Der Arbeitszyklus eines Linearantriebs beeinflusst Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit in realen Anwendungen.
Einschaltdauer Die thermische Betriebsdauer gibt den Prozentsatz der Zeit an, in der ein Motor oder Aktor innerhalb eines festgelegten Zeitraums arbeitet, ohne seine thermischen Auslegungsgrenzen zu überschreiten, welche maßgeblich die zulässige Laufzeit bestimmen. Sie wird wie folgt berechnet: Tastverhältnis (%) = (Laufzeit ÷ Gesamtzeit) × 100Wenn ein Aktor beispielsweise 30 Sekunden lang läuft und 90 Sekunden lang ruht, beträgt das Tastverhältnis (30 ÷ 120) × 100 = 25%.
Die Einschaltdauer wird dadurch bestimmt, wie schnell sich im Motor während des Betriebs Wärme aufbaut und wie effektiv diese im Stillstand abgeführt werden kann. Da Last, Spannung, Drehzahl und Umgebungstemperatur die Wärmeentwicklung beeinflussen, kann die zulässige Einschaltdauer je nach Anwendung erheblich variieren.
Warum ist der Arbeitszyklus wichtig?
Wenn Sie das Gerät mit oder unter dem maximal empfohlenen Arbeitszyklus betreiben, erreichen Sie die längstmögliche Lebensdauer Ihres Aktuators. Die maximale Einschaltdauer eines Produkts wird vom Hersteller in der Regel anhand von Lebensdauertests ermittelt. Wird ein Aktuator oder Elektromotor mit einer höheren als der angegebenen Einschaltdauer betrieben, kann es zu vorzeitigen Ausfällen kommen. Dafür gibt es verschiedene Gründe, unter anderem:
- Vorzeitiger Bauteilausfall durch Hitze
- Vorzeitiger Schmierstoffausfall
- Hohe Belastung mechanischer Komponenten
- Der Motor erreicht das natürliche Ende seiner Lebensdauer früher
Wie die meisten elektronischen Geräte erzeugen Linearantriebe beim Betrieb Wärme. Steigt die Temperatur des Geräts über einen bestimmten Grenzwert, kann es zu Schäden kommen. Wenn der Antrieb eine maximale Einschaltdauer von 20 % hat und Sie ihn ständig mit 25 % betreiben, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Komponentenausfalls. Dies kann der Motor, die Schaltung oder das Getriebe betreffen. Die Einschaltdauer ist niedrig genug eingestellt, damit die Temperatur nicht so stark ansteigt, dass Schäden entstehen.
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Wie wird der Arbeitszyklus berechnet?
Die Berechnung des Arbeitszyklus ist unkompliziert, insbesondere wenn Ihre Anwendung einen konstanten Betrieb des Geräts erfordert. Läuft ein Aktuator beispielsweise 30 Sekunden lang und ruht dann 30 Sekunden lang, beträgt sein Arbeitszyklus 50 %, da er die Hälfte der Zeit läuft. Im Wesentlichen stellt der Arbeitszyklus den Prozentsatz der Zeit dar, in der der Aktuator aktiv arbeitet.
Üblicher Arbeitszyklus (10-Minuten-Fenster)
| Duty Cycle | Laufzeit | Ruhezeit |
|---|---|---|
| 10% | 1 Minuten | 9 Мinuten |
| 20% | 2 Мinuten | 8 Мinuten |
| 25% | 2.5 Мinuten | 7.5 Мinuten |
| 50% | 5 Мinuten | 5 Мinuten |
Anwendung des Tastverhältnisses in realen Anwendungen
In vielen Anwendungen arbeiten Aktuatoren nicht mit exakt gleichen Anlauf- und Ruhephasen. Um den korrekten Arbeitszyklus zu bestimmen, messen Sie zunächst die Gesamtzeit eines vollständigen Betriebszyklus, einschließlich aktiver Bewegung und Ruhephase. Teilen Sie anschließend die Gesamtlaufzeit durch die Zykluszeit und multiplizieren Sie das Ergebnis mit 100.
Wenn ein Aktor beispielsweise 20 Sekunden lang ausfährt, 40 Sekunden pausiert, 20 Sekunden lang einfährt und dann 80 Sekunden lang ruht, bevor er den Vorgang wiederholt, beträgt die Gesamtzykluszeit 160 Sekunden. Der Aktor ist während dieser Zykluszeit 40 Sekunden lang aktiv, was einem Tastverhältnis von 25 % entspricht.
Wir berechnen die Einschaltdauer auf Basis des Spitzenwirkungsgrads jedes Produkts. Mit zunehmender Belastung des Aktuators oder steigender Drehzahl verringert sich die Einschaltdauer jedoch aufgrund der Wärmeentwicklung. Andererseits kann ein Betrieb mit geringerer Belastung oder niedrigerer Drehzahl als dem Spitzenwirkungsgrad zu einer höheren Einschaltdauer führen.
Welche Faktoren können den Arbeitszyklus beeinflussen?
Die Nennleistung für den Betriebszyklus wird am Punkt maximaler Effizienz des Produkts ermittelt, wie im Datenblatt angegeben. Wird der Stellantrieb unter diesen Bedingungen oder nahe daran betrieben, gilt die angegebene Nennleistung für den Betriebszyklus. Abweichungen in Last, Spannung oder Umgebungstemperatur können die Wärmeentwicklung erhöhen und die zulässige Laufzeit verkürzen.
Zu den Schlüsselfaktoren, die den Arbeitszyklus eines Aktuators beeinflussen, gehören:
- Belastung: Eine höhere mechanische Belastung erhöht den Motorstrom, was zu einer erhöhten internen Wärmeentwicklung und einer Verringerung des zulässigen Arbeitszyklus führt.
- Spannung: Höhere Spannungen können unter Last die Drehzahl und die Stromaufnahme erhöhen, was zu einer schnelleren Wärmeentwicklung und einer Verkürzung der zulässigen Laufzeit führt.
- Temperatur: Höhere Umgebungstemperaturen verringern die Fähigkeit des Systems, Wärme abzuleiten, wodurch der sichere Betriebszyklus im Vergleich zum Betrieb in kühleren Umgebungen sinkt.
Andere Betriebsbedingungen können den Arbeitszyklus ebenfalls beeinflussen. Luftfeuchtigkeit, eingeschränkte Luftzirkulation, Gehäusekonstruktion und Seitenbelastung können die Wärmeableitung und den mechanischen Verschleiß beeinflussen, was wiederum zu einem Anstieg der Innentemperatur und zu langfristigem Bauteilverschleiß führt. Diese Faktoren müssen bei der Systemauslegung berücksichtigt werden. Aktuatorauswahl.
Tastverhältnis in Mikrolinearaktuatoren
Mikrolinearantriebe verfügen typischerweise über kleinere Motorwicklungen und eine geringere thermische Masse als größere Industrieantriebe. Dadurch erreichen sie unter Last schneller ihre thermischen Grenzwerte. Die Einhaltung des vorgegebenen Betriebszyklus ist daher insbesondere bei kompakten Bauformen wichtig, bei denen Luftzirkulation und Wärmeabfuhr eingeschränkt sein können.
Bei Anwendungen mit kleinen Aktuatoren können bereits geringfügige Erhöhungen der Last oder der Umgebungstemperatur die zulässige Laufzeit reduzieren. Daher ist eine sorgfältige Berücksichtigung der Betriebsbedingungen bei der Entwicklung von Systemen mit kompakter Aktorik unerlässlich.
Was passiert, wenn ein Gerät über seinen Arbeitszyklus hinaus betrieben wird?
Der Betrieb eines Aktuators über seine Nennbetriebsdauer hinaus erhöht die Innentemperatur und beschleunigt den mechanischen Verschleiß. Dies führt mit der Zeit zu Leistungseinbußen und verkürzt die Gesamtlebensdauer.
- Motorüberhitzung: Überschüssiger Strom erzeugt Wärme, die die Wicklungsisolierung beeinträchtigen und die Lebensdauer des Motors verkürzen kann.
- Schmierstoffaufschlüsselung: Erhöhte Temperaturen können die Schmierwirkung verringern und die innere Reibung erhöhen.
- Zahnrad- und Lagerverschleiß: Der Dauerbetrieb unter Last erhöht die mechanische Beanspruchung und die Materialermüdung.
- Leistungsabfall: Im Laufe der Zeit können vermehrtes Spiel, geringere Geschwindigkeiten oder eine verminderte Positioniergenauigkeit auftreten.
Während gelegentliche kurzfristige Überbeanspruchung nicht unbedingt zu einem sofortigen Ausfall führt, erhöht ein dauerhafter Betrieb über der Nennlast die Wahrscheinlichkeit vorzeitiger Bauteilschäden.
FAQ
Welche Aktuatoren sind für einen 100%igen Arbeitszyklus geeignet?
Stellantriebe mit 100 % Einschaltdauer sind für den Dauerbetrieb innerhalb der spezifizierten Last- und Umgebungstemperaturgrenzen ausgelegt. Diese Modelle sind so konstruiert, dass sie die Wärme bei Dauerbetrieb effektiv abführen. Prüfen Sie stets im Produktdatenblatt, ob ein bestimmter Stellantrieb für Dauerbetrieb geeignet ist.
Kann Kühlung den Arbeitszyklus erhöhen?
Eine verbesserte Kühlung kann in manchen Anwendungen den internen Temperaturanstieg reduzieren und dadurch längere Betriebszeiten ermöglichen. Die veröffentlichten Nennleistungswerte basieren jedoch auf definierten Testbedingungen bei maximaler Effizienz und sollten als verlässliche Betriebsgrenze betrachtet werden, sofern sie nicht durch anwendungsspezifische Tests validiert wurden.
Führt eine höhere Last zu einer Verringerung des Arbeitszyklus?
Ja. Höhere mechanische Belastungen erhöhen den Motorstrom, was wiederum die Wärmeentwicklung im Aktor steigert. Da der Betriebszyklus primär durch thermische Beschränkungen begrenzt ist, verkürzt der Betrieb unter höheren Lasten typischerweise die zulässige Laufzeit, bevor eine Pause erforderlich ist.
Wie wird die Einschaltdauer geprüft und bewertet?
Die Nennleistung wird durch kontrollierte Tests am spezifizierten Betriebspunkt des Aktuators mit maximaler Effizienz ermittelt. Während der Tests wird der Aktuator unter definierten Last- und Umgebungstemperaturbedingungen zyklisch betrieben, wobei der interne Temperaturanstieg überwacht wird. Die maximal zulässige Laufzeit wird durch die thermischen Grenzwerte des Motors und der internen Komponenten bestimmt, um einen zuverlässigen Betrieb unter diesen Bedingungen zu gewährleisten.
Fazit zum Arbeitszyklus
Das Verständnis des Betriebszyklus ist bei der Entwicklung von Systemen mit elektrischen Linearantrieben unerlässlich. Da die zulässige Laufzeit primär durch die interne Wärmeentwicklung begrenzt wird, müssen Betriebsbedingungen wie Last, Spannung und Umgebungstemperatur bei der Systementwicklung und -validierung berücksichtigt werden.
Durch die genaue Berechnung des Arbeitszyklus und die Bewertung realer Betriebsbedingungen können Ingenieure das Risiko vorzeitigen Komponentenverschleißes verringern, die Langzeitzuverlässigkeit verbessern und eine gleichbleibende Aktuatorleistung über die gesamte Lebensdauer des Systems gewährleisten.
Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl eines Produkts benötigen, das Ihren Anwendungsanforderungen entspricht, wenden Sie sich bitte an uns. kontakt unser Verkaufsteam um Hilfe. Actuonix kann kundenspezifische Designs für alle OEMs erstellen.
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