Hybridmotor

Motor und Generator
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor
Permanentmagnetmotor
Hybridmotor
Ansteuerung
Betriebsarten
Steuerbausteine
Treiberbausteine
Der rotierende MagnetfeldVektor
Vektor-Zusammensetzung
Bürstenlose Gleichstrommotoren
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor (variable reluctance) VR
Permanentmagnetmotor
Hybridmotor
Feldlinienbild einer
Motoranordnung
(erstellt mit vizimag)
Unmagnet.Rotor mit µr = 1
Rotor mit µr = 1000 (hohe Magnetisierung)
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.
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor (variable reluctance VR )
Permanentmagnetmotor
Hybridmotor
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor (variable reluctance) VR
Permanentmagnetmotor
Hybridmotor
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
Schrittmotor
Reluktanzmotor VR (variable reluctance)
Permanentmagnetmotor
Hybridmotor
Die unipolare Ansteuerung und Bestromung des Reluktanz-Schrittmotors
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor (variable reluctance VR )
Permanentmagnetmotor PM
Hybridmotor
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.
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Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor 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
weichmagnetischen, 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 Magnetspulen.
Die aufwändigere Herstellung
bringt eine feiner geteilte
Schrittweite von ca. 1° aufwärts.
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Reluktanzmotor VR (variable reluctance)
Permanentmagnetmotor PM
Hybridmotor
Linke Spalte:
Jeweils 1 Strang erregt, Vollschrittbetrieb
Mitte:
2-Strang-Erregung, Vollschrittbetrieb
Rechte Spalte:
2-Strang-Erregung, Halbschritt
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Anzahl der Schritte
Üblicherweise sind die Statorwicklungen ist 2-,3- bzw. 5-polig
ausgeführt, das ergibt die Strangzahl s.
z = 2*p*Zr*s
s......Zahl der Stränge,
p.....Zahl der Polpaare,
Zr......Zähne des Rotorpols,
z……Anzahl der Schritte/Umdrehung
und daraus ein mechanischer Schrittwinkel von:
α = 360°/ z
z……Schrittanzahlzahl
a ....Nennschrittwinkel
z.B.: Für einen unipolaren Motor mit einem Polpaar und drei Strängen ergibt sich eine Schrittzahl z von 6 pro Umdrehung
16.05.2016
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°
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 KonstantstromAnsteuerung 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 Temperatur darf während des Betriebes nicht überschritten werden, da ansonsten irreversible
Schäden entstehen können.
Mechanische Maße, Gewicht, Wellenbelastung:
Zum mechanischen Ein- und Anbau von Motor und Last sind diese Angaben mit zu berücksichtigen. Oft findet man auch Angaben über Schutzart,
Isolationseigenschaften etc, welche bei speziellen Umgebungsbedingungen oder anderen Randbedingungen zu berücksichtigen sind.
16.05.2016
Motoren
Schrittmotor
Verkleinerung 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.
16.05.2016
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
Motoren
Ansteuerung von Fünf Strängen
16.05.2016
Motoren
Ansteuerung von Fünf Strängen
16.05.2016
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.
16.05.2016
Motoren
Ansteuerungsarten
unipolar
bipolar
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.
16.05.2016
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.
Motoren
Applikationsschrift zum Steuer- und Treiberbaustein L297, L298
16.05.2016
Motoren
Einphasen-Reihenschlussmotor
(Bausatz zum Begreifen  )
16.05.2016