elektromagnetische aktoren 3 - thm.de · prof. a. büngers ss 2012 aktorik 7 aktorik, ss 2012 prof....
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Prof. A. Büngers SS 2012
Aktorik 1
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 1
Elektromagnetische Aktoren 3
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Kennwort: AB#Beta
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 2
Linearmotor & Torquemotor Linearmotor & Torquemotor
Schrittmotor
Asynchron- & Synchronmotor
Aktoren mit kurzen Hüben
UniversalmotorUniversalmotor1
2
Elektromagnetische Aktoren 3
3
4
5
Prof. A. Büngers SS 2012
Aktorik 2
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 3
UniversalmotorDer 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 umge-
polt, so bleiben Drehrichtung und Drehmoment erhalten. Wenn die Strom-
richtung 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 Kom-
mutator auf der Läuferwelle, wird der Strom über Kohlebürsten in die Anker-
wicklung geleitet.
Anzapfung der Erregerwicklung (Wicklungsanzapfung)
Vorwiderstand (verlustbehaftet)
Ankerparallel-Widerstand (verlustbehaftet)
Änderung der Klemmenspannung
Barkhausenschaltung
DrehzahlsteuerungDrehzahlsteuerung
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Universalmotor
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Aktorik 3
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 5
Mischmotoren
Mischmotoren sind permanent erregte Gleichstrom-
motoren die über Gleichrichter am 220 V-Wechsel-
spannungsnetz betrieben werden.
Diese Motoren werden für einfache Haushaltsgeräte
verwendet, insbesondere für Geräte, deren Heiz-
leistung als Vorwiderstand verwendet werden
(z. B. Haarfön).
Mischmotoren sind permanent erregte Gleichstrom-
motoren die über Gleichrichter am 220 V-Wechsel-
spannungsnetz betrieben werden.
Diese Motoren werden für einfache Haushaltsgeräte
verwendet, insbesondere für Geräte, deren Heiz-
leistung als Vorwiderstand verwendet werden
(z. B. Haarfön).
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 6
Linearmotor & Torquemotor Linearmotor & Torquemotor
Schrittmotor
Asynchron- & Synchronmotor
Aktoren mit kurzen Hüben
UniversalmotorUniversalmotor1
2
Elektromagnetische Aktoren 3
3
4
5
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Aktorik 4
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 7
Struktur eines Schrittmotor - Antriebs
α1α2
Endstufe
~=Stromversorgung
Steuerschaltung
Schrittmotor
Eingangssignal
Drehrichtung
Steuerfrequenz f Z
Steuerlogik
α = SchrittwinkelfZ = Schrittfrequenzz = Schrittzahl (Anzahl Schr./Umdrehg.)z = 360°/ α
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Funktionsprinzip des Schrittmotors
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Aktorik 5
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Permanenterregter Schrittmotor
• Der Läufer besteht aus einem gepoltenPermanentmagneten. Die von Strom durchflossenen Ständerspulen erzeu-gen ein Magnetfeld.
• Ungleichnamige Pole ziehen sich an.Der Läufernordpol bewegt sich zumStändersüdpol.
• Werden die einzelnen Spulen in einerbestimmten Reihenfolge ein- und aus-geschaltet, so folgt der Läufernordpolschrittweise dem wandernden Ständer-südpol.
• Je Spulenumschaltung wird ein Schrittausgeführt, der einem fest definierten Winkel entspricht.
• Das Umschalten der Ständerspulen er-folgt über Transistoren oder integrierte Schaltkreisen.
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Stator Rotor
Pol (gezahnt)Polschuh(Nordpol)
Polschuh(Südpol)
Kugellager
Wicklung Motorwelle
Permanentmagnet
Aufbau eines Zwei-Phasen-Permanentmagnet-Schrittmotors
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Aktorik 6
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Schrittwinkel αDer Schrittwinkel α ist der geometrische Winkel, um den sich die Motorwelle je Steuerimpuls dreht.
p = Polpaarzahlm = Anzahl der Wicklungsphasen(Magnetsysteme, Stränge im Ständer)
Schrittzahl zDie Anzahl der Schritte des Schrittmotors je Umdrehung wird als Schrittzahl z bezeichnet.
mp2360
∗∗°=α
α°= 360
z
Schrittmotor
Drehzahl n
Die Drehzahl n des Schrittmotors ergibt sich zu:
Schrittfrequenz f Z
Solange der Schrittmotor keinen Schrittfehler
macht, ist die Frequenz fZ gleich der
Steuerfrequenz fS
zf60
nZ∗=
°α∗π∗=
3602f
nZmin-1 s-1oder
60360n
60zn
fZ∗α
°∗=∗=
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ZahlenbeispielIn einem Positioniersystem wird der Transportschlitten über einen von einem Schrittmotor bewegten Zahn-riemenantrieb verfahren. Das Zahnrad auf der Motor-welle hat den Durchmesser d = 36 mm. Wie viel Um-drehungen 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
Die Schrittzahl z des Motors ist
Die Summe der erforderlichen Schritte Z ist
.m1131,0m036,0dU =π∗=π∗=
.37,6m1131,0
m72,0Us
n ===
.50072,0
360360z =
°°=
α°=
.318550037,6znZ =∗=∗=
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Aktorik 7
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 13
1 2 3
1/FZ
Impulse
βm (t)
Ωm (t)
t
t
t
α
α
α
Zeitverläufe der mechanischen Winkelge-schwindigkeit, des Verdrehwinkels sowie der Eingangsimpulse
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Bewegungsabläufe für verschiedene Schrittfolgen
β β β
Impulse ImpulseImpulse
ttt
ttt
TS TS TS
α
α α α
Abbildung A:Der Impulsabstand Ts = 1/fs ist so groß, dass der Motor bereits die neue stationäre Position einnimmt, bevor der nächste Steuerimpuls auftritt.
Abbildung B:Durch die Erhöhung der Steuer-frequenz wächst der Winkel αnahezu linear an.
Abbildung C:Ist die Steuerfrequenz zu hoch, kommt der Motor außer Tritt und es kommt zu unkontrollierten Schrittverlusten.
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Aktorik 8
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Phase A
Phase B
UngedämpfteSchwingung
GedämpfteSchwingung
Dämpfung eines Scheiben-Schrittmotors
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Schrittmotor - Kennlinie
JL= 0
JL
JL1
MM max
MA max
MB max
ML
fB0 max
fz
fz
1 = Begrenzung für Betriebsbereich
2 = Begrenzung für Startbereich; JL= 0
3 = Begrenzung für Startbereich; JL> 0
1 = Begrenzung für Betriebsbereich
2 = Begrenzung für Startbereich; JL= 0
3 = Begrenzung für Startbereich; JL> 0
fA max(1) fB maxf1
123
fA max(2) fA0 max
fA max (1) bei JL= JL1 und ML= MA max
fA max (2) bei JL= 0 und ML= MA max
fA max (1) bei JL= JL1 und ML= MA max
fA max (2) bei JL= 0 und ML= MA max
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Aktorik 9
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Dreisträngiger PM-Schrittmotor
βm
N
S
A
B
Cm = 3 (m = Anz. der Magnetsysteme
im Ständer)
p = 1 (p = Polpaar des Rotors)
Vorteile Nachteile
niedriger Preis relativ großer Schrittwinkel
leistungsfähiger
als der Reluk-
tanzmotor
hohe Eisenverluste und
daher begrenzte Spitzen-
drehzahl
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Dreisträngiger Reluktanzmotor
Strang AStromrichtung
B
CZR = 4p = 2m = 3
Vorteile Nachteile
sehr kleiner Schrittwinkel
möglich
nicht sehr leistungs-
fähig
einfache und kosten-
günstige Herstellung
Mikroschrittbetrieb
nicht möglich
kein Rastmoment Eisenverluste
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ZR = 2; p = 1; m = 3 Z = 2 • p • m
Strang A
Dreisträngiger Reluktanz-motor in Einständerbauweise
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Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors
Ständerpol
Permanent-Magneten
Rotor
Wicklung
µr= 1
Südpol- „Zahnrad“
Nordpol- „Zahnrad“
Rückschluss -Joch
N
N
N
S
S
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Aktorik 11
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Vorteile Nachteile
kleine Schrittwinkel möglich (α < 1,8°)
hohes Trägheitsmoment
hohes Haltemoment Verkopplung der Phasen-
wicklungen
hohes Drehmoment durch Statormagnete möglich
relativ langer Magnetkreis
(Eisenverluste)
Vor- und Nachteile des Hybridschrittmotors
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Scheibenläufer
Statorwicklung
Lager
Magnete
Deckel vorne
Schrittmotor (Scheibenläufer)
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Aktorik 12
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a) Längsschnittb) Abwicklungc) Draufsicht auf einen Ständer
von der Läuferseite
Magnetsystem 1 Magnetsystem 1Magnet-system 1
Magnet-system 1
Magnetsystem 1 Magnetsystem 1
a.)c.)
b.)
Aufbau eines permanent-erregten Scheibenschrittmotors
Eisenkreis geblecht
Läufer (niedriges Trägheitsmoment)
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höchste Bescheunigung kleinste Abmessung
praktisch unverzerrte sinus-förmige Drehmomentfunktion
niedriges stromloses Rast-moment
Rotormag. aus Seltenen Erden
kürzeste Eisenkreiseminimale Sättigung bei IN
niedriges Rotorträgheits-moment
kürzeste Positionszeitenhohes Verhältnis Leistung/
Gewicht u. Leistg./Baugrößebessere Winkelgenauigkeit im
Mikroschrittbetriebgenerell bessere Winkelge-
nauigkeitniedriges Trägheitsmoment,
hohe magnetische Energieniedrigste Eisenverlustegute Linearität, Betrieb mit
Überstrom möglich
sehr hohe Anlauffrequenz
Scheibenmagnet-Technologie( Merkmale & resultierende Vorteile)
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Voll-, Halb- und MikroschrittbetriebVollschrittbetrieb
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 vermin-dert, während die Erregung in der zweiten Phase gleichzeitig um dengleichen Wert erhöht wird (z.B. Sinus- und Cosinusförmig).Dabei werden Zwischenschritte erreicht, durch die der Vollschritt in eine Anzahl von Einzelschritten unterteilt wird.
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Funktion Halbschrittbetrieb
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Stromkennlinie
Vollschrittbetrieb Halbschrittbetrieb Mikroschrittbetrieb
Phase A
Phase B
It
t
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MikroschrittbetriebPrinzipieller Aufbau des Schrittmotors
Phase B
Phase A
Phase A Phase A
Position
PositionB B
NS
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Aktorik 15
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Mikroschrittbetrieb
iA= I0• cos (β0)
iB= I0• sin (β0)
MA= -kM• iA • sin (β)
MB= kM• iB • cos (β)
M = MA + MB = - kM• i0 • sin (β - β0)
β0
Phase B
Phase A Drehmoment
PositionS
N
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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 esergibt sich einen besseren Rundlauf ohne Anregung von Reso-nanzen.
Das Haltemoment ist bei allen (Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb)gleich.
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Bipolare-AnsteuerungDer Strom fließt abwechselnd in beiden Richtungen durch einen Wicklungsstrang.
Bipolare-Ansteuerung
Bei der Bipolaren-Ansteuerung eines Wicklungs-
stranges fließt der elektrische Strom abwechselnd
in beiden Richtungen und baut damit magnetische
Flüsse beider Polarität auf. Das Ständersystem be-
steht 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 er-
forderlich.
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Unipolare-AnsteuerungDer 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 ge-
staltet sich jedoch sehr einfach und damit auch kosten-
günstig.
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Blockschaltbild des integrierten Bausteins SAA 1027
Blockschaltbild des integrierten Bausteins SAA 1027
Typische Anschlüsse des SAA 1027
an einen Vierphasenschrittmotor
Typische Anschlüsse des SAA 1027
an einen Vierphasenschrittmotor
Integrierter Schaltkreis SAA 1027 für einen Schrittmotor
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ZusammenfassungEigenschaften von Schrittmotoren
Direkte digitale Ansteuerung über integrierte Schaltungen
Lastverhältnisse müssen bekannt sein => Überdimensionierung erforderlich
Wartungsfrei Relativ kleine Leistungsdichte
Kostengünstiges Antriebskonzept Im gesteuerten Betrieb Gefahr von Schrittfehlern
Gesteuerter Betrieb ohne Lagesen-sor bei bekannter Last möglich
Vergleichweise geringe Stelldynamik
Anwendungsbereich kleine Stellmomente/-kräfte einfache Positionierungsaufgaben bei bekannten Lastverhältnissen
Anwendungsbereich kleine Stellmomente/-kräfte einfache Positionierungsaufgaben bei bekannten Lastverhältnissen
VorteileVorteile NachteileNachteile
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Linearmotor & Torquemotor Linearmotor & Torquemotor
Schrittmotor
Asynchron- & Synchronmotor
Aktoren mit kurzen Hüben
UniversalmotorUniversalmotor1
2
Elektromagnetische Aktoren 3
3
4
5
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Drehstrom –AsynchronmotorAufbau
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Aktorik 19
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1 2
3
4
5
6
1 Stator (Ständer) 4 Blechschnitt2 Blechpaket 5 Rotor (Läufer)3 Kurzschlussring 6 Rotorstäbe
Aufbau eines Asynchronmotors
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Kurzschluss-/Käfigläufer
Läuferstäbe
BlechpaketKurzschlussring
Kurzschlusswicklung
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AsynchronmotorVorteile: (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
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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.
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Aktorik 21
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 41
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 ns fest:
Drehstrom –Asynchronmotoren unterscheiden sich durch die Läuferarten Schleif-
ringläufer und Kurzschlussläufer (Käfigläufer).
Drehstrom - Asynchronmotor
pf
ns =
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Kennlinie eines Asynchronmotors
Motor
Generator
Gegenlauf
MMK
MA
s
MK
nK n nns- ns
MN
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Aktorik 22
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 43
Anzugmoment M ADas Anzugsmoment MA ist das im Stillstand hervorgerufene Drehmoment. Beim Schleifringläufermotor liegt es relativ hoch, diese Art von Motoren haben ein hohes Anfahrdrehmoment.
Sattelmoment M SDas Sattelmoment MS 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 KDas Kippmoment MK ist das höchste Moment, das der Motor zwischen Sattel- und Nennmoment ausübenkann. Es liegt etwa 1,6 bis 2,5fach über dem Nennmoment.
Nennmoment M NDas Nennmoment MN tritt im normalen Betriebsfall auf. Mit der auf dem Leistungsschild angegebene Leistungsabgabe PN und der Nenndrehzahl nN, ergibt sich das Nennmoment MN zu
MN Nennmoment in Nm PN Abgabeleistung in kW nN Nenndrehzahl in l/min oder min-1
MN= PN* 9550/nN
Drehmomente beim Asynchronmotor
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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 Läufer-
wicklung Spannungen. Diese haben nach der Lenz‘schen Regel Ströme und
Drehmomente zur Folge, die den Läufer immer in Richtung synchroner Dreh-
zahl ns beschleunigen. Im Synchronlauf ist der Läufer stromlos, da keine Span-
nungen induziert werden. Das Drehfeld nimmt den Läufer immer nur asynchron
mit.
Die bezogene Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer ist der Schlupf s:
s
s
nnn
s−=
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Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 45
Schlupf (1)Betrachtet man den Drehfeldzeiger von der Oberfläche des Läufers, so ergeben sich nachfolgende Situationen:(1) Drehfeldzeiger, mit Drehfelddrehzahl ns rotierend:
Läufer steht still! (2) Drehfeldzeiger erscheint mit nN < ns rotierend:
Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung! (3) Drehfeldzeiger erscheint stillstehend:
Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit nN=ns! (4) Drehfeldzeiger erscheint entgegen der Drehfelddrehrichtung rotierend:
Läufer bewegt sich in Drehfelddrehrichtung mit nN>ns rotierend!(5) Drehfeldzeiger erscheint in Drehfelddrehrichtung mit nN>ns rotierend:
Läufer bewegt sich entgegen der Drehfelddrehrichtung!
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 46
DrehzahlbereicheKennzeichnung der unterschiedlichen Drehzahlbereiche
des Läufers:
negative Drehzahlen Gegenlauf
Drehzahl n = 0 Stillstand
Drehzahl n < ns Untersynchroner Lauf
Drehzahl n = ns Synchroner Lauf
Drehzahl n > ns Übersynchroner Lauf
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Asynchron - Schleifringläufer1 Ständerwicklung2 Läuferwicklung3 Läuferblechpaket4 Ständerblechpaket5 Gehäuse6 Bürstenbrücke7 Kohlebürsten8 Lagerschild9 Äußerer Lagerdeckel10 Innerer Lagerdeckel11 Schleifring12 Klemmbrett13 Wälzlager14 Lagerschild Antriebsseite15 Lüfter
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Schleifringläufer
Vorteile:Verbessertes Anlaufverhalten (MA steigt)Drehzahländerung durch Widerstands-änderung möglich, jedoch nur unter Last
Nachteile:M = f(n) (Kennlinie) wird flacher, damit geht das Nebenschlussverhalten ver-loren.
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Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 49
Drehmomenten-Kennlinie eines Schleifringläufers mit verschiedenen Anlasswiderständen
Drehmomenten-Kennlinie
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Schleifringläufer Kennlinien
Stromverlauf
Drehzahlveränderung bei gleich bleibendem Belastungsmoment
Drehmomenten-verlauf
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Aktorik 26
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 51
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, wo-
durch 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.
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AnlassverfahrenAsynchronmotoren nehmen beim Einschalten einen sehr hohen Strom
auf IA = 4...10•IN.
Erst nach erreichen der Nenndrehzahl nimmt auch der Strom den Nenn-
strom an. Von den Energieversorgungsunternehmen wird für Motoren mit
höherer Leistung (bei Drehstrommotoren über 5 kW) spezielle Anlassver-
fahren 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.
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Anlassverfahren
IA ~ (4 … 10)• IN
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Stern –Dreieck - Schaltung
V230U
V400U
U3U
II
Strang
Netz
StrangNetz
StrangNetz
==
∗=
=
StrangNetz
StrangNetz
UU
I3I
=∗=
StrangYStrang I3I ∗=∆
∆∆∆
∗=⇒=∗
= NetzNetzY
Strang
StrangY
Netz
NetzYI
31
I31
I3
III
∆∗= M31
MY
Δ –Schaltung der Ständerwicklung
Y –Schaltung der Ständerwicklung
mit
folgt:
da M ~ I gilt:
Stern (Y) –Schaltung
Dreieck (∆) –Schaltung
400 V230 V
400 V
R
S
T
R
S
T
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Aktorik 28
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 55
M
n
M ∆
M Y
Stern –Dreieck – Schaltung(Kennlinie)
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 56
Einphasen-AsynchronmotorVorteile• robust (nur die Lager sind Verschleißteile), wartungsarm, lange
Lebensdauer,• geräuscharm und schwingungsarm,• einfacher Aufbau, kostengünstig,• keine Bürstenreibung, keine Bürstenspannungsverluste
Nachteile• begrenzte maximale Drehzahl (nmax = 3000 min-1) bei einer Netz-
und Bemessungsfrequenz von 50 Hz.• relativ hohes Gewicht• aufwendige Drehzahlsteuerung und –regelung• mittlerer Wirkungsgrad• kleiner Leistungsfaktor (cos φ)• höhe Blindleistung
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Aktorik 29
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 57
Kennlinie eines Anwurfmotors
Einsträngiger MotorEinsträngiger Motor Zweisträngiger KondensatormotorZweisträngiger Kondensatormotor
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 58
Einphasen-Asynchronmotor
M
N
L1
CACB
~
Betriebskondensator: 25 µF bis 35 µF je kW MotorleistungAnlaufkondensator: 100 µF bis 120 µF je kW Motorleistung
Einphasen-Asynchronmotor mit Betriebs- und Anlaufkondensator in der Hilfsphase
M
n
CB+ CA
CB
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Aktorik 30
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 59
Einphasen-Asynchronmotor
M MM
N
L1
IHa
IHi
Anlaufschaltung des Einphasen-Asynchronmotors mit Hilfsphase
IHi = Strom der HilfswicklungIHA = Strom der Hauptwicklung
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Spaltmotor Aufbau
SpaltpolHaupttpol
Streubleche
Kurzschlusswicklung
Kurzschlusswicklung
Spaltpol Haupttpol
U1
U2
L1
N
U1
N
U1
U2
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Spaltmotor Wirkungsweise
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SpaltmotorAnwendungenSchaltuhren, Plattenspieler mit Riemenantrieb, Schreibmaschinen, Waschmaschinen, Dunstabzughauben, Lüfter, Tonbandgeräten u.a.Vorteile• Sehr einfach im Aufbau, preiswert, robust, keine Wartung;• Selbstständiger Anlauf mit gutem Anlaufmoment MA (etwa 50%
vom Nennmoment MN)• 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.
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Linearmotor & Torquemotor Linearmotor & Torquemotor
Schrittmotor
Asynchron- & Synchronmotor
Aktoren mit kurzen Hüben
UniversalmotorUniversalmotor1
2
Elektromagnetische Aktoren 3
3
4
5
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Linearmotoren
Translatorische BewegungUm eine translatorische Bewegung mit rotatorischen Antrieben zu erreichen müssen diese kombiniert werden mit: mechanischen Umwandlungsgetrieben, wie Kugelge-triebe, 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 be-zeichnet werden. Prinzipiell kann ein Linearmotor als Schritt-, Asynchron-, Synchron-oder Gleichstrommotor ausgeführt werden. Aufgrund der Verschleißfreiheit sind Drehstrom-Linearmotoren besonders geeignet, wobei wegen ihres einfachen Auf-baus sowohl Asynchron-Linearmotoren wie Synchron-Linearmotoren Anwendung finden.
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Linearmotor
Stator
Kurzschlussläufer
Reaktionssystem R (ortsfest)
Primärsystem P
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Führung
Sekundärteil
Primärteil Kabelschlepp
Lineares Wegmeßsystem
Aufbau eines linearen Antriebssystems
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Querschnitt eines Asynchron-und Synchron-Linearmotors
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pf
n =
p
fDv ⋅⋅= π
p
Dtp
⋅⋅=
2
π
ftD
tfDv p
p ⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅= 2
2
ππ
Für den Asynchronmotor gilt:
Für die Umfangsgeschwindigkeit gilt:
Mit der Polteilung tp
ergibt sich dann für die Geschwindigkeit:
Geschwindigkeiten beim Linearmotors
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Kennlinie des Linearmotors
0,5 1,00Geschwindigkeit v/V s
1,0 0,5 0Schlupf s
F
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Linearschrittmotor
Spule
Magnetischer Fluß
A B C D E B
Bett (Stator)
Schlitten (Rotor)
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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)
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TorquemotorEin 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 An-triebskonzepten 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. Dreh-maschinen, Schwenkköpfe von Fräsautomaten, Roboter und Kunststoff-Spritz-maschinen. Aufgrund ihres guten Wirkungsgrads eignen sie sich auch als Antriebe für elektrische Rollstühle und Fahrräder.
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Aufbau eines Torquemotors
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Merkmale eines TorquemotorsDer Torquemotor zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
Großer Durchmesser im Verhältnis zur Motorlänge (kompakt); Hohlwelle, die zur einfachen Montage aber auch zur Mediendurchführung (Kühl-
medium, Kabel, etc) verwendet werden kann; Hoher Wirkungsgrad durch den Permanentmagnet bestückten Rotor;
Statorpaket mit hochpoliger Statorwicklung; Massives Gehäuse mit Wasserkühlung zur Erhöhung der thermischen zu-
lässigen 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.
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Komplett-Torquemotor (Siemens 1FW3)
Vollständiger Motor
Ständer- und Läufer
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Einbau-Torquemotor
Rundtischantrieb
Torquemotor als Walzenantrieb
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Torque-Motor(kleine Ausführung)
A P B
Prallplatte
Düsen
Permanentmagnet
Anker
Biegefeder
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LinearmotorLinearmotor
Schrittmotor
Asynchron- & Synchronmotor
Aktoren mit kurzen Hüben
UniversalmotorUniversalmotor1
2
Elektromagnetische Aktoren 3
3
4
5
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Stellantriebe für kurze Wege
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VorteileVorteile NachteileNachteile
einfacher, kompakter und kosten-günstiger Aufbau
nicht lineares Verhalten
direkte Erzeugung von Linearbewe-gung
geringe Leistungsdichte
sehr hohe Stelldynamik Reibung und magnetische Hysterese
großer Ruhestrom
Anwendungsbereich kleine Stellkräfte bei gleichzeitig kleinen Stellbereichen hohe Dynamik
Anwendungsbereich kleine Stellkräfte bei gleichzeitig kleinen Stellbereichen hohe Dynamik
Eigenschaften elektromagnetischer Stellantriebe
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Elektromagnetische Umformer
Hub- und Proportional-magnet
Tauchspule Linearmotor Torquemotor
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Aktoren mit kurzen Hüben
2 Tauchspulen
4 Gleich- & Wechselstrommagnete
1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete
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Aufbau eines Proportionalmagnet
Kraft F
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Proportionalmagnet
Proportionalmagnete sind in der Lage, aus einer elektrischen Eingangs-
größe 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 Ven-
tilsitz, aus.
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Kraft-Hub-Kennlinie eines Hubmagneten NG6
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Strom- und Hubverlauf bei Spannungssprung
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Differentialgleichung 1. Ordnung
MMSpM
UIRdtdI
L =⋅+
−= τ
− t
Sp
MM e1
RU
)t(ISpR
L=τ
Aus der Maschengleichung folgt eine Differentialgleichung 1. Ordnung:
(1)
Die Lösung der Gleichung ergibt den Anstieg des Magnetstromes:
(2) mit (3)
Nach dem Anlegen der Spannung UM steigt der Strom IM 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 seinenEndwert (UM/ RSp).
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Proportionalmagnet
Aufbau und Kennlinienfeld eines ProportionalmagnetenAufbau und Kennlinienfeld eines Proportionalmagneten
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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.
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.
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• Die Stellung des Ankers wird mit einem
induktiven Messsystem gemessen.
• Das Messsignal x wird mit dem Eingangs-
signal 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 Ein-
gangssignal y und Messsignal x verringert.
Aufbau eines lagegeregelten Proportionalmagneten
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Aktoren mit kurzen Hüben
2 Tauchspulen
4 Gleichstrom- & Wechselstrommagnete
1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete
2 Tauchspulen
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Prinzipieller Aufbau eines Tauchspulen-Aktors
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Aktorik 47
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 93
Tauchspule
Tauchspule
Prallplatte
Membran
P P
Gehäuse
Permanent-magnet
innererPolschuhäußerer
Polschuh
A
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Tauchspulen-Lautsprecher
S
N
S
N
Schwingspule
Feldlinien Ringmagnet
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Aktorik 48
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 95
Lautsprecher mit Tauchspule
Der überwiegende Teil aller Lautsprecher (Flachmembran-, Kalotten-
lautsprecher, 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 fs. Diese Frequenz fs
steigt an, je leichter die Spule oder je stärker die Feder ausgelegt sind.
Umgekehrt fällt fs, wenn die Spule ein höheres Gewicht hat.
Motoren, die wie elektrodynamische Lautsprecher nach dem Tauch-
spulenprinzip funktionieren, werden als „voice-coil-motors“ bezeichnet.
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Tauchspulen-Aktoren (Voice-Coil-Motor)Ausführungsarten
S
••••
NNS
SSNN
SN
NS
• •••
a.) b.)
Spule
Spule
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Aktorik 49
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 97
Mikro-Montage
Greiferantrieb
Sortierer
Einpressen und Fügen
Schneidsystem
Dosiersystem
Verpacken und Etikettieren
Schwingantrieb
Laserstrahlführung
Anwendungsbeispiele für Tauchspulenaktoren
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Schreib-Lese-Köpfe von Festplatten-Laufwerken
Positionierung der Schreib-Lese-Köpfe eines Festplatten-Laufwerkes. Der Verfahrweg der Köpfe wird durch den Spulenstrom gesteuert.Positionierung der Schreib-Lese-Köpfe eines Festplatten-Laufwerkes. Der Verfahrweg der Köpfe wird durch den Spulenstrom gesteuert.
N
N
S
S
Magnet Spule Schreib-Lese-Köpfe
Voice-Coil-Motor Wagen Spindel Festplatten
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Aktorik 50
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 99
Positionierung des Schreib-Lese-Kopfes eines Disketten-Laufwerkes. Durch die verändernde Erregung wird eine Drehung ausgeführt.
Positionierung des Schreib-Lese-Kopfes eines Disketten-Laufwerkes. Durch die verändernde Erregung wird eine Drehung ausgeführt.
DisketteLese-Kopf
Spule
Magnet
Schreib-Lese-Kopf eines Diskettenlaufwerkes
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 100
Fokussier-System
Fokussier-System für die Laser-Abtastung eines CD- PlayersFokussier-System für die Laser-Abtastung eines CD- Players
Magnet
Spule
Fokussier-System
Federn
Laser
CD
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Aktorik 51
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 101
Aktoren mit kurzen Hüben
2 Tauchspulen
4 Gleichstrom & Wechselstrommagnete
1 Physikalische Grundlagen1 Hub- und Proportionalmagnete
4 Gleichstrom & Wechselstrommagnete
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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 kine-tische 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.
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Aktorik 52
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 103
Gleichstrommagnet
Magnetkörper
Anker
Wicklung
Magnetkörper
Anker
Wicklung
AmagnetischerAnschlag
EE A A
E = EndlageA = Anfangslage
Hub- und Zugmagnete
a b
Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 104
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.
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Aktorik 53
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 105
Schwingankermotor Vibrator
Schwingankermotoren/Vibrator
Quelle: H. Janocha, Aktoren, Springer-Verlag
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 106
Elektromagnetische Umformer
TypHub- und Proportional-Magnet
Tauchspule LinearmotorTorquemotor(kleinere Ausführungen)
AnwendungIn 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
Regeleigen-
schaften
mittlere Dynamik &
Hysterese
sehr schnell &
geringe HystereseHysterese
sehr schnell &
geringe Hysterese
Elektromechanische Umformer zur Ansteuerung hydraulischer oder pneumatischer Ventile
Elektromechanische Umformer zur Ansteuerung hydraulischer oder pneumatischer Ventile
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Aktorik 54
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 107
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 Meißel-
hämmer.
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 108
Antriebssysteme im Vergleich
Prof. A. Büngers SS 2012
Aktorik 55
Aktorik, SS 2012 Prof. A. Büngers 109
Industriemotoren - Vergleich
Für Anwendungen, bei denen keine präzisen Geschwindig-
keitsregelung notwendig ist, eignen sich am besten Asyn-
chronmotoren. Da Asynchronmotoren auch durch Frequenz-
umrichter 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 110
Elektromagnetische Aktoren 3
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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