Linearmotoren genutet und eisenbehaftet High-Speed & Power-Systems High Speed und Power System Innovation mit Dynamik Made in Baden Württemberg - Germany
2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 2 Fischer Elektromotoren GmbH der Direktantriebspezialist... 3 Vorteile Linearmotor... 5 Aufbau... 6 Funktionsweise... 6 Motorkennwerte... 7 Wicklungsabhängige Parameter... 8 Kraft-Strom-Kennlinie... 9 Thermischer Motorschutz... 10 Elektrische Anschlüsse... 11 Messtechnik... 12 Wasserkühlung... 13 Auslegung von Linearmotoren... 14 Anwendungsgebiete... 16 Beispiel eines Datenblatts... 17 Glossar... 18
3 Fischer Elektromotoren GmbH der Direktantriebspezialist Die Firma Fischer Elektromotoren ist Spezialist für lineare und rotative Direktantriebe. Es werden Serienprodukte sowie kundenspezifische Antriebslösungen entwickelt und produziert. Die eigene Entwicklung arbeitet mit modernsten computergestützten Systemen, FEM- Berechnungsprogrammen sowie mit 3D-CAD-Programmen. Somit können die Motorgeometrie und die Motorparameter optimal an die Anwendung angepasst werden. Modernste, dem Stand der Technik entsprechende Fertigungs- und Prüfverfahren stellen sicher, dass die Fischer Elektromotoren GmbH auch die ausgefallensten Kundenanforderungen erfüllen kann. Dabei erfolgt die Fertigung in Einzel-, Klein- und Großserien. Alle Motoren werden am Prüffeld gemessen, getestet und Datensätze erstellt.
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5 Vorteile Linearmotor spielfrei exaktes Positionieren robust kein Rotations- Translationswandler Wartungsfrei Gewichtseinsparung Linearmotor geringere Verluste Energieeffizient optimale Raumausnutzung Länge und Breite variabel geringer Bauraum große Flächenvorschubkraft hohe Kraftichte 6...8N/cm 2 geringe Masse hohe Dynamik
6 Aufbau Durch den Linearmotor ist es möglich eine geradlinige Bewegung zu erzeugen. Dabei kann auf ein Getriebe, welches eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umwandelt, verzichtet werden. Funktionsweise Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld bewegt, so wird in die Leiterschleife eine Spannung induziert. Eine mit Wechselstrom durchflossene Spule erzeugt ein zeitlich veränderbares elektrisches Feld, welches mit dem gleichbleibenden magnetischen Feld des Sekundärteils in Wechselwirkung steht. Die daraus resultierende Kraft wird zur Erzeugung der linearen Bewegung genutzt. Ein Linearmotor besteht aus zwei Komponenten, dem Primärteil mit Spulen und dem Sekundärteil mit Dauermagneten. Es wird zwischen genuteten, nutenlosen und eisenlosen Direktantrieben unterschieden. Der Linearmotor ermöglicht eine hohe Kraft bei einer definierten Geschwindigkeitsspanne. Dabei ist der Abstand zwischen Primär- und Sekundärteil, der Luftspalt, ausschlaggebend für die Größe der Kraft. Um einen gleichbleibenden Luftspalt zu ermöglichen ist ein geeignetes Führungssystem notwendig. Um die Motorposition jeder Zeit zu bestimmen, wird ein lineares Messsystem verwendet. Aufbauschema
7 Motorkennwerte Zur besseren Unterscheidung der Linearmotoren dient die Motorkonstante km. Diese Konstante beinhaltet auch die Effizienz des Motors und lässt erste Rückschlüsse auf die Verlustleistung zu. Eine hohe Motorkonstante steht für gute Umwandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie oder auch Lageenergie. Mit steigender Temperatur, z.b. durch Stromerhöhung, nimmt der Wicklungswiderstand zu. Daraus resultierend steigt die Verlustleistung, was eine Reduzierung der Motorkonstanten zur Folge hat. Dieser Sachverhalt ist in folgender Formel und Diagramm dargestellt: PV: Kupferverluste [W] F: Kraft [N] km: Motorkonstante Motorkonstante [%] 110 105 100 95 90 85 80 0 20 40 60 80 100 120 Temperatur in [ C] Motorkonstante Temperatur Diagramm Das Diagramm verdeutlicht die Abnehmende Motorkonstante bei steigender Temperatur.
8 Wicklungsabhängige Parameter Die Nenngeschwindigkeit des Linearmotors kann durch die Zwischenkreisspannung und durch die Wickeldaten an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Sobald sich das Primärteil über die Sekundärplatte bewegt wird eine Spannung induziert. Diese Spannung wirkt der Zwischenkreisspannung eines feldorientierten Servoumrichter entgegen und ist proportional zur Geschwindigkeit. Die induzierte Spannung wird EMK, Elektromotorische Kraft, oder auch BEMF genannt. Die BEMF muss zuerst überwunden werden, um anschließend den für die Kraft erforderlichen Strom in die Spulen einprägen zu können. Folglich, je kleiner die BEMF desto höhere Geschwindigkeiten sind möglich. Durch den Zusammenhang zwischen Windungszahl, Kraft und Geschwindigkeit wird der Arbeitspunkt des Linearmotors festgelegt. Fp: Fnk: Fn: [N] vp: vnk: vn: Spitzenkraft [N] Nennkraft wassergekühlt [N] Nennkraft ungekühlt max. Geschw. bei FP max. Geschw. bei Fnk max. Geschw. bei Mn (Nenngeschwindigkeit) v0: Maximalgeschwindigkeit 1 F(v) Kennlinie Arbeitspunkte bis Fp im S3 Betrieb bis Fnk im gekühlten Dauerbetrieb (Wasser) bis Fn im ungekühlten Dauerbetrieb S1 Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann eine konstante Kraft bereitgestellt werden, d.h. die Kraft ist unabhängig von der Ge schwindigkeit. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt der Einfluss der BEMF. Diese verhindert, dass bei hohen Geschwindigkeiten ausreichend Strom in die Wicklungen eingeprägt werden kann. Folglich nimmt die Motorkraft mit zunehmender Geschwindigkeit ab.
9 Kraft-Strom-Kennlinie F(I) Kennlinie Ip : Spitzenstrom Ink : Nennstrom gekühlt In : Nennstrom ungekühlt Die F(I) Kennlinie verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Strom und Kraft. Im Bereich bis zur roten Markierung verläuft die Kennlinie linear und ist durch die Kraftkonstante kf charakterisiert. Das Abknicken der Kennlinie entsteht durch die Sättigung des magnetischen Kreises im Motor. Mit weiter steigendem Strom entsteht die Gefahr den Motor auch bei nur kurzer Belastung zu überhitzen. Die Gefahr der Entmagnetisierung der Dauermagneten besteht bei extrem großen Strömen. Die Spitzenkraft wird kurz vor dem Ende des linearen Bereiches gelegt. Zum einem ist die Gefahr des Überhitzens verkleinert und zum anderen stehen noch Kraftreserven zur Verfügung.
10 Thermischer Motorschutz Direktantriebe werden zumeist an ihrer thermischen Leistungsgrenze betrieben und müssen somit permanent Temperaturüberwacht sein. Zum Schutz vor thermischer Überlast werden in den Linearmotoren temperaturabhängige Widerstände eingebaut. Es stehen drei verschiedene Temperatursensoren zur Verfügung: PTC KTY Drillingsschalter (Klixon) Um den Motor vor thermischer Überlast zu schützen können drei PTC s in Reihe geschalten werden. Dabei misst je ein PTC die Temperatur einer Phase. Somit ist auch die Temperaturüberwachung gewährleistet, wenn der Motor im Stillstand seine Position halten muss und dabei eine asymmetrische Bestromung auftritt. Der Widerstandswert des PTC steigt nach der Überwindung der Nenntemperatur sehr stark an. Somit ändert sich auch der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung sprunghaft. Durch die Widerstandsänderung ist eine sichere Abschaltung des Motors, durch das Motorschutz-Auslösegerät, vor der thermischen Zerstörung gewährleistet. Das Motorschutz-Auslösegerät erkennt auch einen zu geringen Widerstand, das auf einen Defekt im Überwachungskreis deutet. Ein PTC-Temperatursensor ist zur genauen Temperaturmessung nicht geeignet. Um den Temperaturverlauf exakt zu messen wird ein KTY-Temperatursensor verwendet. Dieser Halbleiterwiderstand reagiert je nach Motortyp linear mit der Temperatur. Deshalb wird eine Abschaltgrenze definiert um den Motor vor thermischer Überlast zu schützen. Weil der KTY nur die Temperatur einer Phase überwacht könnte der Motor bei asymmetrischer Erwärmung überhitzen. Diese Systeme werden bevorzugt zur Inbetriebnahme bzw. zur Information der Erwärmungstemperatur genutzt.
11 1200 KTY-84 1000 Widerstand 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Temperatur KTY 84 Kennlinie Natürlich können auf Kundenwunsch auch andere Temperatursensoren eingesetzt werden. Elektrische Anschlüsse Die Art der elektrischen Anschlussmöglichkeit ist vielseitig und kundenspezifisch möglich. Kabel mit Stecker Kabel offene Ausführung mit Aderendhülsen Stecker an Motorgehäuse Klemmbrett (bis 16A Nennstrom) Variable Kabellängen Je nach Komplexität der Zusatzkomponenten wie Messsystem und Temperatursensoren ist ein zweiter Kabelausgang notwendig.
12 Messtechnik Die Motoren der Firma Fischer Elektromotoren GmbH werden entsprechend der EG Richtlinie 73/23/EWG und den Normen EN 50178, EN 60204 geprüft. Bevor die Motoren ausgeliefert werden durchlaufen diese verschiedene Prüfverfahren: Hochspannungsprüfung (bis 2000V) Stoßspannung Isolationsprüfung (VDE Messung) Pollageprüfung Widerstandsmessung der Phasen und Temperatursensoren Induktivitätsmessung EMK-Messung Des Weiteren erfolgt die Vermessung des Motors mit modernster Messtechnik am Prüfstand. Hier werden die Parametersätze für die Inbetriebnahme ermittelt. Alle mechanischen verbauten Komponenten werden mit neuster Messtechnik, 3D- Messmaschine sowie eine Höhenmessmaschine vermessen. Diese ermöglicht auch die Vermessung von konstruktiv aufwendigen Gehäusen und Teilen.
13 Wasserkühlung Nicht nur die Kupferverluste verursachen ein Ansteigen der Motortemperatur. Bei höherer Frequenz treten vermehrt Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste auf. Um die daraus entstehende Wärme so gut wie möglich abzuführen wird eine Wasserkühlung verwendet. Durch die Verwendung einer Wasserkühlung kann das Nennmoment eines luftgekühlten Motors nahezu verdoppelt werden. Eine Erhöhung des Spitzenmoments ist mit Wasserkühlung nicht möglich. Eine Wasserkühlung ist dann erforderlich wenn: Der Antrieb wird nur im Belastungs- und Bremszyklus eingesetzt Keine Pausenzeiten zur Verfügung stehen Keine Temperatur in das Maschinensystem abgegeben werden soll Bei großen Leistungen
14 Auslegung von Linearmotoren Direktantriebe arbeiten vorrangig im Taktbetrieb. Bewegungs- und Pausenzeiten wechseln sich ab und wiederholen sich im Gesamten. s: Strecke v: Geschwindigkeit a: Beschleunigung Geschwindigkeitsprofil Dreieck Die Bewegungsart kann im Allgemeinen zwischen dem dreieckförmigen und der trapezförmigen Geschwindigkeitsdarstellung unterschieden werden. Der dreieckförmige Verlauf hat den Vorteil, dass eine kleinere Spitzenkraft benötigt wird. Es wird weniger aber dafür länger beschleunigt. Jedoch muss der Motor permanent beschleunigen. Dadurch wird eine größere Nennkraft benötigt. Des Weiteren erreicht der Motor beim dreieckförmigen Geschwindigkeitsverlauf eine höhere Geschwindigkeit als beim trapezförmigem Fahrprofil. v(t), a(t) Diagramm Zeit Geschwindigkeitsprofil Trapez Beschleunigung Geschwindigkeit F: Kraft m: Masse v: Geschwindigkeit Pmech: mechanische Leistung Der trapezförmige Geschwindigkeitsverlauf benötigt ein höhere Spitzenkraft, denn der Motor muss in kürzerer Zeit die Geschwindigkeit erreichen, um dann sich mit
15 konstanter Geschwindigkeit zu bewegen. In dieser Zeit beschleunigt der Motor nicht und benötigt deshalb keine zusätzliche Kraft. Somit wird eine kleinere Nennkraft benötigt. Auch die Geschwindigkeit ist kleiner als beim dreiecksförmigen Geschwindigkeitsverlauf. Der Motor sollte nun nach folgenden Kriterien ausgewählt werden: - Spitzenkraft Fp - Nennkraft Fn (eventuell Nennkraft wassergekühlt Fnk) - Maximalgeschwindigkeit vp IP FP In Fn vmax VORTEIL Dreiecks förmige Geschwindigkeit Trapez förmige Geschwindigkeit Vergleich Bewegungsarten NACHTEIL kleinerer Wert größerer Wert Der zeitliche Verlauf der Kraft F(t) entspricht dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung a(t) multipliziert mit der Masse. Um die Nennkraft zu ermitteln, wird die betragsmäßige Fläche unter F(t) berechnet und durch die Periodendauer, Summer aller Teilzeiten, dividiert.
16 Anwendungsgebiete Einsatzgebiete Einsatz Vorzüge Verpackungsindustrie Pick and Place geringer Bauraum Systeme Positionierantrieb hohe Dynamik Werkzeugmaschinen Transport große Geschwindigkeit Holzindustrie Handlindsysteme sehr gute Positionierung Halbleitertechnik Kunststoffbearbeitenden Industrie wartungs- und spielfreier Antrieb aktive Kühlung möglich gute Gleichlaufeigenschaften
17 Beispiel eines Datenblatts ungekühlt Größe Zeichen Einheit LIMO Nennkraft Fn N 500 Nennstrom In AEff 5,2 Spitzenkraft FP N 1200 Spitzenstrom Effektiv IP AEff 18 Stillstands-/ Haltekraft FHalt N 300 Stillstands-/ Haltestrom IHalt AEff 2,8 Kraftkonstante k N/A 100,0 Nenngeschwindigkeit vn m/s 3 max. Geschwindigkeit v0 m/s 6,1 max. Frequenz fmax Hz 128,2 Verlustleistung bei FN PV W 146,016 Motorkonstante km N/W 41,4 Zwischenkreisspannung UZk V 560 Gegenspannungskonstante EMK V bei 1 m /sek 65,176 (Phase-Phase) Widerstand pro Phase (Phase-Phase) RPh20 1,8(3,6) Widerstand U-V RU-V 3,6 Widerstand V-W RV-W 3,6 Widerstand W-U RW-U 3,6 Induktivität pro Phase (Phase-Phase) LPh mh 32,05(64,1) Induktivität U-V LU-V mh 65,15 Induktivität V-W LV-W mh 54,81 Induktivität W-U LW-U mh 72,34 Elektrische Zeitkonstante = L / R el msek 17,81 Thermische Zeitkonstante therm min 33 Polbreite (Nord-Nord) bp mm 47,6 Motorbreite bmotor mm 45 Motorhöhe hmotor mm 60 Motorlänge lmotor mm 165 Masse Primärteil mprim kg 7 Temperaturfühler PTC/KTY Isolationsklasse F 155 C Messsystem Sin/Cos
18 Auflösung Messsystem incr. mm 1 Isolationsklasse F 155 C Messsystem Sin/Cos Auflösung Messsystem incr. mm 1 Glossar Formelkurzzeichen MP/FP Mnk/Fnk Mn/Fn τel τtherm km Mr kt/kf Erläuterung Kurzzeitig erreichbares Spitzenmoment/-kraft bei Spitzenstrom Ip. Entspricht das 2-3fache des Nennmoments. Nennmoment/-kraft mit Wasserkühlung bei Ink. Entspricht in etwa dem 2fachen des Nennmoments Mn. Nennmoment/-kraft bei Nennstrom bei dem der Motor im Dauerbetrieb ohne extra Kühlung die thermische Energie abführen kann Elektrische Zeitkonstante, τel= L/R. Beschreibt die Stromanstiegs-Geschwindigkeit. Thermische Zeitkonstante, beschreibt die Erwärmung des Motors bei Nennstrom, bei 5τ ist die Maximaltemperatur erreicht. Die Motorkonstante km ist ein Maß für die Güte des Elektromotors. Sie gibt das Verhältnis von Drehmoment zur Verlustleistung an (km=m/pv). Mit steigender Temperatur nimmt die Motorkonstante ab. Rastmoment, auch Coggingtorque, beschreibt das Rasten des Motors wenn dieser sich im unbestromten Zustand bewegt. Im bestromten Zustand ist das Rastmoment für die Drehmomentwelligkeit verantwortlich. Drehmoment-/Kraftkonstante, charakterisiert den linearen Bereich der M(I) Kennlinie / F(I) Kennlinie M=In*kt / F=In*kt ku Spannungskonstante, im generatorischen Betrieb des Motors in die Spulen induzierte Spannung wird mit der Geschwindigkeit/Drehzahl multipliziert UGenerator=kU*v ; UGenerator=kU*n np/vp Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Spitzenmoments/-kraft. Danach fällt das Motormoment stark ab. nnk/ vnk Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Nennmoments/-kraft mit Wasserkühlung anliegt. Danach fällt das
19 Motormoment stark ab. nn/vn Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Nennmoments/-kraft. Danach fällt das Motormoment stark ab. n0/v0 Maximal erreichbare Drehzahl/Geschwindigkeit. UZK UZK Ist ein theoretischer Wert n0=uzk/(ku* 2) ; v0=uzk/(ku* 2) Zwischenkreisspannung Speisespannung des Servoumrichters Eine größere Zwischenkreisspannung ermöglicht eine höhere Drehzahl 560VDC Zwischenkreisspannung Speisespannung des Servoumrichters Eine größere Zwischenkreisspannung ermöglicht eine höhere Drehzahl 560VDC RPh20 Ohm scher Widerstand der Kupferspule bei 20 C L Angabe Phase-Phase Induktivität einer Wicklung Angabe Phase-Phase Ip Spitzeneffektivstrom, liegt am Ende des Linearen Bereichs des Momentenverlaufs M(I), bei dem das Spitzenmoment erreicht wird Ink Nenneffektivstrom im gekühlten Zustand In Nenneffektivstrom im ungekühlten Zustand MHalt/FHalt PV Stillstandsmoment/-kraft oder Haltemoment/-kraft Motormoment das der Motor im Stillstand unter asymmetrischer Bestromung aufbringen kann Gesamtverlustleistung die als Wärmeenergie abgeführt werden. Summe aller Einzelverlustleistungen: PV=Kupferverluste (PCu) + Reibungsverluste (PR) + frequenzabhängige Verluste (Pfreq) oder PV=(M/km) 2 PCu Verlustleistung durch Ohmschen Widerstand, PCu=IPhase*RPhase*3 PR Reibungsverluste die durch die Lagerreibung entsteht PR=µr*ω Pfreq Frequenzabhängige Verluste Mit zunehmender Frequenz steigen auch die Verluste η Wirkungsgrad, gibt das Verhältnis von mechanischer zu elektrischer Leistung an (Pmechanisch/Pelektrisch) = η
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