26.04.23

Motor und Generator

26.04.23

Motoren

SchrittmotorReluktanzmotorPermanentmagnetmotorHybridmotor

AnsteuerungBetriebsartenSteuerbausteineTreiberbausteine

Der rotierende Magnetfeld-Vektor

Vektor-Zusammensetzung

Bürstenlose Gleichstrommotoren

26.04.23

MotorenSchrittmotorReluktanzmotor (variable reluctance) VR PermanentmagnetmotorHybridmotor

Ursache für den magnetischen Fluss Φ ist das vom Strangstrom erzeugte magnetische Feld H.Die Flussdichte B (= Φ / A ) hängt mit H zusammen gemäß B = µ0*µr*H . Als magnetische Spannung θ bezeichnet man das über die erzeugenden Ströme geschlossene Umlaufintegral über die Feldstärken längs des Wegs ℓ: θ = ΣHi*ℓi= I*N (Integral als Summe geschrieben , [θ]=1A ).Das „Ohmsche Gesetz“ des magnetischen Kreises lautet somit θ = Φ * Rm mit Rm = ℓ / (µ0*µr*A) ( [Rm] =1A/Vs )Der magnetische Widerstand Rm heißt Reluktanz. Je nach dem Weg, den die Flusslinien nehmen, ist der Widerstand größer oder kleiner. Er hängt von der Permeabilitätszahl der betreffenden Materialien ab. Das gut magnetisierbare Eisen hat einen etwa 1000 mal geringeren magnetischen Widerstand als Luft. Das System sucht für den magnetischen Fluss jenen Weg, auf dem insgesamt der niedrigste Widerstand vorliegt und tut dies sehr kräftig = ein Drehmoment wird erzeugt.

Feldlinienbild einer Motoranordnung (erstellt mit vizimag)

Rotor mit µr = 1000 (hohe Magnetisierung)Unmagnet.Rotor mit µr = 1

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Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor (variable reluctance VR )PermanentmagnetmotorHybridmotor

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Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor (variable reluctance) VR PermanentmagnetmotorHybridmotor

Schema der Anordnung von Stator und Rotor bei einem 3-Phasen VR-Motor mit einem vierpoligen Rotorkreuz. Es wird jeweils nur einer der drei Stänge (A,B,C) bestromt. In dieser Anordnung rotiert das Feld links herum (counterclockwise) um 60° und der Rotor rechts herum (clockwise) um jeweils α = 360° /(3 Str.*4 Pole) =30° pro Schritt.

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Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor VR (variable reluctance)PermanentmagnetmotorHybridmotor

Die unipolare Ansteuerung und Bestromung des Reluktanz-Schrittmotors

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Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor (variable reluctance VR )

Permanentmagnetmotor PMHybridmotor

Beim Permanentmagentmotor kommt zu den elektrisch erzeugten Polen des Stators das oder die permanenten Polpaare des Rotors hinzu.Auch wenn kein Strang bestromt ist, rastet der permanent magnetisierte Rotor in einer Stellung mit geringster Reluktanz ein.

26.04.23

Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor VR (variable reluctance)Permanentmagnetmotor PM

Hybridmotor

Aus der Kombination (Hybrid) von VR- und PM-Schrittmotor entstand der Hybrid-Schrittmotor.Der Rotor ist im Grunde ein Sandwich, bestehend aus zwei weich magnetischen, gezahnten Polschuhen mit dazwischen liegendem axial gerichteten Dauermagneten. Die Polschuhe sind gegeneinander um 1/2 Zahnbreite versetzt.Der Stator ist ebenfalls gezahnt. Er trägt die auch die Magnet-spulen.

Die aufwändigere Herstellung bringt eine feiner geteilte Schrittweite von ca. 1° aufwärts.

26.04.23

Motoren

SchrittmotorReluktanzmotor VR (variable reluctance)Permanentmagnetmotor PM

Hybridmotor

Linke Spalte:Jeweils 1 Strang erregt, Vollschrittbetrieb

Mitte:2-Strang-Erregung, Vollschrittbetrieb

Rechte Spalte:2-Strang-Erregung, Halbschritt

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Motoren

SchrittmotorAnzahl der Schritte

Üblicherweise sind die Statorwicklungen ist 2-,3- bzw. 5-polig ausgeführt, das ergibt die Strangzahl s.

s......Zahl der Stränge,p.....Zahl der Polpaare,Zr......Zähne des Rotorpols,z……Anzahl der Schritte/Umdrehung

z.B.: Für einen unipolaren Motor mit einem Polpaar und drei Strängen ergibt sich eine Schrittzahl z von 6 pro Umdrehung

1 Magnetpolpaar, 3 Stränge. p=1, ms=3 z=2*1*3=6 α=360°/6 =60°

2 Magnetpolpaare, 3 Stränge p=2, ms=3 z=2*2*3=12 α=360°/12=30°

und daraus ein mechanischer Schrittwinkel von:

z……Schrittanzahlzahla ....Nennschrittwinkelα = 360°/ z

z = 2*p*Zr*s

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Kenngrößen eines Schrittmotors

Phasenzahl:Gebräuchlich sind Schrittmotoren mit ein bis fünf Phasen (=Strängen, =Spulen) Einphasige Motoren haben in der klassischen Antriebstechnik eine geringe Bedeutung. Die größte Verbreitung hat der 2-Phasenmotor mit seinen Varianten gefunden. Ein 4-Phasen Schrittmotor ist im Grunde ein 2-Phasenmotor mit getrennt herausgeführten Wicklungsanschlüssen. 5-Phasen Schrittmotoren bieten ein wesentlich besseres Laufverhalten und eine von Natur aus höhere Schrittauflösung.Schrittwinkel:Er besagt, welcher Drehwinkel mit dem Motor ohne elektronische Zusatzmaßnahmen aufzulösen ist. Die Angabe der Schrittzahl pro Umdrehung besagt sinngemäß dasselbe. Datenblattwerte beziehen sich auf Voll- oder Halbschritt.Phasenstrom:Auf diesen Wert bezieht sich das Nennmoment des Motors. Mit diesem Strom kann der Motor i. allg. auch dauernd betrieben werden, ohne dass er zu heiß wird.Haltemoment:Das Haltemoment gibt an, welches Moment der Motor im Stillstand halten kann, ohne dass dieses eine kontinuierliche Drehung des Rotors hervorruft.Drehmoment:Das Drehmoment gibt an, welches maximale Moment der Motor bei unterschiedlichen Drehzahlen abgibt. Meist liegen diese Angaben in Form von Kennlinien vor.Wicklungswiderstand:Anhaltspunkt zur Berechnung der ohmschen Verluste im Motor. Dieser Wert hat ggf. Auswirkungen auf die Auslegung der Ansteuerung (Vorwiderstände etc.)Wicklungsinduktivität:Diese Angabe hat Bedeutung bei der Wahl der Betriebsspannung, da sie die Geschwindigkeit des Stromauf- und -abbaus mitbestimmt und damit die dynamischen Eigenschaften beeinflusst.Nennspannung:Die Nennspannung besagt, welche Spannung im stationären Fall an den Motor zu legen ist, um den Phasenstromnennwert zu erreichen. Sie ist bei Konstantstrom-Ansteuerung nicht mit der Betriebsspannung zu verwechseln.Rotorträgheitsmoment:Das Rotorträgheitsmoment addiert sich zum Trägheitsmoment der Last und begrenzt damit die maximal mögliche Beschleunigung. Man benötigt diese Angabe zum Berechnen eines Antriebs.Motortemperatur, Wicklungstemperatur:Diese meist auf einen definierten Punkt am Motorgehäuse bezogene Tem peratur darf während des Betriebes nicht überschritten werden, da anson sten irreversible Schäden entstehen können.Mechanische Maße, Gewicht, Wellenbelastung:Zum mechanischen Ein- und Anbau von Motor und Last sind diese Anga ben mit zu berücksichtigen. Oft findet man auch Angaben über Schutzart, Isolationseigenschaften etc, welche bei speziellen Umgebungsbedingungen oder anderen Randbedin gungen zu berücksichtigen sind.

26.04.23

Motoren

SchrittmotorVerkleinerung der Schrittweite durch unterschiedliche

elektrische Ansteuerung der Stränge

Die einzelnen Stränge müssen nicht nacheinander bestromt werden, es können gleichzeitig auch mehrere aktiv sein.

Der Rotor stellt sich dann auf die Richtung des aus zwei, drei oder mehr Wicklungen resultierenden magnetischen Feldes ein.

Die Wicklungen müssen natürlich nicht immer sekrecht zueinander stehen, wie bei zwei Strängen, sie können auch unter 60° (bei drei Wicklungen) usw. zueinander liegen.

Einige Beispiele folgen.

 Zwei Strang- 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° bipolar Anst Pos1 Pos2 Pos3 Pos4 Pos5 Pos6 usw.Strom I1 √2 1 0 -1  -√2 -1  Strom I2 0 1 √2 1 0 -1  

26.04.23

Motoren

Ansteuerung von Fünf Strängen

26.04.23

Motoren

Ansteuerung von Fünf Strängen

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Motoren

Ansteuerung

Wenn wir diese Logik fortsetzen, dann könnten wir sehr viele Strangwicklungen einbauen, oder die Stränge mit ganz unterschiedlichen, fein abgestuften Strömen beaufschlagen. Letzteres heißt auch Mini- oder Mikroschrittbetrieb.

Das Stromnetz bietet uns bereits drei Phasen an, die um 120° versetzt kommen. Legt man jede Phase auf einen der drei Strangspulen, so erhält man ein umlaufendes Magnetfeld mit 50 Hz, das man gar nicht mehr durch einzelne Schritte gleichstrommäßig beschalten muss, sondern direkt aus dem Drehstromnetz versorgen kann.

26.04.23

Motoren

Ansteuerungsartenunipolarbipolar

Wicklung W1 und W2 sind jeweils die Hälfte einer Strang-Spule mit Mittelanzapfung.Schalter S1 erzeugt Nord-Süd Ausrichtung und Schalter S2 eine Süd-Nord Ausrichtung.Schalter sind Halbleiter z.B.: Transistoren, Thyristoren,Diese werden von Logik-Bausteinen angesteuert.

Wicklung W1 und W2 sind getrennte Spulen

Die Schalter S1-S3 erzeugen Nord-Süd Ausrichtung und Schalter S1-S4 erzeugen Süd-Nord an der Spule W1.Entsprechend auch bei Wicklung W2.

26.04.23

Motoren

Applikationsschrift zum Steuer- und Treiberbaustein L297, L298

26.04.23

Motoren

Einphasen-Reihenschlussmotor(Bausatz zum Begreifen )