Prinzip der Synchronmaschine SM.doc

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1 Prinzi der ynchronmaschine M.doc 14 ynchronmaschine Die ynchronmaschine (M) wird vor allem als Generator bei der Energieumwandlung in Kraftwerken zur Erzeugung der Drehsannung eingesetzt. Als Motor verwendet man die ynchronmaschine bei großen Leistungen, z.b. als Antrieb von Drehrohröfen. Wegen dem gegenüber Asynchronmaschinen kleineren Bauvolumen werden ynchronmaschinen kleinerer Leistung (P < 50 kw) auch für Werkzeugmaschinen eingesetzt. Auch bei Antrieben in innereien, wo mehrere mechanische unabhängige Einheiten exakt synchron laufen müssen, verwendet man die M. Bild 14.1: ynchronmaschine im Einsatz bei einem Windkraftwerk (Enercon) Bild 14.2: ynchronmotor mit chenkelolläufer (6 Polaare)

2 ynchronmaschine Die Drehzahl der ynchronmaschine ist unabhängig von der Belastung und wird nur durch die Frequenz der eisesannung an den Maschinenklemmen bestimmt. Die Maschine hat keinen chluf wie eine Asynchronmaschine. Deshalb muß zur Drehzahlverstellung die Frequenz der eisesannung mit Hilfe eines Umrichters (vergl. Bild 14.14) eingestellt werden. Bild 14.3: Werkzeugmaschine mit Umrichter und chnittbild der ermanenterregten ynchronmaschine (3 Polaare) Bild 14.4: Mikromotoren links 3 mm (RMB), rechts 1,9 mm (Faulhaber) Größere ynchronmaschinen haben einen elektrisch erregten Rotor, der von einer Gleichsannungsquelle über chleifringe oder zusätzliche rotierende Transformatoren und Gleichrichter geseist wird. Bei kleinen Maschinen ist der Elektromagnet durch einen Permanentmagnet ersetzt (Bild 14.3, Bild 14.4). Dadurch entfallen die chleifringe und die Verluste im Rotor werden kleiner. Nachteilig ist jedoch, daß man die Erregung nicht verstellen kann.

3 Prinzi der ynchronmaschine 14.3 a) b) Bild 14.5: chnittbild einer chenkelol- und Vollolmaschine a) b) Bild 14.6: chenkelol- und Vollolläufer Der tänder einer ynchronmaschine ist genau so aufgebaut wie der tänder einer Asynchronmaschine. Man unterscheidet nach der Konstruktion des Rotors zwischen der chenkelol- und der Vollolmaschine (Bild 14.5a, Bild 14.6a bzw. Bild 14.5a, Bild 14.6b). Abwandlungen der ynchronmaschine sind der chrittmotor und die Reluktanzmaschine. Reluktanzmaschinen sind chenkelolmaschinen ohne Erregerwicklung oder Permanentmagnete. Ihre Wirkungsweise resultiert auf der magnetischen Unsymmetrie des Rotors Prinzi der ynchronmaschine Die Wirkungsweise der ynchronmaschine beruht darauf, daß das im tänder umlaufende Drehfeld versucht, den magnetisierten Rotor mitzunehmen. Das umlaufende Drehfeld wird wie bei der Asynchronmaschine durch die dreihasige Wicklung

4 ynchronmaschine erzeugt. Es bilden sich zwei Pole (=1 Polaar) aus, wenn im tänder 3 Wicklungen vorhanden sind. Bringt man im tänder der Maschine 3 Wicklungen gleichverteilt am Umfang an, dann ist auch entsrechend der Rotor mit 2 Pole auszustatten. Der Rotor bewegt sich um 1/ des gesamten mechanischen Umfangs weiter, wenn der elektrische Winkel sich um 2 π ändert. Die mechanische synchrone Winkelgeschwindigkeit Ω ist daher wie bei der Asynchronmaschine s ω Ω s =. (14.1) Die synchrone Drehzahl n s erhält man daraus zu Ωs ω f ns = = =. (14.2) 2π 2π Bei verschiedenen Polaarzahlen ergeben sich die folgenden synchronen Drehzahlen: n s /min Zur Umkehr der Drehrichtung sind zwei beliebige Leiteranschlüsse des Drehstromnetzes an den Maschinenklemmen zu vertauschen. In Ka. 7 haben wir gesehen, daß in den drei Durchmessersulen R, und T, die um jeweils 120 räumlich gegeneinander versetzt sind, bei Drehung des Rotors sinusförmige annungen erzeugt werden. Da die Maschine symmetrisch angenommen wird, kann man beisielsweise für die annung am trang 1 den komlexen Effektivwert einführen. Weil diese annung roortional zur magnetischen Erregung ist, bezeichnet man diese annung als Polradsannung U bzw. komlex U. Im Leerlauf der erregten Maschine kann man diese annung an den Klemmen der Maschine messen. Der Betrag der Polradsannung ist unter der Voraussetzung eines linearen Eisenkreises roortional zum Erregerstrom I f und zur Winkelgeschwindigkeit Ω s des Rotors, sodaß mit der Konstanten k für diese annung gilt: U = k I Ω f s (14.3) Ist die Polradsannung U größer als die Klemmensannung U, so sricht man von einer übererregten Maschine; ist sie kleiner, von einer untererregten (siehe Kreisbogen in Bild 14.7). Falls die Maschine einen Rotor mit Permanentmagneten besitzt, kann man I f als konstant annehmen. Die Zustände über- bzw. untererregt lassen sich in diesem Fall nur durch eine Drehzahländerung bzw. durch Anheben oder Absenken der tändersannung U erreichen. Die tänderwicklungen lassen sich durch einen ohmschen Widerstand U und eine Induktivität L beschreiben. Da bei großen Generatoren der ohmsche Widerstand gegenüber dem Blindwiderstand ω L klein ist, wird der ohmsche Widerstand R bei der weiteren Betrachtung vernachlässigt.

5 Prinzi der ynchronmaschine 14.5 Damit in den tänderwicklungen ein trom I fließen kann, muß an der nunmehr verbleibenden Induktivität L eine annung auftreten. Dies ist dann der Fall, wenn sich die außen angelegte annung U von der inneren Polradsannung U P unterscheidet. Als einhasige Ersatzschaltung der Vollol-ynchronmaschine kann man daher das in Bild 14.7 dargestellte Ersatzschaltbild angeben. I U P U jωli U P U 15_4.cdr 15_4.cdr untererregt übererregt Bild 14.7: Ersatzschaltbild der Vollol-ynchronmaschine Leistung und Drehmoment der ynchronmaschine Im Folgenden sollen nun die wichtigsten Größen, nämlich das Drehmoment, sowie die Wirk- und Blindleistung, hergeleitet werden. Zur Vereinfachung der Rechnung wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit der Zeiger für U auf die reelle Achse gelegt U = U. Die der Maschine zugeführte komlexe cheinleistung ist mit den komlexen Effektivwerten der tändersannung und des tänderstromes: = U I. (14.4) 3 Aus dem Ersatzschaltbild kann man die annungsgleichung U = jω L I + U ablesen. (14.5) Der tänderstrom I stellt sich aufgrund der annungsdifferenz zwischen Polradsannung U und tändersannung U nach folgender Beziehung ein: U U U U I = konjugiert komlex I =. (14.6)) jωl j ω L Für den annungszeiger der Polradsannung gilt mit der Vereinbarung daß U auf der reellen Achse liegt (Bild 14.7): j U = U e j bzw. konjugiert komlex U = U e. (14.7) etzt man die komlexen Effektivwerte für den trom und die Polradsannung in die Gl.(14.4) ein, wird daraus:

6 ynchronmaschine j 3 U 2 U U e 3 U 3 U U = = + jωl jωl jωl ( cos j sin ) 3 U U 3 U U U = sin + cos = P+ j Q. ωl ωl U Daraus folgt die von der Maschine aufgenommene Wirk- und Blindleistung: 3 U U P = sin ωl (14.8) 3 U U U Q = cos (14.9) ωl U Das von der Maschine entwickelte Drehmoment kann über die Leistungsbilanz bzw. mit Pmech = M Ω s leicht ermittelt werden. Mit der Annahme einer im tänder verlustlosen Maschine ( R = 0) muß die der Maschine zugeführte Leistung an der Welle als mechanische Leistung zur Verfügung stehen. Die von der Maschine benötigte Blindleistung Q endelt nur zwischen Netz und Maschine ohne mechanische Auswirkungen hin und her. Aus der Gleichheit von P= Pmech folgt: P 3 mech P U U M = = = sin, (14.10) Ω Ω Ω ωl s s s 3 U U M = sin Ω ωl s. (14.11) Das negative Vorzeichen bei der Wirkleistung P und beim Drehmoment M resultiert aus der oben gewählten Definition des troms. Da die ynchronmaschine vorwiegend als Generator eingesetzt wird, ist in vielen Literaturstellen der trom I nach dem Erzeugerzählfeilsystem gewählt, sodaß sich dort ein ositives Vorzeichen ergibt. Da wir aber bei der Gleichstrom- und Asynchronmaschine auch das Verbraucherzählfeilsystem verwendet haben, wollen wir das auch hier tun. M -π -π 2 Mot. Gen. π 2 π 15_4.cdr Bild 14.8: Drehmoment als Funktion des Polradwinkels Bild 14.8 zeigt die Abhängigkeit des inneren Drehmoments vom Polradwinkel. Befindet sich die Maschine im Leerlauf, so ist der Polradwinkel = 0. Mit wachsender

7 Prinzi der ynchronmaschine 14.7 Belastung im Motorbetrieb ( M > 0 ) verkleinert sich der Polradwinkel bis bei = 90 das maximale Drehmoment erreicht ist. Wird das außen an der Maschine angreifende Drehmoment weiter gesteigert, fällt die Maschine außer Tritt, was bedeutet, daß sie kein Drehmoment mehr liefert. Ähnlich verhält es sich im Generatorbereich, wo das Drehmoment negativ wird und der Polradwinkel bis maximal = 90 ansteigen kann. Der stabile Betrieb ist daher nur für Polradwinkel 90 << 90 möglich. Bei chenkelolmaschinen ist dieser Bereich noch weiter eingeschränkt. Bild 14.9: Wirk- und Blindleistung als Funktion des Polradwinkels bei U / U = 1,5;1;0, tationäres Betriebsverhalten der ynchronmaschine Die Betriebszustände, wie Motor- und Generatorbetrieb, lassen sich durch die Erregung, die tändersannung und die Drehzahl beeinflussen. Im Folgenden soll dabei nur der stationäre Betrieb betrachtet werden Motorbetrieb Bei Motorbetrieb ist die abgegebene Leistung P mech und die elektrisch zugeführte Leistung ositiv, er ist dadurch gekennzeichnet, daß sich der Polradwinkel im Bereich befindet. Bei Belastung steigt der Polradwinkel dem Betrag nach an. Der Betrag der Polradsannung kann nach Gl.(14.3) durch die Erregung oder die Drehzahl verändert werden. Deshalb ist es bei konstanter Drehzahl möglich, die von der ynchronmaschine aufgenommene Blindleistung einzustellen. Ist U > U, hat man den übererregten Betrieb, bei dem der tromzeiger I dem annungszeiger U voreilt. Da der Phasenwinkel ϕ < 0 ist, wirkt die Maschine ohmsch-kaazitiv am Netz. Es kann natürlich auch ein Arbeitsunkt eingestellt werden, bei dem die Maschine

8 ynchronmaschine keine Blindleistung benötigt. Bei Maschinen mit elektrischer Erregung kann dies in Abhängigkeit des Lastmoments so geschehen, daß die Blindleistung minimal wird. jωli jωli jωli U U P I ϕ 15_9.cdr U ϕ U P I 15_9.cdr I U ϕ U P a) b) c) Bild 14.10: Zeigerdiagramme bei Motorbetrieb ( < 0) a) untererregt ( ϕ > 0); b) übererregt, maximaler Wirkleistung b) übererregt ( ϕ < 0 ) Wird die Polradsannung kleiner als die Klemmensannung U, hat man den untererregten Betrieb. Dadurch wird der Phasenverschiebungswinkel ϕ > 0 und die Maschine wirkt ohmsch-induktiv. Maximale mechanische Leistung gibt die Maschine dann ab, wenn der Phasenwinkel ϕ = 0 wird (Bild 14.10b). Bei Generatorbetrieb steht der tromzeiger in Oosition zur tändersannung (Bild 14.11b). Der Anlauf einer ynchronmaschine vom tillstand n = 0 auf Nenndrehzahl kann am Netz konstanter annung nur mit Hilfseinrichtungen, die den Rotor auf die synchrone Drehzahl beschleunigen, geschehen. chaltet man eine erregte ynchronmaschine direkt ans Netz, entwickelt diese ein reines Wechselmoment mit dem Mittelwert Null, so daß die Maschine nicht beschleunigt wird. 15_9.cdr Generatorbetrieb Bei dem häufig angewendeten Generatorbetrieb wird die Maschine mechanisch angetrieben. Die Phasenverschiebung zwischen trom I und Klemmensannung U ist je nach Erregungszustand im Bereich 90 < ϕ < 270. Entsrechend zum Motorbetrieb nennt man den Betrieb übererregt, wenn die Polradsannung größer als die Klemmensannung ist.

9 Prinzi der ynchronmaschine 14.9 jωli jωli jωli U P U U P U U P U ϕ ϕ 15_9.cdr ϕ 15_9.cdr 15_9.cdr I I I a) b) c) Bild 14.11: Generatorbetrieb der ynchronmaschine (>0) a) untererregt ( 180 < ϕ < 90 ) ; b) übererregt max. Wirkleistung c) übererregt (180 <ϕ < 90 ) Phasenschieberbetrieb Wenn die ynchronmaschine keine Wirkleistung aufnimmt oder abgibt, aber trotzdem ein tänderstrom I fließt, bezeichnet man diesen Zustand als Phasenschieberbetrieb. Den Phasenschieberbetrieb kann man dadurch erzwingen, daß man das Drehmoment zu Null macht. Wegen P=0 wird dann auch =0. Man schließt dazu eine leerlaufende ynchronmaschine ans Netz an. Durch alleiniges Verstellen der Erregung läßt sich die Amlitude und die Phasenlage des troms I bezüglich der Netzsannung U einstellen. jωli U P U jωli =0 15_9.cdr U P ϕ I ϕ U =0 15_9.cdr I Bild 14.12: Zeigerdiagramm für Phasenschieberbetrieb ( P mech = 0 ) der ynchronmaschine a) untererregt, induktiv; b) übererregt, kaazitiv Der Phasenwinkel ϕ ist je nach Erregung entweder 90 oder 90. Ist die Polradsannung kleiner als die tändersannung, so ergibt sich ein Phasenwinkel ϕ = 90 und die Maschine wirkt wie eine an das Netz angeschlossene reine Induktivität, welche nur induktive Blindleistung benötigt. Ist U > 0, wird ϕ = 90 und die Maschine

10 ynchronmaschine wirkt an den Klemmen wie eine reine Kaazität. Angewendet wird der Phasenschieberbetrieb zur Komensation von Blindleistungen im Netz anstatt Kondensatoren. Faßt man die Zeigerdiagramme für alle Betriebszustände bei konstantem trombetrag I sowie konstanter annung U zusammen und betrachtet alle möglichen Phasenverschiebungswinkel 180 < ϕ < 180, so ergibt sich als Ortskurve für den trom I ein Kreis. Entsrechend bewegt sich die itze des Polrad-annungszeigers (Punkt P in Bild 14.13) auch auf einem Kreis. Vier ausgezeichnete Betriebszustände sind mit a bis c bezeichnet. Die Grenze zwischen unter- und übererregt bildet der große strichunktierte Kreisbogen. c P U P Im b ω j LI U d a a übererregt untererregt b ϕ I d Re c 15_8.cdr Bild 14.13: Zeigerdiagramm bei verschiedenen Betriebszuständen a) Motor, übererregt; b) Phasenschieberbetrieb, übererregt; c) Generator, übererregt; d) Phasenschieberbetrieb, untererregt Drehzahlsteuerung Um die Drehzahl der ynchronmaschine zu verstellen muß die tänderfrequenz verändert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Umrichter, der aus einer Gleichsannung ein dreihasiges Drehstromsystem variabler annung und Frequenz bildet. Die übliche truktur ist analog zur teuerung der Asynchronmaschine. Zur otimalen teuerung des Drehmoments ist der tromzeiger bezüglich des Polrades maßgeblich. Deshalb ist es in der Regel notwendig die tellung des Polrades (Rotor) mit Hilfe eines Lagegebers dauernd zu messen. Die teuerung stellt dann das annungssystem bezüglich dieses Polradwinkels ein (Bild 14.14).

11 chrittmotoren L1 L2 L3 Umrichter Wechselrichter Zwischenkreis Gleichrichter M 3 Lagegeber teuerung und Regelung teuereingang (analog oder digital) 15_6.cdr Bild 14.14: Prinziielle teuerung einer (olradorientierten) ynchronmaschine 14.3 chrittmotoren chrittmotoren haben in den letzten Jahren im Bereich von Positioniersteuerungen und Koordinatenantrieben immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dabei ist der chrittantrieb dadurch gekennzeichnet, daß sich die Welle des chrittmotors bei jedem teuerimuls um den von der Motorkonstruktion definierten Winkelschritt weiterdreht. Diese Eigenschaften erhalten die chrittmotoren durch Ihre sezielle Konstruktion: Der tator mit 2- bis 4-Phasenwicklungen besteht aus laminiertem Dynamoblech. Auch der Rotor ist aus diesem Material und Permanentmagnet-cheiben aufgebaut. tatorole und Rotor sind nach einer bestimmten geometrischen Ordnung verzahnt. Die Geometrie der Verzahnung bestimmt den chrittwinkel des Motors. Bei 1,8 chrittwinkel hat der Rotor 50 Polaare, bei 0,72 chrittwinkel entsrechend 125 Polaare. omit werden durch diese Verzahnung die Motormagnetfelder eindeutig gerichtet und gerägt. Werden nun die tatorwicklungen in einer bestimmten Reihenfolge zyklisch wiederholend erregt und dadurch umgeolt, so wird das tatormagnetfeld schrittweise gedreht. Der Rotor wird mit der Drehung des tatormagnetfeldes chritt um chritt nachgezogen. Der chrittwinkel kann elektronisch unterteilt werden (Halbschritt, Feinschritt). Aber auch ein Problem, das anderen Antriebssystemen erhebliche chwierigkeiten bereitet, lösen chrittmotoren sehr elegant: Die exakte Drehzahlsteuerung. Hierfür braucht man einem chrittmotor nur die exakte Taktfrequenz vorzugeben, die sich heute ohne chwierigkeiten quarzgenau erzeugen läßt. Mehrere Antriebe können so im exakten Gleichlauf betrieben werden. Diese elektronische Kulung ist meist genauer und oft auch reiswerter als mechanische Getriebe. Die Besonderheit eines chrittmotors liegt darin, daß eine mechanische Umdrehung in gleiche, definierte Winkelschritte aufgelöst wird und jeder chritt bzw. eine vorgewählte Anzahl chritte genau gesteuert verfahren werden kann. Das Positionieren mit einem chrittmotorantrieb ist denkbar einfach: Man muß nur so viele Imulse eingeben, wie chritte bis zum Ziel erforderlich sind. Der Nachteil ist, daß der chrittmotor bei Überlast chritte verliert. Kritisch sind also Laststöße, und auch das rasche Hochfahren des chrittmotors kann roblematisch

12 ynchronmaschine sein, besonders wenn man das Lastmoment nicht genau kennt. Man muß dann mit der Beschleunigung auf der sicheren eite bleiben und kann folglich das maximale Drehmoment nicht ausnutzen. Die zweite Einschränkung, des chrittmotors unterliegen, ist die Leistungsbegrenzung nach oben. Allerdings ist zu beobachten, daß sich diese Grenze zunehmend nach oben verschiebt. Das Problem der chrittverluste wurde vollständig gelöst. Die Ansteuerelektronik ist im Vergleich zur Ansteuerung anderer Motoren recht einfach und mit modernen Elektronikbauteilen auch relativ reiswert. Da Verlustwärme nur im tator entsteht, lassen sie sich besonders einfach kühlen. Ihre einzigen Verschleißteile sind die Lager. ie sind daher auch sehr robust. Das Drehmoment eines chrittmotors bleibt konstant vom tillstand bis zu hohen Drehzahlen. Auch stromlos erzeugt er ein recht großes Haltemoment. Dies ersart in vielen Anwendungen eine zusätzliche Motorbremse chrittmotoren werden heute hautsächlich in drei verschiedenen Ausführungen gefertigt: Permanentmagnet-chrittmotor chrittmotor mit weichmagnetischem Anker (Reluktanzrinzi) Hybrid-chrittmotor Für die Ansteuerung von chrittmotoren gibt es integrierte chaltungen (z.b. TCA 1540 von iemens), die teilweise auch einen Datenbus zum Direktanschluß an einen Mikrorechner besitzen Permanentmagnet chrittmotor Im Wesentlichen besteht der ermanenterregte chrittmotor aus mehreren unabhängigen Feldsulen, mit denen sich innerhalb des tators ein in Richtung und Amlitude veränderbares Magnetfeld erzeugen läßt (Bild 14.15). Die Feldsulen A und B werden nacheinander derart bestromt, daß sich der resultierende magnetische Fluß schrittweise am Umfang weiterbewegt. Zum Betrieb ist deshalb ein Umrichter notwendig, der im einfachsten Fall aus zwei Halbleiterschaltern bestehen kann. Man unterscheidet den uniolaren und den biolaren Betrieb. Beim uniolaren Betrieb fließt der trom nur in einer Richtung durch die Feldsulen, beim biolaren Betrieb (Bild 14.15) sind in einer Feldsule beide tromrichtungen erforderlich.

13 chrittmotoren a) b) c) d) Bild 14.15: a) Elektronische chalter zur Ansteuerung eines zweihasigen chrittmotors. b), c), d). Drei aufeinanderfolgende Läuferositionen bei einer Drehrichtung. tröme in den Rotorwicklungen. Die Läufer von chrittmotoren sind entlang des Umfangs abwechselnd mit Nord- und üdol magnetisiert. Dies kann dadurch realisiert sein, daß das Rotormaterial bereichsweise unterschiedlich magnetisiert ist oder daß weichmagnetische Eisenteile mit Zähnen eingebaut sind. Die Polaarzahl des Rotors ist in der Regel größer als die Anzahl der Feldsulen.

14 ynchronmaschine Der magnetisierte Läufer stellt sich so ein, daß der magnetische Widerstand möglichst klein ist. Dadurch tritt schon im Ruhezustand des Motors ein Haltemoment auf, das durchaus größer sein kann als das Drehmoment im chrittbetrieb. Die rinziielle Funktionsweise soll anhand des Modells von Bild mit 4 Feldsulen, die diagonal jeweils zu 2 trängen verschaltet sind (m=2) und 5 Polaaren (=5) auf dem Läufer für den biolaren Betrieb erläutert werden. Hervorgerufen durch die ositiv bestromte Feldwicklung A und die negativ bestromte Feldwicklung B (2, 3, 5 und 8 sind eingeschaltet), nimmt das resultierende magnetische Feld im tänder die durch den großen Pfeil N eingezeichnete tellung 1 zwischen den Polen ein. Der magnetisierte Läufer stellt sich auf diese Richtung so ein, daß dem üdol des tänders ein Nordol des Läufers gegenübersteht (Läuferosition I). Der Läufer ist durch den kleinen Pfeil im Rotor gekennzeichnet. Wird nun der trom in Feldwicklung B umgeschaltet (5 und 8 aus, 7 und 6 ein), so dreht sich der resultierende Fluß um 90 in mathematisch ositiver Richtung in tellung 2. Der Läufer bewegt sich dadurch um 18 weiter und nimmt die neue Position II ein. Auch in dieser tellung steht einem Nordol des tänders ein üdol des Läufers gegenüber. Für den nächsten chritt schaltet man bei weiterhin ositiver tromrichtung in Feldwicklung B den trom in der Feldwicklung A auf negativ um. Der resultierende Fluß nimmt die dargestellte Richtung 3 ein. Der Rotor dreht sich dadurch um einen weiteren chritt. In gleicher Weise wird die Position 4 angesteuert. Nach dem vierten chritt hat sich der Läufer um eine Polteilung (in diesem Beisiel um 360 / 5=72 ) weiterbewegt. Da immer beide Wicklungen bestromt sind, und der Motor einen vollständigen chritt ausführt, nennt man dies den Vollschrittbetrieb. Um die chrittweite zu reduzieren, kann man beim Halbschrittverfahren bei jedem zweiten chritt eine Wicklung unbestromt lassen. Zur Drehrichtungsumkehr kehrt man die chaltfolge um. Je mehr Zähne und Pole vorhanden sind, desto kleiner ist der chrittwinkel. Meist sind 48 bis 200 chritte ro Umdrehung erforderlich. Für den chrittwinkel δ gilt allgemein: 360 δ=, (14.12) 2 m wobei m die trangzahl im tänder und die Polaarzahl des Rotors ist. Das in Bild dargestellte Beisiel hat 2 tränge m =2 und 10 Pole, d.h. 5 Polaare =5. Der chrittwinkel δ ist deshalb δ= 18. Wenn f die chrittfrequenz (Zahl der möglichen chritte ro ekunde) des Motors ist, gilt für die Drehzahl:

15 chrittmotoren δ f n= f =. (14.13) m Da die Wicklungen eine nicht zu vernachlässigende Induktivität L haben, müssen zum Einrägen der tröme besondere Maßnahmen, z.b. mit einem Tiefsetzsteller, angewandt werden. Bedingt durch den Aufbau und die Wirkungsweise besitzen chrittmotoren Arbeitsbereiche, in denen kein einwandfreier Lauf möglich oder das verfügbare Drehmoment sehr gering ist. Diese Bereiche entstehen durch elektrische und mechanische Eigenschwingungen. Deshalb nimmt das Drehmoment mit wachsender chrittzahl ab. Bei zu großem Lastmoment kann es vorkommen, daß der Läufer sich nicht auf die vorgegebenen Flußrichtung des tänders einstellen kann. In diesem Fall können chrittfehler auftreten bzw. der Rotor vollständig wie bei einer ynchronmaschine außer Tritt fallen Reluktanz-chrittmotor Der Reluktanz-chrittmotor besteht aus einem weichmagnetischen Eisenrotor, bei dem sich Pole und Luftsalte abwechseln. Ansonsten ist der Rotor nicht magnetisiert. Ohne Ansteuerung entstehen daher auch keine Kräfte und der Rotor ist frei drehbar. Im tänder sind wie bei einer Drehstrommaschine am Umfang Wicklungen angebracht, mit denen man den Fluß weiterschalten kann. Bei den meisten Anwendungen sind die Wicklungen in zwei gleiche Teile aufgeteilt, wobei der zweite Teil dem ersten gegenüberliegt. Weil die tromrichtung keine Rolle sielt ergibt sich eine einfache Ansteuerschaltung (Bild 14.17). Wird eine Wicklung bestromt (in Bild Wicklung 1), so stellt sich der Rotor so ein, daß der mag. Widerstand minimal wird. Dies ist die in Bild 14.16a eingezeichnete tellung. Weil der Rotor nicht magnetisiert ist, könnten auch tellungen, die um 90, 180 oder 270 verdreht sind als Ausgangsstellung gelten. Im nächsten chritt wird nun 1 abgeschaltet und die um 120 gedrehte Wicklung 2 bestromt. Dadurch wird sich der Rotor um den chrittwinkel - hier δ=30 - weiterbewegen. Als nächstes wird 3 bestromt wodurch sich der Rotor um einen weiteren chritt δ=30 weiterbewegt. Bei diesem Beisiel bilden 12 chritte eine mechanische Umdrehung. Die Bedeutung der Reluktanz-chrittmotoren nimmt ab, weil man mit dem hybriden chrittmotor größere Leistung bei gleicher Baugröße erreichen kann _12RM.cdr 3 15_12RM.cdr 3 15_12RM.cdr

16 ynchronmaschine a) Ausgangsstellung b) 2 bestromt c) 3 bestromt Bild 14.16: Prinzi des chrittmotors nach dem Reluktanzrinzi (m=3; =2; δ=30 ) D 1 D 2 D 3 UZ _9RM.cdr Bild 14.17: Beisiel einer Ansteuerschaltung für den Reluktanzmotor nach Bild Die Zwischenkreissannung U Z liegt zwischen 5 und 24 V. Als chalttransistoren sind auch oft Feldeffekttransistoren eingesetzt Hybride chrittmotoren Aus der Kombination (deshalb Hybrid) des Permanenterregten und des Reluktanzrinzis entstand der Hybrid-chrittmotor. Im Rotor sind ein oder mehrere Permanentmagnete axial zwischen weichmagnetischen Polschuhen angeordnet (Bild 14.19b). Die Polschuhe sind gezahnt und jeweils ½ Zahnbreite gegeneinander versetzt. Der tator ist ebenfalls gezahnt und nimmt wie bei den anderen Tyen die Ansteuersulen auf. In der kizze nach Bild ist der Übersichtlichkeit wegen ein tatorol nur einmal gezahnt. a) b) Bild 14.18: a) Querschnitt durch einen Hybrid-chrittmotor. ichtbar sind die Wicklungen und die Zahnung der Pole b) gezahnter Rotor mit Permanentmagnet

17 chrittmotoren tator 1 N 1 N 2 15_11HM1.cdr Polschuh 1 Magnet axial Polschuh 2 15_11HM.cdr Bild 14.19: Quer- und Längsschnitt durch einen Hybrid-chrittmotor (m=2; =9; δ=10 ) 1 2 t t 15_11HM1.cdr ETI Vo Bild 14.20: tromverlauf in den Wicklungen für eine el. Periode Diese Bauart besitzt meistens nur zwei Wicklungssysteme 1 und 2, die aus mehreren Teilwicklungen bestehen können und biolar bestromt werden. Wird in Bild das aus 2 Wicklungen bestehende Teilsystem 1 ositiv bestromt, so stellt sich die dargestellte Läuferosition ein. Der nächste chritt ergibt sich, wenn die Wicklungen 2 negativ bestromt wird (Bild 14.21) N 1 1 N 1 15_11HM1.cdr 2 2 a) 2 negativ b) 1 negativ Bild 14.21: chrittfolge beim Hybrid-chrittmotor 15_11HM1.cdr

18 ynchronmaschine Bild 14.22: Hybrider chrittmotor mit 3 axialen Permanentmagneten und 10 Wicklungen im tänder (Berger Lahr) 14.4 Lineare chrittmotoren Das Prinzi des rotatorischen Motors läßt sich auch in die Ebene übertragen wenn anstatt des gezahnten Rotors eine Zahnstange eingesetzt wird. Bild und Bild 14.25). Auch hier wird immer nur eine ule bestromt. 1) Wird die Wicklung 1 mit ositiven trom geseist, so bildet sich links ein Nordol. Das elektrisch erregte Feld liegt mit dem ermanent vorhandene Feld des Magneten in reihe wodurch sich links ein starker Nordol ausbildet. Damit wirken hier Anziehungskräfte und es ergibt sich eine stabile Position der verschiebbaren Zahnstange. 2) Im nächsten chritt wird 1 ab und 2 ositiv eingeschaltet. Dadurch entsteht rechts außen ein starker üdol und die Zahnstange wird in diese Position gezogen. 3) Danach wird 2 ab- und 1 mit negativer Polarität eingeschaltet. Der Fluß des Permanentmagneten (Nordol) und der von der Wicklung addieren sich im 3. Und 4. Zahn von links. Die Zahnstange wird in diese Position gezogen. 4) Im nächsten chritt ist 1 ab- und 2 negativ eingeschaltet. Fluß des Permanentmagneten und der Wicklung 2 addieren sich im 5. Und 6. Zahn des tänders. Die Zahnstange wird nunmehr in diese Position gebracht. Dadurch ist ein vollständiger Zyklus durchlaufen.

19 Lineare chrittmotoren Bild 14.23: Prinzi linearer Hybrid-chrittmotor (m=2; =11; δ=länge/44) 1 2 Bild 14.24: tromverlauf linearer Hybrid-chrittmotor

20 ynchronmaschine a) tator b) Rotor Bild 14.25: Ausführung eines Hybrid-chrittmotor als Linearantrieb. Beachten ie die (schwer erkennbare) Verschiebung der Rotorzähne im rechten Bild um eine ½ Polteilung Eine weitere Bauart ist wie eine dreihasige ynchronmaschine aufgebaut und wird im - hier innenliegenden - tänder mit einem Drehstromsystem geseist. Die Ansteuerschaltung kommt mit 3 Zweigaaren bzw. 6 Transistoren aus (Bild 14.27). Der Rotor besteht aus einem abwechselnd mit Nord- und üdolen magnetisierten Ring, der von einer Blechscheibe gehalten wird. ämtliche zur teuerung des Motors notwendigen Komonenten sind innerhalb des Motors angebracht. Drehzahlerfassung. In die zwei mäanderförmigen Leitungen am äußeren Umfang der Motorlatine wir bei Drehung des Rotors eine annung mit der Drehfrequenz induziert. Hallsensoren zur Erfassung der Polradlage. Die drei ensoren sind in Bild rechts unten zu erkennen. teuerbaustein enthält alle zur teuerung notwendigen Komonenten und die Verarbeitung der Drehzahl und der Rotorlage. Das IC ist zur Kühlung unter einem Aluminiumstreifen angebracht.

21 Lineare chrittmotoren Bild 14.26: Dreihasiger chrittmotor mit 4 Polaaren im tänder (links) und 8 Polaaren im Rotor (rechts) Anwendung: Diskettenlaufwerk D D D U Z D2 D4 D _10M.cdr Bild 14.27: tromrichterschaltung zur eisung eines dreihasigen chrittmotors oder einer dreihasigen ynchronmaschine