Elektromagnetische Aktoren 3

Transkript

1 Elektromagnetische Aktoren 3 Kennwort: AB#Beta Jede Weitergabe dieser Folien über die Vorlesung hinaus ist ohne Zustimmung des Autors nicht gestattet. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 1 Elektromagnetische Aktoren Universalmotor Schrittmotor Asynchron- & Synchronmotor Linearmotor & Torquemotor Aktoren mit kurzen Hüben Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 2 Aktorik 1

2 Universalmotor Der 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 umgepolt, so bleiben Drehrichtung und Drehmoment erhalten. Wenn die Stromrichtung 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 Kommutator auf der Läuferwelle, wird der Strom über Kohlebürsten in die Ankerwicklung geleitet. Drehzahlsteuerung Anzapfung der Erregerwicklung (Wicklungsanzapfung) Vorwiderstand (verlustbehaftet) Ankerparallel-Widerstand (verlustbehaftet) Änderung der Klemmenspannung Barkhausenschaltung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 3 Universalmotor Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 4 Aktorik 2

3 Mischmotoren Mischmotoren sind permanent erregte Gleichstrommotoren die über Gleichrichter am 220 V-Wechselspannungsnetz betrieben werden. Diese Motoren werden für einfache Haushaltsgeräte verwendet, insbesondere für Geräte, deren Heizleistung als Vorwiderstand verwendet werden (z. B. Haarfön). Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 5 Elektromagnetische Aktoren Universalmotor Schrittmotor Asynchron- & Synchronmotor Linearmotor & Torquemotor Aktoren mit kurzen Hüben Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 6 Aktorik 3

4 Struktur eines Schrittmotor - Antriebs Stromversorgung ~ = α = Schrittwinkel f Z = Schrittfrequenz z = Schrittzahl (Anzahl Schr./Umdrehg.) z = 360 / α Steuerschaltung Endstufe Steuerlogik Eingangssignal Steuerfrequenz f Z Schrittmotor α 1α2 Drehrichtung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 7 Funktionsprinzip des Schrittmotors Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 8 Aktorik 4

5 Permanenterregter Schrittmotor Der Läufer besteht aus einem gepolten Permanentmagneten. Die von Strom durchflossenen Ständerspulen erzeugen ein Magnetfeld. Ungleichnamige Pole ziehen sich an. Der Läufernordpol bewegt sich zum Ständersüdpol. Werden die einzelnen Spulen in einer bestimmten Reihenfolge ein- und ausgeschaltet, so folgt der Läufernordpol schrittweise dem wandernden Ständersüdpol. Je Spulenumschaltung wird ein Schritt ausgeführt, der einem fest definierten Winkel entspricht. Das Umschalten der Ständerspulen erfolgt über Transistoren oder integrierte Schaltkreisen. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 9 Aufbau eines Zwei-Phasen-Permanentmagnet-Schrittmotors Stator Wicklung Rotor Motorwelle Kugellager Polschuh (Südpol) Pol (gezahnt) Permanentmagnet Polschuh (Nordpol) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 10 Aktorik 5

6 Schrittmotor Schrittwinkel α Der Schrittwinkel α ist der geometrische Winkel, um den sich die Motorwelle je Steuerimpuls dreht. 360 α = 2 p m p = Polpaarzahl m = Anzahl der Wicklungsphasen (Magnetsysteme, Stränge im Ständer) Drehzahl n Die Drehzahl n des Schrittmotors ergibt sich zu: 60 f n = z Z fz min -1 oder 2π α n = s Schrittzahl z Die Anzahl der Schritte des Schrittmotors je Umdrehung wird als Schrittzahl z bezeichnet. Schrittfrequenz f Z Solange der Schrittmotor keinen Schrittfehler macht, ist die Frequenz f Z gleich der z = 360 α Steuerfrequenz f S fz n z n 360 = = 60 α 60 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 11 Zahlenbeispiel In einem Positioniersystem wird der Transportschlitten über einen von einem Schrittmotor bewegten Zahnriemenantrieb verfahren. Das Zahnrad auf der Motorwelle hat den Durchmesser d = 36 mm. Wie viel Umdrehungen 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 U = d π = 0,036m π = 0,1131m. s 0,72m n = = = 6,37. U 0,1131m Die Schrittzahl z des Motors ist Die Summe der erforderlichen Schritte Z ist z = = = 500. α 0,72 Z = n z = 6, = Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 12 Aktorik 6

7 Zeitverläufe der mechanischen Winkelgeschwindigkeit, des Verdrehwinkels sowie der Eingangsimpulse Ω m (t) t β m (t) α α α t Impulse 1/F Z t Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 13 Bewegungsabläufe für verschiedene Schrittfolgen Abbildung A: Der Impulsabstand T s = 1/f s ist so groß, dass der Motor bereits die neue stationäre Position einnimmt, bevor der nächste Steuerimpuls auftritt. Abbildung B: Durch die Erhöhung der Steuerfrequenz wächst der Winkel α nahezu linear an. β β β Abbildung C: Ist die Steuerfrequenz zu hoch, kommt der Motor außer Tritt und es kommt zu unkontrollierten Schrittverlusten. α α α α Impulse t Impulse t Impulse t t t T S T S TS t Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 14 Aktorik 7

8 Dämpfung eines Scheiben- Schrittmotors Phase A Phase B Gedämpfte Schwingung Ungedämpfte Schwingung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 15 Schrittmotor - Kennlinie M L M M max M A max = Begrenzung für Betriebsbereich 2 = Begrenzung für Startbereich; J L = 0 3 = Begrenzung für Startbereich; J L > 0 M B max f B0 max f A max(1) f A max(2) f 1 f A0 max f B max f z J L J L = 0 f A max (1) bei J L = J L1 und M L = M A max f A max (2) bei J L = 0 und M L = M A max J L1 f z Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 16 Aktorik 8

9 Dreisträngiger PM-Schrittmotor A Vorteile Nachteile β m niedriger Preis relativ großer Schrittwinkel N B leistungsfähiger als der Reluktanzmotor hohe Eisenverluste und daher begrenzte Spitzendrehzahl S C m = 3 (m = Anz. der Magnetsysteme im Ständer) p = 1 (p = Polpaar des Rotors) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 17 Dreisträngiger Reluktanzmotor Strang A Stromrichtung B Vorteile sehr kleiner Schrittwinkel möglich Nachteile nicht sehr leistungsfähig einfache und kostengünstige Herstellung Mikroschrittbetrieb nicht möglich Z R = 4 p = 2 m = 3 C kein Rastmoment Eisenverluste Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 18 Aktorik 9

10 Dreisträngiger Reluktanzmotor in Einständerbauweise Strang A Z R = 2; p = 1; m = 3 Z = 2 p m Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 19 Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors Rückschluss -Joch Südpol- Zahnrad Ständerpol Permanent- Magneten µ r = 1 N N S Rotor N S Nordpol- Zahnrad Wicklung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 20 Aktorik 10

11 Vor- und Nachteile des Hybridschrittmotors Vorteile kleine Schrittwinkel möglich (α < 1,8 ) hohes Haltemoment hohes Drehmoment durch Statormagnete möglich Nachteile hohes Trägheitsmoment Verkopplung der Phasenwicklungen relativ langer Magnetkreis (Eisenverluste) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 21 Schrittmotor (Scheibenläufer) Statorwicklung Scheibenläufer Deckel vorne Lager Magnete Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 22 Aktorik 11

12 Aufbau eines permanenterregten Scheibenschrittmotors Eisenkreis geblecht a.) Magnetsystem 1 Magnetsystem 1 c.) Magnetsystem 1 Magnetsystem 1 Läufer (niedriges Trägheitsmoment) b.) Magnetsystem 1 Magnetsystem 1 a) Längsschnitt b) Abwicklung c) Draufsicht auf einen Ständer von der Läuferseite Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 23 Scheibenmagnet-Technologie ( Merkmale & resultierende Vorteile) höchste Bescheunigung kleinste Abmessung praktisch unverzerrte sinusförmige Drehmomentfunktion niedriges stromloses Rastmoment Rotormag. aus Seltenen Erden kürzeste Eisenkreise minimale Sättigung bei I N niedriges Rotorträgheitsmoment kürzeste Positionszeiten hohes Verhältnis Leistung/ Gewicht u. Leistg./Baugröße bessere Winkelgenauigkeit im Mikroschrittbetrieb generell bessere Winkelgenauigkeit niedriges Trägheitsmoment, hohe magnetische Energie niedrigste Eisenverluste gute Linearität, Betrieb mit Überstrom möglich sehr hohe Anlauffrequenz Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 24 Aktorik 12

13 Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb Vollschrittbetrieb 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 vermindert, während die Erregung in der zweiten Phase gleichzeitig um den gleichen Wert erhöht wird (z.b. Sinus- und Cosinusförmig). Dabei werden Zwischenschritte erreicht, durch die der Vollschritt in eine Anzahl von Einzelschritten unterteilt wird. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 25 Funktion Halbschrittbetrieb Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 26 Aktorik 13

14 Stromkennlinie Phase A I Vollschrittbetrieb Halbschrittbetrieb Mikroschrittbetrieb t Phase B t Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 27 Mikroschrittbetrieb Prinzipieller Aufbau des Schrittmotors Phase B Phase A S N Phase A Phase A B Position B Position Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 28 Aktorik 14

15 Mikroschrittbetrieb Phase B M A = -k M i A sin (β) M B = k M i B cos (β) N β 0 Phase A Drehmoment S Position i A = I 0 cos (β 0 ) i B = I 0 sin (β 0 ) M = M A + M B = - k M i 0 sin (β -β 0 ) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 29 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 es ergibt sich einen besseren Rundlauf ohne Anregung von Resonanzen. Das Haltemoment ist bei allen (Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb) gleich. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 30 Aktorik 15

16 Bipolare-Ansteuerung Der Strom fließt abwechselnd in beiden Richtungen durch einen Wicklungsstrang. Bipolare-Ansteuerung Bei der Bipolaren-Ansteuerung eines Wicklungsstranges fließt der elektrische Strom abwechselnd in beiden Richtungen und baut damit magnetische Flüsse beider Polarität auf. Das Ständersystem besteht 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 erforderlich. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 31 Unipolare-Ansteuerung Der 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 gestaltet sich jedoch sehr einfach und damit auch kostengünstig. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 32 Aktorik 16

17 Integrierter Schaltkreis SAA 1027 für einen Schrittmotor Blockschaltbild des integrierten Bausteins SAA 1027 Typische Anschlüsse des SAA 1027 an einen Vierphasenschrittmotor Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 33 Zusammenfassung Eigenschaften von Schrittmotoren Direkte digitale Ansteuerung über integrierte Schaltungen Wartungsfrei Vorteile Nachteile Lastverhältnisse müssen bekannt sein => Überdimensionierung erforderlich Relativ kleine Leistungsdichte Kostengünstiges Antriebskonzept Gesteuerter Betrieb ohne Lagesensor bei bekannter Last möglich Im gesteuerten Betrieb Gefahr von Schrittfehlern Vergleichweise geringe Stelldynamik Anwendungsbereich kleine Stellmomente/-kräfte einfache Positionierungsaufgaben bei bekannten Lastverhältnissen Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 34 Aktorik 17

18 Elektromagnetische Aktoren Universalmotor Schrittmotor Asynchron- & Synchronmotor Linearmotor & Torquemotor Aktoren mit kurzen Hüben Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 35 Drehstrom Asynchronmotor Aufbau Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 36 Aktorik 18

19 Aufbau eines Asynchronmotors Stator (Ständer) 4 Blechschnitt 2 Blechpaket 5 Rotor (Läufer) 3 Kurzschlussring 6 Rotorstäbe Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 37 Kurzschluss-/Käfigläufer Kurzschlussring Blechpaket Kurzschlusswicklung Läuferstäbe Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 38 Aktorik 19

20 Asynchronmotor Vorteile: (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 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 39 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 40 Aktorik 20

21 Drehstrom - Asynchronmotor 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 n s fest: ns = f p Drehstrom Asynchronmotoren unterscheiden sich durch die Läuferarten Schleifringläufer und Kurzschlussläufer (Käfigläufer). Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 41 Kennlinie eines Asynchronmotors M M K Motor M A M N s - n s Gegenlauf n K n n s n M K Generator Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 42 Aktorik 21

22 Drehmomente beim Asynchronmotor Anzugmoment M A Das Anzugsmoment M A ist das im Stillstand hervorgerufene Drehmoment. Beim Schleifringläufermotor liegt es relativ hoch, diese Art von Motoren haben ein hohes Anfahrdrehmoment. Sattelmoment M S Das Sattelmoment M S 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 K Das Kippmoment M K ist das höchste Moment, das der Motor zwischen Sattel- und Nennmoment ausüben kann. Es liegt etwa 1,6 bis 2,5fach über dem Nennmoment. Nennmoment M N Das Nennmoment M N tritt im normalen Betriebsfall auf. Mit der auf dem Leistungsschild angegebene Leistungsabgabe P N und der Nenndrehzahl n N, ergibt sich das Nennmoment M N zu M N Nennmoment in Nm P N Abgabeleistung in kw n N Nenndrehzahl in l/min oder min-1 M N = P N * 9550/n N Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 43 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 Läuferwicklung Spannungen. Diese haben nach der Lenz schen Regel Ströme und Drehmomente zur Folge, die den Läufer immer in Richtung synchroner Drehzahl n s beschleunigen. Im Synchronlauf ist der Läufer stromlos, da keine Spannungen induziert werden. Das Drehfeld nimmt den Läufer immer nur asynchron mit. Die bezogene Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer ist der Schlupf s: ns n s = ns Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 44 Aktorik 22

23 Schlupf (1) Betrachtet man den Drehfeldzeiger von der Oberfläche des Läufers, so ergeben sich nachfolgende Situationen: (1) Drehfeldzeiger, mit Drehfelddrehzahl n s rotierend: Läufer steht still! (2) Drehfeldzeiger erscheint mit n N < n s rotierend: Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung! (3) Drehfeldzeiger erscheint stillstehend: Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit n N =n s! (4) Drehfeldzeiger erscheint entgegen der Drehfelddrehrichtung rotierend: Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit n N >n s rotierend! (5) Drehfeldzeiger erscheint in Drehfelddrehrichtung mit n N >n s rotierend: Läufer bewegt sich entgegen der Drehfelddrehrichtung! Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 45 Drehzahlbereiche Kennzeichnung der unterschiedlichen Drehzahlbereiche des Läufers: negative Drehzahlen Gegenlauf Drehzahl n = 0 Stillstand Drehzahl n < n s Untersynchroner Lauf Drehzahl n = n s Synchroner Lauf Drehzahl n > n s Übersynchroner Lauf Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 46 Aktorik 23

24 Asynchron - Schleifringläufer 1 Ständerwicklung 2 Läuferwicklung 3 Läuferblechpaket 4 Ständerblechpaket 5 Gehäuse 6 Bürstenbrücke 7 Kohlebürsten 8 Lagerschild 9 Äußerer Lagerdeckel 10 Innerer Lagerdeckel 11 Schleifring 12 Klemmbrett 13 Wälzlager 14 Lagerschild Antriebsseite 15 Lüfter Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 47 Schleifringläufer Vorteile: Verbessertes Anlaufverhalten (M A steigt) Drehzahländerung durch Widerstandsänderung möglich, jedoch nur unter Last Nachteile: M = f (n) (Kennlinie) wird flacher, damit geht das Nebenschlussverhalten verloren. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 48 Aktorik 24

25 Drehmomenten-Kennlinie Drehmomenten-Kennlinie eines Schleifringläufers mit verschiedenen Anlasswiderständen Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 49 Schleifringläufer Kennlinien Drehmomentenverlauf Drehzahlveränderung bei gleich bleibendem Belastungsmoment Stromverlauf Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 50 Aktorik 25

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, wodurch 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. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 51 Anlassverfahren Asynchronmotoren nehmen beim Einschalten einen sehr hohen Strom auf I A = I N. Erst nach erreichen der Nenndrehzahl nimmt auch der Strom den Nennstrom an. Von den Energieversorgungsunternehmen wird für Motoren mit höherer Leistung (bei Drehstrommotoren über 5 kw) spezielle Anlassverfahren 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 52 Aktorik 26

27 Anlassverfahren I A ~ (4 10) I N Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 53 Stern Dreieck - Schaltung Stern (Y) Schaltung R S 400 V 230 V T Dreieck ( ) Schaltung R 400 V S T Y Schaltung der Ständerwicklung INetz = IStrang I folgt: I = 230V Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 54 I I U U U I Netz Netz Strang Netz U Netz = 3 U = 400V = = U = 3 I Strang 3 Strang Δ Schaltung der Ständerwicklung mit Strang Strang IStrangY NetzY StrangY = = INetzY = INetz Netz Strang 3 3 da M ~ I gilt: 3 I MY 1 1 = M 3 1 Aktorik 27

28 Stern Dreieck Schaltung (Kennlinie) M M M Y n Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 55 Einphasen-Asynchronmotor Vorteile robust (nur die Lager sind Verschleißteile), wartungsarm, lange Lebensdauer, geräuscharm und schwingungsarm, einfacher Aufbau, kostengünstig, keine Bürstenreibung, keine Bürstenspannungsverluste Nachteile begrenzte maximale Drehzahl (n max = 3000 min -1 ) bei einer Netzund Bemessungsfrequenz von 50 Hz. relativ hohes Gewicht aufwendige Drehzahlsteuerung und regelung mittlerer Wirkungsgrad kleiner Leistungsfaktor (cos φ) höhe Blindleistung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 56 Aktorik 28

29 Kennlinie eines Anwurfmotors Einsträngiger Motor Zweisträngiger Kondensatormotor Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 57 Einphasen-Asynchronmotor Einphasen-Asynchronmotor mit Betriebs- und Anlaufkondensator in der Hilfsphase L 1 N M C B + C A M ~ C B C A C B n Betriebskondensator: 25 µf bis 35 µf je kw Motorleistung Anlaufkondensator: 100 µf bis 120 µf je kw Motorleistung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 58 Aktorik 29

30 Einphasen-Asynchronmotor Anlaufschaltung des Einphasen-Asynchronmotors mit Hilfsphase L 1 N I Ha M M M I Hi I Hi = Strom der Hilfswicklung I HA = Strom der Hauptwicklung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 59 Spaltmotor Aufbau Haupttpol Spaltpol Kurzschlusswicklung Streubleche U1 L1 U1 U1 U2 N U2 N Kurzschlusswicklung Spaltpol Haupttpol Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 60 Aktorik 30

31 Spaltmotor Wirkungsweise Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 61 Spaltmotor Anwendungen Schaltuhren, Plattenspieler mit Riemenantrieb, Schreibmaschinen, Waschmaschinen, Dunstabzughauben, Lüfter, Tonbandgeräten u.a. Vorteile Sehr einfach im Aufbau, preiswert, robust, keine Wartung; Selbstständiger Anlauf mit gutem Anlaufmoment M A (etwa 50% vom Nennmoment M N ) 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 62 Aktorik 31

32 Elektromagnetische Aktoren Universalmotor Schrittmotor Asynchron- & Synchronmotor Linearmotor & Torquemotor Aktoren mit kurzen Hüben Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 63 Linearmotoren Translatorische Bewegung Um eine translatorische Bewegung mit rotatorischen Antrieben zu erreichen müssen diese kombiniert werden mit: mechanischen Umwandlungsgetrieben, wie Kugelgetriebe, 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 bezeichnet werden. Prinzipiell kann ein Linearmotor als Schritt-, Asynchron-, Synchronoder Gleichstrommotor ausgeführt werden. Aufgrund der Verschleißfreiheit sind Drehstrom-Linearmotoren besonders geeignet, wobei wegen ihres einfachen Aufbaus sowohl Asynchron-Linearmotoren wie Synchron-Linearmotoren Anwendung finden. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 64 Aktorik 32

33 Linearmotor Stator Primärsystem P Reaktionssystem R (ortsfest) Kurzschlussläufer Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 65 Aufbau eines linearen Antriebssystems Führung Sekundärteil Primärteil Kabelschlepp Lineares Wegmeßsystem Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 66 Aktorik 33

34 Querschnitt eines Asynchronund Synchron-Linearmotors Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 67 Geschwindigkeiten beim Linearmotors Für den Asynchronmotor gilt: Für die Umfangsgeschwindigkeit gilt: Mit der Polteilung t p n = f p v = π D tp f p π D = 2 p ergibt sich dann für die Geschwindigkeit: 2 tp v = π D f = 2 tp f π D Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 68 Aktorik 34

35 Kennlinie des Linearmotors F 0 0,5 1,0 Geschwindigkeit v/v s 1,0 Schlupf s 0,5 0 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 69 Linearschrittmotor Schlitten (Rotor) A B C D E B Spule Bett (Stator) Magnetischer Fluß Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 70 Aktorik 35

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) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 71 Torquemotor Ein 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 Antriebskonzepten 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. Drehmaschinen, Schwenkköpfe von Fräsautomaten, Roboter und Kunststoff-Spritzmaschinen. Aufgrund ihres guten Wirkungsgrads eignen sie sich auch als Antriebe für elektrische Rollstühle und Fahrräder. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 72 Aktorik 36

37 Aufbau eines Torquemotors Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 73 Merkmale eines Torquemotors Der Torquemotor zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Großer Durchmesser im Verhältnis zur Motorlänge (kompakt); Hohlwelle, die zur einfachen Montage aber auch zur Mediendurchführung (Kühlmedium, Kabel, etc) verwendet werden kann; Hoher Wirkungsgrad durch den Permanentmagnet bestückten Rotor; Statorpaket mit hochpoliger Statorwicklung; Massives Gehäuse mit Wasserkühlung zur Erhöhung der thermischen zulässigen 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 74 Aktorik 37

38 Komplett-Torquemotor (Siemens 1FW3) Ständer- und Läufer Vollständiger Motor Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 75 Einbau-Torquemotor Torquemotor als Walzenantrieb Rundtischantrieb Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 76 Aktorik 38

39 Torque-Motor (kleine Ausführung) Permanentmagnet Anker Biegefeder Prallplatte Düsen A P B Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 77 Elektromagnetische Aktoren Universalmotor Schrittmotor Asynchron- & Synchronmotor Linearmotor Aktoren mit kurzen Hüben Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 78 Aktorik 39

40 Stellantriebe für kurze Wege Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 79 Eigenschaften elektromagnetischer Stellantriebe Vorteile einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau direkte Erzeugung von Linearbewegung sehr hohe Stelldynamik Nachteile nicht lineares Verhalten geringe Leistungsdichte Reibung und magnetische Hysterese großer Ruhestrom Anwendungsbereich kleine Stellkräfte bei gleichzeitig kleinen Stellbereichen hohe Dynamik Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 80 Aktorik 40

41 Elektromagnetische Umformer Hub-und Proportionalmagnet Tauchspule Linearmotor Torquemotor Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 81 Aktoren mit kurzen Hüben 1 Hub- Physikalische und Proportionalmagnete Grundlagen 2 Tauchspulen 4 Gleich- & Wechselstrommagnete Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 82 Aktorik 41

42 Aufbau eines Proportionalmagnet Kraft F Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 83 Proportionalmagnet Proportionalmagnete sind in der Lage, aus einer elektrischen Eingangsgröße 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 Ventilsitz, aus. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 84 Aktorik 42

43 Kraft-Hub-Kennlinie eines Hubmagneten NG6 Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 85 Strom- und Hubverlauf bei Spannungssprung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 86 Aktorik 43

44 Differentialgleichung 1. Ordnung Aus der Maschengleichung folgt eine Differentialgleichung 1. Ordnung: di dt M L + RSp IM = Die Lösung der Gleichung ergibt den Anstieg des Magnetstromes: U M (1) IM(t) 1 e UM t = τ Sp R L (2) mit τ = (3) RSp Nach dem Anlegen der Spannung U M steigt der Strom I M 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 seinen Endwert (U M / R Sp). Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 87 Proportionalmagnet Aufbau und Kennlinienfeld eines Proportionalmagneten Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 88 Aktorik 44

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. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 89 Aufbau eines lagegeregelten Proportionalmagneten Die Stellung des Ankers wird mit einem induktiven Messsystem gemessen. Das Messsignal x wird mit dem Eingangssignal 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 Eingangssignal y und Messsignal x verringert. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 90 Aktorik 45

46 Aktoren mit kurzen Hüben 1 Physikalische Hub- und Proportionalmagnete Grundlagen 2 Tauchspulen 4 Gleichstrom- & Wechselstrommagnete Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 91 Prinzipieller Aufbau eines Tauchspulen-Aktors Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 92 Aktorik 46

47 Tauchspule Tauchspule Gehäuse A Prallplatte P P Membran Permanentmagnet äußerer Polschuh innerer Polschuh Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 93 Tauchspulen-Lautsprecher Schwingspule Feldlinien S N S N Ringmagnet Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 94 Aktorik 47

48 Lautsprecher mit Tauchspule Der überwiegende Teil aller Lautsprecher (Flachmembran-, Kalottenlautsprecher, 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 f s. Diese Frequenz f s steigt an, je leichter die Spule oder je stärker die Feder ausgelegt sind. Umgekehrt fällt f s, wenn die Spule ein höheres Gewicht hat. Motoren, die wie elektrodynamische Lautsprecher nach dem Tauchspulenprinzip funktionieren, werden als voice-coil-motors bezeichnet. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 95 Tauchspulen-Aktoren (Voice-Coil-Motor) Ausführungsarten Spule S N NS S N S N N S N S Spule a.) b.) Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 96 Aktorik 48

49 Anwendungsbeispiele für Tauchspulenaktoren Mikro-Montage Einpressen und Fügen Verpacken und Etikettieren Greiferantrieb Schneidsystem Schwingantrieb Sortierer Dosiersystem Laserstrahlführung Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 97 Schreib-Lese-Köpfe von Festplatten-Laufwerken Magnet Spule Schreib-Lese-Köpfe N S N S Voice-Coil-Motor Wagen Spindel Festplatten Positionierung der Schreib-Lese-Köpfe eines Festplatten-Laufwerkes. Der Verfahrweg der Köpfe wird durch den Spulenstrom gesteuert. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 98 Aktorik 49

50 Schreib-Lese-Kopf eines Diskettenlaufwerkes Lese-Kopf Diskette Positionierung des Schreib-Lese-Kopfes eines Disketten-Laufwerkes. Durch die verändernde Erregung wird eine Drehung ausgeführt. Magnet Spule Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 99 Fokussier-System Fokussier-System für die Laser-Abtastung eines CD- Players CD Federn Magnet Spule Fokussier-System Laser Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 100 Aktorik 50

51 Aktoren mit kurzen Hüben 1 Physikalische Hub- und Proportionalmagnete Grundlagen 2 Tauchspulen 4 Gleichstrom & Wechselstrommagnete Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 101 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 kinetische 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 102 Aktorik 51

52 Gleichstrommagnet Hub- und Zugmagnete Magnetkörper Anker Amagnetischer Anschlag Magnetkörper Anker Wicklung Wicklung a b E A E A E = Endlage A = Anfangslage Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 103 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, SS 2012 Prof. A. Büngers 104 Aktorik 52

53 Schwingankermotoren/ Vibrator Schwingankermotor Vibrator Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 105 Elektromagnetische Umformer Typ Hub-und Proportional- Magnet Tauchspule Linearmotor Torquemotor (kleinere Ausführungen) Anwendung In 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 Regeleigenschaften mittlere Dynamik & Hysterese sehr schnell & geringe Hysterese Hysterese Elektromechanische Umformer zur Ansteuerung hydraulischer oder pneumatischer Ventile sehr schnell & geringe Hysterese Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 106 Aktorik 53

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 Meißelhämmer. Drehmagnete Drosselklappen, Steuerventile, Materialvorschübe (z. B. Stoffbahnen, Papier etc.) Schwingungsmagnete Vibratoren: Basisapparate, Massagegeräte, Kolben-, Schwing- und Membranpumpen, Rüttler, Rüttelsiebe, Rütteltische, Schwing- und Wendelförderer. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 107 Antriebssysteme im Vergleich Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 108 Aktorik 54

55 Industriemotoren - Vergleich Für Anwendungen, bei denen keine präzisen Geschwindigkeitsregelung notwendig ist, eignen sich am besten Asynchronmotoren. Da Asynchronmotoren auch durch Frequenzumrichter in der Drehzahl geregelt werden können, wurden Gleichstrommotoren im Industriebereich nahezu verdrängt. Für ein konstantes Drehmoment sind Gleichstrommotoren aber immer noch die bessere Wahl. Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 109 Elektromagnetische Aktoren 3 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 110 Aktorik 55