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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)- Dipl.-Ing. Sandra Schiffer; Dipl.-Ing. Georg Hägele

Übungsaufgaben- Beispiel-/Übungsaufgaben

Prüfungschriftlich, wird bekanntgegeben



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Einbettung der Veranstaltung in die Forschungsschwerpunkte:

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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


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


Quelle: Gerling

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Veranstaltung AntriebstechnikVE2-2: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.3 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss I

Elektrisches Ersatzschaltbild:- Anker und Erregerwicklung sind in Reihe geschaltet> von außen nicht unterscheidbar> Erregerstrom ist von der Belastung abhängig

> im allg.:

Grundgleichungen:Quelle: Gerling

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2.3.3 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss II

Resultierende Kennlinien:

Quelle: Gerling

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2.3.2 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss III

Weiteres:

- Leerlauf

> Maschinenzerstörung möglich (GMR benötigt Mindestlast (z. B. hohesReibmoment)

- Lastmomente, Lastströme

- Kurzschluss

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2.3.3 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss IVRegelung / Drehzahlsteuerung:

i) Vergrößerung Vorwiderstand im Ankerkreis

…

ii) Verringerungder Erregung (Feldschwächung)


Quelle: Gerling

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2.3.3 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss V

ii) Verringerungder Erregung (Feldschwächung)

iii) Verringerung der Klemmenspannung


Quelle: Gerling

Quelle: Gerling

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2.3.3 Selbstgeführte GM mit Reihenschluss VI

Vergleich der Kennlinien als M(n)-Kennlinien

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2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.4 Verbundmotor, Doppelschlussmotor, Compoundmotor

Reihenschlussmotor mit zusätzlichem Nebenschlusshauptfeld> M(n)-Kennlinie als Mischung als Nebenschluss- und Reihenschlusscharakteristik


Quelle: Gerling

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2.4 Gleichstrommaschinen Vergleich verschiedener GM (nach Janocha):

GMmit mechanischemKommutator

GMelektronischemKommutator(bürstenloser GM)

Kommutator-Reihenschluss-Motor (Universalmotor)

Drehzahlkennlinie steif (lastunabhängig)

steif (lastunabhängig) Weich(lastabhängig)

Anzugmoment geringer geringer geringer

Drehzahlstellbereich beigleichen Kosten

geringer größer größer

Drehzahlregelung einfacher einfacher aufwendig

Wirkungsgrad bei gleichen Kosten

größer geringer geringer

Entmagnetisierungsgefahr

vorhanden - -

Funkentstörung aufwendig aufwendig aufwendig

Zentrale Eigenschaft

steif, def. Leerlauf-drehzahl

steif, def. Leerlauf-drehzahl

Instabilität, Kennlinie

Kosten gering mittel mittel

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Vergleich der M(n)-Kennlinien

Quelle: Gerling

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