Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Maximale Drehzahl eines Schrittmotors bestimmen


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von Indexer (Gast)


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Hallo!

Könnte mal jemand aufzeigen, wie man aus den Angaben zum Motor 
ST8918M4508 von Nanotec herausfindet mit welcher maximalen Drehzahl der 
Motor im Leerlauf laufen sollte ?

Hier der Link zum Motor:

http://de.nanotec.com/produkte/566-st8918-schrittmotor-nema-34/

Der Motor wird mit 48V Betrieben und die Wicklungen sind parallel 
verschaltet.

Aus der Drehzahl/Drehmoment Kennlinie entnehme ich, dass ich bei 1125 
RPM noch 1 Nm Drehmoment haben sollte.


Jedoch komme ich unter Verwendung der Nanotec Schrittmotortreibers 
SMCI36 knapp auf 1000 RPM (und das nur im adaptiven Mikroschrittbetrieb 
(128) mit maximalem Phasenstrom reduziert auf 40%)..

Unter Verwendung des von mir gewünschten Viertelschrittbetriebes komme 
ich auf knapp 700 RPM bei maximal spezifiziertem Phasenstrom von 6A.

Da stellen sich mir folgende Fragen:

1. Wie bestimme ich im Voraus, mit welcher Drehzahl ich einen 
Schrittmotor (im quasi Leerlauf) dann tatsächlich betreiben kann ?

2. Wiso erreiche ich die höchste Drehzahl mit 40% Phasenstrom wobei bei 
100% Phasenstrom der Schrittmotor schon wesentlich früher nichtmehr 
folgen kann? Macht keinen Sinn für mich.

3. Habe ich ein Problem mit meinem Aufbau, dass ich nicht auf die 1100 
RPM, wie im Datenblatt gezeigt komme? Bzw. wie schnell müsste der Motor 
denn mit dieser Steuerung/Speisung/Verschaltung drehen? Das muss sich 
doch bestimmen lassen.. ?


Hintergrund: Der Motor treibt eine CNC Maschinenachse an. Für den 
Eilgang habe ich mit den 1100 RPM gerechnet und natürlich die 
Spindelsteigungen und alles darauf ausgelegt. Da ich jetzt nur knapp die 
Hälfte fahren kann, dauert das komplette Abfahren der gesamten Achslänge 
doppelt so lange und somit eeewig.. so ist das unbrauchbar..

Besten Dank für eure Antworten!

von Sven J. (svenj)


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Moin,

"angetriebene Achse einer CNC-Maschine" beißt sich in meinen Augen aber 
heftig mit der Aussage "quasi Leerlauf".

Spannend wäre noch die Startgeschwindigkeit und die Beschleunigungsrampe 
mit der du die Zielgeschindigkeit anfährst. Beschleunigte Maße heißt 
natürlich auch reichlich Drehmoment vom Motor!

--
 SJ

von Indexer (Gast)


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Hi!

Der Motor ist noch nicht in der Maschine verbaut und ich kann die 1100 
RPM nicht erreichen.. Das bezeichne ich als Leerlauf :)

von Indexer (Gast)


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Die Rampe beim Beschleunigen habe ich bewusst sehr niedrig gewählt (20 
Hz/ms) und auch mit der Startgeschwindigkeit habe ich schon gespielt.. 
Bringt nichts.. Egal wie langsam ich beschleunige, der Motor fällt aus 
dem tritt ab ca. 700 RPM (im Viertelschrittbetrieb)..

von Reinhard Kern (Gast)


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Indexer schrieb:
> der Motor fällt aus
> dem tritt ab ca. 700 RPM (im Viertelschrittbetrieb)..

Kann dein Kontroller nicht umschalten auf Vollschritt ab einer 
bestimmten Drehzahl?

Gruss Reinhard

von Indexer (Gast)


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Nicht dass ich wüsste.

Im Datenblatt des SMCI36 ist nichts davon erwähnt..

Jedoch ist auch nirgends so genau erklärt, was Nanotec unter "Adaptiver 
Mikroschritt" versteht.. wohlmöglich ist das damit gemeint..

Ich denke das Nanotec schon einen state-of-the-art controller gebaut 
hat...

Ich müsste somit doch  in der Lage sein, im Vollschritt die gewünschte 
hohe Drehzahl erreichen zu können.. Dies habe ich jedoch auch schon 
getestet.. Bei 700 scheint Schluss zu sein..werde aber morgen nochmals 
testen..

von Wolfgang (Gast)


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Reinhard Kern schrieb:
> Kann dein Kontroller nicht umschalten auf Vollschritt ab einer
> bestimmten Drehzahl?

Und warum sollte der Motor im Vollschrittbetrieb besser laufen?

von Amateur (Gast)


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Das ganze Programm: Anfahrrampen, Bremsrampen und beherrschbare Maxima 
hängen nur zu einem winzigen Teil vom Motor ab.
Durch die mechanische Kopplung der Maschine mit der Motorachse ändern 
sich sämtliche Motorparameter und Du kannst somit das Datenblatt 
vergessen.

von Reinhard Kern (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Und warum sollte der Motor im Vollschrittbetrieb besser laufen?

Besser nicht, was immer das heisst, aber schneller - dann liegt gleich 
die volle Spannung an der Wicklung an, entsprechend steigt der Strom 
schneller, das ist in etwa das gleiche wie eine höhere Spannung. Wunder 
bewirkt es allerdings nicht.

Aber höhere Spannung ist prinzipiell eine Möglichkeit für höhere 
Drehzahl, solange der Motor nicht verglüht. Muss man halt testen, welche 
Temperatur im stabilen Zustand erreicht wird.

Gruss Reinhard

von Purzel H. (hacky)


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Wenn man erhoehte Drehzahlen haben moechte, sollte man eher einen DC 
Servomotor, resp heutzutage einen BLDC waehlen. Mit Decoderscheibe.

: Bearbeitet durch User
von Chris D. (myfairtux) (Moderator) Benutzerseite


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Reinhard Kern schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Und warum sollte der Motor im Vollschrittbetrieb besser laufen?
>
> Besser nicht, was immer das heisst, aber schneller - dann liegt gleich
> die volle Spannung an der Wicklung an, entsprechend steigt der Strom
> schneller, das ist in etwa das gleiche wie eine höhere Spannung. Wunder
> bewirkt es allerdings nicht.

Dann könnte man auch einfach die Frequenz für die Mikroschritte erhöhen.

Der Anstieg des Stroms hängt von der Induktivität und der angelegten 
Spannung ab. Für eine gewisse Spannung steigt der Strom auch nur mit 
einem entsprechenden dI/dt. Steuert man den Motor schneller an, dann 
steigt der Strom während dieser auf immer geringere Maximalwerte, d.h. 
die Chopperregelung der Endstufe kommt dann gar nicht mehr dazu, den 
Strom abzuschalten, weil er das gewünschte Maximum gar nicht mehr 
erreicht -> Drehmoment sinkt bis hin zum Stillstand.
Da hilft dann auch kein Vollschrittbetrieb.

> Aber höhere Spannung ist prinzipiell eine Möglichkeit für höhere
> Drehzahl, solange der Motor nicht verglüht. Muss man halt testen, welche
> Temperatur im stabilen Zustand erreicht wird.

Genau.

Übrigens spricht noch etwas anderes ganz massiv gegen 
Vollschrittbetrieb: die Resonanzen. Diese darf man auf keinen Fall 
unterschätzen und diese hat man umso besser im Griff, je mehr man den 
Phasenstrom einem Sinus annähert, also Mikrostepping betreibt.

Resonanzen dürften auch der Grund für das Phänomen sein, das der OP 
ansprach: mit hohem Strom erreicht der Motor nicht die Maximaldrehzahl, 
wohl aber bei reduziertem Strom. Offenbar führt die Volllast zu 
entsprechenden Resonanzen.

Meiner Erfahrung nach sind die Drehzahlkurven der Hersteller nette 
Bildchen, aber für die Praxis - also bei belastetem Motor an einem 
Gebilde mit beliebigen Resonanzstellen - ziemlich uninteressant.

Aber vielleicht liest ja Thorsten hier mit und kann seine Einschätzung 
abgeben. Der ist ja sozusagen unser Stepper-Guru hier ;-)

: Bearbeitet durch Moderator
von Wolfgang (Gast)


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Reinhard Kern schrieb:
> Aber höhere Spannung ist prinzipiell eine Möglichkeit für höhere
> Drehzahl, solange der Motor nicht verglüht.

Warum sollte der Motor dabei verglühen?
Solange der Wicklungstrom per PWM geregelt ist, wie das heutzutage alle 
ernst zu nehmenden Schrittmotortreiber tun, ist das Haupthinderniss für 
das Erreichen des vollen Drehmoments bei höherer Schrittfrequenz die 
Wicklungsinduktivität. Bei kurzen Schritten und niedriger Spannung kann 
sich dann trotz Regelung der gewünschte Strom nicht aufbauen. Die höhere 
Spannung sorgt einfach für einen schnelleren Stromanstieg auf dem 
Schritt, bis die Regelung greift und das Tastverhältnis ggf. 
zurückfährt.

Bei niedriger Drehzahl ist die Gefahr für Verglühen des Motors viel 
größer, wenn der Strom im Treiber zu hoch eingestellt ist - unabhängig 
von der Spannung.

von Ulrich (Gast)


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Ganz im Leerlauf ist ggf. nicht ideal um eine hohe Drehzahl zu 
erreichen. Es gibt dann Resonazen bei relativ hohen Frequenzen. Schon 
mit nur etwas zusätzlichem Trägheitsmoment läuft der Motor runder und 
dann ggf. schneller, braucht aber auch eine langsamere Rampe. Das es mit 
weniger Strom und Mikroschirtt besser geht, spricht für eine Resonanz 
als Grenze.

Eine höhere Spannung könnte helfen, wenn der Treiber mitmacht. Die 
Verluste im Motor steigen dadurch ggf. etwas über parasitäre Effekte wie 
Wirbelstromverluste, aber schon ein leicht (z.B. 10%) kleinerer Strom 
kann das ausgleichen - für die hohen Drehzahlen, wo das Drehmoment 
abfällt sinkt der Strom ja sowieso unter den Sollwert, es reduziert sich 
also nur das Moment bei kleinen Drehzahlen. Bei der Spannung muss man 
ggf. berücksichtigen das etwas Spannung am Treiber verloren geht, der 
Motor also nicht die volle Spannung sieht - damit die Daten besser 
aussehen und vergleichbar sind, wird im Motordatenblatt vermutlich die 
Spannung am Motor angegeben sein.

von m.n. (Gast)


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Ulrich schrieb:
> Ganz im Leerlauf ist ggf. nicht ideal um eine hohe Drehzahl zu
> erreichen.

Und in den Fußnoten zu den Drehzahlkurven findet sich zumeist der 
Hinweis, mit welchem Schwingungsdämpfer (auf der Achse angebracht) 
gemessen wurde.

von Indexder (Gast)


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Also ich fasse mal zusammen:

1. Für höhere Drehzahl sollte eine höhere Betriebsspanunnung helfen. 
Weil dadurch der Phasenstrom schneller ansteigt.

2. Resonanzen können im Leerlauf dafür verantwortlich sein, dass hohe 
Drehzahl nicht erreichbar sind. Da der Motor im Leerlauf arbeitet, 
werden entsprechende Resonanzstellen nicht durch eine angehängte 
Mechanik bedämpft.

3. Resonanzstellen bei hohen Drehzahlen sind ausgeprägter, wenn mit 
hohem Phasenstrom bestromt wird. Höhere Anregung zum Schwingen, durch 
höhere Ströme.

4. Resonanstellen äussern sich auch stärker, wenn nicht mit Mikroschritt 
betrieben wird. Bei Mikroschrittbetrieb ist der Ansteuerung näher an 
einem Sinus, was weniger Oberwellen und somit weniger Anregung zum 
Schwingen bedeutet.


5. Herstellerdiagramme nur bedingt brauchbar für die Auslegung eines 
Praktischen antriebes.


6. Lösungen für mein Problem: Auf Servomotoren wechseln.


Frage: Würd es etwas bringen (für das Erreichen höherer Drehzahlen), 
wenn ich meine Schrittmotoren mit Encodern ausrüsten würde ? (Die 
Steuerung würde das unterstützen).. Wennn ja...  könnte ich mich in den 
Arsch beissen, da der Encocer und die Montage bei Nanotec direkt nur ca. 
50 Euro pro Motor gekostet hätte.


Mir ist jedoch immernoch unklar, wie man denn jetzt einen 
Schrittmotorantrieb zuverlässig auslegen kann, ohne das ganze Aufzubauen 
und zu testen. Schliesslich will ich ja nicht zig Motoren kaufen und 
probieren, sondern eine vernünftige Auslegung mit meinen mechanischen 
Anforderungen machen und dann muss das so laufen wie geplant..


Gruss

von aassddff (Gast)


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Wenn du irgendwo Resonanzen hast und dein ganzes System schwingt, kannst 
du die Resonanzfrequenzen ändern, indem du die Massen einzelner Achsen 
änderst. Dadurch verschiebst du die Resonanzfrequenz. Ganz weg bekommst 
du sie vielleicht nie, aber wenn sie in einen Drehzahlbereich geschoben 
wird, der uninteressant ist, hast du schon gewonnen.

Über solche Themen gibt es ganze Bücher und Dissertationen, alle 
bestimmt schon mehr als 20 oder 30 Jahre alt. Guck mal nach Büchern über 
Zahnriemengetriebe. Dort wir meistens etwas über die Systemauslegung 
erklärt und die Probleme. Ob dich das bei der Motorauswahl unterstütz, 
weiß ich nicht.

Ich habe die Motoren bisher einfach immer überdimensioniert und den Rest 
über die Software realisiert. Zu langsam anfahren ist nicht gut 
(schwingt) und zu schnell anfahren auch nicht (verliert Schritte). 
Gleiches gilt für das Bremsen. Da ich bisher nur mit Einzelstücken zu 
tun hatte, konnte ich mit meiner begrenzten Ahnung natürlich etwas 
rumprobieren bis es funktioniert hat. Irgendwann hat man auch ein 
gewisses Gefühl dafür und die meisten Sachen funktionieren im ersten 
Schritt.

von egal (Gast)


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> An der Versorgungsspannung muss ein Ladekondensator von mindestens
> 4700 μF (10000 μF) vorgesehen sein, um ein Überschreiten der
> zulässigen Betriebsspannung (z.B. beim Bremsvorgang) zu vermeiden.

Versuche es mit 60V.
Unterschätze den Leitungswiderstand nicht.
Oft laufen Stepper mit Last besser als ohne Last.
Bitte um ein gutes Foto!

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo "Indexer"!

> Aus der Drehzahl/Drehmoment Kennlinie entnehme ich, dass ich bei 1125
> RPM noch 1 Nm Drehmoment haben sollte.

Zur Brauchbarkeit der Kennlinien wurde ja bereits etwas gesagt. Je 
glatter die Kurve, desto praxisferner ist das ganze. Resonanzstellen 
werden da von einigen Herstellern vermutlich durch geschicktes 
Platzieren der Messpunkte weggebügelt. Bei den Kurven von Nanotec fehlt 
die Angabe, mit welchem Treiber und mit welcher Last gemessen wurde. Das 
hat z.T. einen deutlichen Einfluss auf die Kennlinie.

> 1. Wie bestimme ich im Voraus, mit welcher Drehzahl ich einen
> Schrittmotor (im quasi Leerlauf) dann tatsächlich betreiben kann?

Rein theoretische Betrachtungen sind schwierig. Meist scheitert es schon 
daran, das die Belastung des Motors (Lastmoment) nicht hinreichend genau 
bestimmt werden kann. Da geht ja auch die Reibung sowie die dynamischen 
Anteile (Beschleunigungskräfte) mit ein.

> 2. Wiso erreiche ich die höchste Drehzahl mit 40% Phasenstrom wobei bei
> 100% Phasenstrom der Schrittmotor schon wesentlich früher nichtmehr
> folgen kann? Macht keinen Sinn für mich.

Bei den Drehzahlen erreicht der Motor den Nennstrom schon lange nicht 
mehr. Es ist also überspitzt gesagt (in gewissen Grenzen) egal, welchen 
Strom du einstellst. Das wirkt sich nur bei niedrigeren Drehzahlen aus. 
Den Unterschied macht hier das Ansteuervverfahren ("Adaptiver" 
Mikroschritt vs. 1/4-Schritt.

> 3. Habe ich ein Problem mit meinem Aufbau, dass ich nicht auf die 1100
> RPM, wie im Datenblatt gezeigt komme? Bzw. wie schnell müsste der Motor
> denn mit dieser Steuerung/Speisung/Verschaltung drehen? Das muss sich
> doch bestimmen lassen.. ?

Wenn du ohnehin "nur" 1Nm brauchst, warum nimmst du dann einen Motor mit 
so großer Massenträgheit? Ist deine Last entsprechend schwer und träge? 
Hast du das mal nachgerechnet? Sonst bist du u.U. mit einem Nema23 Motor 
mit ~2,0Nm Haltemoment besser bedient. Der dickere Motor braucht sonst 
einen Großteil seiner Leistung, um seinen eigenen Rotor zu 
beschleunigen.

> Hintergrund: Der Motor treibt eine CNC Maschinenachse an. Für den
> Eilgang habe ich mit den 1100 RPM gerechnet und natürlich die
> Spindelsteigungen und alles darauf ausgelegt. Da ich jetzt nur knapp die
> Hälfte fahren kann, dauert das komplette Abfahren der gesamten Achslänge
> doppelt so lange und somit eeewig.. so ist das unbrauchbar..

Dann musst du mit der Spannung hochgehen, wenn du bei dem Motor bleiben 
willst. Ein bisschen Luft hast du ja bei dem Treiber noch.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von eProfi (Gast)


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> Es ist also überspitzt gesagt (in gewissen Grenzen) egal,
> welchen Strom du einstellst.
Überspitzt gesagt: ja.   Praktisch: nein (siehe unten)

Resonanzen können sich wie folgt äußern:
bei geringen Frequenzen (grob gesagt um die 400 Hz): hier hilft es, den 
Motor im Mikroschritt zu betreiben.

Später treten nochmals andere Resonanzen auf: die kommen daher, dass der 
Polradwinkel jittert, d.h. durch die unterschiedliche Stellung und 
daraus resultierende Abdeckung schwankt die Induktivität der Spulen und 
damit die Stromanstiegsgeschwindigkeit.

Die Frequenz ist jedoch so hoch, dass (wie Thorsten andeutete), der 
eingestellte Strom überhaupt nicht mehr erreicht wird, d.h. die 
Strombegrenzung wird nicht aktiv. Die Folge ist, dass dem "Schrittstrom" 
eine weitere niederfrequente Komponente hinzugefügt wird.

Lösungen:
1. Den Sollstrom so niedrig einstellen, dass er wirklich erreicht wird 
und somit die o.g. "Extravaganzen" beschnitten werden.

2. Dämpferscheiben (z.B. die gelben Vexta Smart Damper) verwenden, wenn 
möglich auf einem Motor mit zweitem Wellenende. Die bewirken Wunder!

von Ignaz S. (ignaz_s)


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Hallo,

die maximale Motordrehzahl ist erreicht, wenn die Induktionsspannung des 
Motor die maximale Umrichter-Spannung erreicht.

Viele Grüße
Ignaz

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Und für diese bahnbrechende Erkenntnis musst du einen über 2 Jahre alten 
Thread wieder ausgraben?

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Karl-alfred R. (karl-alfred_roemer)


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Ich finde, die 'Bahnbrechende Erkenntnis' bringt EINEN 
drehzahlbegrenzenten Effekt gut auf den Punkt.

Bin auf diesen alten Thread gestoßen, weil meine gebraucht gekaufte 
Tron-CNC ebenfalls nur erstaunlich geringe Stepper Drehzahlen mitmacht, 
bevor Resonanzen auftreten. Die Mechapro Slider-SFX (entsprechend 
Motordatenblatt auf 2A begrenzt und 1/16 Microstepps) wird mit einem 
Ringkerntrafo von 2*15V  in Reihe, also 30V) versorgt und die 
beiliegenden Nema23 1,3Nm 2A Stepper laufen nur bis 1200mm/min (= 
300U/min) einwandfrei rund. Darüber gibt es Resonanzen bis hin zum 
scheinbaren blockieren der betreffenden Achse.

Mir war vorher auch nicht klar, dass die Motoren die maximale Drehzahl 
irgendwie begrenzen würden. Dachte eher, die Ansteuerung würde schlapp 
machen. (zur Zeit Arduino UNo mit ESTLCAM) aber an der Ansteuerung 
scheint es nicht zu liegen.

Auch wenn das Resonanzproblem mit der maximalen Spannung vermutlich 
nicht viel zu tun hat, würde gerne testweise mal die Spannung erhöhen 
indem ich ein anderes Netzteil anschließe, denn nach obiger 
'Bahnbrechender Erkenntnis' sollte die max Drehzahl dadurch verdoppel 
werden, aber wie es aussieht bin ich schon an der Obergrenze der Slider 
SFX.

Im Moment bin ich noch in der Phase von Testfräsungen mit einem 2mm 
Fräser auf einer Kress 1050, aber ich will irgendwann auch mal meine 
Festool Fräser mit 8mm benutzen und die brauchen einen ordentlichen 
Mindestvorschub dass das Holz und auch die Fräser nicht verbrennen. 
Denke mal die sollten mindestens 2000mm/min bekommen. Irgendwas muss ich 
also unternehmen.

Andere Treiber könnte ich zwar mit höheren Spannungen versorgen, aber 
das Resonazproblem bleibt natürlich trotzdem. Wenn alle Stricke reißen 
müsste ich mir zumindest für die X und Y Achse Servomotoren mit der 
passenden Elektronik besorgen.

von aSma>> (Gast)


Angehängte Dateien:

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Servus,
ohne daraus eine Wissenschaft zu machen:
-ein Oszilloskop am Shunt dranhalten und den Sinus anstreben.
Sonst mit den Microstep runter gehen, bzw Spannung erhöhen.


https://www.youtube.com/watch?v=XJKodmZihbk
An diesen Video sieht wunderbar, wie man durch spielen mit decay mode 
ein besseres Ergebnis erzielen kann. Aber dennoch war die 
Geschwindigkeit zu hoch gewählt und man hatte keine Last gehabt.

mfg

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Die 30V des Trafos sind Wechselspannung, nach Gleichrichtung und 
Glättung ergibt das ungefähr 42V. Viel mehr können die A3959 auf der 
Karte nicht. Wenn du deutlich mehr Drehzahl willst, musst du die 
Spannung tatsächlich in etwa verdoppeln. H-Brücken für 80V gibt es aber 
nicht mehr als Single-Chip Lösung, was sich auf den Preis der Endstufen 
und die Auswahl an Geräten auswirkt.

Ich glaube aber nicht, dass die Motoren bei der Tron der begrenzende 
Faktor sind. Die Tron ist ja ein Projekt, was auf möglichst niedrige 
Herstellungskosten ausgelegt ist. Die Rundführungen und die 
Trapezgewindespindeln haben einen extrem niedrigen Wirkungsgrad. 
Trapezgewinde hat typisch ein eta von 0,3-0,4, d.h. 60-70% der 
Antriebsleistung gehen in Reibung verloren. Und da sind die Führungen 
noch nicht berücksichtigt. Durch einen Umbau auf Kugelrollspindeln 
sollte sich da also einiges rausholen lassen.

Dann spielt natürlich auch die verwendete Software eine Rolle, die 
Einstellungen für die Rampen und die Art und Weise, wie die Taktsignale 
erzeugt werden - also im PC oder auf einem externen Controller, und 
wieviel Jitter die Signal haben.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Karl-alfred,

> Ich finde, die 'Bahnbrechende Erkenntnis' bringt EINEN
> drehzahlbegrenzenten Effekt gut auf den Punkt.

Aber das ist ja keine neue Erkenntnis. Dazu habe ich 2011 schon etwas 
geschrieben, und auch das war an sich nicht neu, sondern nur 
(hoffentlich) verständlich zusammengefasst:
http://www.schrittmotor-blog.de/die-sache-mit-der-spannung/

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

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