinserien bis zur Serienfertigung reicht, und stehen Ihnen bereits ab der Entwicklungsphase beratend zur Seite.

Bei der Produktentwicklung müssen zunächst das erforderliche Drehmoment, die Drehzahl und der Spannungsbereich genau festgelegt werden, um anschließend die optimalen Motorspezifikationen auszuwählen.

Bei C.I. Takiron nehmen wir Ihre Produktanforderungen entgegen und schlagen Ihnen aus unserem umfangreichen Sortiment den am besten geeigneten Motor vor.

Wir bieten Ihnen umfassende Unterstützung – von der Bereitstellung von Mustern in der Prototypenphase bis hin zur Qualitätskontrolle in der Serienfertigung – und sind somit ein zuverlässiger Entwicklungspartner für Sie.

Zusammenfassung

Ein korrektes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Motor und Spannung bildet die Grundlage für die richtige Motorauswahl bei der Produktentwicklung.

Wenn Sie die Wechselbeziehungen zwischen Spannung, Drehzahl, Drehmoment und Strom kennen und die Bedeutung der T-N-Kennlinie sowie der Nennspannung verstehen, werden Sie in der Lage sein, die Motorspezifikationen festzulegen, die den geforderten Spezifikationen entsprechen.

Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten sind die Startleistung bei niedriger Spannung und der Stromverbrauch ausschlaggebend für die Betriebsdauer des Produkts; daher stellen die kernlosen Motoren von C.I. Takiron, die bereits ab 1,0 V betrieben werden können, eine vielversprechende Option dar.

Nutzen Sie die Vorteile der Niederspannungs-Einschalteigenschaften und des hocheffizienten Betriebs dank der kernlosen Bauweise, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und die Zuverlässigkeit Ihrer Produkte zu verbessern.

Produktinformationen und Kontakt

Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.

• Produktseite: https://cik-ele.com/
• Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
• Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
• Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
• Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/

Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.

• Kontakt: https://cik-ele.com/contact/

Die in diesem Artikel verwendeten Grundformeln für Gleichstrommotoren basieren auf den folgenden wissenschaftlichen und technischen Veröffentlichungen:

1. Die Spannungsgleichung „V = _Eb + _IaRa “

National Institute of Technology, „Gleichstrommotor“ https://nit-edu.org/wp-content/uploads/2021/09/ch-29-Dc-motor.pdf

2. Drehmomentgleichung „T = _Kt × I“

MIT OpenCourseWare, „Magnetisch-elektromechanische Maschinen“

https://ocw.mit.edu/courses/2-141-modeling-and-simulation-of-dynamic-systems-fall-2006/c91a0747722f114e7d2725fae73fafa3_dcpmm_basics.pdf