Houdkoppel, ook wel statisch koppel genoemd, verwijst naar het maximale koppel dat een stappenmotor kan leveren wanneer deze bekrachtigd is maar niet draait (d.w.z. in stationaire toestand).
Hier is een intuïtieve manier om dit te begrijpen: wanneer u de nominale stroom toevoert aan de wikkelingen van de stappenmotor (met geblokkeerde as) en vervolgens probeert de motoras met een sleutel te draaien, moet u een bepaalde kracht uitoefenen om de magnetische weerstand te overwinnen en de rotatie in gang te zetten. Het minimale koppel dat nodig is om de motoras te laten draaien, is het houdkoppel.
Belangrijkste kenmerken
- Statische grootheid: Houdkoppel wordt gemeten bij nul toerental en vertegenwoordigt het "vergrendelende" of "zelfborgende" vermogen van de motor in stationaire toestand.
- Maximaal koppelpunt: Houdkoppel is het theoretisch maximale koppel dat de stappenmotor kan leveren.
- Evenredig met stroom: De grootte van het houdkoppel is rechtstreeks gerelateerd aan de stroom die door de wikkelingen vloeit. Hoe hoger de toegevoerde stroom (zonder de maximaal toelaatbare stroom voor de motor en driver te overschrijden), hoe groter het houdkoppel.
- Niet het bedrijfskoppel: Dit onderscheid is cruciaal. Zodra de motor begint te draaien, neemt het werkelijke koppel dat deze kan leveren (het "bedrijfskoppel") aanzienlijk af naarmate het toerental stijgt en is het altijd lager dan het houdkoppel. Dit komt voornamelijk door factoren zoals de inductie van de motorwikkelingen en de tegen-EMK die tijdens de rotatie wordt opgewekt.
Technisch belang van houdkoppel
- Kernbasis voor motorselectie: Houdkoppel is een van de belangrijkste parameters voor het selecteren en vergelijken van verschillende stappenmotormodellen. Het geeft direct het koppelvermogen van de motor weer. Bijvoorbeeld, wanneer een zware last moet worden verplaatst in een lineaire bewegingstoepassing, berekent u eerst het vereiste koppel en selecteert u vervolgens een motor waarvan het houdkoppel die waarde overschrijdt.
- Positiebehoud: In toepassingen waar de motor zijn positie stevig moet vasthouden in stationaire toestand (bijv. een 3D-printerkop tijdens een printpauze, of een robotarm na het bereiken van een doelpositie), zorgt een hoog houdkoppel ervoor dat de positie niet verschuift onder invloed van externe krachten.
Zoals weergegeven in het diagram heeft het stappenmotormodel 23HS30-2804S een statisch houdkoppel van 2 Nm. Tijdens de daadwerkelijke werking neemt het dynamische koppel echter af naarmate het toerental stijgt. Dit is terug te zien in de koppel-toerentalkromme, waarin alle maximale bedrijfskoppelwaarden lager zijn dan de statische houdkoppelwaarde.
I. Inductieve eigenschappen van de wikkelingen
De statorwikkelingen van een stappenmotor zijn significante inductieve componenten. De fundamentele eigenschap van een inductor is het tegenwerken van stroomveranderingen. Onder statische omstandigheden voeren de wikkelingen een stabiele gelijkstroom, die constant is, zodat de inductie geen tegenwerking biedt.
Wanneer de motor echter moet draaien, stuurt de driver hoogfrequente gepulste spanningssignalen naar de wikkelingen om het magnetisch veld snel te schakelen. Op dat moment veroorzaakt de inductie een kritiek probleem: de stroom bouwt veel langzamer op dan de spanning verandert.
- Bij lage toerentallen: De pulsfrequentie is laag, waardoor er relatief voldoende tijd is voor de stroom om tot de nominale waarde te stijgen. Hierdoor blijft het koppel dicht bij het houdkoppel.
- Bij middelmatige tot hoge toerentallen: De pulsfrequentie neemt toe en de duur van elke puls wordt extreem kort. De stroom heeft niet genoeg tijd om zijn piek te bereiken voordat de volgende puls arriveert. Hierdoor neemt de gemiddelde stroom in de wikkelingen aanzienlijk af.
Conclusie: Koppel is evenredig met stroom. Omdat inductie verhindert dat de stroom snel opbouwt, is de gemiddelde stroom tijdens rotatie lager dan de statische stroom. Bijgevolg is het werkelijke uitgangskoppel noodzakelijkerwijs lager dan het houdkoppel.
II. Tegen-EMK (Elektromotorische kracht)
Wanneer een stappenmotor draait, fungeert deze niet alleen als motor maar ook als generator. De roterende permanent-magneet rotor snijdt de magnetische veldlijnen van de statorwikkelingen, waardoor volgens de wet van elektromagnetische inductie een geïnduceerde elektromotorische kracht (EMK) wordt opgewekt die de aandrijfspanning tegenwerkt. Dit wordt Tegen-EMK genoemd.
- Effect: De tegen-EMK werkt een deel van de door de driver geleverde spanning tegen. Volgens de wet van Ohm wordt de effectieve spanning over de wikkelingen verlaagd, waardoor het moeilijker wordt om stroom door de wikkelingen te duwen.
- Relatie met toerental: De grootte van de tegen-EMK is evenredig met het toerental. Hoe hoger het toerental, hoe groter de tegen-EMK, hoe sterker het tegenwerkende effect op de stroom, en hoe ernstiger de koppeldaling.
Belangrijke relatie: Tegen-EMK is geen onafhankelijke oorzaak maar een onvermijdelijk gevolg van elektromagnetische inductie zodra de motor draait. Een motor met hoge inductie zal doorgaans ook een hogere tegen-EMK genereren. Inductie is dus de oorzaak en tegen-EMK is het gevolg; samen veroorzaken ze de koppeldaling bij toenemend toerental.
III. Overige verliezen
Tijdens bedrijf bij hoge toerentallen verandert het magnetisch veld in de kern van de motor met hoge frequentie, waardoor wervelstroomverliezen en hystereseverliezen ontstaan. Deze energie wordt als warmte afgevoerd en kan niet worden omgezet in mechanische arbeid, wat het uitgangsrendement en het beschikbare koppel van de motor verder verlaagt.
Daarom mag u bij het selecteren van een stappenmotor nooit uitsluitend op het houdkoppel vertrouwen om het vermogen om een last tijdens bedrijf aan te drijven te beoordelen. Raadpleeg de koppel-toerentalkromme op onze website. Zorg ervoor dat de motor nog steeds een koppel kan leveren dat groter is dan de lastweerstand bij het maximale toerental dat uw toepassing vereist, en houd een voldoende veiligheidsmarge aan (doorgaans 30%–50%) om stapverlies te voorkomen.