Elektromagnetische Aktoren 3 - thm.de · Prof. A. Büngers SS 2012 Aktorik 7 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 13 1 2 3 1/F Z Impulse βm (t) Ωm (t) t t t α α α Zeitverläufe

Prof. A. Büngers SS 2012

Aktorik 1

Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 1

Elektromagnetische Aktoren 3

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Kennwort: AB#Beta


Linearmotor & Torquemotor Linearmotor & Torquemotor

Schrittmotor

Asynchron- & Synchronmotor

Aktoren mit kurzen Hüben

UniversalmotorUniversalmotor1

2


3

4

5


Aktorik 2


UniversalmotorDer Universalmotor ist grundsätzlich ein Reihenschlussmotor, der sowohl mit

Gleich- als auch mit Wechselspannung betrieben werden kann. Werden bei

einem Gleichstrommotor das Ständer- und das Läuferfeld gleichzeitig umge-

polt, so bleiben Drehrichtung und Drehmoment erhalten. Wenn die Strom-

richtung also keinen Einfluss auf die Drehrichtung hat, kann man diese

Motoren auch mit Wechselstrom speisen. Er besteht aus einer Feldwicklung im

Ständer (Stator) und einer Ankerwicklung im Läufer (Rotor). Über den Kom-

mutator auf der Läuferwelle, wird der Strom über Kohlebürsten in die Anker-

wicklung geleitet.

Anzapfung der Erregerwicklung (Wicklungsanzapfung)

Vorwiderstand (verlustbehaftet)

Ankerparallel-Widerstand (verlustbehaftet)

Änderung der Klemmenspannung

Barkhausenschaltung

DrehzahlsteuerungDrehzahlsteuerung


Universalmotor


Aktorik 3


Mischmotoren

Mischmotoren sind permanent erregte Gleichstrom-

motoren die über Gleichrichter am 220 V-Wechsel-

spannungsnetz betrieben werden.

Diese Motoren werden für einfache Haushaltsgeräte

verwendet, insbesondere für Geräte, deren Heiz-

leistung als Vorwiderstand verwendet werden

(z. B. Haarfön).

Mischmotoren sind permanent erregte Gleichstrom-

motoren die über Gleichrichter am 220 V-Wechsel-

spannungsnetz betrieben werden.

Diese Motoren werden für einfache Haushaltsgeräte

verwendet, insbesondere für Geräte, deren Heiz-

leistung als Vorwiderstand verwendet werden

(z. B. Haarfön).



Schrittmotor




2


3

4

5


Aktorik 4


Struktur eines Schrittmotor - Antriebs

α1α2

Endstufe

~=Stromversorgung

Steuerschaltung

Schrittmotor

Eingangssignal

Drehrichtung

Steuerfrequenz f Z

Steuerlogik

α = SchrittwinkelfZ = Schrittfrequenzz = Schrittzahl (Anzahl Schr./Umdrehg.)z = 360°/ α


Funktionsprinzip des Schrittmotors


Aktorik 5


Permanenterregter Schrittmotor

• Der Läufer besteht aus einem gepoltenPermanentmagneten. Die von Strom durchflossenen Ständerspulen erzeu-gen ein Magnetfeld.

• Ungleichnamige Pole ziehen sich an.Der Läufernordpol bewegt sich zumStändersüdpol.

• Werden die einzelnen Spulen in einerbestimmten Reihenfolge ein- und aus-geschaltet, so folgt der Läufernordpolschrittweise dem wandernden Ständer-südpol.

• Je Spulenumschaltung wird ein Schrittausgeführt, der einem fest definierten Winkel entspricht.

• Das Umschalten der Ständerspulen er-folgt über Transistoren oder integrierte Schaltkreisen.


Stator Rotor

Pol (gezahnt)Polschuh(Nordpol)

Polschuh(Südpol)

Kugellager

Wicklung Motorwelle

Permanentmagnet

Aufbau eines Zwei-Phasen-Permanentmagnet-Schrittmotors


Aktorik 6


Schrittwinkel αDer Schrittwinkel α ist der geometrische Winkel, um den sich die Motorwelle je Steuerimpuls dreht.

p = Polpaarzahlm = Anzahl der Wicklungsphasen(Magnetsysteme, Stränge im Ständer)

Schrittzahl zDie Anzahl der Schritte des Schrittmotors je Umdrehung wird als Schrittzahl z bezeichnet.

mp2360

∗∗°=α

α°= 360

z

Schrittmotor

Drehzahl n

Die Drehzahl n des Schrittmotors ergibt sich zu:

Schrittfrequenz f Z

Solange der Schrittmotor keinen Schrittfehler

macht, ist die Frequenz fZ gleich der

Steuerfrequenz fS

zf60

nZ∗=

°α∗π∗=

3602f

nZmin-1 s-1oder

60360n

60zn

fZ∗α

°∗=∗=


ZahlenbeispielIn einem Positioniersystem wird der Transportschlitten über einen von einem Schrittmotor bewegten Zahn-riemenantrieb verfahren. Das Zahnrad auf der Motor-welle hat den Durchmesser d = 36 mm. Wie viel Um-drehungen und Schritte sind zum Verfahren von 0,72 m erforderlich, wenn der Schrittwinkel α = 0,72° beträgt ?

Lösung

Der je Umdrehung zurückgelegte Weg entspricht

dem Umfang U des Zahnrades

Die Anzahl der Umdrehungen n ergibt sich aus

Die Schrittzahl z des Motors ist

Die Summe der erforderlichen Schritte Z ist

.m1131,0m036,0dU =π∗=π∗=

.37,6m1131,0

m72,0Us

n ===

.50072,0

360360z =

°°=

α°=

.318550037,6znZ =∗=∗=


Aktorik 7


1 2 3

1/FZ

Impulse

βm (t)

Ωm (t)

t

t

t

α

α

α

Zeitverläufe der mechanischen Winkelge-schwindigkeit, des Verdrehwinkels sowie der Eingangsimpulse


Bewegungsabläufe für verschiedene Schrittfolgen

β β β

Impulse ImpulseImpulse

ttt

ttt

TS TS TS

α

α α α

Abbildung A:Der Impulsabstand Ts = 1/fs ist so groß, dass der Motor bereits die neue stationäre Position einnimmt, bevor der nächste Steuerimpuls auftritt.

Abbildung B:Durch die Erhöhung der Steuer-frequenz wächst der Winkel αnahezu linear an.

Abbildung C:Ist die Steuerfrequenz zu hoch, kommt der Motor außer Tritt und es kommt zu unkontrollierten Schrittverlusten.


Aktorik 8


Phase A

Phase B

UngedämpfteSchwingung

GedämpfteSchwingung

Dämpfung eines Scheiben-Schrittmotors


Schrittmotor - Kennlinie

JL= 0

JL

JL1

MM max

MA max

MB max

ML

fB0 max

fz

fz

1 = Begrenzung für Betriebsbereich

2 = Begrenzung für Startbereich; JL= 0

3 = Begrenzung für Startbereich; JL> 0

1 = Begrenzung für Betriebsbereich

2 = Begrenzung für Startbereich; JL= 0

3 = Begrenzung für Startbereich; JL> 0

fA max(1) fB maxf1

123

fA max(2) fA0 max

fA max (1) bei JL= JL1 und ML= MA max

fA max (2) bei JL= 0 und ML= MA max

fA max (1) bei JL= JL1 und ML= MA max

fA max (2) bei JL= 0 und ML= MA max


Aktorik 9


Dreisträngiger PM-Schrittmotor

βm

N

S

A

B

Cm = 3 (m = Anz. der Magnetsysteme

im Ständer)

p = 1 (p = Polpaar des Rotors)

Vorteile Nachteile

niedriger Preis relativ großer Schrittwinkel

leistungsfähiger

als der Reluk-

tanzmotor

hohe Eisenverluste und

daher begrenzte Spitzen-

drehzahl


Dreisträngiger Reluktanzmotor

Strang AStromrichtung

B

CZR = 4p = 2m = 3

Vorteile Nachteile

sehr kleiner Schrittwinkel

möglich

nicht sehr leistungs-

fähig

einfache und kosten-

günstige Herstellung

Mikroschrittbetrieb

nicht möglich

kein Rastmoment Eisenverluste


Aktorik 10


ZR = 2; p = 1; m = 3 Z = 2 • p • m

Strang A

Dreisträngiger Reluktanz-motor in Einständerbauweise


Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors

Ständerpol

Permanent-Magneten

Rotor

Wicklung

µr= 1

Südpol- „Zahnrad“

Nordpol- „Zahnrad“

Rückschluss -Joch

N

N

N

S

S


Aktorik 11


Vorteile Nachteile

kleine Schrittwinkel möglich (α < 1,8°)

hohes Trägheitsmoment

hohes Haltemoment Verkopplung der Phasen-

wicklungen

hohes Drehmoment durch Statormagnete möglich

relativ langer Magnetkreis

(Eisenverluste)

Vor- und Nachteile des Hybridschrittmotors


Scheibenläufer

Statorwicklung

Lager

Magnete

Deckel vorne

Schrittmotor (Scheibenläufer)


Aktorik 12


a) Längsschnittb) Abwicklungc) Draufsicht auf einen Ständer

von der Läuferseite

Magnetsystem 1 Magnetsystem 1Magnet-system 1

Magnet-system 1

Magnetsystem 1 Magnetsystem 1

a.)c.)

b.)

Aufbau eines permanent-erregten Scheibenschrittmotors

Eisenkreis geblecht

Läufer (niedriges Trägheitsmoment)


höchste Bescheunigung kleinste Abmessung

praktisch unverzerrte sinus-förmige Drehmomentfunktion

niedriges stromloses Rast-moment

Rotormag. aus Seltenen Erden

kürzeste Eisenkreiseminimale Sättigung bei IN

niedriges Rotorträgheits-moment

kürzeste Positionszeitenhohes Verhältnis Leistung/

Gewicht u. Leistg./Baugrößebessere Winkelgenauigkeit im

Mikroschrittbetriebgenerell bessere Winkelge-

nauigkeitniedriges Trägheitsmoment,

hohe magnetische Energieniedrigste Eisenverlustegute Linearität, Betrieb mit

Überstrom möglich

sehr hohe Anlauffrequenz

Scheibenmagnet-Technologie( Merkmale & resultierende Vorteile)


Aktorik 13


Voll-, Halb- und MikroschrittbetriebVollschrittbetrieb

Beim Vollschrittbetrieb werden beide Wicklungsstränge bestromt.

Halbschrittbetrieb

Hierbei werden, bei jedem zweiten Schritt –je nach Wicklung (A oder B) eine der Wicklungen im Wechsel abgeschaltet.

Mikroschrittbetrieb

Im Mikroschrittbetrieb wird der Strom in einer Phase stufenweise vermin-dert, während die Erregung in der zweiten Phase gleichzeitig um dengleichen Wert erhöht wird (z.B. Sinus- und Cosinusförmig).Dabei werden Zwischenschritte erreicht, durch die der Vollschritt in eine Anzahl von Einzelschritten unterteilt wird.


Funktion Halbschrittbetrieb


Aktorik 14


Stromkennlinie

Vollschrittbetrieb Halbschrittbetrieb Mikroschrittbetrieb

Phase A

Phase B

It

t


MikroschrittbetriebPrinzipieller Aufbau des Schrittmotors

Phase B

Phase A

Phase A Phase A

Position

PositionB B

NS


Aktorik 15


Mikroschrittbetrieb

iA= I0• cos (β0)

iB= I0• sin (β0)

MA= -kM• iA • sin (β)

MB= kM• iB • cos (β)

M = MA + MB = - kM• i0 • sin (β - β0)

β0

Phase B

Phase A Drehmoment

PositionS

N


Mikroschrittbetrieb

Durch den Mikroschrittbetrieb wir eine höhere Auflösung erreicht, eine bessere Winkelgenauigkeit wird jedoch nicht erzielt.

Der Energiebedarf für einen Mikroschritt ist geringer als für einen Schritt bei Voll- und Halbschrittbetrieb.Dadurch verringert sich die Welligkeit des Drehmoments und esergibt sich einen besseren Rundlauf ohne Anregung von Reso-nanzen.

Das Haltemoment ist bei allen (Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb)gleich.


Aktorik 16


Bipolare-AnsteuerungDer Strom fließt abwechselnd in beiden Richtungen durch einen Wicklungsstrang.

Bipolare-Ansteuerung

Bei der Bipolaren-Ansteuerung eines Wicklungs-

stranges fließt der elektrische Strom abwechselnd

in beiden Richtungen und baut damit magnetische

Flüsse beider Polarität auf. Das Ständersystem be-

steht hierbei aus einem einzigen Strang.

Die Wicklungen können also in beiden Richtungen

Strom führen. Damit ist der Wicklungsraum ständig

bestromt.

Dies bedeutet, es können höhere Drehmomente erzielt

werden aber es ist eine aufwendigere Elektronik er-

forderlich.


Unipolare-AnsteuerungDer Strom kann nur in einer Richtung durch den Wicklungsstrang fließen.

Unipolare -Ansteuerung

Liegt eine unipolare Ansteuerung vor, so kann der Strom

nur in einer Richtung durch die Strangwicklung fließen

(Stränge werden wechselnd aus- und eingeschaltet).

Jeder Strang der Wicklung wird mit zwei Drähten parallel

gewickelt. Die beiden Zweige werden in Reihe geschaltet;

am Verbindungspunkt wird Gleichspannung eingespeist,

somit kann über den einen oder anderen Zweig Strom

fließen.

Nachteil ist; der Motor ist schlecht ausgenutzt, da stets

ein Teil der Stränge stromlos ist. Die Ansteuerung ge-

staltet sich jedoch sehr einfach und damit auch kosten-

günstig.


Aktorik 17


Blockschaltbild des integrierten Bausteins SAA 1027

Blockschaltbild des integrierten Bausteins SAA 1027

Typische Anschlüsse des SAA 1027

an einen Vierphasenschrittmotor

Typische Anschlüsse des SAA 1027

an einen Vierphasenschrittmotor

Integrierter Schaltkreis SAA 1027 für einen Schrittmotor


ZusammenfassungEigenschaften von Schrittmotoren

Direkte digitale Ansteuerung über integrierte Schaltungen

Lastverhältnisse müssen bekannt sein => Überdimensionierung erforderlich

Wartungsfrei Relativ kleine Leistungsdichte

Kostengünstiges Antriebskonzept Im gesteuerten Betrieb Gefahr von Schrittfehlern

Gesteuerter Betrieb ohne Lagesen-sor bei bekannter Last möglich

Vergleichweise geringe Stelldynamik

Anwendungsbereich kleine Stellmomente/-kräfte einfache Positionierungsaufgaben bei bekannten Lastverhältnissen

Anwendungsbereich kleine Stellmomente/-kräfte einfache Positionierungsaufgaben bei bekannten Lastverhältnissen

VorteileVorteile NachteileNachteile


Aktorik 18



Schrittmotor




2


3

4

5


Drehstrom –AsynchronmotorAufbau


Aktorik 19


1 2

3

4

5

6

1 Stator (Ständer) 4 Blechschnitt2 Blechpaket 5 Rotor (Läufer)3 Kurzschlussring 6 Rotorstäbe

Aufbau eines Asynchronmotors


Kurzschluss-/Käfigläufer

Läuferstäbe

BlechpaketKurzschlussring

Kurzschlusswicklung


Aktorik 20


AsynchronmotorVorteile: (Vergleich zu Kommutatormotoren) Geringe Masse Kleine Baulänge Kurze Anlauf- und Abbremszeiten Wartungsärmer Robust (nur die Lager sind Verschleißteile) Geräusch- und schwingungsarm Einfacher Aufbau und damit kostengünstig Lange Lebensdauer

Nachteile: Bindung an die synchrone Drehfelddrehzahl des speisenden Netzes Aufwendige Drehzahleinstellung und –Regelung Mittlerer Wirkungsgrad


Einsatzgebiete (einige Beispiele)

Robuste Antriebe

Wechselstrommotoren: Heizungsumwälzpumpen, Garagenantrieb, Rasenmäher, Lüfter und Ventilatoren, Kopierer.

Drehstrommotoren: Hochfrequenzwerkzeuge, Betonmischmaschine,Schleifmaschine, Kreissägen, Etikitiermaschinen.

Geräuscharme Antriebe:

Heizungsumwälzpumpen, Bügelmaschinen, Schreibmaschinen, Kopierer,Lüfter und Ventilatoren.

Umrichterbetrieb (Drehstrommotoren mit stell- bzw. regelbarer Drehzahl)

Waschmaschinen, Hauptspindelantriebe, Servoantriebe.


Aktorik 21


Die Drehstrom –Asynchronmotoren arbeiten mit einem im Luftspalt umlaufenden

Drehfeld. Das magnetische Feld wird durch die Wicklungen, die in den Läufernuten

integriert sind, erzeugt. Die Speisefrequenz f und die Polpaarzahl p der Wicklung

legen die synchrone Drehfelddrehzahl ns fest:

Drehstrom –Asynchronmotoren unterscheiden sich durch die Läuferarten Schleif-

ringläufer und Kurzschlussläufer (Käfigläufer).

Drehstrom - Asynchronmotor

pf

ns =


Kennlinie eines Asynchronmotors

Motor

Generator

Gegenlauf

MMK

MA

s

MK

nK n nns- ns

MN


Aktorik 22


Anzugmoment M ADas Anzugsmoment MA ist das im Stillstand hervorgerufene Drehmoment. Beim Schleifringläufermotor liegt es relativ hoch, diese Art von Motoren haben ein hohes Anfahrdrehmoment.

Sattelmoment M SDas Sattelmoment MS ist das kleinste an der Welle eines Motors auftretende Moment es liegt zwischen Anzugs- und Kippmoment. Es tritt beim Schleifringläufermotor nicht auf. Das Sattelmoment tritt immer bei 1/7 der Drehfelddrehzahl auf.

Kippmoment M KDas Kippmoment MK ist das höchste Moment, das der Motor zwischen Sattel- und Nennmoment ausübenkann. Es liegt etwa 1,6 bis 2,5fach über dem Nennmoment.

Nennmoment M NDas Nennmoment MN tritt im normalen Betriebsfall auf. Mit der auf dem Leistungsschild angegebene Leistungsabgabe PN und der Nenndrehzahl nN, ergibt sich das Nennmoment MN zu

MN Nennmoment in Nm PN Abgabeleistung in kW nN Nenndrehzahl in l/min oder min-1

MN= PN* 9550/nN

Drehmomente beim Asynchronmotor


Kurzschlussläufer (Käfigläufer)

Der Kurzschlussläufer hat im Blechpaket unisolierte Stäbe aus Aluminium, die

an den Enden durch Ringe kurzgeschlossen sind und eine Art Käfig bilden.

Das im Luftspalt umlaufende Drehfeld induziert (Induktionsmotor) in der Läufer-

wicklung Spannungen. Diese haben nach der Lenz‘schen Regel Ströme und

Drehmomente zur Folge, die den Läufer immer in Richtung synchroner Dreh-

zahl ns beschleunigen. Im Synchronlauf ist der Läufer stromlos, da keine Span-

nungen induziert werden. Das Drehfeld nimmt den Läufer immer nur asynchron

mit.

Die bezogene Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer ist der Schlupf s:

s

s

nnn

s−=


Aktorik 23


Schlupf (1)Betrachtet man den Drehfeldzeiger von der Oberfläche des Läufers, so ergeben sich nachfolgende Situationen:(1) Drehfeldzeiger, mit Drehfelddrehzahl ns rotierend:

Läufer steht still! (2) Drehfeldzeiger erscheint mit nN < ns rotierend:

Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung! (3) Drehfeldzeiger erscheint stillstehend:

Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit nN=ns! (4) Drehfeldzeiger erscheint entgegen der Drehfelddrehrichtung rotierend:

Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit nN>ns rotierend!(5) Drehfeldzeiger erscheint in Drehfelddrehrichtung mit nN>ns rotierend:

Läufer bewegt sich entgegen der Drehfelddrehrichtung!


DrehzahlbereicheKennzeichnung der unterschiedlichen Drehzahlbereiche

des Läufers:

negative Drehzahlen Gegenlauf

Drehzahl n = 0 Stillstand

Drehzahl n < ns Untersynchroner Lauf

Drehzahl n = ns Synchroner Lauf

Drehzahl n > ns Übersynchroner Lauf


Aktorik 24


Asynchron - Schleifringläufer1 Ständerwicklung2 Läuferwicklung3 Läuferblechpaket4 Ständerblechpaket5 Gehäuse6 Bürstenbrücke7 Kohlebürsten8 Lagerschild9 Äußerer Lagerdeckel10 Innerer Lagerdeckel11 Schleifring12 Klemmbrett13 Wälzlager14 Lagerschild Antriebsseite15 Lüfter


Schleifringläufer

Vorteile:Verbessertes Anlaufverhalten (MA steigt)Drehzahländerung durch Widerstands-änderung möglich, jedoch nur unter Last

Nachteile:M = f(n) (Kennlinie) wird flacher, damit geht das Nebenschlussverhalten ver-loren.


Aktorik 25


Drehmomenten-Kennlinie eines Schleifringläufers mit verschiedenen Anlasswiderständen

Drehmomenten-Kennlinie


Schleifringläufer Kennlinien

Stromverlauf

Drehzahlveränderung bei gleich bleibendem Belastungsmoment

Drehmomenten-verlauf


Aktorik 26


Gegenüberstellung von Kurzschluss- & Schleifringläufermotoren

Vorteile des Kurzschlussläufermotors gegenüber dem Schleifringläufermotor

Einfache Bauweise, geringe Herstellungskosten, störungsfrei, einfache Wartung. Im Betrieb liegen der Leistungsfaktor cos φ und der Wirkungsgrad η etwa 1 bis 2% höher. Die Stirnringe der Kurzschlussläuferwicklung liegen eng am Blechpaket des Läufers, wo-

durch die Wicklungsstreuung gering wird. Deshalb hat der Kurzschlussläufermotor weniger Blindleistungsaufnahme und auch weniger Wärmeverluste als der Schleifringläufermotor.

Praktische Verwendung für alle polumschaltbaren Motoren. Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen.

Vorteile des Schleifringläufermotors gegenüber dem Kurzschlussläufermotor

Wesentlich günstigere Anlaufbedingungen und Verwendung zur Drehzahlsteuerung mittels Schlupfveränderung.

Verwendbar als elektrische Welle. Verwendbar als Drehtransformator. Verwendbar als asynchroner Frequenzumformer.


AnlassverfahrenAsynchronmotoren nehmen beim Einschalten einen sehr hohen Strom

auf IA = 4...10•IN.

Erst nach erreichen der Nenndrehzahl nimmt auch der Strom den Nenn-

strom an. Von den Energieversorgungsunternehmen wird für Motoren mit

höherer Leistung (bei Drehstrommotoren über 5 kW) spezielle Anlassver-

fahren gefordert, damit das Drehstromnetz nicht überlastet wird. Das

einfachste und häufigst angewandte Anlassverfahren ist das Stern –

Dreieck -Anlassverfahren. Dabei werden die Motorwicklungen zunächst

in der Y (Stern) –Schaltung und danach in ∆ (Dreieck) –Schaltung an

die volle Netzspannung gelegt.


Aktorik 27


Anlassverfahren

IA ~ (4 … 10)• IN


Stern –Dreieck - Schaltung

V230U

V400U

U3U

II

Strang

Netz

StrangNetz

StrangNetz

==

∗=

=

StrangNetz

StrangNetz

UU

I3I

=∗=

StrangYStrang I3I ∗=∆

∆∆∆

∗=⇒=∗

= NetzNetzY

Strang

StrangY

Netz

NetzYI

31

I31

I3

III

∆∗= M31

MY

Δ –Schaltung der Ständerwicklung

Y –Schaltung der Ständerwicklung

mit

folgt:

da M ~ I gilt:

Stern (Y) –Schaltung

Dreieck (∆) –Schaltung

400 V230 V

400 V

R

S

T

R

S

T


Aktorik 28


M

n

M ∆

M Y

Stern –Dreieck – Schaltung(Kennlinie)


Einphasen-AsynchronmotorVorteile• robust (nur die Lager sind Verschleißteile), wartungsarm, lange

Lebensdauer,• geräuscharm und schwingungsarm,• einfacher Aufbau, kostengünstig,• keine Bürstenreibung, keine Bürstenspannungsverluste

Nachteile• begrenzte maximale Drehzahl (nmax = 3000 min-1) bei einer Netz-

und Bemessungsfrequenz von 50 Hz.• relativ hohes Gewicht• aufwendige Drehzahlsteuerung und –regelung• mittlerer Wirkungsgrad• kleiner Leistungsfaktor (cos φ)• höhe Blindleistung


Aktorik 29


Kennlinie eines Anwurfmotors

Einsträngiger MotorEinsträngiger Motor Zweisträngiger KondensatormotorZweisträngiger Kondensatormotor


Einphasen-Asynchronmotor

M

N

L1

CACB

~

Betriebskondensator: 25 µF bis 35 µF je kW MotorleistungAnlaufkondensator: 100 µF bis 120 µF je kW Motorleistung

Einphasen-Asynchronmotor mit Betriebs- und Anlaufkondensator in der Hilfsphase

M

n

CB+ CA

CB


Aktorik 30


Einphasen-Asynchronmotor

M MM

N

L1

IHa

IHi

Anlaufschaltung des Einphasen-Asynchronmotors mit Hilfsphase

IHi = Strom der HilfswicklungIHA = Strom der Hauptwicklung


Spaltmotor Aufbau

SpaltpolHaupttpol

Streubleche

Kurzschlusswicklung

Kurzschlusswicklung

Spaltpol Haupttpol

U1

U2

L1

N

U1

N

U1

U2


Aktorik 31


Spaltmotor Wirkungsweise


SpaltmotorAnwendungenSchaltuhren, Plattenspieler mit Riemenantrieb, Schreibmaschinen, Waschmaschinen, Dunstabzughauben, Lüfter, Tonbandgeräten u.a.Vorteile• Sehr einfach im Aufbau, preiswert, robust, keine Wartung;• Selbstständiger Anlauf mit gutem Anlaufmoment MA (etwa 50%

vom Nennmoment MN)• Betrieb als Synchronmotor möglich; bei teilweiser Läuferausführung

mit hartmagnetischem Werkstoff.

Nachteile• Nur für kleine Leistungen (etwa 1 bis 300W) geeignet, da der

Leistungsfaktor cos φ und der Wirkungsgrad gering sind.• In Normalausführung nicht ohne weiteres reversierbar. Es muss

eine zweite Spaltpolwicklung vorhanden sein, bzw. der Läufer muss durch Abnahme der Lagerschilder umgekehrt werden.


Aktorik 32



Schrittmotor




2


3

4

5


Linearmotoren

Translatorische BewegungUm eine translatorische Bewegung mit rotatorischen Antrieben zu erreichen müssen diese kombiniert werden mit: mechanischen Umwandlungsgetrieben, wie Kugelge-triebe, Ritzel-Zahnstange oder Schnecken-Zahnstange.Die Nachteile hierbei sind: Spiel, Elastizität, Reibung und zusätzliche Trägheitsmasse.

Diese genannten Nachteile entfallen bei beim Einsatz von Linearmotoren.Linearmotoren können als lineare Ausführungsformen von rotierender Motoren be-zeichnet werden. Prinzipiell kann ein Linearmotor als Schritt-, Asynchron-, Synchron-oder Gleichstrommotor ausgeführt werden. Aufgrund der Verschleißfreiheit sind Drehstrom-Linearmotoren besonders geeignet, wobei wegen ihres einfachen Auf-baus sowohl Asynchron-Linearmotoren wie Synchron-Linearmotoren Anwendung finden.


Aktorik 33


Linearmotor

Stator

Kurzschlussläufer

Reaktionssystem R (ortsfest)

Primärsystem P


Führung

Sekundärteil

Primärteil Kabelschlepp

Lineares Wegmeßsystem

Aufbau eines linearen Antriebssystems


Aktorik 34


Querschnitt eines Asynchron-und Synchron-Linearmotors


pf

n =

p

fDv ⋅⋅= π

p

Dtp

⋅⋅=

2

π

ftD

tfDv p

p ⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅= 2

2

ππ

Für den Asynchronmotor gilt:

Für die Umfangsgeschwindigkeit gilt:

Mit der Polteilung tp

ergibt sich dann für die Geschwindigkeit:

Geschwindigkeiten beim Linearmotors


Aktorik 35


Kennlinie des Linearmotors

0,5 1,00Geschwindigkeit v/V s

1,0 0,5 0Schlupf s

F


Linearschrittmotor

Spule

Magnetischer Fluß

A B C D E B

Bett (Stator)

Schlitten (Rotor)


Aktorik 36


Vorteile eines Linearantriebs

• Hohe Präzision (bis 0,1 µm)

• Hohe Dynamik (gute Dämpfung, kurze Einschwingdauer)

• Beliebig lange Verfahrwege

• Hoher Gleichlauf (einfache Regelbarkeit)

• Mehrere unabhängige Läufer auf einer Achse

• Montage freundlich (geringe Bauteileanzahl)

• Spielfrei (keine Übersteuerung)

• Verschleißfrei (berührungsloser Antrieb)

• Schnelligkeit (hohe Geschwindigkeit, hohe Beschleunigung)


TorquemotorEin Torquemotor [torque (engl.) = Drehmoment] ist ein direkt angetriebener Rundmotor, wobei der Stator (Ständer) mit Wicklungen und der Rotor mit permanent Magneten ausgestattet ist.Er zählt zu den sog. Direktantrieben (wie auch der Linearmotor), bei diesen An-triebskonzepten entfallen mechanische Übertragungselemente, wie Getriebe, Riemen und Kupplungsglieder und damit entfallen auch die durch Mechanik bedingten Ungenauigkeiten.

Ein Torquemotor kann vereinfacht als ein auf hohe Drehmomente optimierter Servomotor mit einer Hohlwelle betrachtet werden.

Besonders geeignet sind Torquemotoren für Werkzeugmaschinen, wie z. B. Dreh-maschinen, Schwenkköpfe von Fräsautomaten, Roboter und Kunststoff-Spritz-maschinen. Aufgrund ihres guten Wirkungsgrads eignen sie sich auch als Antriebe für elektrische Rollstühle und Fahrräder.


Aktorik 37


Aufbau eines Torquemotors


Merkmale eines TorquemotorsDer Torquemotor zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Großer Durchmesser im Verhältnis zur Motorlänge (kompakt); Hohlwelle, die zur einfachen Montage aber auch zur Mediendurchführung (Kühl-

medium, Kabel, etc) verwendet werden kann; Hoher Wirkungsgrad durch den Permanentmagnet bestückten Rotor;

Statorpaket mit hochpoliger Statorwicklung; Massives Gehäuse mit Wasserkühlung zur Erhöhung der thermischen zu-

lässigen Motorleistung; Geringes Massenträgheitsmoment durch den Wegfall des Getriebes und daraus

resultierende hohe Dynamik; Hohes Drehmoment über den gesamten Drehzahlenbereich; Sehr gute Drehzahlkonstanz, ca. um Faktor 10 höher als bei konventionellen

Antrieben.


Aktorik 38


Komplett-Torquemotor (Siemens 1FW3)

Vollständiger Motor

Ständer- und Läufer


Einbau-Torquemotor

Rundtischantrieb

Torquemotor als Walzenantrieb


Aktorik 39


Torque-Motor(kleine Ausführung)

A P B

Prallplatte

Düsen

Permanentmagnet

Anker

Biegefeder


LinearmotorLinearmotor

Schrittmotor




2


3

4

5


Aktorik 40


Stellantriebe für kurze Wege


VorteileVorteile NachteileNachteile

einfacher, kompakter und kosten-günstiger Aufbau

nicht lineares Verhalten

direkte Erzeugung von Linearbewe-gung

geringe Leistungsdichte

sehr hohe Stelldynamik Reibung und magnetische Hysterese

großer Ruhestrom

Anwendungsbereich kleine Stellkräfte bei gleichzeitig kleinen Stellbereichen hohe Dynamik

Anwendungsbereich kleine Stellkräfte bei gleichzeitig kleinen Stellbereichen hohe Dynamik

Eigenschaften elektromagnetischer Stellantriebe


Aktorik 41


Elektromagnetische Umformer

Hub- und Proportional-magnet

Tauchspule Linearmotor Torquemotor



2 Tauchspulen

4 Gleich- & Wechselstrommagnete

1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete


Aktorik 42


Aufbau eines Proportionalmagnet

Kraft F


Proportionalmagnet

Proportionalmagnete sind in der Lage, aus einer elektrischen Eingangs-

größe eine Kraft- oder wegproportionale Ausgangsgröße zu bilden.

Es werden zwei unterschiedliche Arten von Proportionalmagneten unterschieden:

Hubgesteuerte Proportionalmagnete: Der Anker wird entgegen einer

Federkraft ausgelenkt.

Kraftgesteuerte Proportionalmagnete: Der Anker übt eine dem Eingangssignal

proportionale Kraft, z. B. auf einen Ven-

tilsitz, aus.


Aktorik 43


Kraft-Hub-Kennlinie eines Hubmagneten NG6


Strom- und Hubverlauf bei Spannungssprung


Aktorik 44


Differentialgleichung 1. Ordnung

MMSpM

UIRdtdI

L =⋅+

−= τ

− t

Sp

MM e1

RU

)t(ISpR

L=τ

Aus der Maschengleichung folgt eine Differentialgleichung 1. Ordnung:

(1)

Die Lösung der Gleichung ergibt den Anstieg des Magnetstromes:

(2) mit (3)

Nach dem Anlegen der Spannung UM steigt der Strom IM entsprechend dieser Gleichung an. Nachdem sich der Anker in Bewegung gesetzt hat, vergrößert sich die Induktivität der Spule und der Stromanstieg fällt zunächst ab. Nach Beendigung des Ankerhubs steigt der Spulenstrom erneut an und erreicht seinenEndwert (UM/ RSp).


Proportionalmagnet

Aufbau und Kennlinienfeld eines ProportionalmagnetenAufbau und Kennlinienfeld eines Proportionalmagneten


Aktorik 45


Proportionalmagnet Funktion

Bei geringem Strom ist die Kraft auf den Anker klein. Dementsprechend ist die Feder fast entspannt. Erhöht sich der elektr. Strom, so steigt die Kraft auf den Anker. Der Anker bewegt sich nach rechts und presst die Feder zusammen.

Bei geringem Strom ist die Kraft auf den Anker klein. Dementsprechend ist die Feder fast entspannt. Erhöht sich der elektr. Strom, so steigt die Kraft auf den Anker. Der Anker bewegt sich nach rechts und presst die Feder zusammen.


• Die Stellung des Ankers wird mit einem

induktiven Messsystem gemessen.

• Das Messsignal x wird mit dem Eingangs-

signal y verglichen.

• Die Differenz zwischen Eingangssignal y

und Messsignal x wird verstärkt.

• Es wird ein elektrischer Strom I erzeugt,

der auf den Proportionalmagneten wirkt.

• Der Proportionalmagnet erzeugt eine Kraft,

die die Position des Ankers so verändert,

dass sich die Abweichung zwischen Ein-

gangssignal y und Messsignal x verringert.

Aufbau eines lagegeregelten Proportionalmagneten


Aktorik 46



2 Tauchspulen

4 Gleichstrom- & Wechselstrommagnete

1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete

2 Tauchspulen


Prinzipieller Aufbau eines Tauchspulen-Aktors


Aktorik 47


Tauchspule

Tauchspule

Prallplatte

Membran

P P

Gehäuse

Permanent-magnet

innererPolschuhäußerer

Polschuh

A


Tauchspulen-Lautsprecher

S

N

S

N

Schwingspule

Feldlinien Ringmagnet


Aktorik 48


Lautsprecher mit Tauchspule

Der überwiegende Teil aller Lautsprecher (Flachmembran-, Kalotten-

lautsprecher, etc) sind als Tauchspulen-Lautsprecher konstruiert. Die

Spule und die Lautsprecher-Membran sind elastisch eingespannt und

bilden ein schwingungsfähiges System. Die Tauchspule schwingt nach

Anregung mit einer bestimmten Resonanzfrequenz fs. Diese Frequenz fs

steigt an, je leichter die Spule oder je stärker die Feder ausgelegt sind.

Umgekehrt fällt fs, wenn die Spule ein höheres Gewicht hat.

Motoren, die wie elektrodynamische Lautsprecher nach dem Tauch-

spulenprinzip funktionieren, werden als „voice-coil-motors“ bezeichnet.


Tauchspulen-Aktoren (Voice-Coil-Motor)Ausführungsarten

S

••••

NNS

SSNN

SN

NS

• •••

a.) b.)

Spule

Spule


Aktorik 49


Mikro-Montage

Greiferantrieb

Sortierer

Einpressen und Fügen

Schneidsystem

Dosiersystem

Verpacken und Etikettieren

Schwingantrieb

Laserstrahlführung

Anwendungsbeispiele für Tauchspulenaktoren


Schreib-Lese-Köpfe von Festplatten-Laufwerken

Positionierung der Schreib-Lese-Köpfe eines Festplatten-Laufwerkes. Der Verfahrweg der Köpfe wird durch den Spulenstrom gesteuert.Positionierung der Schreib-Lese-Köpfe eines Festplatten-Laufwerkes. Der Verfahrweg der Köpfe wird durch den Spulenstrom gesteuert.

N

N

S

S

Magnet Spule Schreib-Lese-Köpfe

Voice-Coil-Motor Wagen Spindel Festplatten


Aktorik 50


Positionierung des Schreib-Lese-Kopfes eines Disketten-Laufwerkes. Durch die verändernde Erregung wird eine Drehung ausgeführt.

Positionierung des Schreib-Lese-Kopfes eines Disketten-Laufwerkes. Durch die verändernde Erregung wird eine Drehung ausgeführt.

DisketteLese-Kopf

Spule

Magnet

Schreib-Lese-Kopf eines Diskettenlaufwerkes


Fokussier-System

Fokussier-System für die Laser-Abtastung eines CD- PlayersFokussier-System für die Laser-Abtastung eines CD- Players

Magnet

Spule

Fokussier-System

Federn

Laser

CD


Aktorik 51



2 Tauchspulen

4 Gleichstrom & Wechselstrommagnete

1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete

4 Gleichstrom & Wechselstrommagnete


Gleichstrommagnet Magnetkörper und Anker von Gleichstrommagneten bestehen aus

massivem Eisen, daher sehr robust; Auslegung als Hub- und Zugmagnete; Ausführungsart: „Schlagmagnete“

Die elektrische Energie wird bei dieser Ausführungsart direkt in kine-tische Energie umgesetzt, um mechanische Impulse zum Hämmern, Nieten oder Stanzen zu erzeugen.

Rückstellung des Ankers wird meist durch Schwerkraft oder durch Federn erreicht;

Gleichstrommagnete werden als translatorisch und als rotatorisch wirkend aufgebaut;

Die Magnetkräfte liegen zwischen 10 mN und 10 KN, die Energien erreichen Werte im Bereich um 200 Nm Kleinere Magnete besitzen Hübe von wenigen Millimeter Größere Magnete weisen Hübe bis zu 20 cm auf.


Aktorik 52


Gleichstrommagnet

Magnetkörper

Anker

Wicklung

Magnetkörper

Anker

Wicklung

AmagnetischerAnschlag

EE A A

E = EndlageA = Anfangslage

Hub- und Zugmagnete

a b

Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag


Wechselstrommagnete Alle flussführenden Teile in einem Wechselstrommagneten sind

geblecht aufgebaut. Der Grund sind die hohe Eisenwärmeverluste, die durch das pulsierende Feld im Magnetkörper entstehen.

Wechselstrommagnete erreichen Kräfte zwischen 1 und 150 N.

Die Hübe liegen zwischen wenigen Millimeter und 100 mm.

Werden Wechselstrommagnete als Drehstrommagnete (eher selten) ausgelegt, werden Magnetkräfte zwischen 50 und 1000 N erreicht Die Hübe liegen dann zwischen 20 bis 60 mm.

Vorteil gegenüber Gleichstrommagnete Schaltzeiten sind geringer

Nachteil: Durch das pulsierende Magnetfeld entstehen Brummgräusche.


Aktorik 53


Schwingankermotor Vibrator

Schwingankermotoren/Vibrator

Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag


Elektromagnetische Umformer

TypHub- und Proportional-Magnet

Tauchspule LinearmotorTorquemotor(kleinere Ausführungen)

AnwendungIn hohen Stückzahlen

Pneumatik selten Servotechnik

Kraftrichtung einseitig beidseitig beidseitig beidseitig

Eingangsleistung 18 bis 32 W 30 W 8 bis 65 W bis 4 W

Hubarbeit hoch niedrig sehr hoch sehr niedrig

Regeleigen-

schaften

mittlere Dynamik &

Hysterese

sehr schnell &

geringe HystereseHysterese

sehr schnell &

geringe Hysterese

Elektromechanische Umformer zur Ansteuerung hydraulischer oder pneumatischer Ventile

Elektromechanische Umformer zur Ansteuerung hydraulischer oder pneumatischer Ventile


Aktorik 54


Anwendungsgebiete Elektromagnetische Aktoren mit kleinen Hüben

Hubmagnete Klappen, Ventile, Schieber, Verriegelung, Fernmeldegeräte,

Backenbremsen bei Aufzügen, Steuerungen (Hydraulik und Pneumatik).

Schlagelemente Niet-, Stanz- und Prägemaschinen, Niet- und Meißel-

hämmer.

Drehmagnete Drosselklappen, Steuerventile, Materialvorschübe (z. B.

Stoffbahnen, Papier etc.)

Schwingungsmagnete Vibratoren: Basisapparate, Massagegeräte, Kolben-,

Schwing- und Membranpumpen, Rüttler, Rüttelsiebe, Rütteltische, Schwing- und Wendelförderer.


Antriebssysteme im Vergleich


Aktorik 55


Industriemotoren - Vergleich

Für Anwendungen, bei denen keine präzisen Geschwindig-

keitsregelung notwendig ist, eignen sich am besten Asyn-

chronmotoren. Da Asynchronmotoren auch durch Frequenz-

umrichter in der Drehzahl geregelt werden können, wurden

Gleichstrommotoren im Industriebereich nahezu verdrängt.

Für ein konstantes Drehmoment sind Gleichstrommotoren

aber immer noch die bessere Wahl.



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Elektromagnetische Aktoren 3 - thm.de · Prof. A. Büngers SS 2012 Aktorik 7 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 13 1 2 3 1/F Z Impulse βm (t) Ωm (t) t t t α α α Zeitverläufe