Motorauswahl Bevor zur Motorauswahl geschritten werden kann, müssen die Anforde- rungen an den Antrieb definiert werden. − Wie schnell und bei welchen Drehmomenten bewegt sich die Last? − Wie lange dauern die einzelnen Lastphasen? Vielfach ist der Antrieb indirekt, das heisst, es findet eine mechanische Umformung der Motor-Abgabeleistung durch Riemen, Getriebe, Spin- deln und Ähnliches statt. Die Antriebsgrössen sind also auf die Motor- welle umzurechnen. Die zusätzlichen Schritte für eine Getriebeausle- gung sind unten aufgeführt. Weiter gilt es, die Voraussetzungen der Stromversorgung abzuklären. − Welche maximale Spannung steht am Motor zur Verfügung? − Welche Einschränkungen gelten bezüglich des Stromes? − Welche Beschleunigungen treten auf? − Wie gross sind die Trägheitsmomente? Bei mit Batterie oder Solarzellen versorgten Motoren sind Strom und Span- nung limitiert. Bei Ansteuerung der Einheit über einen Servoverstärker stellt der maximale Strom des Verstärkers oft eine wichtige Grenze dar. Auswahl der Motortypen Die Motortypen werden anhand der geforderten Drehmomente ausge- wählt. Einerseits gilt es, das Spitzendrehmoment M max zu berücksichti- gen, andererseits das effektive Dauerdrehmoment M RMS . Der Dauerbetrieb ist durch einen einzigen Betriebs- oder Lastpunkt charakterisiert (M L , n L ). Die in Frage kommenden Motortypen müssen ein Nennmoment M N aufweisen, das grösser ist als das Lastdrehmoment M L .
Tipps zur Evaluation der Anforderungen: Vielfach sind die Lastpunkte (insbesondere die Drehmomente) noch unbestimmt oder lassen sich nur schwer ermitteln. In solchen Fällen hilft ein Kniff: Betreiben Sie Ihr Gerät mit einem nach Baugrösse und Leistung grob abgeschätzten Messmotor. Variieren Sie die Span- nung, bis die gewünschten Betriebspunkte und Bewegungsabfolgen erreicht sind. Messen Sie Spannung und Stromverlauf. Mit diesen Angaben und der Bestellnummer des Messmotors können Ihnen unsere Ingenieure oftmals den für Ihren Anwendungsfall geeigneten Motor angeben. Weitere Optimierungskriterien sind zum Beispiel: − Die zu beschleunigende Masse (Art, Massenträgheit) − Die Betriebsart (kontinuierlich, intermittierend, reversierend) − Die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Medium) − Die Spannungsversorgung (Batterie, Netzgerät) − Welche maximale Länge darf die Antriebseinheit inklusive Getriebe und Encoder haben? Welchen Durchmesser? − Welche Lebensdauer wird vom Motor erwartet und welches Kommutierungssystem soll verwendet werden? − Edelmetallkommutierung für Dauerbetrieb bei kleinen Strömen (Faustregel für höchste Lebensdauer: bis ca. 50% von I N ). − Graphitkommutierung für hohe Dauerströme (Faustregel: 50% bis ca. 75% von I N ) und häufige Stromspitzen (Start-Stopp- Betrieb, Reversierbetrieb). − Elektronische Kommutierung für höchste Drehzahlen und Lebensdauer. Bei der Wahl des Motortyps spielen auch Randbedingungen eine grosse Rolle. − Wie gross sind die Kräfte auf die Welle, müssen Kugellager verwendet werden oder reichen preisgünstigere Sinterlager?
M N > M L
Bei Arbeitszyklen, wie Start-Stopp-Betrieb, muss das Nennmoment des Motors grösser sein als das effektive Lastdrehmoment (quadratisch gemittelt). Das vermeidet eine Überhitzung des Motors. M N > M RMS Das Anhaltemoment des gewählten Motors sollte das auftretende Last- Spitzenmoment übersteigen. M H > M max Auswahl der Wicklung: Elektrische Anforderungen Bei der Auswahl der Wicklung ist sicherzustellen, dass die direkt am Motor anliegende Spannung ausreicht, in sämtlichen Betriebspunkten die nötige Drehzahl zu erreichen. Ungeregelter Antrieb Bei Anwendungen mit nur einem Betriebspunkt soll dieser oft mit einer festen Spannung U erreicht werden. Gesucht ist somit diejenige Wick- lung, deren Kennlinie bei vorgegebener Spannung durch den Betriebs- punkt geht. Die Berechnung nutzt die Tatsache, dass alle Motoren eines Typs praktisch dieselbe Kennliniensteigung aufweisen. Vom Betriebs- punkt ( n L , M L ) ausgehend lässt sich deshalb eine Soll-Leerlaufdrehzahl n 0, theor berechnen. Δ n Δ M n 0 , theor = n L + M L Diese Soll-Leerlaufdrehzahl muss mit der vorhandenen Spannung U erreicht werden, was die Soll-Drehzahlkonstante k n,theor definiert. n 0 , theor U mot k n, theor = Diejenige Wicklung, deren k n möglichst nahe bei k n,theor liegt, wird somit bei gegebener Spannung den Betriebspunkt am besten annähern. Eine etwas grössere Drehzahlkonstante bewirkt eine etwas höhere Drehzahl, eine kleinere Drehzahlkonstante eine tiefere. Das Variieren der Span- nung gleicht die Drehzahl dem geforderten Wert an, ein Prinzip, das auch Servoverstärker anwenden. Der Motorstrom I mot errechnet sich aus der Drehmomentkonstante k M der gewählten Wicklung und dem Lastdrehmoment M L . M L k M I mot =
n
U = konstant
Kennlinie hoch genug für benötigte Last-Drehzahl
L
Kennlinie zu tief für Last-Drehzahl
M
L
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