Handbuch Elektrische Kleinantriebe

Transkript

1 Handbuch Elektrische Kleinantriebe Herausgegeben von Hans-Dieter Stolting und Eberhard Kallenbach Mit 386 Bildern und 29 Tabellen HANSER

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeines Das elektromagnetische Antriebssystem Die Antriebskomponenten Motoren, Motorsystematik Grundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten Elektronische Schaltungen Schaltungen für selbstgeführte Motoren Schaltungen für fremdgeführte Motoren 21 2 Motoren mit kontinuierlicher Bewegung Kommutatormotoren Elektrisch erregte Gleichstrommotoren Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren Einleitung Dauermagnetwerkstoffe Aufbau Wirkungsweise und Betriebsverhalten Drehzahlstellung Kommutierung Dynamisches Betriebsverhalten Das Geräuschverhalten Kommutatorreihenschlussmotor (Universalmotor) Bezeichnung Charakteristische Merkmale Prinzipielles Betriebsverhalten Auslegung der Ständerwicklung für den Betrieb als Universalmotor Drehzahlstellung Funkentstörung (radio interference suppression) Bürstenlose Permanentmagnetmotoren Einleitung Definitionen Verwandtschaften zu anderen Motorarten Konstruktive Besonderheiten Ausführung und Auswahl der Ankerwicklung Ausführung und Auswahl der Permanentmagnetformen Ausführung und Auswahl der Motorbauform Dynamisches Modell des Permanentmagnetmotors Motormodell Zweisträngiges Ersatzmodell für die feldorientierte Steuerung Elektronische Unterdrückung von Drehmomentschwankungen Motor mit Mittelpunktanschluss der Wicklung Motor ohne Mittelpunktanschluss der Wicklung Praktische Ausführung einer Korrekturstromspeisung 75

3 8 Inhaltsverzeichnis Motorkennlinien 7^ Sensorik nj Resolver 70 * - - * /o Incrementale optische Encoder 7g Sonderbauformen bürstenloser Permanentmagnetmotoren Einsträngiger Motor mit elliptischer Spule Direktantriebe für niedrige Drehzahlen Lagerlose Motoren mit Momenten-und Tragkraftwicklung Der geschaltete Reluktanzmotor Aufbau n Wirkungsweise Ansteuerung o<r Wechselrichter für geschaltete Reluktanzmotoren Ansteuerverfahren gg Eigenschaften Drehfeldmotoren on Asynchronmotoren Eigenschaften und Einsatzgebiete Ausführungsarten Schaltungs-und Ausführungsarten der Ständerwicklung Wirkungsweise Betriebsverhalten Steuerungsverfahren 9g Spaltpolmotor Synchronmotoren JQ Eigenschaften und Einsatzgebiete Ausführungsarten Synchronmotoren mit Magnetläufer Hysteresemotor Reluktanzmotor 10g Permanentmagneterregte Motoren mit anisotropem Läufer Elektromagnetische Schrittantriebe m 3.1 Übersicht *,. 3.2 Schrittmotorarten,,, Klauenpolschrittmotoren H Scheibenläuferschrittmotoren H Reluktanzschrittmotoren H Hybridschrittmotoren ^ Ansteuerung von Schrittmotoren H7 3.4 Betriebsverhalten von Schrittantrieben Schrittwinkel 12i Drehmoment Positioniergenauigkeit Schritt-Zeit-Verlauf Betriebskennlinien Resonanzfrequenzen I Besonderheiten des Mikroschrittbetriebes Bewegungsabläufe Klassifizierte Bewegungsabläufe Spezielle Betrachtung des dynamischen Betriebes 130

4 Inhaltsverzeichnis 9 4 Antriebe mit begrenzter Bewegung Elektromagnete Elektromagnete als Antriebselemente Gleichstrommagnete Besonderheiten Stationäres Verhalten von Gleichstrommagneten Dynamisches Verhalten von Gleichstrommagneten Einfluss der Wirbelströme auf das dynamische Verhalten von Gleichstrommagneten Maßnahmen zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten Wechselstrommagnete Allgemeines Berechnung der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten Zeitabhängigkeit der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten Magnetkraft des Dreiphasenwechselstrommagneten Dynamisches Verhalten von Wechselstrommagneten Polarisierte Elektromagnete Besonderheiten Magnetkraft polarisierter Elektromagnete mit einem Reihenkreis Anwendung von polarisierten Elektromagneten Projektierung von Elektromagneten und Magnetantrieben Elektrodynamische Linear- und Mehrkoordinatenantriebe Wirkprinzip und Grundstruktur Bauformen elektrodynamischer Linearmotoren Bauformen mit bewegten Spulen Bauformen mit bewegten Magneten Bauformen mit bewegten Dauermagnetkreisen Bauformen integrierter elektrodynamischer Mehrkoordinatenantriebe mit Einmassenläufern für xy-, xq>-, xyq>-, xycpz-bewegungen Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Flachspulen Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Kastenspulen Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Zylinderspulen und gekrümmten Kastenspulen für eine x<p-bewegung Betriebsverhalten elektrodynamischer Linear-und Mehrkoordinatenmotoren Statischer und quasistatischer Betrieb permanenterregter Motoren Dynamischer Betrieb Ansteuerung elektrodynamischer Linear-und Mehrkoordinatenmotoren Ansteuerung elektrodynamischer Linearmotoren Ansteuerung elektrodynamischer Mehrkoordinatenmotoren Kommerziell angebotene Systeme Steuern und Regeln von Kleinantrieben Allgemeines Schaltungskomponenten und Modulationsverfahren Schaltungen zur galvanischen Trennung bzw. Pegelanpassung Impulsübertrager mit induktiven Übertragern Ladungspumpe Optokoppler 205

5 10 Inhaltsverzeichnis Stellelemente für Gleichstrom- und Drehfeldmotoren Einfache Transistorschaltungen für Gleichstrommotoren //-Brückenschaltungen für verschiedene Leistungen Drehstrombrücken mit FETs und IGBTs Stellelemente für Schrittmotoren Unipolarer Betrieb Bipolarer Betrieb Modulationsverfahren für Drehstromantriebe Blocksteuerung Unterschwingungsverfahren Raumzeigermodulation Steuereinrichtungen Pulsweitenmodulation für//-brücken Pulsweitenmodulation für Drehstrombrücken Drehzahlsteuerungen Stellelemente und Steuereinrichtungen für Universalmotoren Halbwellen-Phasenanschnittsteuerung Schaltung zur Erzeugung von welligem Gleichstrom aus Wechselstrom Schaltung zur Drehzahlsteuerung mit Phasenanschnitt-Steuer-IC Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren Drehzahlsteuerung mit einfachen Transistorschaltungen Drehzahlsteuerung im Chopperbetrieb Drehzahlsteuerung mit//-brückenschaltungen Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren Drehzahländerung durch Änderung des Schlupfes Einfache Steuerschaltung mit Frequenzumrichter Schlupffrequenzkompensation Drehzahlsteuerung von dreisträngigen Motoren Synchronmotor Elektronikmotor Positions- und Drehzahlsteuerungen von Schrittmotoren Positions- und Drehzahlregelungen Drehzahlregelung von Universalmotoren Regelung von Gleichstrommotoren Drehzahlregelung mit//-brücke Positionsregelung mit unterlagerter Drehzahl-und Stromregelung Regelung von Asynchronmaschinen Einfache Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter Feldorientierte Regelung Regelung von Elektronikmotoren Drehzahlregelung von Elektronikmotoren mit Blockkommutierung und sinusbewerteter Kommutierung Positions-und Drehzahlregelung von Elektronikmotoren Mechanische Übertragungselemente Getriebe Getriebearten Zahnradgetriebe Einteilung 237

6 Inhaltsverzeichnis Zahnräder Stirnradgetriebe Schraubenstirnradgetriebe Schneckengetriebe Kegelrad-und Kronenradgetriebe Zugmittelgetriebe Schraubengetriebe Koppelgetriebe Kurvengetriebe Schrittgetriebe Kupplungen Feste Kupplungen Ausgleichskupplungen Schaltkupplungen Achsen und Wellen Entwurfsberechnung Nachrechnung Lager Gleitlager Wälzlager Projektierung von Antriebssystemen Forderungen an Antriebssysteme Lösungsweg für Antriebsaufgaben Systematik typischer Antriebsaufgaben Systematik nach der Bewegung Systematik nach der Betriebsweise Besonderheiten bei der Antriebsauswahl Vergleich lagegeregelter Gleichstromantriebe mit Schrittantrieben Umrechnung mechanischer Antriebsparameter Beispiele für Antriebsaufgaben Direktantrieb eines Plattenspeichergerätes Antrieb einer Kolbendosierpumpe Antrieb einer Leiterplattenbohreinheit Antrieb eines Lichtzeichenkopfes.,,,, 300 Anhang Formelzeichenverzeichnis 305 Verzeichnis englisch-deutscher Begriffe und Abkürzungen 307 Literaturverzeichnis 319 Die Autoren 335 Sachwortverzeichnis 337