Dirk Söffker - uni-due.de · Motor (Universalmotor (Allstrommotor)) (ortsfestes StatorMF (PM), geschaltetes LäuferMF (EM)) (wird zeitweilig auch als fremderregte GM bezeichnet,

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Antriebstechnik VE 0: Formales/HinweiseDirk Söffker, SRS, U DuE

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Veranstaltung

Antriebstechnik

Dirk Söffker

Lehrstuhl Steuerung, Regelung und SystemdynamikFakultät für IngenieurwissenschaftenUniversität Duisburg-Essen



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Inhalt der Veranstaltung- Voraussetzungen- Inhalte- Grundaufbau der weiteren Veranstaltungen SRS (PO08 / Master)

Termin und OrtWenige Termine Termine Di, aber: 14.00 - 18.00 Uhr MB 244

Grundidee des Veranstaltungsaufbaues- ‚Interaktives‘ Skript mit Literaturhinweisen, Passwort: - Fachbücher/Aufsätze >> Bibliothek- >> Verwendung der Unterlagen ist auf die Nutzung im Rahmen dieser Veranstaltung

beschränkt, es gilt das Urheberrecht der Autoren. <<<

Vorlesung/Übung- Übung folgt der Veranstaltung direktSprechstunden- Alle betreuenden Personen direkt ansprechen (Do 10.00 - 11.30 Uhr, Lehrstuhl SRS)- Sebastian Wirtz, M.Sc., Dipl.-Ing. Georg Hägele

Übungsaufgaben- Beispiel-/Übungsaufgaben

Prüfungschriftlich, wird bekanntgegeben



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Einbettung der Veranstaltung in die Forschungsschwerpunkte:


Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE

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1.1 Maschinenbauliche/mechatronische Systeme als komplexeSysteme, Anlagen und Prozesse

- Aktorik ist zentraler- Bestandteil maschinenbaulicher Systeme/Prozesse/Produkte, wenn

Energie/Leistung übertragen werden muss (geregelt/ungeregelt) und- Bestandteil von offenen/geschlossenen Regelkreisen,

wenn die Systemdynamik beeinflusst werden soll (muss).



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1.2 Aktorik: Energiewandlung und resultierende Unterscheidungen

1) Beeinflussen von Energie-/Leistungsflüssen- Wandlung der Energie > Energiewandler- Beeinflussen zur Verfügung stehender Energie

(z. B. aus einer Hilfsenergiequelle) > Steller

2) (Steuernde/regelnde) Eingangsgröße - energiearm (Spannungspegel etc.)/

energielos (Information) > Steller/Aktor- energiereich > Wandler/Umformer

Quelle: Steinhilper/Sauer





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1.3 Aktoren im offenen/geschlossenen Regelkreis

Betrachtungsebenen1) Realisierung von (statischen) physikalischen Effekten > Funktion

- Energie/Leistung - Phys. Größen (Kraft / Weg / Spannung / Druck /…)

2) Dynamische Realisierung der Funktion > Übertragungselement - Abstraktes Verhalten im Zeit- und Frequenzbereich- Lineares / Nichtlineares Verhalten




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1.4 Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien I (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl)

1. Wirkprinzip: Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich gegenseitig ab(Coulomb).

2. Wirkprinzip: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfahren eine Kraft(Biot-Savard).

3. Wirkprinzip: Körper mit gleicher magnetischer Polung stoßen sich gegenseitig ab(Coulomb).


Quelle: Irlinger

Quelle: Irlinger

Quelle: Irlinger



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Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien II (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl)

4. Wirkprinzip: Asymmetrien im Kristallgitter bestimmter Kristalle führen beiAnlegen äußerer Spannungsfelder zu Verschiebungen(umkehrbar und reversibel) (Curie).

5. Wirkprinzip: Ausgewählte Legierungen (z. B. Eisen-Nickel) verspannen sich imMagnetfeld und ändern ihre Abmessungen (Joule).

6. Wirkprinzip: Körper denen sich bei Erwärmung aus (Heron).


Quelle: Irlinger

Quelle: Irlinger

Quelle: Irlinger



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1.5 Aktorik: Zusammenhänge hinsichtlich der Integration/Einbindung

Früher: Funktionsrealisierung auf Basis von wirkmechanismen-orientierter Vorgehensweise (physik./chem./….)> Energie/Leistung wird gewandelt > Steller/Wandler> Beschreibende Größen sind Signale (> math. Funktionen)> Begriffe: Stelleinrichtung / Steller

Heute: Funktionsrealisierung auf Basis von Wirkmechanismen,deren zeitliches (dynamisches) Verhalten durchinformationstechnische (bzw. energetisch entkoppelte)Größen gesteuert/geregelt werden> Energie/Leistung wird gewandelt > Steller/Wandler> Beschreibende Größen (intern) sind Signale (math. Funktionen)> Steuernde/Regelnde Eingangsgrößen (extern)

werden als Information beschrieben> Begriffe: Aktor (wenn Stelleinrichtung/Steller mit

entsprechenden Schnittstellen ausgestattet sind,Beispiel: Profibus)

Konsequenz: Aktorik beeinflusst Energie-/Stoffflüsse (> Energie).Verhalten der Aktorik wird durch informationsverarbeitendeEinheiten beeinflusst.




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1.6 Aktorik: Klassifizierungsmöglichkeiten

Klassifizierung an Hand- der Form der verwendeten (Hilfs-)Energie (Czichos)

(elektrisch, fluidisch, thermisch, chemisch)- der Form der verwendeten Wirkprinzips

(elektromagnetisch, elektrorheologisch, piezokeramisch, ….)- der verwendeten Zwischenenergieform (Wallaschek)

(magnetisches Feld, elektrisches Feld, …)- der aktorischen Bewegung

(Linearaktor, rotatorischer Aktor, …)- …- des grobunterteilten zugrundeliegenden Wirkprinzips

und des verbleibendes Restes (Janocha)

Klassifizierung von Aktoren (nach Janocha)- Elektronische Aktoren

(Dioden, Leistungstransistoren, Thyristoren)- Elektromagnetische Aktoren

(Selbst- und fremdgeführte Motoren, Linearmotor, …)- Fluidtechnische Aktoren

(Hydraulische Antriebe, pneumatische Antriebe)- Unkonventionelle Aktoren

(Bimetalle, memorybasierte Aktoren, elektrorheologische Aktoren,piezoelektrische Aktoren, magnetorestriktive Aktoren, …)



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Aktorik

Konventionelle elektromagnetischeAktorik

Elektro-magnete Linear-

motoren

piezo-elektrisch

magne-striktiv

thermo-mechanisch

Konventionelle fluidischeAktorik

Unkonventionelle Aktorik

Gleichstrom-Motoren

Wechsel-Strom-motoren

Fremd-erregt

Selbst-erregt

Asyn-chron-motor

Syn-chron-motor

PneumatikHydraulik

Hydro-zylinder

Hydro-motor

1.6 Aktorik: Klassifizierungsmöglichkeiten - grafisch



- 9 -Modifiziert nach Irlinger (Quelle)

DV-An-bindung

Prozess/System

1.7 Aktorik: Ein-/Anbindung an/in Prozesse/Systeme/Regelkreise

Die informationstechnische Realisierung der Ansteuerung geschieht durch

- analoge Signale (z. B. 0-10 V Gleichspannung, leistungslos,-5-5 V Gleichspannung, leistungslos,0-1 V Gleichspannung, leistungslos)

> Steller/Stellglied

- digitale Signale (z. B. digital I/O n-bit, PWM, …)

- digitale Integration I (z. B. durch Integration in ein Bussystem (Profibus, CAN-Bus, Feldbus, …)

- digitale Integration II (z. B. durch Integration in ein (offenes) Netzwerk(LAN, WAN, WLAN, …)

> Aktor

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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

Aktorik: Übersicht

Aktorik

Konventionelle elektromagnetischeAktorik

Elektro-magnete Linear-

motoren

piezo-elektrisch

magne-striktiv

thermo-mechanisch

Konventionelle fluidischeAktorik

Unkonventionelle Aktorik

Gleichstrom-Motoren

Wechsel-Strom-motoren

Fremd-erregt

Selbst-erregt

Asyn-chron-motor

Syn-chron-motor

PneumatikHydraulik

Hydro-zylinder

Hydro-motor

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2 Konventionelle elektromagnetische Aktorik2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe

Ständer = Stator : feststehender Teil des MotorLäufer = Rotor = Anker : rotierender Teil des Motors

Kommutator : Stromwender/Umrichter (wechselt die Stromrichtung)

Abb.: Ständer-Läufer-Anordnungen (Janocha)

Grundprinzip:

Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzungelektomagnetischer Felder (Abstoßung zweier Felder)> Innenläufer-/Außenläufermotoren

- typisch: Innenläufermotor (kostengünstig, geringes Läuferträgheitsmoment, etc.)> Realisierung elektromagnetischer Felder durch

- Permanentmagnete (PM)- elektromagnetische Felder (erzeugt durch Spulen)

Quelle: Janocha

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2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe II

Grundprinzip:Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzungelektromagnetischer Felder Beispiel: Gleichstrommotor

Unterscheidungskriterium: Erzeugung/Schaltung des(Anker-)spulenstromes/Läufermomentes

- Kommutator (Umschalter) koppelt mechanisch die Umschaltung> Selbstgeführte Motoren (mit mechanischem Kommutator)

- Kommutator (Umschalter) koppelt elektrisch die Umschaltung> Selbstgeführte Motoren (mit elektronischem Kommutator)

- Von außen zugeführtes Wechsel-/Drehstromfeld generiert Ströme(Asynchronmotor) oder Magnetfelder (Synchronmotor)> Fremdgeführte Motoren

Quelle: Williams

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2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe II

Mechanismus Kommutierung (bei Gleichstrommotoren):

i) Strom fließt über Bürste, Spule, Bürste.Im Rotor wird ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt.

ii) Die Spulenenden sind kurzgeschlossen, es wird keinDrehmoment erzeugt. Der Rotor bleibt auf Grund seinerTrägheit in Bewegung.

iii) Der Strom fließt auf Grund der gedrehten Kommutierungin die andere Richtung (der Rotor ist auch gedreht). Im Rotor wird ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt.

Optimierung: Verteilung mehrerer Spulen am Rotorumfang, Erzeugunggleichmäßigerer Momente

Probleme:- Drehzahlabhängiges Bürstengeräusch- Verschleiß der Kohlebürsten (Schaltfunken)- Funkstörungen- Pulsierender Magnetfluss- Drehzahlbegrenzung

Quelle: Gerling

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2.2 Selbstgeführte Motoren

Unterschiedliche Ausführungen- Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung (Stator: PM)- Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung (Stator: PM)

(EC-Motor bzw. Gleichstrommotor mit bürstenloser Kommutierung)- Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung (Stator: EM mit Spule)

(Universalmotor)

Prinzipieller Aufbau I

Quelle: Gerling

Quelle: Gerling

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Bei selbstgeführten Motoren wird die Spannung des generierten Feldes durchdie Läuferstellung selbständig (d.h. durch die Läuferstellung) erzeugt.

Verschiedene Bauformen:

Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator(GM mit Nebenschluss)

Gleichstrommotor mit elektro-nischem Kommutator(GM mit Nebenschluss)

Kommutator-Reihenschluss-Motor (Universalmotor (Allstrommotor))

(ortsfestes StatorMF (PM),geschaltetes LäuferMF (EM))

(wird zeitweilig auch alsfremderregte GM bezeichnet,weil die Statorwicklung als PM das Feld einprägt)

(bürstenloser GM; EC-Motor (electronically commutated)(schaltbares StatorMF (EM),drehendes LäuferMF (PM))

Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator

(ortsfestes StatorMF (EM))Erregerwicklung ist mit Läuferwicklung in Reihe geschaltet > Betrieb mit Gleichstrom / Wechselstrom)

Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper

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Verschiedene Bauformen:

Vorteile permanenterregte GM:- geringere Stromaufnahme, höherer Wirkungsgrad (Wicklung fehlt)- keine Kurzschlüsse o.ä. wegen der wegfallenden Wicklung

Vorteile elektrisch erregte GM:- höhere Leistungsdichte

Vorteile GM:- Lineare Drehmoment-/Strom Charakteristik, gutes Regelverhalten, gute Gleichlaufrobustheit

Nachteile GM:- Dynamik und Anlaufmoment begrenzt (mechanischem Komm.), ungünstiger Wärmehaushalt

Gleichstrommotormit mechanischemKommutator

Gleichstrommotor mitelektronischemKommutator(bürstenloser GM)

Kommutator-Reihenschluss-Motor (Universalmotor)

Regelung über Vorwiderstand des Läuferstromes (> Verlustleistung)

Regelung über Leistungshalbleiter winkelabhängig (Hallsensoren)

Regelung über Phasen-anschnittsteuerung

Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten)

Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten)

Hohes Anzugmoment

4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3. Grundgleichungen GM

Elektrisches Ersatzschaltbild:

Grundgleichungen:

Quelle: Gerling

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss I

Elektrisches Ersatzschaltbild:

Grundgleichungen:

Resultierende Kennlinie:

Quelle: Gerling

Quelle: Gerling

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss II

Quelle: Gerling

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss IIIBremsen von GM mit Nebenschlussi) Generatorische Nutzbremsung

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ii) Widerstandsbremsen, Kurzschlussbremsen

iii) Gegenstrombremsen

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluß IVRegelung / Drehzahlsteuerung:i) Vergrößerung

Vorwiderstand im Ankerkreis

ii) Verringerungder Erregung

Quelle: Gerling

Quelle: Gerling

Resultierende Drehmoment-Drehzahlcharakteristik:

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluß VRegelung / Drehzahlsteuerung:

iii) Verringerung der Klemmenspannung

Resultierende Drehmoment-Drehzahlcharakteristik:

Quelle: Gerling

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