Was wären Roboter-, Medizin- und Kfz-Technik oder Haushaltsgeräte ohne elektrische Kleinantriebe? Das Handbuch gibt einen praxisorientierten Überblick zu den am Markt gängigen Antrieben mit kleiner elektrischer Leistung. Die Autoren beschreiben Aufbau, prinzipielle Wirkungsweise, Eigenschaften, Anwendungen der Antriebe sowie Steuerungs- und Regelungsverfahren, mechanische Übertragungselemente (Getriebe, Kupplungen) und Lösungsansätze für Antriebsprojektierungen.
Die aktualisierte Neuauflage wurde erheblich erweitert, u.a. durch neuere Entwicklungen der Dauermagnet-Werkstoffe, der Elektromagnete und der Regelungstechnik.
Neu ist ein Kapitel über Piezoantriebe, den wichtigsten unkonventionellen Kleinantrieben. Weitere Beispiele von Antriebsprojektierungen wurden aufgenommen.
Praxisorientiertes Kompendium der elektrischen Kleinantriebe
- Für den Entwicklungsingenieur in den Bereichen Haushaltgerätetechnik, tragbare Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeugtechnik, Bürotechnik, Computerperipherie, Medizin- und Labortechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Handhabungs- und Robotertechnik, Video- und Phonotechnik, Unterhaltungselektronik
- Für Studierende der Elektrotechnik, der Automatisierungstechnik, des Maschinenbaus, der Feinwerktechnik und der Mechatronik
- Aufbau, Eigenschaften, Applikationen, prinzipielle Wirkungsweise, Kennlinien und Kenngrößen aller wichtigen Motorarten wie
permanentmagneterregte Gleichstrommotoren,
bürstenlose Permanentmagnetmotoren
Kommutator-Reihenschlussmotoren (Universalmotoren),
Wechselstrom-Asynchron- und Synchronmotoren
Schrittmotoren
Elektromagnete
elektrodynamische Linear- und Mehrkoordinatenantriebe
Piezoantriebe
- Aufbau und Eigenschaften der mechanischen Übertragungselemente wie Getriebe, Kupplungen, Achsen und Wellen, Lager
- Elektronische Schaltungen und deren Eigenschaften für Steuerungs- und Regelungsverfahren
- Projektierung von Kleinantrieben einschließlich Lösungsansätzen anhand von Beispielen
- Richtlinien und Normen
- Umfangreiches Literaturverzeichnis
- Englisch-deutsches Lexikon der wichtigsten Fachausdrücke
Inhalt
1 Einleitung 13
2 Motoren mit kontinuierlicher Bewegung 23
3 Elektromagnetische Schrittantriebe 123
4 Antriebe mit begrenzter Bewegung 151
5 Piezoelektrische Antriebe 233
6 Steuern und Regeln von Kleinantrieben 255
7 Magnetlagertechnik 303
8 Mechanische Übertragungselemente 321
9 Projektierung von Antriebssystemen 363
Formelzeichenverzeichnis 405
Englisch-deutsche Begriffe und Abkürzungen 407
Literaturverzeichnis 421
Die Autoren 439
Sachwortverzeichnis 441
--------------------------------------------------------------------------------
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung. 13
1.1 Allgemeines. 13
1.2 Das elektromagnetische Antriebssystem. 14
1.3 Die Antriebskomponenten. 15
1.3.1 Motoren. 15
1.3.1.1 Motorsystematik. 15
1.3.1.2 Grundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten. 15
1.3.2 Elektronische Schaltungen. 19
1.3.2.1 Schaltungen für selbstgeführte Motoren. 19
1.3.2.2 Schaltungen für fremdgeführte Motoren. 21
2 Motoren mit kontinuierlicher Bewegung. 23
2.1 Kommutatormotoren. 23
2.1.1 Elektrisch erregte Gleichstrommotoren. 23
2.1.2 Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren. 23
2.1.2.1 Einleitung. 23
2.1.2.2 Dauermagnetwerkstoffe. 24
2.1.2.3 Aufbau. 26
2.1.2.4 Wirkungsweise und Betriebsverhalten. 31
2.1.2.5 Drehzahlstellung. 33
2.1.2.6 Dynamisches Betriebsverhalten. 34
2.1.3 Kommutatorreihenschlussmotor (Universalmotor). 37
2.1.3.1 Bezeichnung. 37
2.1.3.2 Charakteristische Merkmale. 38
2.1.3.3 Prinzipielles Betriebsverhalten. 40
2.1.3.4 Auslegung der Ständerwicklung für den Betrieb als Universalmotor. 44
2.1.3.5 Drehzahlstellung. 45
2.1.4 Kontaktsystem und Kommutierung. 49
2.1.4.1 Bestandteile des Kontaktsystems. 49
2.1.4.2 Aufbau der Kommutatoren. 50
2.1.4.3 Zusammensetzung und Eigenschaften des Bürstenkörpers. 51
2.1.4.4 Kommutierungsvorgang allgemein. 53
2.1.4.5 Elektrische Einflussgrößen. 55
2.1.4.6 Qualitative Beschreibung des Kommutierungsvorgangs. 55
2.1.4.7 Unterschied Gleich- und Wechselspannungsbetrieb. 59
2.1.5 Das Geräuschverhalten. 59
2.1.6 Funkentstörung. 61
2.2 Bürstenlose Permanentmagnetmotoren. 62
2.2.1 Einleitung. 62
2.2.1.1 Definitionen. 62
2.2.1.2 Verwandtschaften zu anderen Motorarten. 63
2.2.2 Konstruktive Besonderheiten. 65
2.2.2.1 Ausführung und Auswahl der Ankerwicklung. 66
2.2.2.2 Ausführung und Auswahl der Permanentmagnetformen. 71
2.2.2.3 Ausführung und Auswahl der Motorbauform. 74
2.2.3 Dynamisches Modell des Permanentmagnetmotors. 79
2.2.3.1 Motormodell. 79
2.2.3.2 Zweisträngiges Ersatzmodell für die feldorientierte Steuerung. 80
2.2.4 Elektronische Unterdrückung von Drehmomentschwankungen. 83
2.2.4.1 Motor mit Mittelpunktanschluss der Wicklung. 84
2.2.4.2 Motor ohne Mittelpunktanschluss der Wicklung. 85
2.2.4.3 Praktische Ausführung einer Korrekturstromspeisung. 85
2.2.5 Motorkennlinien. 86
2.2.6 Sensorik. 87
2.2.6.1 Resolver. 88
2.2.6.2 Incrementale optische Encoder. 88
2.2.6.3 Magnetische Sensoren. 89
2.2.7 Sonderbauformen bürstenloser Permanentmagnetmotoren. 91
2.2.7.1 Einsträngiger Motor mit elliptischer Spule. 91
2.2.7.2 Direktantriebe für niedrige Drehzahlen. 92
2.3 Der geschaltete Reluktanzmotor. 94
2.3.1 Aufbau. 94
2.3.2 Wirkungsweise. 94
2.3.3 Ansteuerung. 95
2.3.4 Vergleich von Ansteuerprinzipien. 97
2.3.4.1 Blockspannungsspeisung. 97
2.3.4.2 Blockstromspeisung. 98
2.3.4.3 Linearisierung. 98
2.3.5 Ansteuerprinzipien ohne Rotorlagegeber. 98
2.3.6 Eigenschaften. 99
2.4 Drehfeldmotoren. 100
2.4.1 Asynchronmotoren. 100
2.4.1.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete. 100
2.4.1.2 Ausführungsarten. 100
2.4.1.3 Schaltungs- und Ausführungsarten der Ständerwicklung. 102
2.4.1.4 Wirkungsweise. 104
2.4.1.5 Betriebsverhalten. 106
2.4.1.6 Steuerungsverfahren. 108
2.4.1.7 Spaltpolmotor. 111
2.4.2 Synchronmotoren. 114
2.4.2.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete. 114
2.4.2.2 Ausführungsarten. 114
2.4.2.3 Synchronmotoren mit Magnetläufern. 116
2.4.2.4 Hysteresemotor. 117
2.4.2.5 Reluktanzmotor. 118
2.4.2.6 Permanentmagneterregte Motoren mit anisotropem Läufer. 120
3 Elektromagnetische Schrittantriebe. 123
3.1 Übersicht. 123
3.2 Schrittmotorarten. 125
3.2.1 Klauenpolschrittmotoren. 125
3.2.2 Scheibenläuferschrittmotoren. 126
3.2.3 Reluktanzschrittmotoren. 127
3.2.4 Hybridschrittmotoren. 127
3.3 Ansteuerung von Schrittmotoren. 129
3.4 Betriebsverhalten von Schrittantrieben. 134
3.4.1 Schrittwinkel. 134
3.4.2 Drehmoment. 136
3.4.3 Positioniergenauigkeit. 137
3.4.4 Schritt-Zeit-Verlauf. 137
3.4.5 Betriebskennlinien. 138
3.4.6 Resonanzfrequenzen. 140
3.4.7 Besonderheiten des Mikroschrittbetriebes. 140
3.4.8 Referenzpunktbestimmung. 141
3.5 Bewegungsabläufe. 142
3.5.1 Klassifizierte Bewegungsabläufe. 142
3.5.2 Spezielle Betrachtung des dynamischen Betriebes. 144
4 Antriebe mit begrenzter Bewegung. 151
4.1 Elektromagnete. 151
4.1.1 Elektromagnete als Antriebselemente. 151
4.1.2 Gleichstrommagnete. 152
4.1.2.1 Besonderheiten. 152
4.1.2.2 Stationäres Verhalten von Gleichstrommagneten. 153
4.1.2.3 Dynamisches Verhalten von Gleichstrommagneten. 157
4.1.2.4 Einfluss der Wirbelströme auf das dynamische Verhalten von Gleichstrommagneten. 161
4.1.2.5 Maßnahmen zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten. 162
4.1.3 Wechselstrommagnete. 167
4.1.3.1 Allgemeines. 167
4.1.3.2 Berechnung der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten. 167
4.1.3.3 Zeitabhängigkeit der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten. 168
4.1.3.4 Magnetkraft des Dreiphasenwechselstrommagneten. 170
4.1.3.5 Dynamisches Verhalten von Wechselstrommagneten. 171
4.1.4 Polarisierte Elektromagnete. 172
4.1.4.1 Besonderheiten. 172
4.1.4.2 Magnetkraft polarisierter Elektromagnete mit einem Reihenkreis. 173
4.1.4.3 Anwendung von polarisierten Elektromagneten. 175
4.1.5 Projektierung von Elektromagneten und Magnetantrieben. 176
4.1.6 Entwurf von Magnetantrieben. 176
4.1.6.1 Magnetantriebe als mechatronische Systeme. 176
4.1.6.2 Berechnungsverfahren für Magnetantriebe. 177
4.1.6.3 Netzwerkmethode für Magnetantriebe. 177
4.2 Elektrodynamische Linear- und Mehrkoordinatenantriebe. 184
4.2.1 Wirkprinzip und Grundstruktur. 185
4.2.2 Bauformen elektrodynamischer Linearmotoren. 188
4.2.2.1 Bauformen mit bewegten Spulen. 188
4.2.2.2 Bauformen mit bewegten Magneten. 195
4.2.2.3 Bauformen mit bewegten Dauermagnetkreisen. 197
4.2.3 Bauformen integrierter elektrodynamischer Mehrkoordinatenantriebe mit Einmassenläufern für xy-, xf-, xyf-, xyfz-Bewegungen. 199
4.2.3.1 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Flachspulen. 199
4.2.3.2 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Kastenspulen. 206
4.2.3.3 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Zylinderspulen und gekrümmten Kastenspulen für eine xf-Bewegung. 211
4.2.4 Betriebsverhalten elektrodynamischer Linear- und Mehrkoordinatenmotoren. 212
4.2.4.1 Statischer und quasistatischer Betrieb permanenterregter Motoren. 212
4.2.4.2 Dynamischer Betrieb. 213
4.2.5 Ansteuerung elektrodynamischer Linear- und Mehrkoordinatenmotoren. 213
4.2.5.1 Ansteuerung elektrodynamischer Linearmotoren. 215
4.2.5.2 Ansteuerung elektrodynamischer Mehrkoordinatenmotoren. 217
4.2.6 Kommerziell angebotene Systeme. 222
4.3 Lineare und planare Hybridschrittantriebe. 223
4.3.1 Lineare Hybridschrittmotoren. 223
4.3.2 Mehrkoordinatenhybridschrittmotoren. 226
4.3.3 Dynamische Eigenschaften von linearen Hybridschrittmotoren. 227
4.3.4 Prinzip der elektronischen Schrittteilung. 230
4.3.5 Lineare Hybridschrittmotoren als magnetisch nichtlineare Antriebselemente. 231
5 Piezoelektrische Antriebe. 233
5.1 Physikalischer Effekt. 233
5.2 Piezoelektrische Bauelemente. 234
5.2.1 Piezoelektrische Werkstoffe. 234
5.2.2 Piezokeramische Elemente. 235
5.3 Piezoantriebe für den quasistatischen Betrieb. 236
5.3.1 Stapeltranslatoren. 237
5.3.2 Streifentranslatoren. 239
5.3.3 Biegeelemente. 239
5.3.4 Tubusse. 240
5.3.5 Piezowandler mit Wegübersetzung. 240
5.4 Piezoelektrische Schrittantriebe. 242
5.4.1. Wurm- und Schreitantriebe. 242
5.4.1.1 Wurmmotor. 242
5.4.1.2 Schreitmotor. 243
5.4.2 Ultraschallmotoren. 244
5.4.2.1 Stabförmige Resonatoren. 245
5.4.2.2 Ringförmige Resonatoren. 247
5.5 Steuerelektronik für Piezoantriebe. 249
5.5.1 Leistungsverstärker. 249
5.5.2 Inverse Steuerung. 251
5.6 Realisierungsbeispiele. 252
5.6.1 Positioniertisch mit Piezoantrieb. 252
5.6.2 Klemmelemente für Wurmmotoren. 253
6 Steuern und Regeln von Kleinantrieben. 255
6.1 Allgemeines. 255
6.2 Schaltungskomponenten und Modulationsverfahren. 256
6.2.1 Schaltungen zur galvanischen Trennung bzw. Pegelanpassung. 256
6.2.1.1 Impulsübertrager mit induktiven Übertragern. 256
6.2.1.2 Ladungspumpe. 256
6.2.1.3 Optokoppler. 258
6.2.2 Stellelemente für Gleichstrom- und Drehfeldmotoren. 258
6.2.2.1 Einfache Transistorschaltungen für Gleichstrommotoren. 259
6.2.2.2 H-Brückenschaltungen für verschiedene Leistungen. 259
6.2.2.3 Drehstrombrücken mit FETs und IGBTs. 262
6.2.3 Stellelemente für Schrittmotoren. 263
6.2.3.1 Unipolarer Betrieb. 263
6.2.3.2 Bipolarer Betrieb. 263
6.2.4 Modulationsverfahren für Drehstromantriebe. 264
6.2.4.1 Blocksteuerung. 264
6.2.4.2 Unterschwingungsverfahren. 265
6.2.4.3 Raumzeigermodulation. 265
6.2.5 Steuereinrichtungen, PWM. 267
6.2.5.1 Pulsweitenmodulation für H-Brücken. 267
6.2.5.2 Pulsweitenmodulation für Drehstrombrücken. 267
6.3 Drehzahlsteuerungen. 269
6.3.1 Stellelemente und Steuereinrichtungen für Universalmotoren. 269
6.3.1.1 Halbwellen-Phasenanschnittsteuerung. 269
6.3.1.2 Schaltung zur Erzeugung von welligem Gleichstrom aus Wechselstrom. 270
6.3.1.3 Schaltung zur Drehzahlsteuerung mit Phasenanschnitt-Steuer-IC. 270
6.3.2 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren. 270
6.3.2.1 Drehzahlsteuerung mit einfachen Transistorschaltungen. 271
6.3.2.2 Drehzahlsteuerung im Chopperbetrieb. 271
6.3.2.3 Drehzahlsteuerung mit H-Brückenschaltungen. 271
6.3.3 Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren. 271
6.3.3.1 Drehzahländerung durch Änderung des Schlupfes. 272
6.3.3.2 Einfache Steuerschaltung mit Frequenzumrichter. 272
6.3.3.3 Schlupffrequenzkompensation. 273
6.3.4 Drehzahlsteuerung von dreisträngigen Motoren. 273
6.3.4.1 Synchronmotor. 273
6.3.4.2 Elektronikmotor. 273
6.3.5 Positions- und Drehzahlsteuerungen von Schrittmotoren. 275
6.4 Positions- und Drehzahlregelungen. 275
6.4.1 Drehzahlregelung von Universalmotoren. 275
6.4.2 Regelung von Gleichstrommotoren. 276
6.4.2.1 Drehzahlregelung mit H-Brücke. 276
6.4.2.2 Positionsregelung mit unterlagerter Drehzahl- und Stromregelung. 276
6.4.3 Regelung von Asynchronmaschinen. 278
6.4.3.1 Einfache Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter. 278
6.4.3.2 Feldorientierte Regelung. 278
6.4.4 Regelung von Elektronikmotoren. 285
6.4.4.1 Drehzahlregelung von Elektronikmotoren mit Blockkommutierung und sinusbewerteter Kommutierung. 285
6.4.4.2 Positions-und Drehzahlregelung von Elektronikmotoren. 286
6.5 Hinweise zur praxisorientierten Reglereinstellung und Simulation von Drehzahlregelkreisen 288
6.6 Aufbau der Antriebselektronik für Drehstromantriebe unter Verwendung hochintegrierter Komponenten. 290
6.7 Sensorlose Erfassung und Regelung von Drehzahl, Rotorlage und Drehmoment. 293
7 Magnetlagertechnik. 303
7.1 Einleitung. 303
7.2 Passive Magnetlager. 304
7.2.1 Permanentmagnetlager. 305
7.3 Aktive Magnetlagersysteme. 310
7.3.1 Elektromagnetlager. 310
7.3.1.1 Magnetlager mit Gleichstromvormagnetisierung. 310
7.3.1.2 Magnetlager mit permanentmagnetischer Vormagnetisierung. 313
7.3.2 Lagerlose Motoren. 315
7.3.2.1 Lagerlose Permanentmagnetmotoren. 315
7.3.2.2 Lagerlose Asynchronmotoren. 319
8 Mechanische Übertragungselemente. 321
8.1 Getriebe. 321
8.1.1 Getriebearten. 322
8.1.2 Zahnradgetriebe. 323
8.1.2.1 Einteilung. 323
8.1.2.2 Zahnräder. 325
8.1.2.3 Stirnradgetriebe. 327
8.1.2.4 Schraubenstirnradgetriebe. 333
8.1.2.5 Schneckengetriebe. 334
8.1.2.6 Kegelrad- und Kronenradgetriebe. 335
8.1.3 Zugmittelgetriebe. 337
8.1.4 Schraubengetriebe. 341
8.1.5 Koppelgetriebe. 342
8.1.6 Kurvengetriebe. 343
8.1.7 Schrittgetriebe. 344
8.2 Kupplungen. 346
8.2.1 Feste Kupplungen. 346
8.2.2 Ausgleichskupplungen. 347
8.2.3 Schaltkupplungen. 349
8.3 Achsen und Wellen. 353
8.3.1 Entwurfsberechnung. 353
8.3.2 Nachrechnung. 354
8.4 Lager. 355
8.4.1 Gleitlager. 356
8.4.2 Wälzlager. 359
9 Projektierung von Antriebssystemen. 363
9.1 Forderungen an Antriebssysteme. 363
9.2 Lösungsweg für Antriebsaufgaben. 364
9.3 Systematik typischer Antriebsaufgaben. 365
9.3.1 Systematik nach der Bewegung. 365
9.3.2 Systematik nach der Betriebsweise. 366
9.4 Besonderheiten bei der Antriebsauswahl. 368
9.5 Vergleich lagegeregelter Gleichstromantriebe mit Schrittantrieben. 370
9.6 Umrechnung mechanischer Antriebsparameter. 372
9.7 Beispiele für Antriebsaufgaben. 374
9.7.1 Direktantrieb eines Plattenspeichergerätes. 374
9.7.2 Antrieb einer Kolbendosierpumpe. 378
9.7.3 Antrieb einer Leiterplattenbohreinheit. 382
9.7.4 Antrieb eines Lichtzeichenkopfes. 386
9.7.5 Antrieb einer Schlauchpumpe. 390
9.7.6 Seilzugantrieb für ein schreibendes Gerät. 393
9.7.7 Antrieb einer Trommel. 398
Anhang
Formelzeichenverzeichnis. 405
Verzeichnis englisch-deutscher Begriffe und Abkürzungen. 407
Literaturverzeichnis. 421
Die Autoren. 439
Sachwortverzeichnis. 441
Die aktualisierte Neuauflage wurde erheblich erweitert, u.a. durch neuere Entwicklungen der Dauermagnet-Werkstoffe, der Elektromagnete und der Regelungstechnik.
Neu ist ein Kapitel über Piezoantriebe, den wichtigsten unkonventionellen Kleinantrieben. Weitere Beispiele von Antriebsprojektierungen wurden aufgenommen.
Praxisorientiertes Kompendium der elektrischen Kleinantriebe
- Für den Entwicklungsingenieur in den Bereichen Haushaltgerätetechnik, tragbare Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeugtechnik, Bürotechnik, Computerperipherie, Medizin- und Labortechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik, Handhabungs- und Robotertechnik, Video- und Phonotechnik, Unterhaltungselektronik
- Für Studierende der Elektrotechnik, der Automatisierungstechnik, des Maschinenbaus, der Feinwerktechnik und der Mechatronik
- Aufbau, Eigenschaften, Applikationen, prinzipielle Wirkungsweise, Kennlinien und Kenngrößen aller wichtigen Motorarten wie
permanentmagneterregte Gleichstrommotoren,
bürstenlose Permanentmagnetmotoren
Kommutator-Reihenschlussmotoren (Universalmotoren),
Wechselstrom-Asynchron- und Synchronmotoren
Schrittmotoren
Elektromagnete
elektrodynamische Linear- und Mehrkoordinatenantriebe
Piezoantriebe
- Aufbau und Eigenschaften der mechanischen Übertragungselemente wie Getriebe, Kupplungen, Achsen und Wellen, Lager
- Elektronische Schaltungen und deren Eigenschaften für Steuerungs- und Regelungsverfahren
- Projektierung von Kleinantrieben einschließlich Lösungsansätzen anhand von Beispielen
- Richtlinien und Normen
- Umfangreiches Literaturverzeichnis
- Englisch-deutsches Lexikon der wichtigsten Fachausdrücke
Inhalt
1 Einleitung 13
2 Motoren mit kontinuierlicher Bewegung 23
3 Elektromagnetische Schrittantriebe 123
4 Antriebe mit begrenzter Bewegung 151
5 Piezoelektrische Antriebe 233
6 Steuern und Regeln von Kleinantrieben 255
7 Magnetlagertechnik 303
8 Mechanische Übertragungselemente 321
9 Projektierung von Antriebssystemen 363
Formelzeichenverzeichnis 405
Englisch-deutsche Begriffe und Abkürzungen 407
Literaturverzeichnis 421
Die Autoren 439
Sachwortverzeichnis 441
--------------------------------------------------------------------------------
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung. 13
1.1 Allgemeines. 13
1.2 Das elektromagnetische Antriebssystem. 14
1.3 Die Antriebskomponenten. 15
1.3.1 Motoren. 15
1.3.1.1 Motorsystematik. 15
1.3.1.2 Grundsätzliche Konstruktionsmöglichkeiten. 15
1.3.2 Elektronische Schaltungen. 19
1.3.2.1 Schaltungen für selbstgeführte Motoren. 19
1.3.2.2 Schaltungen für fremdgeführte Motoren. 21
2 Motoren mit kontinuierlicher Bewegung. 23
2.1 Kommutatormotoren. 23
2.1.1 Elektrisch erregte Gleichstrommotoren. 23
2.1.2 Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren. 23
2.1.2.1 Einleitung. 23
2.1.2.2 Dauermagnetwerkstoffe. 24
2.1.2.3 Aufbau. 26
2.1.2.4 Wirkungsweise und Betriebsverhalten. 31
2.1.2.5 Drehzahlstellung. 33
2.1.2.6 Dynamisches Betriebsverhalten. 34
2.1.3 Kommutatorreihenschlussmotor (Universalmotor). 37
2.1.3.1 Bezeichnung. 37
2.1.3.2 Charakteristische Merkmale. 38
2.1.3.3 Prinzipielles Betriebsverhalten. 40
2.1.3.4 Auslegung der Ständerwicklung für den Betrieb als Universalmotor. 44
2.1.3.5 Drehzahlstellung. 45
2.1.4 Kontaktsystem und Kommutierung. 49
2.1.4.1 Bestandteile des Kontaktsystems. 49
2.1.4.2 Aufbau der Kommutatoren. 50
2.1.4.3 Zusammensetzung und Eigenschaften des Bürstenkörpers. 51
2.1.4.4 Kommutierungsvorgang allgemein. 53
2.1.4.5 Elektrische Einflussgrößen. 55
2.1.4.6 Qualitative Beschreibung des Kommutierungsvorgangs. 55
2.1.4.7 Unterschied Gleich- und Wechselspannungsbetrieb. 59
2.1.5 Das Geräuschverhalten. 59
2.1.6 Funkentstörung. 61
2.2 Bürstenlose Permanentmagnetmotoren. 62
2.2.1 Einleitung. 62
2.2.1.1 Definitionen. 62
2.2.1.2 Verwandtschaften zu anderen Motorarten. 63
2.2.2 Konstruktive Besonderheiten. 65
2.2.2.1 Ausführung und Auswahl der Ankerwicklung. 66
2.2.2.2 Ausführung und Auswahl der Permanentmagnetformen. 71
2.2.2.3 Ausführung und Auswahl der Motorbauform. 74
2.2.3 Dynamisches Modell des Permanentmagnetmotors. 79
2.2.3.1 Motormodell. 79
2.2.3.2 Zweisträngiges Ersatzmodell für die feldorientierte Steuerung. 80
2.2.4 Elektronische Unterdrückung von Drehmomentschwankungen. 83
2.2.4.1 Motor mit Mittelpunktanschluss der Wicklung. 84
2.2.4.2 Motor ohne Mittelpunktanschluss der Wicklung. 85
2.2.4.3 Praktische Ausführung einer Korrekturstromspeisung. 85
2.2.5 Motorkennlinien. 86
2.2.6 Sensorik. 87
2.2.6.1 Resolver. 88
2.2.6.2 Incrementale optische Encoder. 88
2.2.6.3 Magnetische Sensoren. 89
2.2.7 Sonderbauformen bürstenloser Permanentmagnetmotoren. 91
2.2.7.1 Einsträngiger Motor mit elliptischer Spule. 91
2.2.7.2 Direktantriebe für niedrige Drehzahlen. 92
2.3 Der geschaltete Reluktanzmotor. 94
2.3.1 Aufbau. 94
2.3.2 Wirkungsweise. 94
2.3.3 Ansteuerung. 95
2.3.4 Vergleich von Ansteuerprinzipien. 97
2.3.4.1 Blockspannungsspeisung. 97
2.3.4.2 Blockstromspeisung. 98
2.3.4.3 Linearisierung. 98
2.3.5 Ansteuerprinzipien ohne Rotorlagegeber. 98
2.3.6 Eigenschaften. 99
2.4 Drehfeldmotoren. 100
2.4.1 Asynchronmotoren. 100
2.4.1.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete. 100
2.4.1.2 Ausführungsarten. 100
2.4.1.3 Schaltungs- und Ausführungsarten der Ständerwicklung. 102
2.4.1.4 Wirkungsweise. 104
2.4.1.5 Betriebsverhalten. 106
2.4.1.6 Steuerungsverfahren. 108
2.4.1.7 Spaltpolmotor. 111
2.4.2 Synchronmotoren. 114
2.4.2.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete. 114
2.4.2.2 Ausführungsarten. 114
2.4.2.3 Synchronmotoren mit Magnetläufern. 116
2.4.2.4 Hysteresemotor. 117
2.4.2.5 Reluktanzmotor. 118
2.4.2.6 Permanentmagneterregte Motoren mit anisotropem Läufer. 120
3 Elektromagnetische Schrittantriebe. 123
3.1 Übersicht. 123
3.2 Schrittmotorarten. 125
3.2.1 Klauenpolschrittmotoren. 125
3.2.2 Scheibenläuferschrittmotoren. 126
3.2.3 Reluktanzschrittmotoren. 127
3.2.4 Hybridschrittmotoren. 127
3.3 Ansteuerung von Schrittmotoren. 129
3.4 Betriebsverhalten von Schrittantrieben. 134
3.4.1 Schrittwinkel. 134
3.4.2 Drehmoment. 136
3.4.3 Positioniergenauigkeit. 137
3.4.4 Schritt-Zeit-Verlauf. 137
3.4.5 Betriebskennlinien. 138
3.4.6 Resonanzfrequenzen. 140
3.4.7 Besonderheiten des Mikroschrittbetriebes. 140
3.4.8 Referenzpunktbestimmung. 141
3.5 Bewegungsabläufe. 142
3.5.1 Klassifizierte Bewegungsabläufe. 142
3.5.2 Spezielle Betrachtung des dynamischen Betriebes. 144
4 Antriebe mit begrenzter Bewegung. 151
4.1 Elektromagnete. 151
4.1.1 Elektromagnete als Antriebselemente. 151
4.1.2 Gleichstrommagnete. 152
4.1.2.1 Besonderheiten. 152
4.1.2.2 Stationäres Verhalten von Gleichstrommagneten. 153
4.1.2.3 Dynamisches Verhalten von Gleichstrommagneten. 157
4.1.2.4 Einfluss der Wirbelströme auf das dynamische Verhalten von Gleichstrommagneten. 161
4.1.2.5 Maßnahmen zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrommagneten. 162
4.1.3 Wechselstrommagnete. 167
4.1.3.1 Allgemeines. 167
4.1.3.2 Berechnung der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten. 167
4.1.3.3 Zeitabhängigkeit der Magnetkraft von Einphasenwechselstrommagneten. 168
4.1.3.4 Magnetkraft des Dreiphasenwechselstrommagneten. 170
4.1.3.5 Dynamisches Verhalten von Wechselstrommagneten. 171
4.1.4 Polarisierte Elektromagnete. 172
4.1.4.1 Besonderheiten. 172
4.1.4.2 Magnetkraft polarisierter Elektromagnete mit einem Reihenkreis. 173
4.1.4.3 Anwendung von polarisierten Elektromagneten. 175
4.1.5 Projektierung von Elektromagneten und Magnetantrieben. 176
4.1.6 Entwurf von Magnetantrieben. 176
4.1.6.1 Magnetantriebe als mechatronische Systeme. 176
4.1.6.2 Berechnungsverfahren für Magnetantriebe. 177
4.1.6.3 Netzwerkmethode für Magnetantriebe. 177
4.2 Elektrodynamische Linear- und Mehrkoordinatenantriebe. 184
4.2.1 Wirkprinzip und Grundstruktur. 185
4.2.2 Bauformen elektrodynamischer Linearmotoren. 188
4.2.2.1 Bauformen mit bewegten Spulen. 188
4.2.2.2 Bauformen mit bewegten Magneten. 195
4.2.2.3 Bauformen mit bewegten Dauermagnetkreisen. 197
4.2.3 Bauformen integrierter elektrodynamischer Mehrkoordinatenantriebe mit Einmassenläufern für xy-, xf-, xyf-, xyfz-Bewegungen. 199
4.2.3.1 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Flachspulen. 199
4.2.3.2 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Kastenspulen. 206
4.2.3.3 Elektrodynamische Mehrkoordinatenmotoren mit Zylinderspulen und gekrümmten Kastenspulen für eine xf-Bewegung. 211
4.2.4 Betriebsverhalten elektrodynamischer Linear- und Mehrkoordinatenmotoren. 212
4.2.4.1 Statischer und quasistatischer Betrieb permanenterregter Motoren. 212
4.2.4.2 Dynamischer Betrieb. 213
4.2.5 Ansteuerung elektrodynamischer Linear- und Mehrkoordinatenmotoren. 213
4.2.5.1 Ansteuerung elektrodynamischer Linearmotoren. 215
4.2.5.2 Ansteuerung elektrodynamischer Mehrkoordinatenmotoren. 217
4.2.6 Kommerziell angebotene Systeme. 222
4.3 Lineare und planare Hybridschrittantriebe. 223
4.3.1 Lineare Hybridschrittmotoren. 223
4.3.2 Mehrkoordinatenhybridschrittmotoren. 226
4.3.3 Dynamische Eigenschaften von linearen Hybridschrittmotoren. 227
4.3.4 Prinzip der elektronischen Schrittteilung. 230
4.3.5 Lineare Hybridschrittmotoren als magnetisch nichtlineare Antriebselemente. 231
5 Piezoelektrische Antriebe. 233
5.1 Physikalischer Effekt. 233
5.2 Piezoelektrische Bauelemente. 234
5.2.1 Piezoelektrische Werkstoffe. 234
5.2.2 Piezokeramische Elemente. 235
5.3 Piezoantriebe für den quasistatischen Betrieb. 236
5.3.1 Stapeltranslatoren. 237
5.3.2 Streifentranslatoren. 239
5.3.3 Biegeelemente. 239
5.3.4 Tubusse. 240
5.3.5 Piezowandler mit Wegübersetzung. 240
5.4 Piezoelektrische Schrittantriebe. 242
5.4.1. Wurm- und Schreitantriebe. 242
5.4.1.1 Wurmmotor. 242
5.4.1.2 Schreitmotor. 243
5.4.2 Ultraschallmotoren. 244
5.4.2.1 Stabförmige Resonatoren. 245
5.4.2.2 Ringförmige Resonatoren. 247
5.5 Steuerelektronik für Piezoantriebe. 249
5.5.1 Leistungsverstärker. 249
5.5.2 Inverse Steuerung. 251
5.6 Realisierungsbeispiele. 252
5.6.1 Positioniertisch mit Piezoantrieb. 252
5.6.2 Klemmelemente für Wurmmotoren. 253
6 Steuern und Regeln von Kleinantrieben. 255
6.1 Allgemeines. 255
6.2 Schaltungskomponenten und Modulationsverfahren. 256
6.2.1 Schaltungen zur galvanischen Trennung bzw. Pegelanpassung. 256
6.2.1.1 Impulsübertrager mit induktiven Übertragern. 256
6.2.1.2 Ladungspumpe. 256
6.2.1.3 Optokoppler. 258
6.2.2 Stellelemente für Gleichstrom- und Drehfeldmotoren. 258
6.2.2.1 Einfache Transistorschaltungen für Gleichstrommotoren. 259
6.2.2.2 H-Brückenschaltungen für verschiedene Leistungen. 259
6.2.2.3 Drehstrombrücken mit FETs und IGBTs. 262
6.2.3 Stellelemente für Schrittmotoren. 263
6.2.3.1 Unipolarer Betrieb. 263
6.2.3.2 Bipolarer Betrieb. 263
6.2.4 Modulationsverfahren für Drehstromantriebe. 264
6.2.4.1 Blocksteuerung. 264
6.2.4.2 Unterschwingungsverfahren. 265
6.2.4.3 Raumzeigermodulation. 265
6.2.5 Steuereinrichtungen, PWM. 267
6.2.5.1 Pulsweitenmodulation für H-Brücken. 267
6.2.5.2 Pulsweitenmodulation für Drehstrombrücken. 267
6.3 Drehzahlsteuerungen. 269
6.3.1 Stellelemente und Steuereinrichtungen für Universalmotoren. 269
6.3.1.1 Halbwellen-Phasenanschnittsteuerung. 269
6.3.1.2 Schaltung zur Erzeugung von welligem Gleichstrom aus Wechselstrom. 270
6.3.1.3 Schaltung zur Drehzahlsteuerung mit Phasenanschnitt-Steuer-IC. 270
6.3.2 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren. 270
6.3.2.1 Drehzahlsteuerung mit einfachen Transistorschaltungen. 271
6.3.2.2 Drehzahlsteuerung im Chopperbetrieb. 271
6.3.2.3 Drehzahlsteuerung mit H-Brückenschaltungen. 271
6.3.3 Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren. 271
6.3.3.1 Drehzahländerung durch Änderung des Schlupfes. 272
6.3.3.2 Einfache Steuerschaltung mit Frequenzumrichter. 272
6.3.3.3 Schlupffrequenzkompensation. 273
6.3.4 Drehzahlsteuerung von dreisträngigen Motoren. 273
6.3.4.1 Synchronmotor. 273
6.3.4.2 Elektronikmotor. 273
6.3.5 Positions- und Drehzahlsteuerungen von Schrittmotoren. 275
6.4 Positions- und Drehzahlregelungen. 275
6.4.1 Drehzahlregelung von Universalmotoren. 275
6.4.2 Regelung von Gleichstrommotoren. 276
6.4.2.1 Drehzahlregelung mit H-Brücke. 276
6.4.2.2 Positionsregelung mit unterlagerter Drehzahl- und Stromregelung. 276
6.4.3 Regelung von Asynchronmaschinen. 278
6.4.3.1 Einfache Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter. 278
6.4.3.2 Feldorientierte Regelung. 278
6.4.4 Regelung von Elektronikmotoren. 285
6.4.4.1 Drehzahlregelung von Elektronikmotoren mit Blockkommutierung und sinusbewerteter Kommutierung. 285
6.4.4.2 Positions-und Drehzahlregelung von Elektronikmotoren. 286
6.5 Hinweise zur praxisorientierten Reglereinstellung und Simulation von Drehzahlregelkreisen 288
6.6 Aufbau der Antriebselektronik für Drehstromantriebe unter Verwendung hochintegrierter Komponenten. 290
6.7 Sensorlose Erfassung und Regelung von Drehzahl, Rotorlage und Drehmoment. 293
7 Magnetlagertechnik. 303
7.1 Einleitung. 303
7.2 Passive Magnetlager. 304
7.2.1 Permanentmagnetlager. 305
7.3 Aktive Magnetlagersysteme. 310
7.3.1 Elektromagnetlager. 310
7.3.1.1 Magnetlager mit Gleichstromvormagnetisierung. 310
7.3.1.2 Magnetlager mit permanentmagnetischer Vormagnetisierung. 313
7.3.2 Lagerlose Motoren. 315
7.3.2.1 Lagerlose Permanentmagnetmotoren. 315
7.3.2.2 Lagerlose Asynchronmotoren. 319
8 Mechanische Übertragungselemente. 321
8.1 Getriebe. 321
8.1.1 Getriebearten. 322
8.1.2 Zahnradgetriebe. 323
8.1.2.1 Einteilung. 323
8.1.2.2 Zahnräder. 325
8.1.2.3 Stirnradgetriebe. 327
8.1.2.4 Schraubenstirnradgetriebe. 333
8.1.2.5 Schneckengetriebe. 334
8.1.2.6 Kegelrad- und Kronenradgetriebe. 335
8.1.3 Zugmittelgetriebe. 337
8.1.4 Schraubengetriebe. 341
8.1.5 Koppelgetriebe. 342
8.1.6 Kurvengetriebe. 343
8.1.7 Schrittgetriebe. 344
8.2 Kupplungen. 346
8.2.1 Feste Kupplungen. 346
8.2.2 Ausgleichskupplungen. 347
8.2.3 Schaltkupplungen. 349
8.3 Achsen und Wellen. 353
8.3.1 Entwurfsberechnung. 353
8.3.2 Nachrechnung. 354
8.4 Lager. 355
8.4.1 Gleitlager. 356
8.4.2 Wälzlager. 359
9 Projektierung von Antriebssystemen. 363
9.1 Forderungen an Antriebssysteme. 363
9.2 Lösungsweg für Antriebsaufgaben. 364
9.3 Systematik typischer Antriebsaufgaben. 365
9.3.1 Systematik nach der Bewegung. 365
9.3.2 Systematik nach der Betriebsweise. 366
9.4 Besonderheiten bei der Antriebsauswahl. 368
9.5 Vergleich lagegeregelter Gleichstromantriebe mit Schrittantrieben. 370
9.6 Umrechnung mechanischer Antriebsparameter. 372
9.7 Beispiele für Antriebsaufgaben. 374
9.7.1 Direktantrieb eines Plattenspeichergerätes. 374
9.7.2 Antrieb einer Kolbendosierpumpe. 378
9.7.3 Antrieb einer Leiterplattenbohreinheit. 382
9.7.4 Antrieb eines Lichtzeichenkopfes. 386
9.7.5 Antrieb einer Schlauchpumpe. 390
9.7.6 Seilzugantrieb für ein schreibendes Gerät. 393
9.7.7 Antrieb einer Trommel. 398
Anhang
Formelzeichenverzeichnis. 405
Verzeichnis englisch-deutscher Begriffe und Abkürzungen. 407
Literaturverzeichnis. 421
Die Autoren. 439
Sachwortverzeichnis. 441