EMK eines sich drehenden Motors

Dreht sich ein Motor, so baut sich etwa linear zur Drehzahl eine entgegen der Betriebsspannung gerichtete Energie auf. Diese wird auch als Gegen-EMK (ElektroMotorischeKraft) bezeichnet. Sie ist von der Stärke der Permanentmagnete des Rotors, der Wicklungsinduktivität, dem Luftspalt und anderen konstruktiven Details des Schrittmotors abhängig. Die bisherigen Betrachtungen gingen immer von einem stehenden Motor oder einem Motor mit sehr geringer Drehzahl aus.

Da die Gegen-EMK der Betriebsspannung entgegenwirkt, vermindert sie demzufolge die treibende Spannung des Stromaufbaus in der Motorwicklung und beschleunigt die Spannung im Freilaufkreis zum Abbau des Motorstromes. Der Motor kann in Konstantstrombetrieb bis annähernd zu der Drehzahl betrieben werden, an der sich die Gegen-EMK und die Betriebsspannung betragsmässig gegenüberstehen.  Demzufolge können mit höheren Betriebsspannungen höhere Enddrehzahlen erreicht werden.  Doch schon unterhalb der max. Drehzahlgrenze flacht der Stromanstieg in der Wicklung merklich ab, so dass der Phasenstromnennwert nicht mehr erreicht wird. Dementsprechend geht bei fallendem Phasenstrom (und stetig steigender Drehzahl) das Motordrehmoment in die Knie.

Bildquelle Zebotronics München

In obigen Motorkennlinien ist das Motordrehmoment [Nm] über der Motorfrequenz (Drehzahl) dargestellt. Die obere gestrichelte Kennlinie zeigt eine Ansteuerung mit 60V, die durchgezogene mit 30V Ansteuerspannung. Im unteren Drehzahlbereich gibt es keine wesentlichen Unterschiede, jedoch mit steigender Motordrehzahl macht sich die höhere Ansteuerspannung positiv auf das Motordrehmoment bemerkbar.

Das laufende Umpolen der magnetische Felder bei drehendem Motor bewirkt noch eine Reihe von Verlusten wie Ummagnetisierungsverluste, Hysterese- und Wirbelstromverluste, die sich im Prinzip wie ohmsche Wicklungsverluste bemerkbar machen. In manchen Drehzahlbereichen haben diese Erscheinungen im Zusammenspiel mit konstruktiven Motormerkmalen und angekoppelter Last teils positive aber auch negative Auswirkungen auf den Antrieb. Sie können den Motor stabilisieren aber auch zu unangenehmen Schwingungen führen.

Im Konstantstrombetrieb fordert der Motor mit steigender Drehzahl zunächst auch immer mehr Leistung aus der Endstufe und somit der Betriebsspannungsquelle. Das Drehmoment sinkt nur wenig, bis die Differenzspannung (wirksamer Anteil für die Drehmomenterzeugung) zwischen zunehmender Gegen-EMK und Betriebsspannung minimal wird. Ab hier geht dann der Konstantstrombetrieb in einen Konstantspannungsbetrieb über, da der Stromregler keine Regelreserve mehr besitzt.

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