Ineffizienz ist der Energieverlust, der beim Abschluss eines festgelegten Prozesses auftritt. Einfach ausgedrückt ist es der Unterschied zwischen der Energie, die in einen Prozess eingebracht wird, und der Energie, die aus dem Prozess kommt. Der Verlust, der beim Abschluss des Prozesses auftritt, wird als Ineffizienz dieses bestimmten Prozesses oder dieser bestimmten Komponente bezeichnet.
Es gibt eine Vielzahl von Ursachen für Ineffizienz in der Motor- und Steuerelektronik. Einige der häufigsten sind unten aufgeführt;
Reibung
Am häufigsten ist möglicherweise Reibung – Reibung tritt in Motorlagern auf und zwischen Zahnrädern (wenn ein Getriebe vorhanden ist). Bei gebürsteten Gleichstrommotoren tritt es zwischen dem Rotor und den Bürsten auf. Diese Reibung wandelt den Energieeintrag immer teilweise in Wärmeenergie um, die dann entweicht. In der Tat ist Wärme möglicherweise das häufigste Symptom für Ineffizienz bei Motoren und Steuerelektronik.
Schlechte Motorauswahl oder Überlastung.
Wenn in einer Anwendung die falsche Motorwahl verwendet wird, kann dies zu weiterer Ineffizienz führen. Typischerweise würde dies das Überarbeiten eines Motors oder Getriebes beinhalten, das in einer bestimmten Anwendung nicht arbeiten kann. Dies führt dann zu einer erhöhten Stromaufnahme durch die Kabel und Magnete im Motor, die beginnen kann, die Strombelastbarkeit dieser Kabel und Magnete zu überschreiten. Wenn überschüssiger Strom gezogen wird, wird dieser in Wärme umgewandelt und die Ineffizienz des Systems steigt noch weiter an. In extremen Fällen kann die Wärme so weit ansteigen, dass sie den Motor entmagnetisiert und das System vollständig unbrauchbar macht.
Schlechte Verarbeitungsqualität
Dies hängt in vielerlei Hinsicht direkt mit der Reibung zusammen, aber eine schlechte Verarbeitungsqualität kann die Reibung in Lagern oder Getrieben erheblich erhöhen und dadurch die Ineffizienz erhöhen.
Exzentrische Belastungen der Motorwellen
Wie oben ist dies letztendlich ein Fall von Reibung, aber es ist eine häufige Ursache für Reibung, die oft übersehen wird. Exzentrische Belastungen der Wellen belasten die Lager ungleichmäßig, was die empfohlenen Toleranzen überschreiten und letztendlich die Lager zermürben kann. Erhöhter Verschleiß führt zu erhöhter Ineffizienz.
Schlechte Komponentenauswahl in der Steuerelektronik
Schlecht spezifizierte Komponenten können eine wesentliche Ursache für Ineffizienz in der Motorsteuerelektronik sein. Typische Beispiele sind Mosfets, die bei unzureichender Spezifikation überlastet werden und Energie in Wärme umwandeln können. In anderen Fällen können sich die physikalischen Eigenschaften der Platte selbst auswirken. Leichte Kupferplatten, bei denen dickeres Kupfer benötigt wird, können durch den inhärenten Widerstand der Platte Wärme erzeugen. Diese Wärme kann dann doppelt ineffizient sein, indem die Leistung anderer Komponenten auf der Steuerung verringert wird. Das Verständnis und Management dieser Ineffizienz ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Schaffung einer effizienten Motorsteuerungselektronik.
Falsche Einrichtung eines Controllers
Dies gilt am häufigsten für Schrittmotoren, bei denen die Stromaufnahme völlig unabhängig von der Drehmomentabgabe ist. In diesen Fällen kann die Stromeinstellung an einer Steuerung erheblich höher sein als erforderlich, um die vom Motor benötigte mechanische Leistung zu erzielen. Das Ergebnis – ein Motor, der laut und heiß läuft und die Ineffizienz erhöht.
In diesem Abschnitt werden wir einige der verschiedenen Optionen in Bezug auf Motorsteuerung und Ineffizienz betrachten und einige Standardbeispiele dafür bereitstellen, wie dies geschehen kann. Diese Beispiele sind vereinfachte Fälle, die eine klare Darstellung der damit verbundenen Probleme liefern sollen.
Beispiel 1 – ein Schrittmotor und eine Steuerung
In diesem Beispiel nehmen wir einen typischen Schrittmotor und eine Steuerung, die für die Anwendung, in der sie betrieben werden, gut aufeinander abgestimmt und korrekt spezifiziert sind. Als Faustregel gilt, dass ein Schrittmotor bei guter Einrichtung einen Wirkungsgrad von 50% aufweist. Die Tatsache, dass die Eingangsleistung unabhängig vom Ausgangsdrehmoment ist (die Ausgangsleistung hängt davon ab, wie stark der Motor belastet ist), ist ein wesentlicher Bestandteil davon. Wir haben daher einen Motor mit einem Wirkungsgrad von etwa 50% und einen Regler, der (aus Gründen der Argumentation einen Wirkungsgrad von 90%) hat. Wenn wir also 48 W elektrische Leistung in den Regler (24 V und 2 A) einspeisen würden, würden wir die folgende mechanische Ausgangsleistung erhalten;
Verluste vom Controller = 48 W x 0,9 = 43,2 W.
Motorverluste = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W.
Daher können wir sagen, dass das Paket, das wir hier haben, ungefähr 45% effizient ist.
Beispiel 2 – Hinzufügen eines Getriebes zu unserem Schrittmotor und unserer Steuerung
In diesem Beispiel nehmen wir unser Setup wie oben und fügen einfach ein Getriebe hinzu. Angesichts der Tatsache, dass ein typisches Planetengetriebe einen Wirkungsgrad von etwa 73% aufweist, können wir dies einfach zu unserer Berechnung hinzufügen und dies sagen.
Verluste vom Controller = 48 W x 0,9 = 43,2 W.
Motorverluste = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W.
Getriebeverluste = 21,6 W x 0,73 = 15,8 W.
Daher ist das gesamte kombinierte Paket aus Motor, Getriebe und Steuerung, das wir jetzt haben, zu 33% effizient.
Beispiel 3 – ein sensorloser bürstenloser Gleichstrommotor und eine Steuerung
In diesem Beispiel verwenden wir einen sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor und eine Steuerung. Die Steuerung wurde sorgfältig auf den Motor optimiert, um ein effizientes Starten und Laufen zu gewährleisten. Ein typischer bürstenloser Gleichstrommotor hat einen Wirkungsgrad von etwa 90%, wobei ein optimierter und gut abgestimmter Regler einen Wirkungsgrad von fast 95% erreicht.
Wenn wir die gleiche Leistungsaufnahme wie der obige Schrittmotor nehmen, können wir das sagen;
Verluste vom Controller = 48 W x 0,95 = 45,6 W.
Motorverluste = 45,6 W x 0,9 = 41,4 W.
Daher kann das kombinierte Paket, das wir hier haben, als 86% effizient bezeichnet werden. Dies bedeutet, dass 86% der in die Steuerung eingegebenen elektrischen Energie direkt in rotierende mechanische Energie im Motor umgewandelt wurden. Die anderen 14% sind als Wärme und Lärm verloren gegangen.
Der vielleicht naheliegendste Ausgangspunkt für die Erörterung der Verringerung der Ineffizienz in Motor- und Steuerungsanwendungen besteht darin, mit den von Ihnen gestellten Drehmoment- und Drehzahlanforderungen und den Leistungsanforderungen zu beginnen und einen Motor von dort auszuwählen. Es ist nicht zu übersehen, dass Schrittmotoren technisch vielseitiger sind als bürstenlose Gleichstrommotoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, aber es ist auch nicht zu übersehen, dass Schrittmotoren sehr ineffizient laufen können. Daher ist es äußerst wichtig sicherzustellen, dass Sie die bestmögliche Wahl für Ihr Projekt oder Ihre Anwendung getroffen haben.
Im Anschluss daran gibt es eine Reihe grundlegender Schritte, über die nachgedacht werden muss. Das Hinzufügen eines Getriebes hat mehrere wesentliche Vorteile, es kann jedoch auch festgestellt werden, dass es die Ineffizienz erheblich erhöht. Könnte es besser sein, Motortyp und Leistung zu ändern, als sich auf ein Getriebe zu verlassen? Dies ist nicht immer möglich, aber es ist sicherlich etwas zu entdecken.
Ebenso gibt es grundlegende Einrichtungsprobleme, die befolgt werden können, um die Ineffizienz zu verringern. Durch eine ausgeglichene radiale Belastung der Motorwelle wird ein gleichmäßiger Verschleiß der Lager gewährleistet. Der Kauf eines Motors von guter Qualität erhöht die Effizienz weiter, da die Fertigungsstandards höher sind. Andere Methoden sind ebenso einfach, aber sehr effektiv. Wenn Sie die Steuerung so nah wie möglich am Motor montieren, werden Widerstand und Verluste reduziert, die bei langen Kabellängen auftreten. Die richtige Anpassung des Controllers an den Motor, um genügend Kopffreiheit zu gewährleisten und die Überlastung des Controllers zu verringern, ist ebenfalls von enormer Bedeutung. Durch die Sicherstellung der richtigen Kabelkabel können auch der Widerstand und damit die Verluste weiter reduziert werden.
Es ist nicht zu übersehen, dass jeder auf der Welt hart arbeiten muss, um seinen Energieverbrauch zu senken, und dass ihre Auswirkungen auf die Umwelt und die Motorsteuerungsanwendungen nicht anders sind. Hoffentlich kann man sehen, dass es zwar keine Antwort auf diese Frage gibt, aber eine Vielzahl potenzieller Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz ergriffen werden können. Diese beginnen genau am Spezifikationspunkt und enden mit der Verarbeitungs- und Montagequalität des Endprodukts.
Unser Team ist immer gerne bereit, diese Probleme zu besprechen und wie sie sich auf die Leistung auswirken können. Wenn Sie also eine Frage oder ein Projekt haben, das Sie besprechen möchten, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung, und wir helfen Ihnen gerne weiter.
