Torquemotoren genutet und eisenbehaftet High-Speed & Power-Systems High Speed und Power System Innovation mit Dynamik Made in Baden Württemberg - Germany
2 Inhaltsverzeichnis Fischer Elektromotoren GmbH der Direktantriebspezialist... 3 Vorteile Torquemotoren... 5 Aufbau... 6 Funktionsweise... 6 Motorkennwerte... 7 Wicklungsabhängige Parameter... 8 Drehmoment-Strom-Kennlinie... 9 Thermischer Motorschutz... 10 Elektrische Anschlüsse... 11 Messtechnik... 12 Wasserkühlung... 13 Auslegung von Torquemotoren... 13 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 Torquemotoren spielfrei exaktes Positionieren robust nahezu Wartungsfrei kein Getriebe notwendig Gewichtseinsparung geringere Verluste Energieeffizient felixible Auslegung Wicklungsanpassun g je nach Anforderung Torquemotor optimale Raumausnutzung Länge und Durchmesser variabel geringer Bauraum große Flächenvorschubkraft hohe Kraftichte 6...8N/cm 2 einstellbare Drehzahl von 0 bis zu Nenndrehzahl geringe Masse hohe Dynamik Wasserkühlung möglich hohe Drehmomente möglich ab Drehzahl 0
6 Aufbau Durch den Torquemotor ist es möglich eine Rotationsbewegung zu erzeugen. Die Auslegung der Wicklung erfolgt Anwenderspezifisch. Dabei kann auf ein Getriebe, welches eine Anpassung der Drehzahl und Drehmoment vornimmt, verzichtet werden. Funktionsweise Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld bewegt, so wird in die Leiterschleife eine Spannung induziert. Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein zeitlich veränderbares elektrisches Feld, welches mit dem gleichbleibenden magnetischen Feld des Rotors in Wechselwirkung steht. Die daraus resultierende Kraft wird zur Erzeugung der Drehbewegung genutzt. Ein Torquemotor besteht aus zwei Komponenten, dem Stator mit Spulen und dem Rotor mit Dauermagneten. Es wird zwischen genuteten, nutenlosen und eisenlosen Direktantrieben unterschieden. Der Torquemotor ermöglicht ein hohes Drehmoment bei einer definierten Drehzahlspanne. Dabei ist der Abstand zwischen Stator und Rotor, der Luftspalt, ausschlaggebend für die Größe des Drehmoments. Ein stabiles Lagersystem garantiert einen gleichbleibenden Luftspalt. Um die Motorposition jeder Zeit zu bestimmen wird ein Messsystem verwendet. Aufbauschema
7 Motorkennwerte Zur besseren Unterscheidung der Torquemotoren 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. Mit steigender Temperatur, z.b. durch Stromerhöhung, nimmt auch 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] M: Drehmoment [Nm] 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 Nenndrehzahl des Torquemotors kann durch die Zwischenkreisspannung und durch die Wickeldaten an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Sobald sich der Rotor bewegt wird eine Spannung in die Spulen induziert. Diese Spannung wirkt der Zwischenkreisspannung eines feldorientierten Servoumrichter entgegen und ist proportional zur Drehzahl. 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 Drehzahlen sind möglich. Durch den Zusammenhang zwischen Windungszahl, Drehmoment und Drehzahl wird der Arbeitspunkt des Torquemotors festgelegt. Mp: Mnk: Mn: np: nnk: nn: Spitzenmoment [Nm] Nennmoment wassergekühlt [Nm] Nennmoment ungekühlt [Nm] max. Drehzahl bei Mp max. Drehzahl bei Mnk max. Drehzahl bei Mn (Nenndrehzahl) 1 M(n) Kennlinie n0: Maximaldrehzahl Arbeitspunkte bis Mp im S3 Betrieb bis Mnk im gekühlten Dauerbetrieb (Wasser) bis Mn im ungekühlten Dauerbetrieb S1 Bei niedrigen Drehzahlen kann ein konstantes Drehmoment bereitgestellt werden, d.h. das Drehmoment ist unabhängig von der Drehzahl. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt der Einfluss der BEMF. Diese verhindert, dass bei hohen Drehzahlen ausreichend Strom in die Wicklungen eingeprägt werden kann. Folglich nimmt das Motordrehmoment mit zunehmender Drehzahl ab.
9 Drehmoment-Strom-Kennlinie M(I) Kennlinie Ip : Spitzenstrom Ink : Nennstrom gekühlt In : Nennstrom ungekühlt Die M(I) Kennlinie verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Strom und Drehmoment. Im Bereich bis zur roten Markierung verläuft die Kennlinie linear und ist durch die Drehmomentkonstante kt 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. Das Spitzenmoment wird kurz vor dem Ende des linearen Bereiches gelegt. Zum einem ist die Gefahr des Überhitzens verkleinert und zum anderen stehen noch Drehmomentreserven 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 Torquemotoren 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 KTY-84 1200 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 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) 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 und die Spitzenund Nennwerte des Motors ermittelt. Alle mechanischen verbauten Komponenten werden auf neuster Messtechnik, 3D- Messmaschine sowie eine Höhenmessmaschine gemessen. 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 nur im Belastungs- und Bremszyklus eingesetzt wird. Keine Pausenzeiten zur Verfügung stehen. Keine Temperatur in das Maschinensystem abgegeben werden soll. Bei großen Leistungen.
14 Auslegung von Torquemotoren Direktantriebe arbeiten vorrangig im Taktbetrieb. Bewegungs- und Pausenzeiten wechseln sich ab und wiederholen sich im Gesamten. α: Winkel Drehzahlprofil Dreieck ω: Winkelgeschw. Die Bewegungsart kann im Allgemeinen zwischen dem dreieckförmigen und der trapezförmigen Geschwindigkeitsdarstellung unterschieden werden. Der dreieckförmige Verlauf hat den Vorteil, dass ein kleineres Spitzenmoment benötigt wird. Es wird weniger aber dafür länger beschleunigt. Jedoch muss der Motor permanent beschleunigen. Dadurch wird ein größeres Nennmoment benötigt. Des Weiteren erreicht der Motor beim dreieckförmigen Geschwindigkeitsverlauf eine höhere Drehzahl als beim trapezförmigen Fahrprofil. ω(t)- ώ(t) Diagramm J: Massenträgheitsmoment M: Drehmoment Zeit Winkelgeschwindigkeit Winkelbeschleunigung n: Drehzahl Pmech: mechanische Leistung Geschwindigkeitsprofil Trapez Der trapezförmige Drehzahlverlauf benötigt ein höheres Spitzenmoment, denn der Motor muss in kürzerer Zeit die Drehzahl erreichen, um dann sich mit konstanter Drehzahl zu bewegen. In dieser Zeit beschleunigt der Motor nicht und benötigt
15 deshalb kein zusätzliches Drehmoment. Somit wird ein kleineres Nenndrehmoment benötigt. Auch die Drehzahl ist kleiner als beim dreiecksförmigen Drehzahlverlauf. Der Motor sollte nun nach folgenden Kriterien ausgewählt werden: Spitzenmoment Mp Nennmoment Mn (eventuell Nennkraft wassergekühlt Fnk) Nenndrehzahl nn IP MP In Mn nmax VORTEIL Dreiecks förmige Drehzahl Trapez förmige Drehzahl kleinerer Wert NACHTEIL größerer Wert Vergleich Bewegungsarten Der zeitliche Verlauf des Drehmoments M(t) entspricht dem zeitlichen Verlauf der Winkelbeschleunigung (t) multipliziert mit der Massenträgheit J. Um die Nennkraft zu ermitteln, wird die betragsmäßige Fläche unter M(t) bzw. a(t) berechnet und durch die Periodendauer, Summer aller Teilzeiten, dividiert.
16 Anwendungsgebiete Einsatzgebiete Einsatz Vorzüge Verpackungsindustrie CNC-Automaten geringer Bauraum Werkzeugmaschinen Positionierantrieb hohe Dynamik Holzindustrie Fräsmotor Einstellbare Drehzahl Schwenkachsen Rundtakttische Industrieanwendungen sehr gute Positionierung wartungs- und spielfreier Antrieb aktive Kühlung möglich hohes Drehmoment
17 Beispiel eines Datenblatts ungekühlt GRÖSSE ZEICHEN EINHEIT TORQUE Nennmoment Mn Nm Nennstrom In Aeff Spitzenmoment MP Nm Spitzenstrom Effektiv IP Aeff Stillstands-/ Haltemoment MHalt Nm Stillstands-/ Haltestrom IHalt Aeff Drehmomentkonstante kt Nm/A Nenndrehzahl nn U/min max. Drehzahl n0 U/min max. Frequenz fmax Hz Verlustleistung bei Mn PV W Motorkonstante km Nm/W Zwischenkreisspannung UZk V Gegenspannungskonstante (Phase- EMK Veff bei Phase) 1 U /min Widerstand pro Phase (Phase-Phase) RPh20 Widerstand U-V RU-V Widerstand V-W RV-W Widerstand W-U RW-U Induktivität pro Phase (Phase-Phase) LPh mh Induktivität U-V LU-V mh Induktivität V-W LV-W mh Induktivität W-U LW-U mh Elektrische Zeitkonstante = L / R el ms Thermische Zeitkonstante therm min Polpaarzahl pp Magnetanzahl Motorlänge bmotor mm Motordurchmesser dmotor mm Masse Motor MMotor kg Temperaturfühler Isolationsklasse Messsystem Auflösung Messsystem incr. mm PTC/KTY F
18 Glossar Formelkurzzeichen MP/FP Erläuterung Kurzzeitig erreichbares Spitzenmoment/-kraft bei Spitzenstrom Ip. Entspricht das 2-3fache des Nennmoments. Mnk/Fnk Nennmoment/-kraft mit Wasserkühlung bei Ink. Entspricht in etwa dem 2fachen des Nennmoments Mn. Mn/Fn τel τtherm km Mr kt/kf 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 induziert wird multipliziert mit der Geschwindigkeit/Drehzahl UGenerator=kU*v np/vp nnk/ vnk nn/vn n0/v0 Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Spitzenmoments/-kraft. Danach fällt das Motormoment stark ab. Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Nennmoments/-kraft mit Wasserkühlung anliegt. Danach fällt das Motormoment stark ab. Maximale Drehzahl/Geschwindigkeit unter Abgabe des Nennmoments/-kraft. Danach fällt das Motormoment stark ab. Maximal erreichbare Drehzahl/Geschwindigkeit. Ist ein theoretischer Wert n0=uzk/(ku* 2) ; v0=uzk/(ku* 2)
19 UZK Zwischenkreisspannung Speisespannung des Servoumrichters Eine größere Zwischenkreisspannung ermöglicht eine höhere Drehzahl 560VDC Ohm scher Widerstand der Kupferspule bei 20 C RPh20 Angabe Phase-Phase L Ip Ink In MHalt/FHalt Induktivität einer Wicklung Angabe Phase-Phase Spitzeneffektivstrom, liegt am Ende des Linearen Bereichs des Momentenverlaufs M(I), bei dem das Spitzenmoment erreicht wird Nenneffektivstrom im gekühlten Zustand Nenneffektivstrom im ungekühlten Zustand Stillstandsmoment/-kraft oder Haltemoment/-kraft Motormoment das der Motor im Stillstand unter asymmetrischer Bestromung aufbringen kann PV Gesamtverlustleistung die als Wärmeenergie abgeführt werden. Summe aller Einzelverlustleistungen: PV=Kupferverluste (PCu) + Reibungsverluste (PR) + frequenzabhängige Verluste (Pfreq) oder PV=(M/km) 2 PCu PR Pfreq Verlustleistung durch Ohmschen Widerstand, PCu=IPhase*RPhase*3 Reibungsverluste die durch die Lagerreibung entsteht PR=µr*ω Frequenzabhängige Verluste Mit zunehmender Frequenz steigen auch die Verluste η Wirkungsgrad, gibt das Verhältnis von mechanischer zu elektrischer Leistung an (Pmechanisch/Pelektrisch) = η