Torquemotoren - Fischer Elektromotoren

Torquemotoren
genutet und eisenbehaftet
High-Speed & Power-Systems
High Speed und Power System
Innovation mit Dynamik
Made in Baden Württemberg - Germany
Torquemotorenbeschreibung
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
25.02.2010 |
2
Torquemotorenbeschreibung
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, FEMBerechnungsprogrammen 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.
25.02.2010 |
3
Torquemotorenbeschreibung
25.02.2010 |
4
Torquemotorenbeschreibung
Vorteile Torquemotoren
spielfrei
exaktes Positionieren
robust
nahezu Wartungsfrei
kein Getriebe
notwendig
Gewichtseinsparung
Torquemotor
Energieeffizient
felixible Auslegung
Wicklungsanpassun
g je nach
Anforderung
optimale
Raumausnutzung
Länge und
Durchmesser
variabel
geringer Bauraum
große
Flächenvorschubkraft
hohe Kraftichte
einstellbare Drehzahl
von 0 bis zu
Nenndrehzahl
geringe Masse
hohe Dynamik
Wasserkühlung
möglich
hohe Drehmomente
möglich ab Drehzahl
0
25.02.2010 |
geringere Verluste
6...8N/cm2
5
Torquemotorenbeschreibung
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
25.02.2010 |
6
Torquemotorenbeschreibung
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
PV :
Kupferverluste [W]
M:
Drehmoment [Nm]
km:
Motorkonstante
Motorkonstante [%]
Formel und Diagramm dargestellt:
110
105
100
95
90
85
80
0
20
40
60
80
100
Temperatur in [°C]
Motorkonstante-Temperatur-Diagramm
Das Diagramm verdeutlicht die Abnehmende Motorkonstante bei Steigender
Temperatur.
25.02.2010 |
120
7
Torquemotorenbeschreibung
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.
1 M(n) Kennlinie Arbeitspunkte
•
bis Mp im S3 Betrieb
•
bis Mnk im gekühlten
Dauerbetrieb
(Wasser)
•
Mp:
Spitzenmoment [Nm]
Mnk:
Nennmoment
wassergekühlt [Nm]
Mn:
Nennmoment
ungekühlt [Nm]
np :
max. Drehzahl bei Mp
nnk:
max. Drehzahl bei
Mnk
nn:
max. Drehzahl bei Mn
(Nenndrehzahl)
n0 :
Maximaldrehzahl
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
bis Mn im
eingeprägt werden kann. Folglich nimmt das
ungekühlten
Motordrehmoment mit zunehmender Drehzahl ab.
Dauerbetrieb S1
25.02.2010 |
8
Torquemotorenbeschreibung
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
25.02.2010 |
9
Torquemotorenbeschreibung
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.
25.02.2010 |
10
Torquemotorenbeschreibung
KTY-84
1200
Widerstand
1000
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.
25.02.2010 |
11
Torquemotorenbeschreibung
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, 3DMessmaschine sowie eine Höhenmessmaschine gemessen. Diese ermöglicht auch
die Vermessung von konstruktiv aufwendigen Gehäusen und Teilen.
25.02.2010 |
12
Torquemotorenbeschreibung
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.
•
25.02.2010 |
Bei großen Leistungen.
13
Torquemotorenbeschreibung
14
Auslegung von Torquemotoren
Direktantriebe arbeiten vorrangig im Taktbetrieb. Bewegungs- und Pausenzeiten
wechseln sich ab und wiederholen sich im Gesamten.
Drehzahlprofil Dreieck
α:
Winkel
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
Zeit
Winkelgeschwindigkeit
Winkelbeschleunigung
J:
Massenträgheitsmoment
M:
Drehmoment
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
25.02.2010 |
Torquemotorenbeschreibung
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
kleinerer Wert
Dreiecks förmige
Drehzahl
NACHTEIL
Trapez förmige
Drehzahl
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.
25.02.2010 |
Torquemotorenbeschreibung
16
Anwendungsgebiete
Einsatzgebiete
Einsatz
Vorzüge
•
Verpackungsindustrie
•
CNC-Automaten
•
geringer Bauraum
•
Werkzeugmaschinen
•
Positionierantrieb
•
hohe Dynamik
•
Holzindustrie
•
Fräsmotor
•
Einstellbare Drehzahl
•
Schwenkachsen
•
Rundtakttische
•
sehr gute Positionierung
•
wartungs- und spielfreier
Antrieb
•
aktive Kühlung möglich
•
hohes Drehmoment
•
Industrieanwendungen
25.02.2010 |
Torquemotorenbeschreibung
Beispiel eines Datenblatts
ungekühlt
GRÖSSE
ZEICHEN
Nennmoment
EINHEIT
TORQUE
Mn
Nm
In
Aeff
MP
Nm
IP
Aeff
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/
Nennstrom
Spitzenmoment
Spitzenstrom Effektiv
Stillstands-/ Haltemoment
Zwischenkreisspannung
Gegenspannungskonstante (Phase-
UZk
V
EMK
Veff bei
1U/min
Phase)
Widerstand pro Phase (Phase-Phase)
RPh20
Widerstand U-V
RU-V
Widerstand V-W
RV-W
Widerstand W-U
RW-U
LPh
mH
Induktivität U-V
LU-V
mH
Induktivität V-W
LV-W
mH
Induktivität W-U
LW-U
mH
el
ms
therm
min
Induktivität pro Phase
(Phase-Phase)
Elektrische Zeitkonstante = L / R
Thermische Zeitkonstante
Polpaarzahl
W
pp
Magnetanzahl
Motorlänge
bMotor
mm
Motordurchmesser
dMotor
mm
Masse Motor
MMotor
kg
Temperaturfühler
Isolationsklasse
Messsystem
Auflösung Messsystem
25.02.2010 |
PTC/KTY
F
incr. mm
17
Torquemotorenbeschreibung
Glossar
Formelkurzzeichen
Erläuterung
MP/FP
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
Nennmoment/-kraft bei Nennstrom bei dem der Motor im
Dauerbetrieb
ohne extra Kühlung die thermische Energie abführen kann
τel
Elektrische Zeitkonstante, τel= L/R.
Beschreibt die Stromanstiegs-Geschwindigkeit.
τtherm
Thermische Zeitkonstante, beschreibt die Erwärmung des Motors bei
Nennstrom, bei 5τ ist die Maximaltemperatur erreicht.
km
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.
Mr
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.
kt/kF
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
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
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.
Ist ein theoretischer Wert n0=UZK/(ku*√2) ; v0=UZK/(kU*√2)
25.02.2010 |
18
Torquemotorenbeschreibung
UZK
Zwischenkreisspannung Æ Speisespannung des Servoumrichters
Eine größere Zwischenkreisspannung ermöglicht eine höhere Drehzahl
560VDC
RPh20
Ohm’ scher Widerstand der Kupferspule bei 20°C
Angabe Phase-Phase
L
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
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
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
25.02.2010 |
19