Ein Elektromotor besteht aus einem Rotor, der in einem rotierenden Magnetfeld angeordnet ist. Unter dem Einfluss dieses rotierenden Magnetfeldes erhält der Rotor ein Drehmoment, wodurch er sich dreht. Asynchronmotoren arbeiten in einem weiten Leistungsbereich von einigen Watt bis zu Zehntausenden Kilowatt und versorgen verschiedene mechanische Geräte und Haushaltsgeräte mit Strom.
Ein Elektromotor (allgemein „Motor“ genannt) ist ein elektromagnetisches Gerät, das elektrische Energie auf der Grundlage des Prinzips der elektromagnetischen Induktion umwandelt oder überträgt. Seine Hauptfunktion besteht darin, ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen und als Stromquelle für Elektrogeräte oder verschiedene mechanische Geräte zu dienen.
Die Hauptfunktion eines Generators besteht darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus einer Elektromagnetwicklung oder verteilten Statorwicklungen zur Erzeugung eines Magnetfelds, einem rotierenden Anker oder Rotor und weiteren Zubehörteilen. Unter dem Einfluss des rotierenden Magnetfelds, das von den Statorwicklungen erzeugt wird, fließt Strom durch den Käfigläufer-Aluminiumrahmen des Ankers. Dieser Strom interagiert mit dem Magnetfeld und bewirkt, dass sich der Anker dreht.
Stator (stationärer Teil) Statorkern: Ein Bestandteil des Magnetkreises des Motors, auf dem die Statorwicklungen montiert sind; Statorwicklungen: Die elektrischen Schaltkreise des Motors, durch die ein dreiphasiger Wechselstrom fließt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen; Rahmen: Sichert den Statorkern und die vorderen/hinteren Endabdeckungen, um den Rotor zu stützen und gleichzeitig Schutz, Wärmeableitung und andere Funktionen zu gewährleisten;
Rotor (rotierender Teil)
Rotorkern: Dient als Teil des Magnetkreises des Motors und beherbergt die Rotorwicklungen in seinen Schlitzen;
Rotorwicklungen: Durchschneiden das rotierende Magnetfeld des Stators, um induzierte elektromotorische Kraft und Strom zu erzeugen und so ein elektromagnetisches Drehmoment zu erzeugen, das die Drehung des Motors antreibt;
【Animation des Motorprinzips】
Permanentmagnetmotor ▼
Gleichstrommotor ▼
Quantenmagnetmotor ▼
Einphasen-Induktionsmotor ▼
Funktionsprinzip von Schrittmotoren ▼
Balancemotor ▼
Das Prinzip der Stromerzeugung ▼
Dreiphasen-Stator ▼
Motorquerschnitt-Abschnitt ▼
Elektromotor ▼
Gleichstrommotoren▼
Unterschiede zwischen der Reparatur von Motoren mit variabler Frequenz und herkömmlichen Motoren
Die Reparaturmethoden für Motoren mit variabler Frequenz sind grundsätzlich dieselben wie für herkömmliche Motoren. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Netzteilen mit variabler Frequenz sind die Isolationsanforderungen für Motorwicklungen mit variabler Frequenz jedoch strenger als für herkömmliche Motoren. Zur Verbesserung der Isolationsbedingungen sollten folgende Maßnahmen ergriffen werden:
1. Wählen Sie einen elektromagnetischen Draht mit ausgezeichneter Koronabeständigkeit, um die Anforderungen des Motors hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen hochfrequente Impulse und Teilentladungen zu erfüllen.
Typischerweise werden emaillierte Polyesterimid/Polyamidimid-Verbunddrähte oder korona{0}beständige elektromagnetische Drähte verwendet.
2. Konstruktionstechniken für Wicklung und Schlitzeinfügung.
Bei Motoren mit variabler Frequenz ist ein striktes Management beim Wickeln, Einlegen von Nuten und Binden unerlässlich. Besonderes Augenmerk muss auf die Vermeidung von Leiterschäden beim Wickeln und Nuteinlegen gelegt werden. Beim Einsetzen der Schlitze muss die ordnungsgemäße Platzierung der Schlitzisolierung, der Phasenisolierung und der Schicht-zu--Schichtisolierung gewährleistet sein. Für die Phasenisolierung sollten Materialien verwendet werden, die leicht von Isolierlack durchdrungen werden können. Spulenenden müssen durch Bindung und Sicherung verstärkt werden, um sicherzustellen, dass sie eine integrale Einheit bilden.
Die Verstärkung der Isolierung am Boden des Motorschlitzes, zwischen den Phasen, zwischen den Schichten und an den Anfangs- und Endwindungen der Spule erhöht die Spannungsfestigkeit des Motors.
3. Die Hauptisolierung muss eine spaltfreie Isolierung sein.
Luftspalte innerhalb der Isolationsstruktur von Motoren mit variabler Frequenz sind die Hauptursache für Koronaentladungen. Um sicherzustellen, dass in der gesamten Isolationsstruktur keine Luftspalte vorhanden sind, darf der verwendete Imprägnierlack gemäß der nationalen Norm GB/TZ1707-2008 „Isolierungsspezifikationen für Dreiphasen-Asynchronmotoren für die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz“ nicht niedriger als ein lösungsmittelfreier Lack der Klasse F- mit einem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen unter 10 % sein, und das VPI-Verfahren muss entsprechend sein beschäftigt. Dieser Prozess erhöht auch die gesamte mechanische Festigkeit der Isolationsstruktur.
4. Sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Abstimmung zwischen Wechselrichter, Kabeln und Motor und begrenzen Sie die Länge der Kabel zwischen Motor und Stromquelle.
Aufgrund der Impedanzfehlanpassung in den Stromleitungen nimmt die Überspannungsamplitude am Motorende mit der Länge der Kabel zwischen Wechselrichter und Motor zu, was leicht zu Teilentladungen führen kann. Basierend auf den spezifischen Eigenschaften der Stromversorgung mit variabler Frequenz und den tatsächlichen Anforderungen sollte daher die Länge des Verbindungskabels so weit wie möglich minimiert werden, um die Überspannungsamplitude am Motorende und das Ausmaß der Teilentladung zu reduzieren und so die Lebensdauer des Motors zu verlängern. Bei Leistungskabeln für Motoren mit variabler Frequenz werden im Allgemeinen spezielle Kabel verwendet, die auch als Frequenzumrichterkabel mit symmetrischem Leiter bezeichnet werden und der Serie 3P+3N/E angehören. Das bedeutet, dass die ursprüngliche 3+1-Konfiguration den einzelnen Neutralleiter in drei separate Leiter aufteilt.
Schrittmotor
Abbildung 1.1 zeigt das Funktionsprinzip eines Zweiphasen-Schrittmotors mit zwei Wicklungen. Wenn eine Wicklung mit Strom versorgt wird, erzeugt ihr Statorpol ein Magnetfeld, das den Rotor anzieht, sodass er sich an diesem Pol ausrichtet. Wenn die Wicklungen nacheinander unter Steuerimpulsen erregt werden-und die Zustände A`A→B`B→`AA→`BB-durchlaufen, dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn. Wenn der Motor in der Reihenfolge A`A→`BB→`AA→B`B mit Strom versorgt wird, dreht er sich gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Steuerimpuls ändert die Erregungsrichtung, wodurch sich der Motor um einen Schritt (90 Grad) bewegt. Vier Impulse vollenden eine volle Umdrehung. Eine höhere Pulsfrequenz führt zu einer schnelleren Motordrehung.
Das Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors ist proportional zum effektiven Volumen, den Spulenwindungen, dem Magnetfluss und dem Strom des Motors. Daher führen ein größeres effektives Volumen, mehr Spulenwindungen und ein kleinerer Luftspalt zwischen Stator und Rotor zu einem höheren Drehmoment und umgekehrt.
Abb. 2 Strukturdiagramm des Schrittmotormechanismus
Der Aufbau eines Schrittmotors besteht aus einem Rotor (Rotorkern, Permanentmagnet, Welle, Kugellager), einem Stator (Wicklungen, Statorkern) sowie vorderen und hinteren Endkappen. Der typischste Zwei{1}}-Phasen-Hybrid-Schrittmotor verfügt über einen Stator mit 8 großen Zähnen und 40 kleinen Zähnen, während der Rotor 50 kleine Zähne hat. Der Stator eines Dreiphasenmotors hat 9 große Zähne und 45 kleine Zähne, während der Rotor auch 50 kleine Zähne besitzt.
Die Phasenzahl eines Schrittmotors bezieht sich auf die Anzahl der Spulengruppen innerhalb des Motors. Zu den häufig verwendeten Typen gehören zwei-Phasen-, drei-Phasen-, vier-Phasen- und fünf-Phasen-Schrittmotoren. Unterschiedliche Phasenzahlen führen zu unterschiedlichen Schrittwinkeln: Typischerweise haben zwei-Phasenmotoren Schrittwinkel von 0,9 Grad/1,8 Grad, drei-Phasenmotoren haben 0,75 Grad/1,5 Grad und fünf-Phasenmotoren haben 0,36 Grad/0,72 Grad. Ohne einen Mikroschritttreiber wählen Benutzer hauptsächlich Schrittmotoren mit unterschiedlichen Phasenzahlen, um ihre erforderlichen Schrittwinkelspezifikationen zu erfüllen. Bei Verwendung eines Mikroschritttreibers wird die „Phasenanzahl“ irrelevant; Benutzer können einfach die Mikroschrittauflösung am Treiber anpassen, um den Schrittwinkel zu ändern.
Ganz gleich, ob es sich um einen Zwei{0}}Phasen-Vier--Draht-, Vier-Phasen-Fünf-- oder Vier-Phasen-Sechs--Draht-Schrittmotor handelt, der interne Aufbau bleibt konsistent. Die Unterscheidung zwischen Vier-{7}-Draht-, Fünf-{8}-Draht- oder Sechs-{9}-Draht-Konfigurationen hängt davon ab, ob die A- und ~A-Paare oder die B- und B~-Paare einen gemeinsamen Anschluss (COM) haben. Wenn sowohl die A- als auch die B-Gruppe über eigene COM-Anschlüsse verfügen, ist der Motor sechs-adrig. Wenn die gemeinsamen Anschlüsse für A und B miteinander verbunden sind, handelt es sich um einen Fünfleiter.
Um die Verdrahtungskonfiguration eines Schrittmotors zu bestimmen, trennen Sie daher einfach die Gruppen A und B und testen Sie sie mit einem Multimeter.
Vier-Draht:Da es in einer Konfiguration mit vier-Leitern keinen gemeinsamen (COM)-Draht gibt, sind die Gruppen A und B vollständig isoliert und nicht{1}} miteinander leitend. Daher zeigt eine Gruppe bei der Prüfung mit einem Multimeter keinen Durchgang.
Fünf-Draht:In einer Konfiguration mit fünf -Leitern sind die gemeinsamen Anschlüsse der Gruppen A und B miteinander verbunden. Wenn beim Testen mit einem Multimeter ein Draht einen ähnlichen Widerstandswert aufweist wie die anderen Drähte, ist dieser Draht der gemeinsame Anschluss. Zum Antrieb eines Schrittmotors mit fünf -Leitern kann die gemeinsame Klemme nicht angeschlossen werden und der Motor läuft weiterhin.
Sechs-Draht:Die gemeinsamen Anschlüsse der A- und B-Gruppen sind nicht verbunden. Ähnlich verhält es sich bei der Verwendung eines Multimeters zur Widerstandsmessung: Wenn ein Kabel den gleichen Widerstand wie die anderen beiden Kabel aufweist, ist dieses Kabel der Kommunikationsanschluss und die anderen beiden Kabel bilden eine Gruppe. Zum Antrieb eines Vier-{2}Phasen-6-{3}-Draht-Schrittmotors kann der Motor auch ohne Anschluss der beiden gemeinsamen COM-Anschlüsse angetrieben werden.
Schrittmotorbezogene Konzepte:
Anzahl der Phasen: Die Anzahl der Erregerspulenpaare, die unterschiedliche Paare von N- und S-Magnetpolen erzeugen. Wird üblicherweise mit m bezeichnet.
Pulszahl:Die Anzahl der Impulse oder Leitungszustände, die erforderlich sind, um einen Magnetfeldzyklus abzuschließen, wird mit n bezeichnet. Alternativ bezieht es sich auf die Anzahl der Impulse, die der Motor benötigt, um einen Nickwinkel zu drehen. Zum Beispiel in einem Vierphasenmotor:
Schrittwinkel:Die Winkelverschiebung des Motorrotors entsprechend einem Impulssignal, bezeichnet mit θ. θ=360 Grad / (Rotorzähne J × Betriebsschlagzahl). Für herkömmliche Zwei--- oder Vier-{4}-Phasenmotoren mit 50 Rotorzähnen: Im Vier-{6}-Phasenbetrieb beträgt der Schrittwinkel θ=360 Grad /(50*4)=1.8 Grad (üblicherweise als Vollschritt bezeichnet). Im Acht--Phasenbetrieb beträgt der Schrittwinkel θ=360 Grad /(50*8)=0.9 Grad (üblicherweise als Halbschritt bezeichnet).
Haltemoment:Das inhärente Sperrmoment des Motorrotors im stromlosen Zustand (verursacht durch Harmonische des Zahnprofils des Magnetfelds und mechanische Fehler).
Statisches Drehmoment:Das Sperrmoment an der Motorwelle, wenn der Motor unter der statischen elektrischen Nennkraft steht, sich aber nicht dreht. Dieses Drehmoment dient als Maßstab zur Beurteilung der Motorgröße (geometrische Abmessungen) und ist unabhängig von Antriebsspannung oder Stromversorgung.
Schrittmotorantrieb:Beim Antrieb eines Schrittmotors werden im Wesentlichen abwechselnd kontinuierliche Impulse an die A- und B-Gruppen des Motors angelegt, um den Betrieb des Motors zu ermöglichen.
Verpasster Schritt:Die tatsächliche Schrittzahl während des Motorbetriebs stimmt nicht mit der theoretischen Schrittzahl überein.
Beispiel:Unterschiede zwischen zwei-Phasen- und fünf-Phasen-Schrittmotoren
Schrittmotoren werden hauptsächlich nach der Anzahl der Phasen klassifiziert, wobei Zwei-{0}}Phasen- und Fünf-{1}Phasen-Schrittmotoren auf dem aktuellen Markt am weitesten verbreitet sind. Die meisten Zwei{3}}Phasen-Schrittmotoren können in maximal 400 gleiche Schritte pro Umdrehung unterteilt werden, während Fünf-Phasenmotoren in 1000 gleiche Schritte unterteilt werden können. Folglich weisen Fünf--Phasen-Schrittmotoren überlegene Leistungseigenschaften, kürzere Beschleunigungs-/Verzögerungszeiten und eine geringere dynamische Trägheit auf.
Vergleich der Unterschiede zwischen Zwei-Phasen- und Fünf-Phasen-Schrittmotoren:
| Zwei-Phasen-Schrittmotor | Fünf-Phasen-Schrittmotor | |
| Auflösung | 1,8 Grad / 0,9 Grad (200, 400 Mikroschritte) | 0,72 Grad/0,36 Grad (500, 1000 Mikroschritte), 2,5-mal höher als zwei-Phasen-Schrittmotoren |
| Vibrationseigenschaften | Niedriger-Resonanzbereich zwischen 100 und 200 PPS, starke Vibration | Keine nennenswerten Resonanzstellen, geringe Vibration |
| Geschwindigkeits- und Drehmomenteigenschaften | Niedrigere Geschwindigkeit | Hohe Geschwindigkeit, hohes Drehmoment |
1. Unterschiede in der Regelgenauigkeit
Zwei{0}}Phasen-Hybrid-Schrittmotoren haben typischerweise Schrittwinkel von 3,6 Grad oder 1,8 Grad, während Fünf-Phasen-Hybrid-Schrittmotoren im Allgemeinen Schrittwinkel von 0,72 Grad oder 0,36 Grad haben. Einige leistungsstarke Schrittmotoren bieten sogar noch kleinere Schrittwinkel. Beispielsweise hat ein Schrittmotor der Sitong Company für langsame-Drahtschneidemaschinen einen Schrittwinkel von 0,09 Grad. Die Schrittwinkel der Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotoren des deutschen Herstellers Berger Lahr können über DIP-Schalter auf 1,8 Grad, 0,9 Grad, 0,72 Grad, 0,36 Grad, 0,18 Grad, 0,09 Grad, 0,072 Grad oder 0,036 Grad eingestellt werden und bieten so Kompatibilität mit Zweiphasen- und Zweiphasen-Schrittmotoren Fünf-Phasen-Hybrid Schrittwinkel des Schrittmotors.
Die Regelgenauigkeit von AC-Servomotoren wird durch Drehgeber gewährleistet. Nehmen wir als Beispiel die volldigitalen AC-Servomotoren von Panasonic: Bei Motoren, die mit standardmäßigen 2500-Zeilen-Encodern ausgestattet sind, beträgt das Impulsäquivalent 360 Grad/10000=0.036 Grad aufgrund der intern im Treiber implementierten Quadraturfrequenzumwandlungstechnologie. Bei Motoren, die mit einem 17-Bit-Encoder ausgestattet sind, empfängt der Antrieb 2¹⁷=131.072 Impulse pro Umdrehung, was zu einer Impulsauflösung von 360 Grad / 131.072 Impulsen=0.002746 Grad pro Impuls führt.
2. Verschiedene Niederfrequenzeigenschaften
Schrittmotoren neigen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu niederfrequenten Vibrationen. Die Vibrationsfrequenz hängt von den Lastbedingungen und der Fahrerleistung ab und wird im Allgemeinen als die Hälfte der Startfrequenz des Motors im Leerlauf angesehen. Diese niederfrequente Vibration, die dem Funktionsprinzip von Schrittmotoren eigen ist, wirkt sich äußerst schädlich auf den normalen Maschinenbetrieb aus. Wenn Schrittmotoren mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden, sollten Dämpfungstechniken eingesetzt werden, um niederfrequente Vibrationen abzuschwächen, z. B. das Hinzufügen von Dämpfern zum Motor oder die Verwendung von Mikroschritttechnologie im Treiber.
AC-Servomotoren arbeiten außergewöhnlich ruhig und zeigen auch bei niedrigen Drehzahlen keine Vibrationen. AC-Servosysteme verfügen über Funktionen zur Resonanzunterdrückung, um mechanische Steifigkeitsmängel auszugleichen. Darüber hinaus erkennt die systeminterne Frequenzanalysefunktion (FFT) mechanische Resonanzpunkte und erleichtert so die Systemabstimmung.
3. Unterschiedliche Drehmoment--Frequenzeigenschaften
Schrittmotoren weisen mit zunehmender Drehzahl ein abnehmendes Ausgangsdrehmoment auf, das bei höheren Drehzahlen stark abfällt. Daher ist ihre maximale Betriebsgeschwindigkeit typischerweise auf 300–600 U/min begrenzt. AC-Servomotoren liefern ein konstantes Drehmoment und halten das Nenndrehmoment innerhalb ihres Nenndrehzahlbereichs (im Allgemeinen 2000 oder 3000 U/min). Oberhalb der Nenndrehzahl wird auf konstante Leistungsabgabe umgeschaltet.
4. Verschiedene Überlastfähigkeiten
Schrittmotoren sind im Allgemeinen nicht überlastbar. AC-Servomotoren verfügen über eine starke Überlastfähigkeit. Am Beispiel des AC-Servosystems von Panasonic bietet es sowohl Geschwindigkeits- als auch Drehmomentüberlastfähigkeit. Sein maximales Drehmoment erreicht das Dreifache des Nenndrehmoments und ermöglicht es ihm, das Trägheitsmoment träger Lasten beim Anfahren zu überwinden. Schrittmotoren fehlt diese Überlastfähigkeit. Um das Trägheitsdrehmoment beim Anlauf zu überwinden, werden bei der Spezifikation häufig Motoren mit größerem Drehmoment ausgewählt. Allerdings ist ein derart hohes Drehmoment im Normalbetrieb unnötig, was zu einer Drehmomentverschwendung führt.
5. Unterschiedliche Betriebsleistung
Schrittmotoren verwenden eine offene -Loop-Steuerung. Zu hohe Startfrequenzen oder zu hohe Belastungen können zu Schrittverlusten oder zum Abwürgen führen. Zu hohe Geschwindigkeiten beim Anhalten können zum Überschwingen führen. Um die Regelgenauigkeit sicherzustellen, müssen Beschleunigung und Verzögerung daher ordnungsgemäß verwaltet werden. AC-Servoantriebssysteme verwenden eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis. Der Treiber tastet die Rückmeldungssignale vom Motor-Encoder direkt ab und bildet so interne Positions- und Geschwindigkeitsschleifen. Dieses Design vermeidet im Allgemeinen die bei Schrittmotoren üblichen Probleme mit Schrittverlusten oder Überschwingern und sorgt so für eine zuverlässigere Steuerungsleistung.
6. Unterschiedliche Geschwindigkeitsreaktionsleistung
Ein Schrittmotor benötigt 200–400 Millisekunden, um vom Ruhezustand auf die Betriebsgeschwindigkeit (typischerweise mehrere hundert U/min) zu beschleunigen. AC-Servosysteme weisen eine hervorragende Beschleunigungsleistung auf. Beispielsweise beschleunigt der Panasonic MSMA 400-W-AC-Servomotor in nur wenigen Millisekunden aus dem Ruhezustand auf seine Nenngeschwindigkeit von 3000 U/min und eignet sich daher für Anwendungen, die eine schnelle Start-/Stopp-Steuerung erfordern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass AC-Servosysteme Schrittmotoren in zahlreichen Leistungsaspekten überlegen sind. In weniger anspruchsvollen Anwendungen werden Schrittmotoren jedoch immer noch häufig als Aktuatoren eingesetzt. Daher müssen beim Entwurf des Steuerungssystems Faktoren wie Steuerungsanforderungen und Kosten umfassend bewertet werden, um den geeigneten Motor auszuwählen.