Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack AWZM.1. Motoren und Antriebe

Transkript

1 AWZM.1 Motoren und Antriebe

2 Spindel Motoren, Getriebe und Sensoren Energiezuführung Schaltschrank, Steuerung und Regelung AWZM.2 Führungen und Lager x-schlitten Arbeitsspindel und z-achse Werkzeugmaschinen y-schlitten

3 AWZM.3 Stromsensor Geschwindig- keits- sensor LTN Getriebe O&Q Elektromotor Positions- sensoren (absolut / relativ codiert) Komponenten eines Antriebs

4 AWZM.4

5 AWZM.5

6 AWZM.6 Salje Aufbau und Lösungsmöglichkeiten für WZM-Hauptantriebe

7 AWZM.7

8 AWZM.8

9 AWZM.9 Motoren für Haupantriebe Elektrische Motoren Hydraulische Motoren Lineare elektrische Motoren Rotatorische elektrische Motoren Lineare hydraulische Motoren Rotatorische hydraulische Motoren Zylinder DS- Linearmotor Synchronmotor Gleichstrommotor Asynchronmotor Axialkolbenmotor Radialkolbenmotor Flügelzellenmotor Weck Gliederung der Motoren für Hauptantriebe

10 AWZM.10 Grundprinzipien elektrischer Antriebe

11 AWZM.11 Ladungen sind Quellen oder Senken E Coulombsches Gesetz: F = 1 4 πεε q q r r r 0 r r2 r1 r 1 r 2 q 1 F q Elektrisches Feld: F E = = q 1 4 πεε 2 r 0 q r 1 2 e r Vakuum ε r =1 Influenzkonstante: ε : = 8,85410 As / Nm 0 ( ) Elektrisches Feld I

12 F q = q r πεε r 0 r r2 r1 r P 2 W q F = d s = E d s q 2 S 2 S AWZM.12 Arbeit im elektrischen Feld: E Potenzial elektrisches Feld: ds u 12 P1 P2 u 12 = E ds= P P 2 1 Eds P 1 Wegunabhängigkeit des Potenzials E s S d = 0 Elektrisches Feld II

13 AWZM.13 v N q Eine bewegte Ladungen im magnetischen B-Feld erfährt die Lorentz-Kraft: B F F = q ( v B) S Infolgedessen wird die Ladung in Richtung der Kraft abgelegt. Lorentz-Kraft auf Ladungen

14 AWZM.14 i 1 i 2 N S S N l H q q 2 1 d H2 F = µ µ r 0 2π d l i i 1 2 Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern

15 AWZM.15 Keine Quellen und Senken N i S H q + Vakuum Um eine bewegte Ladung entsteht ein quellenfreies geschlossenen magnetisches H-Feld. Magnetisches Feld I

16 S Durchflutungssatz AWZM.16 i 1 i k H d s S = i k i K H ds Das Umlaufintegral der magnetischen Feldstärke H ist gleich der Summe der vom Weg S eingeschlossenen Ströme. Magnetisches Feld II

17 AWZM.17 Die Stromsumme wird auch als magnetomotorische Kraft (MMK) bezeichnet. Spule w-windungen MMH: = Θ = i w Magnetisches Feld III

18 AWZM.18 Ein Magnetfeld ist stets mit einem Stromfluss verbunden. Ausgerichtete atomare Ringströme erzeugen das makroskopische magnetische Feld eines Stabmagneten (Weißsche Bezirke). Magnetische Feldlinien sind geschlossene Feldlinien. Das Feld ist quellenfrei (divh = 0). Magnetische Felder H i

19 AWZM.19 B = µ r µ 0 H 1 Vakuum µ r = 1 Luft, Kupfer, Öl 1 ferromagnetische Materialien µ = 4π Vs Am Magnetische Flussdichte

20 AWZM.20 Remanenz x S B Materie stationäre Kennlinie Koerzitivkraft Neukurve Führungen x I H Lager Getriebe Laser opt. Kristalle Speicherung Leben Erinnerung usw. Hystereseverhalten Nicht lineares Verhalten

21 AWZM.21 Die relative Permeabilität ε r ist >> 1 (10 3 bis 10 5 ). Die Permeabilität ist eine Funktion der Feldstärke H. Bei großen Feldstärken tritt Sättigung auf (keine Ausrichtung mehr möglich). Die Sättigungsmagnetisierung ist temperaturabhängig (Curie-Punkt). Oberhalb einer bestimmten Temperatur verlieren magnetische Materialen irreversibel ihre magnetischen Eigenschaften (Curie-Temperatur). Magnetische Materialen zeigen Hystereseeigenschaften (Vorgeschichte, Gedächtnis). Eigenschaften des Ferromagnetismus

22 AWZM.22 x S B Permanentmagnete werden bei Überlastungen der Elektromaschinen entmagnetisiert Entmagnetisierung Permanentmagnete werden bei einer Übertemperierung entmagnetisiert x I H Sukzessive Verringerung der Wechselfeder Entmagnetisierungsmöglichkeiten und -Gefahren

23 weiche magnetische Werkstoffe Sättigungseffekte (Ausrichtung der magn. Kreisströme) Fläche ist proportional zur Ummagnetisierungsenergie AWZM.23 harte magnetische Werkstoffe Weiche und harte magnetische Werkstoffe

24 AWZM.24 B Magnetischer Fluss B dφ = B da da Φ = B d a Ferromaterialen konzentrieren die magnetischen Feldlinien. Sie sind quasi die Leiter der magnetischen Flüsse analog zum Stromleiter der elektrischen Ströme. A Quellenfreiheit A d 0 B a= Magnetischer Fluss

25 AWZM.25 BH, H n = B µ k k, N n= 1 Bk l n k µ = i k i +µn. l n A n N Φ n µ A n= 1 n n l n = Hohe Permeabilität Magn. Fluss überwiegend im magn. Kreis (Streufluss vernachlässigbar). i k Strecken sind mittlere Weglängen N n= 1 H l = i n n k Φ N 1 µ A n= 1 n n l n = i k Magnetischer Widerstand I

26 AWZM.26 BH, Magnetischer Widerstand: i +µn. l n A n R Mges N = R n= 1 Mn, R M n = l µ Magnetomotorische Kraft: n n A n Θ = ik = i w Φ R Mges = Θ Analogie zu elektrischen Netzwerken: Φ i, R R, Θ = u Mges Magnetischer Widerstand II

27 S A AWZM.27 Wirbelströme in Leitern Induktion von Spannungen in Leiterschleifen (EMV) Koppelung der Felder B E ds u I Φ = A= t const. II. Maxwellsche Gleichung Eds= B t S A da Elektromagnetische Felder I

28 AWZM.28 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 1 µ ε 0 0 Zeitlich veränderliche Felder treten stets als gekoppelte elektromagnetische Felder auf (Maxwellsche Gleichungen). Mit zunehmender Frequenz werden die Ströme und Felder auf Oberflächen verdrängt (Skineffekt, Asynchronmotor). Im GHz-Bereich liegt ein quasioptisches Verhalten vor. Elektromagnetische Felder II

29 AWZM Ruht der Beobachter relativ zu den Ladungen, so sieht er ein elektrisches Feld. Bewegt sich der Beobachter relativ zu den Ladungen, so sieht er ein magnetisches Feld. Dies macht deutlich, dass elektrische und magnetische Felder im Grunde nicht unterscheidbar sind. Deshalb spricht man von elektromagnetisches Feldern. Relativität und Elektromagnetische Felder

30 AWZM.30 B µ r1 µ r2 B1 = B2 = B F 2 B A 1 1 = 2 µ 2 µ 1 B µ r1 µ r2 H H H F = ( µ µ ) 1 = 2 = 2 H A Anwendungen: Relais, Sicherungsautomaten, Fehlerstromschutzschalter usw. Kräfte im magnetischen Feld

31 AWZM.31 N i l = v t q = it v q = i l l B F Lorentz-Kraft S F = v q B= il B Lorentz-Kraft auf Leitersysteme

32 AWZM.32 Wicklungsbezogene Größen M i A F a N B 2r F = i l B b b Mb = rb Fb Fa = Fb M a = rb Fa M = M + M b a l M = 2 r ( l B)i B F b S w-wicklungen Drehungen mit der Periodendauer T 2π sin( AB, ) = sin ( ωt), ω = T M = w Aisin( A, B) Lorentz-Kraft auf Spulensysteme (Motor)

33 AWZM.33 R u I M i A F a N B 2r Im Leiter befinden sich Elektronen, die durch die bewegte Spule bzw. die Lorentz-Kraft beschleunigt werden. Die Atomkerne sind im Metallgitter des Leiters gebunden, so dass eine Ladungstrennung erfolgt. ui = wb Aω cos( ω t) l B S v F b Diese Ladungstrennung erzeugt ein elektrisches Feld E e und eine Columbsche-Kraft F e = q E e, die der Lorentz-Kraft entgegenwirkt. Die Verschiebung vollzieht sich so lange, bis die Kräfte im Gleichgewicht stehen: q v B + qe = ( ) e 0 Lorentz-Kraft auf Spulensysteme I (Generator)

34 AWZM.34 R u I M i A F a N B 2r Unter Last fließt ein Strom, dessen Vorzeichen negativ ist (Verbraucherzählpfeilsystem Generator). Das System wird zum Generator und die Kraft- und Momentenvorzeichen wechseln ebenfalls. l B S v F b Insofern wird auch mechanisch ein Leistungsbedarf P R = M ω auftreten, der im verlustfreien Fall elektrisch von der Ohmschen Last vollständig in Wärmeleistung umgesetzt wird. Lorentz-Kraft auf Spulensysteme II (Generator)

35 AWZM.35 Feldschwächung N Feldstärkung F Reaktion F, v Aktion Der induzierte Strom muss so gerichtet sein, dass sein Magnetfeld die Leiterbewegung zu hemmen sucht. S Lensche Regel

36 AWZM.36 l A R l = σ A R i ur = Ri w-windungen L di u L = L d t i L = wφ Elektrisches Ersatzschaltbild eines Spulensystems

37 AWZM.37 i +µn. BH, l n A n Sämtliche Windungen umfassen den gleichen Fluss und der magnetische Widerstand ist berechenbar (Näherung für homogene streuarme magnetische Felder) R Mges = w i φ φ = w i R Mges Def.: Induktivität L = w φ i L = w R 2 Mges Induktivität

38 Motorbetrieb n AWZM.38 Generator II I - M + M III IV P = M ω - n Betriebszustände von Antrieben

39 AWZM.39 M labil M Betriebspunkt M M L = 0 3 M L 1 2 Statisch stabiler Betrieb n dm dn L > dm dn stabil Motor- und Lastkennlinien