ERIKS | Aandrijftechniek SchoonhovenAandrijven: aansporen tot snelheid, in beweging brengen Aandrijving: wijze van in beweging brengen THEORIEBOEK Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................................................ 3 Aandrijftechniek – algemeen .............................................................................................................. 4 Aandrijftechniek - formuleblad............................................................................................................ 9 (Elektro)Motoren ............................................................................................................................... 10 Asynchrone commutatormotor ......................................................................................................... 11 Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor .................................................... 11 Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor .............................................. 11 Gelijkstroommotoren met commutator ............................................................................................. 11 Gelijkstroommotoren zonder borstels (brushless)............................................................................ 11 Servo motoren .................................................................................................................................. 12 Torque motoren ................................................................................................................................ 13 Stappenmotoren ............................................................................................................................... 13 Synchrone draaistroommotor ........................................................................................................... 15 Universeel motoren .......................................................................................................................... 15 Kernloze (coreless) of ijzerloze DC motoren met commutator ........................................................ 15 Motorsturingen.................................................................................................................................. 16 Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor ................................................................................. 16 Regeling voor de asynchrone commutatormotor ............................................................................. 17 Regeling van sleepringankermotoren............................................................................................... 17 Regeling voor synchrone draaistroommotoren ................................................................................ 17 Toerental sturingen voor brushless motoren.................................................................................... 17 Universeel motoren .......................................................................................................................... 18 Versterkers voor servo motoren ....................................................................................................... 18 Microcontrollers ................................................................................................................................ 18 PLC's ................................................................................................................................................ 18 Motion Controller .............................................................................................................................. 18 De versterker .................................................................................................................................... 19 PM-dc ............................................................................................................................................... 19 Lineaire aandrijvingen..................................................................................................................... 21 Lineaire actuators ............................................................................................................................. 21 Lineaire direct aangedreven (direct drive) motoren ......................................................................... 22 Ironcore lineair motor (ijzer anker motor) ......................................................................................... 22 Ironless lineair motor (luchtspoelmotor ............................................................................................ 22 Lineaire stappenmotor...................................................................................................................... 22 Piëzo................................................................................................................................................. 22 LIM.................................................................................................................................................... 23 Moving coil........................................................................................................................................ 23 Lineaire motor................................................................................................................................... 23 Remmen .............................................................................................................................................. 26 Schuifankermotor ............................................................................................................................. 26 Veerdrukschijfrem, rem met permanente magneet.......................................................................... 26 Terugkoppelingen ............................................................................................................................ 27 Pulsgever of encoder ....................................................................................................................... 27 Resolver ........................................................................................................................................... 27 Tachogenerator ................................................................................................................................ 28 Bussystemen ..................................................................................................................................... 29 CAN open ......................................................................................................................................... 29 EtherCat ........................................................................................................................................... 30 Koppelingen ....................................................................................................................................... 31 Flexibele koppelingen....................................................................................................................... 31 Voedingen .......................................................................................................................................... 32 Hoe selecteert u een voeding........................................................................................................... 32 Theorie ERIKS - aandrijftechniek Schoonhoven 2 Inleiding ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven heeft in haar productenpakket allerlei typen elektromotoren (dc, ac, servo), actuatoren, spindels, koppelingen en voedingen. Omdat niet altijd even duidelijk is wat het verschil is tussen typen motoren, spindels, koppelingen en voedingen, hebben we theorie pagina’s op onze website gemaakt waarin kenmerken, werking van de producten, voor- en nadelen op een rij worden gezet. Per type product is een theorie pagina gekoppeld. Het nadeel hiervan is dat je niet alle theorie pagina’s bij elkaar hebt. Daarom hebben we besloten om alle theorie pagina’s te bundelen in dit boekje. Over de volgende producten hebben we theorie pagina's gemaakt: - (elektro)motoren - motorsturingen - lineaire aandrijvingen - remmen - terugkoppelingen - bussystemen - koppelingen - voedingen Theorie ERIKS - aandrijftechniek Schoonhoven 3 omgezet naar elektrische energie. De keuze van het soort aandrijving bepaald dus de wijze van het in beweging brengen.Aandrijftechniek – algemeen Aandrijven is volgens de definitie: het in beweging brengen en een aandrijving is een hulpmiddel tot het in beweging brengen. Elektriciteitscentrale Generator Onze aandrijving Motor Andere verbruikers Zaken waar we bij een EM aandrijving rekening mee moeten houden zijn: • Elektrische energie kan niet worden opgeslagen. Type werktuig of type beweging. meestal lucht) en hydraulische aandrijvingen (vloeistof. • De doelstelling is altijd de beweging. meestal olie). Een lager secondair toerental betekent dus een hoger beschikbaar koppel. Mechatronica is een relatief nieuw woord dat vele definities heeft. Immers in een elektriciteitscentrale wordt eerst een bepaalde energievorm. Deze centraal opgewekte elektrische energie wordt gebruikt om naar de decentrale gebruikers te worden getransporteerd. Een EM aandrijving zet elektrische energie om in beweging. De definitie van Motion Control luidt: het gecontroleerd verplaatsen van een object naar een vooraf bepaalde positie. Hierbij is elektriciteit een transportvorm van arbeid. De criteria zijn: Soort proces. Daar wordt de elektrische energie weer omgezet naar een bruikbare variant zoals beweging (motor). Dit kan in de vorm van een chemische reactie (bijvoorbeeld een accu) in de vorm van potentiële energie (bijvoorbeeld waterkracht). Benodigd koppel (piekbelasting en nominale belasting). De gekozen apparatuur is het gevolg van een pakket van eisen. verlichting (lamp) of verwarming (heater). • Bij een tandwielkast geldt: n1 * T1 = n2 * T2. Theorie ERIKS . Dit betekent dat het product van koppel (Nm) en toerental (opm) aan de ingaande zijde hetzelfde is als aan de uitgaande zijde (behoudens de effecten van efficiency). en nooit het type aandrijving. • Een EM aandrijving dimensioneren wordt gedaan op het benodigde koppel (directe relatie met de grootte van de stroom) en het toerental (directe relatie met de spanning of spanning/frequentie). Als er energie opgeslagen moet worden dan is een afgeleide vorm nodig.aandrijftechniek Schoonhoven 4 . meestal een door een turbine aangedreven generator. De meest gebruikte en door de FEDA erkende definitie is: een multidisciplinaire. Uiteraard zijn er ook andere varianten denkbaar zoals pneumatische aandrijvingen (gas. kunstmatig opgewekte beweging die elektronisch gestuurd en gecontroleerd wordt. In dit boekje beperken we ons tot de EM (ElektroMechanische) aandrijvingen. Istwert Er zijn grofweg 4 niveaus van het bepalen van de apparatuur van de aandrijving. Hierbij wordt voor een geheel plan een complete installatie bepaald. Theorie ERIKS . Levensduur. Hierbij moet rekening worden gehouden met alle voorkomende randvoorwaarden. Prijsniveau. Reg. Dit zal veelal op meerdere locaties zijn of bestaan uit een samenhangend geheel van diverse installatieonderdelen. tijden). Hier wordt op grond van een bestek of PvE een aantal componenten besteld die samen de aandrijving vormen. repair and operations). Maatvoering (inbouwmaten).A. Hier zal een machine ontwikkeld worden en op grond van de behoefte van beweging(en) zullen één of meerdere aandrijvingen geselecteerd. De uitvoering van de aandrijving zal vastgelegd worden in een PvE (Pakket van Eisen). Een scara robot gedraagt zich nu eenmaal anders dan een pomp en een pomp weer anders dan een lift. OEM (original equipment manufacturer of eerste montage). De laatste bullet is het gevolg van het feit dat het werktuig bepaald wordt door het proces. Project (project inkopen of – realisatie). Regelbereik en regeldynamiek (snelheid en acc/dec. samengesteld of ontwikkeld worden. Voorschriften EG regulering Klantwensen Specificaties Veiligheid Omg. stof. Op grond van een defect onderdeel zal vaak op basis van beschikbaarheid een nieuw. Geluidsniveau. TerugKopp. Sollwert Opn. Adviseur. 2. PROJECT Motor Overbr. MRO (maintenance. Motortemperatuur. warmte). Herhalingsfrequentie. (Rondloop)nauwkeurigheid. De weerslag van de ontwikkeling wordt vastgelegd in een bestek. Deze zijn: 1. vergelijkbaar component worden aangeschaft. vocht. factoren ………… Koppe ling Werktuig ADVISEUR OEM Proces MRO ONTWERPPROCES I. 3.aandrijftechniek Schoonhoven 5 . Net Omz. 4. Omgevingsfactoren (ex omgeving. Hierbij valt te denken aan de waterhuishouding in een nieuw woonwijk. Theorie ERIKS . is ook het type werktuig belangrijk. Regelbare (roterende) elektrische motoren Stappen motoren DC motoren Veldwikkeling PM (Tin Can) Hybride Serie Shunt Compound AC motoren Permanent magneet DC servo BLDC AC servo KSA open loop KSA closed loop Reluctantie Binnen de motion control zijn kenmerken van de verschillende systemen evident. Zie in de onderstaande grafiek het verschil in karakteristieken tussen een verdringerpomp en een centrifugaalpomp. • Lineaire aandrijvingen = roterende motor met spindel / tandriem. v r T(n)::1/n P=c Opwikkelmachines Gereedschapmachines n v m1 m2 n v T(n)=c P::n Verdringerpompen Schroefcompressoren Liften/kranen P::n2 T(n)::n Walswerktuigen Gereedschapmachines n n T(n)::n2 P::n3 Centrifugaal pompen Centrifugaal compressoren Centrifugaal ventilatoren Centrifuges Binnen de Motion Control zijn er diverse oplossingen denkbaar die allen hun eigen karakteristieken hebben.aandrijftechniek Schoonhoven 6 . • Lineaire motoren = direct drive. Naast dat de keuze van het werktuig belangrijk is. We zullen Lineaire elektrische aandrijvingen: ze achtereenvolgens op hoofdkenmerken toelichten. De doorlooptijd van een project is bij niveau 1 ook veelal uit te drukken in jaren terwijl de doorlooptijd bij niveau 4 eerder een kwestie van uren is.Het behoeft geen betoog dat voor de niveaus 1 en 2 een grote mate van expertise noodzakelijk is. Deze zijn weergegeven in de volgende figuur. AC Servo synchroon: Zeer kleine koppelfluctuaties. Lange levensduur (geen borstels). Complexe regelaar. Hoog koppel bij laag toerental (geen reductiekast). Koppelbegrenzing door Imax begrensd door commutatie.aandrijftechniek Schoonhoven 7 . Resonatiegevoeligheid. Levensduur (3000-8000h door borstelslijtage). Dynamisch. Staphoek / koppelrimpel. Hoge temperatuur motor (niet bij torque control). Blokvormige stroom (six step >> sinus). Veelal geen encoder. Verhouding vermogen/massa 2 maal zo groot als PMDC. Theorie ERIKS . Geen koppelfluctuaties. Grote eigen massatraagheid. Maximaal vermogen 5kW. Feedback met hoge resolutie noodzakelijk. EMC / borstelstoring. Geringe verliezen. AC Servo asynchroon (ksa motor met frequentie omzetter in closed loop): Complexe regelaar. DC borstelloos (BLDC): Koppelfluctuaties bij lage en zeer hoge toerentallen. Sinus vormige stroom.DC met permanent magneten en borstels (PMDC): n minder gevoelig voor koppelvariaties. Lineaire T-n karakteristiek. Terugkoppeling Hall sensoren. Groot vermogensbereik. Prijsniveau gunstig. Maximaal vermogen 10kW. Kleine eigen massatraagheid. Zeer kleine eigen massatraagheid. Relatief eenvoudige regelaar. Encoder feedback voor positionering. Ia Ξ T. Beperkte dynamiek. Eenvoudig aan te sturen. Hoge(re) toerentallen. Hoge toon (geluidsprobleem). Hoog dynamisch. Eenvoudige robuuste motor (met encoder op 2e as of in flens / werktuig. Maatvoering redelijk gestandaardiseerd (NEMA). Lange levensduur. Stappenmotoren: Koppel bij spanningsloze motor. Hoge(re) toerentallen. Bekende techniek (als frequentieomzetter met meer rekencapaciteit en in/uitgangen). Verhouding vermogen/massa 3 maal zo groot als PMDC. Hoog maximum toerental (<4. Hij zal u graag terzijde staan. vraag dan gerust om hulp van uw leverancier (coengineering). 2.000 opm). Let op de omgevingsfactoren. 5. hoe beter de aandrijving aansluit bij uw wensen en bij de eisen van de applicatie. Bekijk de aandrijving vanuit de applicatie. En hoe eerder u uw leverancier inschakeld. Belangrijk is nog om de volgende 5 zaken in ogenschouw te nemen.elmeq. Alle informatie over componenten en systemen.nl Theorie ERIKS .aandrijftechniek Schoonhoven 8 . alsook over onze engineeringsmogelijkheden vindt u op onze website: www. En selecteer dan de gewenste aandrijving. 4. IEC maatvoering motor. Groot vermogensbereik. En mocht u er niet helemaal uitkomen. Bepaal wat je eigenlijk wil (en beperk je daartoe). 3. Let op de kosten (aanschafprijs / engineering / tco?). 1. Voor de theorie per type verwijzen we u graag naar de navolgende hoofdstukken. v r n m2 v m1 n v T(n)::1/n P=c T(n)=c P::n Opwikkelmachines Gereedschapmachines Verdringerpompen Schroefcompressoren Liften/kranen P::n2 T(n)::n Walswerktuigen Gereedschapmachines n n T(n)::n2 P::n3 Toerentalformule: n = 60 * f * (1-s) p Koppelformule: P=ω*T n = toerental (o.) f = frequentie (Hz) s = slip p = poolpaartal ω=2*π*n 60 Vermogensformule: P = √ 3 * U * I * cos φ * ŋ Theorie ERIKS .aandrijftechniek Schoonhoven Centrifugaal pompen Centrifugaal compressoren Centrifugaal ventilatoren Centrifuges P = vermogen (W) ω = hoeksnelheid (rad/s) T = koppel (Nm) U = spanning (V) I = stroomsterkte (A) cos φ = cosinus fi ŋ = rendement 9 .Aandrijftechniek .formuleblad Diverse koppel-toeren en vermogen-toeren karakteristieken per hoofdgroep bij roterende applicaties.p.m. 3. 2. 1. 9. Een elektromotor wordt gebruikt in machines waar iets moet bewegen.en wisselstroommotoren. Vaak betreft het een roterende (ronddraaiende) beweging echter er zijn ook elektromotoren met een lineaire beweging. 7. Binnen beide typen elektromotoren zijn er zeer veel varianten. 6. De benaming heeft normaliter een relatie met het toegepaste principe of de applicatie. Onderstaand treft u een overzicht van de meest gangbare elektromotoren aan die ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven in haar leveringsprogramma heeft. Theorie ERIKS . Een elektromotor wordt gekozen (gedimensioneerd) op grond van de gevraagde toepassing bij een werktuig (tegenkoppel of belastingskoppel).aandrijftechniek Schoonhoven 10 . 11.(Elektro)Motoren Een elektromotor is een algemene benaming voor een machine die elektrische energie omzet in mechanische energie waarmee een werktuig kan worden aangedreven. 4. Deze term geeft aan op welke voedingsspanning de elektromotoren aangesloten dienen te worden. Elektromotoren worden onderverdeeld in gelijkstroom. 8. 10. 5. Asynchrone commutatormotor Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor Gelijkstroom motoren met commutator Gelijkstroom motoren zonder borstels (brushless) Servomotoren Torque motoren Stappenmotoren Synchrone draaistroommotor Universeel motoren Kernloze (coreless) of ijzerloze gelijkstroommotor met commutator Lineaire motoren zijn te vinden onder ‘lineaire aandrijvingen’. Bij deze gelijkstroommotoren wordt het magnetisch veld niet veroorzaakt door statorspoelen maar door permanent magneten. de koppel toeren karakteristiek is hoog koppel bij laag toerental en laag koppel bij hoog toerental.aandrijftechniek Schoonhoven 11 . Van de rotorwikkelingen worden de uiteinden op sleepringen aangesloten die. van buitenaf bereikbaar zijn. De rotor bevat geen ijzer. Compound motoren. Ook de regeling van de motor is eenvoudig. De motoren die door ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven worden geleverd zijn servomotoren. De aangelegde spanning is een directe maat voor het toerental en de geleverde stroom is een directe maat voor het koppel. Bij deze motor kan uitwendig. Er zijn de volgende uitvoeringen: Theorie ERIKS . Gelijkstroommotoren met commutator Een gelijkstroommotor bestaat uit een stator (vast deel) en rotor of anker (draaiend deel). Voordeel van gelijkstroom motoren is dat ze eenvoudig qua bouw zijn en dat ze dus relatief goedkoop zijn. deze motoren zijn een combinatie van de voornoemde motoren. Nadeel is dat de motoren voorzien zijn van koolborstels. een groot aanloopkoppel (grote versnelling) worden gerealiseerd. Op praktisch alle plaatsen waar een drie-fasen net aanwezig is. 3. Let op: in de normale spraak worden regelmatig ook de dc servomotoren met borstels een dc motor genoemd. via koolborstels. Bij dit type motoren kan de aanloopstroom en dus daardoor ook het aanloopkoppel goed worden geregeld. De voeding kan direct op het net of middels een frequentieomzetter. door het ontbreken van borstels. Drie-fasen asynchrone motor met sleepring of sleepringankermotor Het verschil met de gewone asynchrone draaistroommotor is alleen de anders geconstrueerde rotor. Tegenwoordig is het resultaat van het gebruik van dit type motor ook goed te bereiken met een elektronisch geregelde motor. een relatief constant toerental. Drie-fasen asynchrone draaistroommotor of kortsluitankermotor De asynchrone draaistroommotor is één van de meest toegepaste motoren. Er bestaan voor grotere motoren wel borstelhefinrichtingen maar dit zijn complexe installaties. Er zijn de volgende gelijkstroommotoren: 1. hierbij wordt de veldspoel extern bekrachtigd. Vreemd bekrachtigde gelijkstroom motoren. Gelijkstroommotoren zonder borstels (brushless) Een borstelloze gelijkstroommotor bestaat ook uit een stator (vast deel) en rotor of anker (draaiend deel). 4. de koppel toeren kromme is een nagenoeg constant toerental bij (grote) koppel variaties. Anders komen de borstels niet op temperatuur en slijten ze harder. Ook elektrisch is de motor eenvoudig. weinig onderhoud vraagt. Gelijkstroommotoren zijn veel toegepaste motoren omdat de regeling ervan zeer eenvoudig is. Belangrijk is ook om de belasting goed af te stemmen met het motorvermogen omdat de stroomdichtheid door de borstels voldoende moet zijn.Asynchrone commutatormotor Deze motor wordt toegepast voor een groot toerentalbereik met een gelijkblijvende koppel. en geen extreme versnellingen of vertragingen worden vereist. Is deze bij de gewone asynchrone motor een kortsluitanker. Serie motoren. 2. bij dit type is de rotor voorzien van wikkelingen die 120o ten opzichte van elkaar verschoven liggen. Temeer daar deze motor. standaard afmetingen heeft (volgens IEC) en relatief goedkoop is. Shunt motoren. wordt deze bijzonder betrouwbare motor toegepast. Dit betekent (geringe) vervuiling en onderhoud vanwege borstelslijtage. Hierbij zijn er serie gecompoundeerde motoren (gedragen zich meer als seriemotor) en shunt gecompoundeerde motoren (gedragen zich meer als shunt motoren). door bijvoorbeeld het in serie schakelen van rotorweerstanden. 3.Mechanische grenzen. Borstelzweving (borstels komen los van de commutator. (Zeer)klein eigen massa traagheidsmoment. De motoren die door ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven worden geleverd zijn servomotoren. Een verhoging van de borsteldruk geeft extra slijtage). Een rotor gestanst uit plaatmateriaal en voorzien van kunststof coating. Het ijzer is vast opgesteld en de wikkeling draait er omheen. Geen hysteresisverliezen. 4. Na montage worden door middel van een stroomstoot de magneten gemagnetiseerd. 6. De maximale borstelspanning (flash over).aandrijftechniek Schoonhoven 12 . Lineaire koppel toeren karakteristiek. 5. 2. Holle rotor motoren (cup rotor motors) Een schijfankermotor kan op 3 manieren worden gerealiseerd: 1. Een gewikkelde rotor in een plat vlak en gegoten in kunststof. Geen warmteverliezen in veldspoelen.Lagering. 3. Groot voordeel van deze constructie is dat deze motor geopend kan worden zonder dat het magnetisch veld wordt verstoord. .Het houdkoppel is normaliter kleiner dan het koppel in bewegende toestand.Krachten uitgeoefend op de rotorwikkelingen. De maximale commutatie stroom (vonken). Grote voordelen van deze motoren zijn: 1. De begrenzing van de motoren is bepaald door: . Geen wervelstroomverliezen. Het gedrag van deze motoren laat zich het beste vergelijken met shunt-dc motoren. Let op: in de normale spraak worden regelmatig ook de dc servomotoren zonder borstels een brushless dc motor genoemd. Deze motoren worden steeds minder gebruikt voor kleine vermogens. Servo motoren Servomotoren zijn er in gelijkstroom en in wisselstroom. De permanente magneten wekken het statorveld op. . Een geprinte schijfvormige rotor. Theorie ERIKS . Een verbreking van het magnetische circuit kan leiden tot demagnetisatie. Het houdkoppel is normaliter kleiner dan het koppel in bewegende toestand.De maximale stroom door de wikkelingen. Elektrische grenzen bij pm-dc motoren zijn: 1. De maximale stroom door de borstels begrensd het koppel (borstelverhitting). De motor wordt gemonteerd met ongemagnetiseerde magneten. Elektrische grenzen bij borstelloze servo motoren zijn: . . . Bij een cup rotor motor is geen rotorblikpakket aanwezig en is de rotorwikkeling zelfdragend en hol uitgevoerd. . Kleine zelfinductie.Maximum toerental.Onbalans van de rotor (anker). Schijfankermotoren (pancake motors) 2.1. 2. 5. 4. 2. De wisselstroom servomotor wordt ook wel borstelloze servomotor genoemd en is wat constructie betreft identiek aan een synchrone motor. 3. Bij gelijkstroom zijn het vrijwel altijd permanent magneet gelijkstroom motoren (pm-dc) met borstels. Geen overbrengingsverliezen. dus een belangrijke factor voor de levensduur van de motoren. Een stappenmotor kan worden beschreven als een motor waarvan de rotor (en dus de uitgaande as) niet continu maar stapsgewijs draait en per stap een vaste hoekverdraaiing uitvoert. in een bepaalde volgorde. 2. Deze motoren zijn opgebouwd uit 2 statorspoelen en 1 rotor met permanent magneet. relatief goedkope besturingen en een mogelijkheid tot een encoder feedback. . Er zijn de volgende typen stappenmotoren: 1.m. 3. reproduceerbare eigenschappen. of juist het voorkomen van slijtage van de borstels.p. . In rusttoestand (stroomloos) is een beperkt houdkoppel beschikbaar. . impulsvormige spanningen toe te voeren. Dit vooral omdat geïntegreerde digitale elektronische circuits. Deze smeerfilm wordt patina of skin genoemd.Geïntegreerde lagering.Laag toerental en hoog koppel. Door hun specifieke eigenschappen zijn deze motoren bijzonder geschikt voor (industriële) automatiseringstoepassingen. Bij een goede dimensionering zal de borstel de commutator niet raken doordat zich tussen de borstel en de commutator een smeerfilm vormt. . Het aantal stappen per omwenteling hangt af van: 1. Deze beweging wordt verkregen door aan de statorspoelen.Een spelingvrije aandrijving. 4. Torque motoren Een speciale uitvoering van een servomotor is de direct drive motor of torquemotor. Theorie ERIKS . De voordelen van de stappenmotor boven de gelijkstroom servomotor zijn onder andere: 1. waarbij doorvoer van kabels of slangen door de holle as tot de mogelijkheden behoren.Geen cogging. De constructie van de motor. .Bij pm-dc motoren is de slijtage. Stappenmotoren Gedurende de laatste jaren is de belangstelling voor de stappenmotor enorm toegenomen. Twee stator stappen motoren.aandrijftechniek Schoonhoven 13 . De manier waarop de motor wordt geschakeld (zie sturing stappenmotoren).Een holle as. Een hoog koppel bij lage toerentallen (tot ± 300 o. een optimaal gebruik van dit type motor mogelijk maakt. Door de schakelvolgorde te veranderen is het mogelijk de draairichting van de rotor om te keren. Uitwisseling voor een ander type kan dus (extra) slijtage veroorzaken. . . Dergelijke circuits kunnen universeel en vrij eenvoudig ontworpen en vervaardigd worden. Deze motoren geven de mogelijkheid om een ronde positioneerbare tafel. Belangrijke eigenschappen van deze motoren zijn: . 2. Dit geeft een extreem stijve verbinding en daardoor hoog dynamische. max.Borstelloze aandrijving.Extreem dynamisch. plateau of werktuig direct te koppelen aan de motor zonder tussenkomst van een overbrenging.Compact. . Een terugkoppeling is niet nodig. Qua prijs is de combinatie stappenmotor + sturing heel aantrekkelijk. Van belang zijn de luchtvochtigheid op de contactplaats en de temperatuur van de borstels (stroomdichtheid). . De borstels zijn normaliter speciaal gedimensioneerd voor de betreffende motor. koppel) waardoor voor veel toepassingen geen vertragingskast nodig is.Onderhoudsvrij. Bij stappenmotoren is voor positionering en toerentalregeling in principe alleen een stuurcircuit nodig.Ingebouwde rem en/of encoder mogelijk. . Meestal zal de toepassing de C-as zijn. Hoge vermogensdichtheid. 2. Eigen houdkoppel (detent torque). en het draaikoppel is laag in vergelijking met de permanent magneet motoren. De reluctantiemotor heeft een rotor die is opgebouwd uit zacht magnetisch (week metaal) materiaal en is voorzien van tanden. Het maximum koppel waarmee men de as van een bekrachtigde motor kan belasten zonder dat deze zijn positie verliest. Toepasbaar voor microstepping. Hoge start-stop frequentie mogelijk. bij een bepaalde belasting. Hoge versnelling mogelijk. Permanent magneet stappenmotoren of schijfanker stappenmotoren. 3. 6. Er worden zeldzame aarde magneten toegepast. Deze motoren hebben 5 statorspoelen die in een bepaalde volgorde worden geschakeld en 1 rotor met 5 permanent magneten waarvan de polen ten opzichte van elkaar in fase verschoven liggen. Het gebied tussen pull in torque en pull out torque. 2.aandrijftechniek Schoonhoven 14 . Het koppel waarmee men de as van een niet bekrachtigde motor mag belasten zonder een continu draaiende beweging te krijgen. Vijf stator stappenmotoren. Hoog oplossend vermogen. die aan de motor kan worden aangeboden. 5. Reluctantiemotoren beschikken niet over dit koppel. permanentmagneet die voorzien is van poolschoenen. in langsrichting gemagnetiseerde. De tanden van de ene poolschoen bevat noord polen en de tanden van de andere poolschoen bevat zuid polen. 6. De motor werkt volgens het reluctantie (magnetische weerstands) principe. De reluctantiemotor heeft bij afgeschakelde motor geen houdkoppel. Eigenschappen van stappenmotoren waarmede rekening dient te worden gehouden. De beide poolschoenen zijn gemaakt van weekijzer en hebben aan de omtrek een gelijkmatige vertanding. 4. Lage resonantiegevoeligheid. De hoek waarover de as wordt gedraaid na één stuurpuls. Dit koppel heeft wel een koppelrimpel tot gevolg bij een draaiende stappenmotor. Theorie ERIKS . Laag massa traagheidsmoment van de rotor. De tanden van de poolschoenen liggen 90 graden in fase verschoven. Hoger rendement dan voorgaande typen. De eigenschappen van de motoren zijn: 1. 4. Resonantie en demping. Slew-kromme (pull out torque curve). 2. 3. Zoals: 1. Het aantal tanden is niet gelijk aan het aantal poolschoenen van het statorhuis. Staphoek (step angle). Start-stop kromme (pull in torque curve). Dit geeft additionele voordelen ten opzichte van standaard stappenmotoren. 3. 5. Een koppel bij spanningsloze motor. De motor heeft polen met tanden en worden zodanig geschakeld dat een 2 fasen wikkeling ontstaat. De rotor heeft de vorm van een schijf. Houdkoppel (holding torque). Hybride stappenmotoren of gelijkpool stappenmotoren zijn een combinatie van de permanent magneet stappenmotor en de reluctantie stappenmotor (zie 3 en 4). De ongelijkmatige snelheid waarmee de motor loopt. De rotor bestaat uit een. Houdkoppel in stroomloze toestand.De statorspoelen liggen 90 graden elektrisch ten opzichte van elkaar verschoven. 5. 2. Ook is de gevoeligheid voor resonantieverschijnselen groot. Wel is het oplossend vermogen (stappen) per omwenteling veel groter. 4. 4. 3. Uit deze kromme kan worden afgelezen bij welke maximale frequentie (snelheid) de motor gestart kan worden zonder een stap te missen. zijn: 1. Uit deze kromme kan worden afgelezen de maximale frequentie. 5. Toepasbaar voor microstepping. 7. Slew-range. Indien de borstels als een bezwaar worden gezien (bij vermogens boven de 3kW) kan een borstelloze uitvoering worden toegepast. Vaak wordt een motorconstante in minder dan 1 ms mechanische tijd al bereikt. Bij deze motor is echter de rotor voorzien van een wikkeling. Omdat de rotor veel lichter in gewicht (massa) is dan een conventionele rotor gevormd uit koper windingen op gelamineerd staal. Bij kleine vermogens (tot 3 kW) worden ook vaak permanent magneten toegepast. Bij een tweede bouwvariant heeft de rotor een geweven draad rond de stator magneten. zijn deze motoren geoptimaliseerd voor een snelle acceleratie. Door middel van een gelijkstroom. Wel dient dan een gelamineerd statorblikpakket te worden toegepast. Feitelijk is de universeel motor een gelijkstroom seriemotor die ook op wisselspanning aangesloten kan worden. Er is derhalve geen slip. Kernloze (coreless) of ijzerloze DC motoren met commutator Niets in het principe van één van de beschreven dc motoren vereist dat de ijzer (staal) gedeelten van de rotor ook echt draaien. Door gebruik te maken van dit feit is de kernloze of ijzerloze gelijkstroom motor. In dat ontwerp past de rotor in een magnetisch zachte cilinder die kan dienen als de behuizing voor de motor en een retour pad biedt voor de flux. Doordat deze motoren zijn opgebouwd met een rotor zonder een ijzeren kern. een magnetisch zachte stationaire cilinder binnen de rotor biedt een retour pad voor de stator magnetische flux.Synchrone draaistroommotor De stator van deze motor is identiek aan een asynchrone draaistroommotor. die via borstels en sleepringen aan deze rotorwikkeling(en) kan worden toegevoerd. In tegenstelling tot een asynchrone motor loopt het draaiveld van de rotor in de pas met het draaiveld van de stator. een specifieke vorm van een borstel of borstelloze DC-motor. kan de rotor veel sneller versnellen. De rotor kan de vorm hebben van een winding-gevulde cilinder. De rotor past binnen de stator magneten. wordt door het opgewekte magnetische veld (met uitzondering van het effect van hysteresis) koppel uitgeoefend op de wikkelingen van de elektromagneten. Theorie ERIKS .aandrijftechniek Schoonhoven 15 . Door de aanvullende installatie voor aanloop is de motor relatief kostbaar. De universeel motor wordt veel in huishoudelijke apparatuur toegepast. of een zelfdragende structuur bestaande uit alleen de magneetdraad en het materiaal van de hechting. gedraagt de rotor zich als een permanent magneet. Nadeel is wel dat er geen metalen massa in de rotor aanwezig is die kan fungeren als een koellichaam. en daarom moeten vrijwel altijd zelfs kleine kernloze motoren worden gekoeld met geforceerde lucht. Let op: de synchrone draaistroommotor is niet zelfstartend. Universeel motoren De universeel motor komt qua gedrag overeen met een wisselstroom commutator motor. Als de rotor is gemaakt van een zacht magnetisch materiaal in de vorm van een cilinder. Dit effect wordt nog verstrekt als de windingen van aluminium in plaats van het veel zwaardere koper worden gemaakt. Omdat het proces vraagt om een regeling. is ook de frequentie omzetter gemeengoed geworden. Regeling voor synchrone draaistroommotoren 5. Vanwege de energiebesparing. Doordat de kortsluitankermotor veel wordt toegepast. De omzetter heeft normaliter diverse (programmeerbare) in. Toerental sturingen / regelingen voor dc motoren 8. Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor 2. 2. 1. De keuze van de omzetter is dus niet op vermogen. Universeel motoren 9. Versterkers voor servo motoren Frequentie omzetter voor kortsluitankermotor Voor het in toeren variëren van een kortsluitankermotor moet zowel de spanning als de frequentie variëren. Vooral bij centrifugale werktuigen is de energiebesparing groot doordat deze recht evenredig is met n3. Regeling voor de asynchrone commutatormotor 3. De stroom die de fo kan leveren dient minimaal gelijk te zijn aan de motorstroom. Dit is nodig omdat het magnetische veld constant moet blijven. Theorie ERIKS . De voeding kan 1 fase met nul zijn of 3 fasen. Veel fo's hebben ook ingebouwde regelkringen (PID) en/of hebben vrij geheugenruimte voor software applicaties. De dimensionering van een fo is eenvoudig.aandrijftechniek Schoonhoven 16 .en uitgangen en is parametreerbaar voor de gewenste toepassing. De omzetter is een relatief gecompliceerd element. 0(4)-20mA signaal of een potmeter. Dit betekent dat de voedende spanning gelijkgericht wordt.Motorsturingen Typen motorsturingen die hieronder beschreven worden: 1. De reden dat een fo wordt toegepast is tweeledig. maar door het gebruik in grote aantallen toch goed betaalbaar. Toerental sturingen voor brushless motoren 7. in een condensator gebufferd wordt en daarna door middel van een wisselrichter weer omgezet wordt naar een 3 fasen wisselspanning. Een vermogenspanningsregeling of regeltransformator kan hier dus niet toegepast worden. Stappenmotorsturingen 6. Frequentie omzetters (fo) zijn tegenwoordig in de gangbare vermogensrange van het spanningsbron type. De motor is altijd een 3 fasen motor. Regeling van sleepringankermotoren 4. Het rendement van een fo is normaal >97% en de cos φ aan de ingang van de fo is nagenoeg 1. De fo is eenvoudig regelbaar door middel van een 0-10V. 5 . Regeling van sleepringankermotoren Bij deze motoren wordt toerentalvariatie gerealiseerd door het variëren van de rotorspanning.Volledig koppel bij stilstand en hoog losbreekkoppel beschikbaar.200kW). In de besturing kunnen gegevens van de applicatie worden opgeslagen. de 'onder synchrone cascade'. 2.Beschikbaar voor grote(re) vermogens (0. . Een regeling met een bereik van 0. Theorie ERIKS . Grote voordelen van deze aandrijving: . De motor loopt dan asynchroon aan.Compacte motor en regelaar. Aan de ingang van de fo zal normaliter een emc ontstoorfilter toegepast moeten worden.Lage onderhoudskosten door ontbreken van borstels. Vaak zal de oplossing voor het starten gevonden worden in een toevoeging in de motor van een kortsluitkooi.Speciale motor (niet algemeen beschikbaar). .Een fo is gedimensioneerd voor een omgevingstemperatuur van 40 graden. Elke graad hoger betekent een derating van 2. kan een gewone frequentie omzetter worden toegepast (met een aantal kleine wijzigingen). Regeling voor de asynchrone commutatormotor Het regelen van het toerental is mogelijk door het verschuiven van de borstels ten opzichte van elkaar in de borstelbrug. In serie schakelen van rotorweerstanden. .Hoge performance.Lage harmonische belasting van het voedende net.aandrijftechniek Schoonhoven 17 . Indien de kabel door de kast loopt dan dient deze separaat van besturingsbekabeling te worden gelegd. Aansluitingen dienen derhalve plat te zijn en bedrading dient ongetwist (niet in elkaar draaien van aders) toegepast te worden. . Omdat de nadelen van borstel ten allen tijde aanwezig blijft en uit economisch oogpunt het regelbereik slechts beperkt kan zijn. Door toepassing van een elektronische regeling. Daarnaast voert de motorkabel een signaal waar ook zeer hoge frequenties in voorkomen.5 tot 1. Hierbij wordt de slipenergie door middel van een elektronische regeling en een transformator teruggevoerd aan het net. . Nadelen zijn: . . Toerental sturingen voor brushless motoren De regelaar bestaat uit de besturing en het vermogensgedeelte en lijkt in eerste aanzicht nog het meeste op een frequentie omzetter. De motor is altijd voorzien van een feedback element.Hoge(re) prijs. Door zeer nauwkeurige positie.en synchronisatiesoftware kunnen hoog dynamische toepassingen gerealiseerd worden. Verder zijn vrijwel alle mogelijkheden van servo bedrijf realiseerbaar. Hier dient dus rekening gehouden te worden met emc-emissie. . Een secondaire kabel dient emc afgeschermd te zijn en zo mogelijk zonder toepassing van klemmen direct op de fo aangesloten te worden. Dit kan op 2 manieren: 1. Mits hiervoor een oplossing wordt gevonden.5% per graad. Regeling voor synchrone draaistroommotoren Synchrone draaistroommotoren zijn niet zelfstartend. wordt deze uitvoering nog slechts sporadisch gebruikt.5 maal het nominale toerental is dan mogelijk.Arbeidsfactor (cos ö) ~ 1. Dit is energetisch een slechte oplossing omdat de niet gebruikte (slip) energie omgezet wordt in warmte. maar ook van en naar sensoren en schakelaars. De controller is vergelijkbaar met de hersenen van het servo systeem. Microcontrollers Dit is een kleine en low cost uitvoering van een computer dat het programma uitvoert dat opgeslagen is in een vast medium. Dit kan zijn van en naar de versterker. real time clocks en servo applicaties beschikbaar. De systeemkeuze wordt veelal gebaseerd op technische grootheden zoals belasting. De systemen zijn altijd voorzien van een feedback element ten behoeve van gesloten regelkringen (closed loop). aanwezige voedende net of uitvoeringsvorm. PLC's Een standaard PLC heeft een processor en geheugen en is geschikt voor het reageren op geprogrammeerde commando's. alsook mechanisch. De feedback elementen kunnen op de motor of op de belasting zijn gemonteerd. Het voordeel van PLC's zijn de vrijwel eindeloze uitbreidingsmogelijkheden en hun beschikbaarheid voor industriële omgevingen. Een PLC heeft ook een rack met I/O slots zodat I/O modules eenvoudig naar behoefte toegevoegd kunnen worden. alsook borstelhoudend zijn en kan zowel roterend als lineair zijn. De prijs van een PLC systeem ligt meestal lager dan de prijs van een Motion Controller. In tegenstelling tot de voorgaand beschreven systemen zijn Motion Controllers gebaseerd op een PC en meestal geschikt Theorie ERIKS . De motor kan zowel borstelloos.5 tot 1. De keuze hangt af van gewenste prestaties. Motion Controller Motion Controllers zijn speciaal voor hun doel ontwikkeld en gebouwd. bedieningsgemak of anderszins. De ene regelkring wordt gebruikt voor het controleren van de positie. de snelheid en of de acceleratie en wordt gekoppeld aan de besturing of controller. kosten. De controller is verantwoordelijk voor het genereren van de bewegingen en voor het reageren op de veranderingen in de omgeving.Universeel motoren Het regelen van het toerental is mogelijk door het verschuiven van de borstels ten opzichte van elkaar in de borstelbrug.5 maal het nominale toerental is dan mogelijk. en ook nog eens veel I/O's heeft voor bediening en signalering en het gehele besturingsprogramma voor de machine in zich heeft. Vaak wordt alleen gebruik gemaakt van closed loops via de versterker en wordt via de microcontroller alleen op het niveau van commando's informatie uitgewisseld. hydraulisch of pneumatisch zijn. De andere regelkring is een feedback via de versterker of drive en dient voor snelheid of stroom. Er zijn modules met high speed counters. PLC en Motion Controllers. Elektromechanische systemen worden gebruikt in de lage of medium vermogensrange met hoge snelheden en grote accuratesse.aandrijftechniek Schoonhoven 18 . Controllers zijn er in vele verschijningsvormen. Controllers kunnen eenvoudig uitgevoerd zijn zoals een aan/uit schakelaar of een keuzeschakelaar bedient door een operator. De systemen komen zowel als lineaire alsook als roterende beweging voor. Versterkers voor servo motoren Servo aandrijvingen (ook vaak Motion Control of Robotica genoemd) wordt gebruikt in een industrieel proces voor het gecontroleerd bewegen van een specifieke belasting. De meeste controllers vallen in de categorieën Microcontrollers. Deze systemen kunnen zowel elektrisch. Vandaar ook dat alles is ingericht op de eisen en wensen van de servo-industrie. Ze kunnen echter ook complex zijn. We zullen ze kort toelichten. Een regeling met een bereik van 0. De configuratie wordt normaliter gedaan door een ervaren programmeur en het instellen van de closed loops zoals positie en snelheid is niet eenvoudig. Zoals een multi-as controller die actief diverse bewegingen bestuurt en controleert. Bij geschakelde versterkers wordt de transistor niet analoog maar digitaal toegepast. tussen machines onderling en tussen machines en productie installaties als totaal.Eenvoudige bediening en universeel toepasbaar. 2. 2. we zien steeds meer dat er gebuikt gemaakt wordt van busverbindingen zoals CANopen. Nadeel is echter dat de uitgangstrappen een grote eigen dissipatie hebben. wordt dimensioneren. De versterker De versterker is de verbinding tussen de motor en de controller. Er zijn 3 soorten geschakelde versterkers: 1. Lineaire versterkers.voor gebruik met een grafische interfase. . PM-dc Bij een permanent magneet gelijkstroommotor is een veldregeling niet mogelijk. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van versterkers gaan heel snel. De huidige trend is om steeds meer mogelijkheden en opties in versterkers in te bouwen. Sercos.Grotere bandbreedte om de productie doorzet te verhogen. Ofschoon de prijs van de Micro Controller hoger is dan de voorgaande systemen. Dit is noodzakelijk omdat dit type motoren vaak in hoog dynamische omgevingen wordt gebruikt. zal de rimpel beperkt zijn. Echter. Er zijn 2 typen versterkers te onderscheiden: 1. Het referentiesignaal is een maat voor het motorkoppel of de snelheid en kan zowel analoog als digitaal aangeboden worden. Bij deze klassieke versterkers is de uitgangsspanning van de versterker direct gekoppeld aan de motor. Hierdoor ontstaat een pulserende spanning met een amplitude ter grootte van de voedingspanning. Heden ten dage kan een versterker dan ook (bijna) alle voorkomende controller functies afhandelen. Pulsbreedte modulatie. SCR (Silicon Controlled Rectifiers. We kennen hiervoor 2 typen vermogensversterkers: Theorie ERIKS . Deze ontwikkelingen gaan in de richting van: . . De mogelijkheden zijn dan eindeloos. Puls-frequentie modulatie. inregelen en servicing een stuk eenvoudiger. Wel zal de stroom een rimpel krijgen. Een versterker kan voorkomen als 1 kwadrant (vooral voor borstelhoudende motoren) en 4 kwadranten (meestal borstelloze motoren).Verhoogde snelheid en positie controle voor nauwkeurigere en kleinere productie faciliteiten.aandrijftechniek Schoonhoven 19 .9) wel behouden.Verhoogde netwerk capaciteiten voor nauwkeurig samenwerkende multi assen binnen de machine omgeving. . Het omkeren van de draairichting kan elektronisch.+/-10V is nog steeds het meest gebruikte referentiesignaal. De versterker wordt dan direct op een busverbinding aangesloten en via de bus direct op een computer. Dit zijn relatief eenvoudige versterkers. alsook vele mogelijkheden van diagnostiek zijn voorhanden. Geschakelde versterkers. Indien echter de schakelfrequentie voldoende hoog is. De gehele besturing (ook voor multi-as) wordt dan gedaan door de computer. Ook mogelijkheden als eenvoudig inregelen en optimaliseren. De eigen dissipatie is hiermede relatief klein. Eventueel kan met behulp van een smoorspoel de rimpel verder verkleind worden. fase aansnijding) thyristor sturing. Profibus. Het traditionele analoge 0 . Pulsrichting en Ethernet. Echter hiervoor is additionele elektronica noodzakelijk. De versterker versterkt het lage energie signaal van de besturing naar een hoog energie signaal voor de bedrijfsvoering van de motor (spanning en stroom). 3. Bij voedingsspanningsvariatie blijven de voordelen van de motoren (zie 1. Ook wordt deze wel servo versterker genoemd. aandrijftechniek Schoonhoven 20 . Hierbij worden 2 transistoren toegepast. Bij alle versterkers dient rekening te worden gehouden met een extra rendementsverlies (hogere warmteontwikkeling) in de motor. De voedingsspanning dient zowel positief als negatief te worden aangeboden.1. T-type. De voedingsspanning kan enkelvoudig worden aangeboden. Deze verliezen zijn echter meestal beperkt tot enkele procenten. H-type. Hierbij worden 4 transistoren toegepast. Theorie ERIKS . 2. . water.Omgevingsfactoren (vuil.Geautomatiseerde luiken . Piëzo. Toepassingvoorbeelden: . omdat ze de temperatuur. per 10 minuten) .Landbouw werktuigen Lineaire motoren (direct drive motoren waaronder: ironcore lineair motor (ijzer anker motor).Spindel met moer of tandheugel Vaak zit er om de motor en overbrenging een gesloten kap en is de moer voorzien van een drijfstang.Inschakelduur in % ( 10% 1 min. Elektrische energie is overal voorhanden. een luidspreker of een ventilator kunnen als actuatoren beschouwd worden. LIM en moving coil) Theorie ERIKS . stotend.Slag mm . De elektromechanische lineaire actuator bestaat uit de volgende componenten.v.Belastingstype (constant.Overbrenging (tandriem of tandwielen) .Motoren Lineaire actuators Een actuator is een toestel dat invloed kan uitoefenen op zijn omgeving. Een elektromechanische lineaire actuator is een compact systeem die een roterende beweging van de motor omzet in een rechtlijnige beweging. ironless lineair motor (luchtspoelmotor).Motor (DC of AC) .Brugbediening / borging . de druk en de luchtstroming in (delen van) de wereld beïnvloeden.Mast verstellingen . een hydraulische actuator is de compactheid van de eenheid. weersinvloeden) . Het gehele systeem is zodanig verpakt dat invloeden van buitenaf geen invloed hebben op de aandrijving. lineaire stappenmotor. loodrecht) Het grote voordeel van de elektromechanische lineaire actuator t.Actuatoren . Het bekendste voorbeeld is waarschijnlijk een motor.o.Stoel en bed verstellingen . die de wereld beïnvloedt door er beweging in te veroorzaken. Maar ook een temperatuursweerstand.aandrijftechniek Schoonhoven 21 . Er is alleen een "dun" voedingskabeltje nodig.Voedingsspanning (12/24/36 Vdc 110/230/380 Vac) .en/of trekkracht (N) . Belangrijke selectiecriteria voor een actuator zijn: .Druk.Lineaire aandrijvingen . Door zijn compactheid wordt hij vaak ingezet op mobiele systemen of in kleine ruimten waar een grote kracht gegenereerd moet worden. wrijving of onderhoudsinterval. Nd-Fe-B) en de spoelen (het primaire deel. eindstops en kabelrups benodigd. waarbij er direct een lineaire beweging wordt opgewekt zonder roterende delen. De acceleratie is begrensd op ongeveer 10m/s^2. Door geringe massa bewegende deel. Ieder type motor heeft zijn eigen specifieke aanstuur elektronica. Piëzo Het piëzo principe wordt toegepast in nauwkeurige lineaire bewegingen met een geringe belasting. komt in de praktijk vanwege onderhoudskosten en hogere storingsgevoeligheid van de koolborstel uitvoering. ook wel forcer genoemd) zijn voor de opbouw van de complete motor lineaire lagering (luchtlagering of guides). de bekendste zijn: ironcore ironless lineaire stappenmotor piëzo LIM (lineair inductie motor) Moving coil Ironcore lineair motor (ijzer anker motor) De ironcore is geschikt voor grote krachten gecombineerd met dynamisch gedrag. Naast de magneten (het secundaire deel. Er is geen aantrekkingskracht op het bewegende deel omdat deze zich tussen twee magneten beweegt (U-vormig profiel). De snelheden voor de lineaire stappenmotoren liggen maximaal 2m/s lager dan de ironless en ironcore motoren. Het primaire deel is meestal het bewegende deel en het secundaire deel wordt meestal vast in de machine opgesteld. is er geen cogging. Het piëzo-elektrisch effect is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde Theorie ERIKS . is warmte-ontwikkeling een belangrijk aandachtspunt. Er is een grote magnetische aantrekkingskracht tussen het bewegende deel en de magneten. Met deze motoren is het evenals met roterende stappenmotoren mogelijk om zonder feedback te bewegen en te positioneren. Het resultaat is een extreem vloeiende beweging. Lineaire stappenmotor De lineaire stappenmotor is een motor die door de ontwikkeling van de ironcore en ironless motoren steeds minder wordt toegepast. Er bestaan verschillende uitvoeringsprincipes. de borstelloze uitvoering het meest voor. Het bewegende deel is onderhevig aan cogging. Voor de commutatie en positionering van de motor wordt meestal gebruik gemaakt van een absolute of incrementele lineaire encoder.aandrijftechniek Schoonhoven 22 .Lineaire direct aangedreven (direct drive) motoren Op het moment dat traditionele lineaire aandrijvingen (tandriem of spindel welke worden aangedreven door een roterende motor) tegen hun grenzen aanlopen wat betreft speling. komt de direct aangedreven lineaire motor in beeld. Per secundair deel met magneten kunnen meerdere bewegende primaire delen worden gebruikt. De werking is erop gebaseerd dat er twee magneetvelden zijn die een kracht op elkaar uitoefenen (aantrekken en afstoten) waardoor een beweegbaar deel in de gewenste richting gaat bewegen. door 3 spoelen te sturen die 120 graden elektrisch ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Deze motor is te vergelijken met een opengeknipte roterende inductiemotor. dynamiek. Voor zowel Ironcore alsook Ironless geldt: Vergelijkbaar aan roterende aandrijvingen wordt de lineaire motor aangestuurd door stroom. Ironless lineair motor (luchtspoelmotor) De ironless onderscheidt zich door een zeer hoog dynamisch gedrag bij een geringere kracht dan de ironcore uitvoering. feedback. Hoewel zowel borstel alsook borstelloos mogelijk is. Omdat het bewegende deel geen ijzer bevat (de spoelen zijn gevat in epoxy). Uiteraard kunnen deze elkaar niet passeren. Door gebruik te maken van een frequentieregelaar kan de snelheid en de kracht van de LIM worden geregeld. Deze motor kan direct op de 3-fasen netspanning worden aangesloten. LIM Bij de LIM bestaat het primaire uit spoelen en wordt het secundaire deel gevormd door een aluminium of koperen plaat die op een stalen ondergrond wordt gemonteerd. Lineaire motor Er bestaan 3 vormen van lineaire motoren. is de LIM asynchroon. Moving coil De meest gebruikte moving coil motoren hebben een vast opgestelde wikkeling (cylindervormig) met daarin een bewegend deel van metaal. Bij deze motor wordt op basis van de DC spanning een magnetisch veld opgewekt. De flat-bed motoren leveren een hoge kracht maar hebben last van cogging. Flat-bed lineaire motor U-type lineaire motor Deze kracht wordt bij de U-channel motor gecompenseerd. Aandachtspunt bij de servotube is de lineariteit van de buis. De magnetische krachten zijn met elkaar in evenwicht en de beweging is eenparig en zonder cogging. snelheid en belasting. Theorie ERIKS . Echter doordat de spoelen hier zijn opgesloten in de U vorm en tussen de magneten gemonteerd zijn. Te weten vlakke plaat motoren (flat-bed). De buisvormige motor elimineert al deze problemen. is dit thermisch gezien wel een aandachtspunt en volgt meestal een over dimensionering. De kracht is constant zolang de kern zich volledig in het magnetische veld bevindt. Als positieterugkoppeling kan een puls-band (grove encoder) of bijvoorbeeld een laser-afstandssensor worden gebruikt. Door een wisselend magnetisch veld op de spoelen aan te sluiten wordt een lineair verplaatsend magnetisch veld opgewekt. De snelheid van de plaat is dus niet recht-evenredig met de verplaatsingssnelheid van het magnetische veld (frequentie). De grootte van de stroom bepaalt de kracht. en een maximaal gebruik van het magnetisch veld gemaakt kan worden. In tegenstelling ironcore. Dit veld genereert een kracht op de bewegende metalen kern. Daarenboven komt het feit dat de eenzijdig gerichte magnetische (aantrekkings)kracht tussen de slede en de magneetbaan de beweging tegenwerkt. ironless. deze is onder andere afhankelijk van acceleratie. stappen en piëzo. U-type motoren (U-channel) en buisvormige motoren (tubular servo of servotube).aandrijftechniek Schoonhoven 23 . Het hierdoor in de plaat opgewekte magneetveld zorgt voor een lineaire kracht die de lineaire beweging van de plaat in gang zet/houdt. Er is "slip". De spoelen in de forcer hebben een ingebouwd koellichaam en zijn zodanig gemonteerd dat er een optimale warmte dissipatie plaats vindt. Piëzo lineaire motoren zijn gebaseerd op deze eigenschap. waardoor een stroom in de metalen plaat van het bewegende deel wordt opgewekt.materialen onder invloed van druk (bijvoorbeeld buiging) een elektrische spanning produceren en andersom: een bepaalde vervorming ten gevolge van de aangelegde elektrische spanning. Een indicatief overzicht is onderstaand weergegeven. De nauwkeurigheden zijn vergelijkbaar. waardoor er een lineaire kracht worden opgewekt. Een buis en een actuator of forcer. Dit is vergelijkbaar met de U-channel en flat-bed ac servo motoren. Een positioneer nauwkeurigheid van 100nm is haalbaar. Daarnaast zijn de servotubes zeer dynamisch. Bij de servotube is de feedback uitgevoerd met hall sensoren die in de forcer zijn gemonteerd. Daardoor is de servotube eenvoudig en robuust.Kracht Buis Servotube Forcer De feedback bij de lineaire motoren (flat-bed en U-channel) zijn over het algemeen kostbaar. 1. De forcer beweegt en de last wordt ondersteund door een geleiding. Er zijn 2 mogelijkheden van montage. De buis wordt vastgezet en de last wordt op de forcer gemonteerd. Als de spoelen worden aangesloten op een 3 fasen stroom. Performance vergelijk lineaire aandrijvingen De servotube kan voor nauwkeurige aandrijvingen gebruikt worden.aandrijftechniek Schoonhoven 24 . Hierbij is de prijs van de servotube wel (substantieel) lager dan de bekende U-tpe en flat-bed lineaire motoren. en de uitlijning is van groot belang voor de nauwkeurigheid van de positionering. Snelheden >10m/s zijn mogelijk. maar de robuustheid van de servotube is uiteraard groter. Maximale snelheid Acceleratiegedrag Aanlooptijd Kracht Slaglengte Thermisch gedrag Installatiegemak Onderhoudsvriendelijkheid Robuustheid Laag geluidsniveau Kostprijsniveau Servotube ac-servo ***** ***** ***** *** ** ***** **** ***** **** ***** *** U-channel ac-servo ***** ***** ***** *** ***** ** * ** * ***** ***** Flat-bed ac-servo ***** ***** ***** *** ***** ***** * ** * ***** ***** Kogelomloop electric drive ** *** *** ***** *** ***** *** *** * ** *** Tandriem electric drive ***** **** * *** ***** ***** *** *** ** ** **** Pneumatiek actuator **** ***** * ***** *** ***** ** ** ***** * ** Servotube Een servotube ac-servo systeem bestaat uit slechts 2 delen. Wel kan uiteraard vervuiling optreden als er geen afdichting wordt toegepast. De grootte van de luchtspleet heeft geen invloed op de performance van de servotube. Vanwege het lage prijsniveau kan de servotube ook vergeleken worden met de minder dynamische varianten van de lineaire aandrijving. De roest vast stalen buis is over de gehele lengte gevuld met zeldzame aarde magneten. Theorie ERIKS . De forcer bevat een aantal spoelen die zijn geconfigureerd als een 3 fasen wikkeling. dan zal een magnetisch veld opgebouwd worden dat een interactie geeft met de magnetische buis. Op de buis kunnen diverse (koppelings) mechanismes worden aangebracht en zelfs een holle buis (vullen) is mogelijk. Een combinatie van een roterende beweging met een lineaire beweging is mogelijk (doppen). De belasting wordt op de buis gemonteerd.aandrijftechniek Schoonhoven 25 . Theorie ERIKS .2. Doordat de servotube een geheel gesloten systeem is. Indien gewenst kan waterkoeling worden toegepast. is een beschermingsgraad van IP67 en IP69K haalbaar. De buis wordt ondersteund door normale lagering. Een rem kan optioneel worden aangebouwd. Door de compacte bouw van de servotube kunnen de assen aan elkaar worden gekoppeld wat een X-Y-Z beweging mogelijk maakt. De maximale kracht (stroom) kan dan 2 maal zo hoog zijn dan de standaard uitvoering. De forcer wordt vastgezet en de buis beweegt. In geval van spanningsuitval zal de positie gehandhaafd blijven. Het opheffen van de veerdruk kan geschieden door het bekrachtigen van een gelijkstroommagneet die een kracht uitoefent. tegengesteld aan de veerdruk. ook axiale krachten uitgeoefend. Deze rem wordt bekrachtigd indien er een stroom vloeit (vergelijkbaar met een elektro magnetische koppeling). Schuifankermotor Motor en rem ineen.REMMEN Elektromagnetische schijfrem Deze zogenaamde arbeidsstroom bekrachtigde rem. De remkracht wordt geleverd door een veerdruk of een permanente magneet. Over het algemeen worden de ruststroom bekrachtigde remmen vanuit veiligheidsoverwegingen toegepast. naast radiale krachten. waardoor bij normaal bedrijf de rotor binnen de stator wikkelingen draait. Dat wil zeggen wanneer er geen stroom door de rem vloeit. Veerdrukschijfrem.aandrijftechniek Schoonhoven 26 . Theorie ERIKS . rem met permanente magneet Dit zijn zogenaamde ruststroom bekrachtigde remmen. De schuifankermotor heeft een conische rotor. wordt de rem bekrachtigd. Deze axiale krachten werken tegen de veerdruk in. Hierdoor worden op de rotorstaven. Ze bestaat uit een samenstel van spoelen (deels vast en deels draaibaar). Vanaf het moment van starten is de positie bekend. Indien aanwezig kan een indexpuls worden uitgelezen voor een exacte positiebepaling of homing procedure. De opnemer zet als gevolg van het voorbijkomen van de tanden of de verdikkingen optredende variaties in het magnetisch veld om in elektrische spanningspulsen.aandrijftechniek Schoonhoven 27 . Een magnetische pulsgever of encoder. Behalve dat encoders kunnen worden toegepast in een separate behuizing op de motoras waarvan het toerental of positie gemeten moet worden. waarbij door middel van inductie een tweetal uitgangssignalen worden verkregen. In het tweede geval zal een lichtcel reageren op de licht/donker contrasten. Afhankelijk van het aantal sporen (resolutie) kan een gedetailleerdere positiebepaling worden verkregen. Door het tellen van de pulsen kan de relatieve positie worden bepaald. kunnen encoders ook worden toegepast in tussenflenzen (tussen motor en reductiekast) of in de reductiekast. 2. De pulsgever geeft een pulstrein af waarbij de frequentie evenredig is met het toerental van de schijf. Resolver De resolver kan het best worden vergeleken met een optische absoluut encoder (let op: een resolver is geen optisch instrument maar gedraagt zich slechts als een optische absoluut encoder). Een optische pulsgever of encoder.Terugkoppelingen Pulsgever of encoder Er zijn 2 typen. De absoluut encoder. De meting kan zowel de absolute positie binnen 1 omwenteling als multi turn zijn. De incrementaal encoder. In basis zijn er 2 uitvoeringen. Voordelen van de resolver zijn de robuuste opbouw. Te weten: 1. 2. De draairichting kan worden bepaald door 2 signalen tegelijk met een hoek verdraaiing van 90 graden te detecteren en door de flanken van de pulsen ten opzichte van elkaar te beoordelen. de hoge toelaatbare snelheden en de grote Theorie ERIKS . Deze geeft altijd de exacte positie aan door het gelijktijdig uitlezen van een groot aantal sporen. 1. In het eerste geval zal een lichtbron het licht door de spleten laten komen en zal een lichtgevoelige cel het lichtsignaal omzetten in een pulstrein waarvan de frequentie recht evenredig is met het toerental. maar werkt met een codeschijf met een groot aantal radiale spleten of licht/donker contrasten. Door het interpreteren van de verschillende uitlezingen achter elkaar kunnen conclusies als snelheid en draairichting worden bepaald. Deze werkt vrijwel identiek aan de magnetische pulsgever. Deze bestaat uit een schijf van magnetisch materiaal voorzien van tanden of radiaal lopende verdikkingen en een opnemer die naast of tegenover de schijf is geplaatst. Deze geeft alleen een verandering van de positie aan. Indien de pulstrein omgezet moet worden naar een analoog signaal dan is een frequentie<>spanning omzetter noodzakelijk. Als gebruik gemaakt wordt van een interpolator kan een zeer nauwkeurige positiebepaling worden gedaan. Tachogenerator Een tachogenerator is een kleine generator die gemonteerd is op de as waarvan men het toerental wil meten. Een tachogenerator wekt een spanning op waarvan de grootte evenredig is met het toerental.betrouwbaarheid. Nadeel is de beperkte nauwkeurigheid en het feit dat de absolute positie slechts binnen 1 omwenteling gemeten kan worden. Theorie ERIKS .aandrijftechniek Schoonhoven 28 . Ruimtebesparing in besturingskasten. Hierdoor wordt de CANopen-Master (bijvoorbeeld PC of PLC) niet belast met regeltechnische zaken zoals positie en stroom regelingen. wat onder andere belangrijk is bij noodstopprocedures. sensoren. Eenvoudig storingsanalyse door intelligente CANopen componenten. procesautomatisering en productiebesturing. CAN is vooral bekend vanwege zijn hoge betrouwbaarheid en prioriteit georiënteerde communicatie. Het CANopen protocol beschrijft hoe de communicatie tussen de diverse CANopen componenten (nodes) gevoerd wordt. CANopen is een veelgebruikt bussysteem. hierdoor kunnen de slaves ook onderling met elkaar communiceren en kunnen de nodes meldingen (zoals errors) geven aan de CANopen-Master. 3. In aandrijftechniek zijn dit de meest gebruikte systemen: . 4. Voor vele soorten nodes zijn er daar naast nog profielen die specificeren welke parameters op welke plaats staan. Uitgebreid assortiment aan CANopen perifere verkrijgbaar zoals: MMI (Mens Machine Interfaces). Ook is de kans op storingen hierdoor sterk verminderd.org.Bussystemen Een bus is een kabel met aan beide einden een interface.CAN-CiA. Voordelen van CAN open zijn 1. Door een bussysteem worden de bedrading. 7. Door deze definities zijn diverse nodes van diverse merken eenvoudig te combineren. Kostenbesparing op bekabeling. I/O-terminals.aandrijftechniek Schoonhoven 29 . CAN is marktleider op het gebied van embedded machine besturingen. zonder dat de CANopen-Master hierom heeft gevraagd. Een bussysteem is een verzamelnaam voor alle bussen. actuatoren. 6. Goedkoop industrieel bussysteem. Met een CANopen systeem wordt een decentrale besturing gecreëerd. Meer informatie is terug te vinden op de CAN-CiA website: www. Veilig. De opdrachten worden door de nodes (slaves) zelfstandig uitgevoerd. Theorie ERIKS . Bijna halvering van installatietijd en implementatietijd. Het Controller Area Network (CAN) is een serieel communicatieprotocol. zonder de applicatie software aan te hoeven passen.EtherCat CANopen Een bussysteem in de machinebouw wordt toegepast bij systemen waar meerdere motoren en sensoren aan elkaar gekoppeld moeten worden. de montage. de uitbreidingsmogelijkheden en de besturing sterk vereenvoudigd. 5. Een CANopen-Master bestuurt de nodes via de CAN bus. CAN is een multi master protocol. PLCs. 2. Regellussen worden door de controllers van de nodes zelf uitgevoerd. Maar CAN is ook te vinden in gebouwenautomatisering.CANopen . Bij communicaties verlies zijn gedefinieerde motor commando's definieerbaar zoals "stop motor". enz. Het EtherCAT-protocol is geoptimaliseerd voor proces data en wordt verzonden in een standaard IEEE 802. Het voorkomen is jitter is belangrijk bij het synchroon laten lopen van applicaties. op Ethernet gebaseerd veldbussysteem. die elk een eigen stuk informatie vervoeren ten behoeve van specifieke applicaties in het automatiseringsproces en kan wel tot 4G bytes groot zijn. Het datagram kan bestaan uit diverse onderdelen (subdatagrams). high performance. De reeks verstuurde gegevens is onafhankelijk van de fysieke volgorde van de knooppunten in het netwerk en de informatiedelen kunnen in elke willekeurige volgorde gebruikt worden.3 Ethernet frame met behulp van Ethertype 0x88a4.aandrijftechniek Schoonhoven 30 . Theorie ERIKS .EtherCat EtherCat is een open. Het uitgangspunt bij de ontwikkeling was om met lage hardwarekosten korte berichten (datagrammen) met een hoge update frequentie te versturen met een minimum aan jitter. Zenders en ontvangers kunnen in alle gewenste samenstellingen communiceren. dan kan het EtherCat protocol ingevoegd worden in UDP/IP of TCP/IP datagrammen. Als verzending via internet protocol (IP) gewenst is. Dus ook meerdere zenders en communicatie tussen masters onderling en slaves onderling is mogelijk. EtherCat is op het Ethernet platform ontwikkeld ten behoeve van communicatie in de automatiseringswereld. waaronder tevens op maat gemaakte modellen.Koppelingen Flexibele koppelingen ERIKS Aandrijftechniek Schoonhoven levert verschillende soorten koppelingen.overbelasting Koppelingen worden vaak gebruikt omdat zij de assen beschermen tegen radiale krachten als gevolg van axiale bewegingen.aandrijftechniek Schoonhoven 31 . Flexibele koppelingen zijn ervoor om verschillende (uitlijn)fouten/belastingen op te vangen: . Kan de koppeling goed functioneren in de verwachte omgevingstemperatuur? 7. Past de koppeling in het budget? Theorie ERIKS .parallel uitlijning . Kan de koppeling de last overdragen? 3.hoek uitlijning . Geeft de koppeling adequate uitlijning bescherming? 2. Past de koppeling in de beschikbare ruimte? 6. Is de koppeling bestand tegen de vereiste snelheid? 5. Heb ik axiale beweging of axiale stijfheid nodig? 4. 1.axiale verschuiving . Heeft de koppeling de gewenste levensduurverwachting? 10. is het raadzaam om onderstaande vragen te doorlopen. Wanneer u de geschikte flexibele koppeling voor uw applicatie wilt selecteren. Beschikt de koppeling over de benodigde torsie stijfheid? 8. Beschikt de koppeling over elektrische isolatie tussen de assen? 9. De uitgangsspanning van de geselecteerde voeding mag in worst case condities . De spanning kan worden "opgepompt" doordat de motor als generator gaat werken wanneer er dynamisch geremd (4Q) wordt en de massatraagheid van de last hoog is.onbelast en wanneer de netspanning 10% hoger is . Theorie ERIKS .) Wat is de netspanning? Bijvoorbeeld: Europa heeft 230VAC 50Hz en in de USA is 115VAC 60 Hz de standaard.aandrijftechniek Schoonhoven 32 . Een shunt regelaar (of ballast schakeling ) is dan nodig om de spanning te begrenzen door energie te dissiperen via een weerstand (ook wel remweerstand genoemd).Voedingen Hoe selecteert u een voeding? U dient rekening te houden met de volgende zaken: a. Pin= Pout (gesteld rendement =100%) Uin*Iin =Uout *Iout Voorbeeld: Motor: heeft 24V en 5A nodig (120W) Versterker : AMC 12A8 ( Umin = 20VDC Umax= 80VDC) Selectie voeding: 40 VDC x 3A -> (120W) of 60 VDC x 2A -> (120W) LET OP!! 12VDC *10 is ook 120W. maar 12 V is lager dan Vmin van de versterker. De maximale voedingsspanning van de versterker moet in acht genomen worden. c.) Wat is de maximale voedingsspanning van de versterker? De voedingsspanning bepaalt het maximale toerental van de motor. Ten tweede moet er gekeken worden naar de eerder geselecteerde spanning. Dit kan tot gevolg hebben dat de versterker beschadigd raakt wanneer hierbij de maximale voedingsspanning van de versterker overschreden wordt.) Wat is de benodigde uitgangsstroom? Allereerst moet bekend zijn hoeveel koppel de applicatie nodig heeft en hoeveel motorstroom nodig is om dit koppel te genereren. b.niet boven het maximum van de versterker uitkomen. Hierna is het mogelijk de benodigde voedingsstroom te berekenen met de volgende formule. [email protected] All round in ‘Motion control’ roterend.nl | www.ERIKS bv Aandrijftechniek Schoonhoven Broeikweg 25 2871 RM SCHOONHOVEN T. eriks-aandrijftechniek. lineair en combinaties van beide! ERIKS | Aandrijftechniek Schoonhoven . + 31 (0) 182 303 456 F. + 31 (0) 182 386 920 E. info.elmeq.nl W. www.