Leseprobe

Rainer Hagl

Elektrische Antriebstechnik

ISBN (Buch): 978-3-446-44270-2

ISBN (E-Book): 978-3-446-44409-6

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http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-44270-2

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© Carl Hanser Verlag, München

Vorwort

Dieses Fachbuch stellt eine Einführung in ein umfangreiches Spezialgebiet dar. Produktions-maschinen und viele Konsumgüter können ihre Aufgaben nur mittels elektrischer Antriebeerfüllen. Daher sind zumindest Grundkenntnisse in diesem Gebiet unumgänglich, um Ma-schinen, aber auch eine Vielzahl an Produkten des täglichen Lebens, zu dimensionieren bzw.zu optimieren.

Das Fachbuch ist insbesondere für die Bachelorausbildung von Studierenden der Ingenieur-wissenschaften in den Studienschwerpunkten

■ Automatisierungstechnik,

■ Elektro- und Informationstechnik,

■ Gebäudetechnik,

■ Produktionstechnik,

■ Maschinenbau,

■ Mechatronik

konzipiert. Es eignet sich ebenso für technisch Interessierte, die sich in das Gebiet der elek-trischen Antriebstechnik einarbeiten wollen. Leistungselektronische Themen werden nur amRande behandelt. Die Auslegung elektrischer Maschinen stellt ebenso keinen Schwerpunktdes Buches dar.

Zunächst werden in der Einführung die wichtigsten Anforderungen an elektrische Antriebeund Hauptunterscheidungsmerkmale vorgestellt. Die Aufgaben der einzelnen Komponentenwerden beschrieben, wichtige Grundbeziehungen abgeleitet und gängige Begriffe erläutert.

Die folgenden Kapitel beschäftigen sich mit dem Aufbau und der Wirkungsweise einzelnerKomponenten eines elektrischen Antriebes. Hauptschwerpunkt ist das Kennenlernen von inProduktionsmaschinen gängigen Motoren und deren Steuerung. Für die einzelnen Motorenwerden die Grundlagen erarbeitet, um einen für eine vorgegebene Antriebsaufgabe passendenMotor auswählen zu können. Übergreifende Themen werden in separaten Kapiteln zusam-mengefasst. Für das Teilgebiet Servoantriebstechnik werden grundlegende Zusammenhängedargestellt.

Neben der mathematischen Herleitung wird jeweils auch versucht, die Wirkprinzipien undZusammenhänge beschreibend darzustellen. Das Buchprojekt wurde von vielen Unterneh-men, die Produkte für den Bereich der elektrischen Antriebtechnik anbieten, vor allem durchBildmaterial, unterstützt. Dadurch war es möglich, neben theoretischen Zusammenhängenexemplarisch auch gängige Industriekomponenten vorzustellen. Für diese Unterstützung seisehr herzlich gedankt. Den Kapiteln zugeordnete Übungen ermöglichen eine Überprüfung desLernfortschrittes.

Notwendige Voraussetzung, um dem Lehrinhalt folgen zu können, sind grundlegende Kennt-nisse der Elektrotechnik und der technischen Mechanik.

6 Vorwort

Eine Vielzahl engagierter und konstruktiver Rezensionen hat zur Beseitigung von Fehlern undinhaltlichen Erweiterungen in der 2. Auflage geführt. Hierfür möchten sich der Autor und derVerlag herzlich bedanken. Allerdings konnten nicht alle Anregungen berücksichtigt werden, dadiese zum Teil konträr waren. Bitte haben Sie dafür Verständnis.

Im Buch haben sich sicherlich auch in dieser überarbeiteten Auflage Fehler eingeschlichen.Vielleicht ist das eine oder andere auch nicht ganz verständlich. Über Rückmeldungen zuFehlern oder Verbesserungsvorschläge würde ich mich freuen, da diese zu einer kontinuier-lichen Verbesserung führen. Sie können mir diesbezüglich gerne eine E-Mail an rainer.hagl@fh-rosenheim.de senden. Für Ihre Unterstützung möchte ich mich bereits im Voraus bei Ihnen be-danken.

Formelsymbole und Einheiten

Im gesamten Manuskript wurde versucht, durchgängige und eindeutige Formelsymbole zuverwenden. Bei der ersten Verwendung eines Formelsymbols werden dessen Bezeichnung aufDeutsch und Englisch, sowie die dazugehörige SI-Einheit und gegebenenfalls wichtige darausabgeleitete Einheiten, angegeben.

MMo Motordrehmoment Motor torque NmML Lastdrehmoment Load torque NmMAc Beschleunigungsdrehmoment Acceleration torque Nm

Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit werden an manchen Stellen diese Angaben wiederholt.Eine Übersicht mit den für die hier behandelten Themen relevanten SI-Einheiten findet sichim Anhang A1 unter „Weiterführende Informationen“.

Prof. Dr.-Ing. Rainer Hagl März 2015

Inhalt

1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1 Einsatzgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Aufgaben und Betriebszustände elektrischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Bewegungsarten und Bewegungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5 Antriebsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Mechanische Übertragungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3 Drehzahlanpassung und Antriebsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4 Wandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.1 Gewindetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.2 Zahnriemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.3 Zahnstange-Ritzel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5 Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.6 Umrechnung auf einen Bezugspunkt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6.1 Elektromechanische Linearachse mit starrer Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6.2 Elektromechanische Drehachse mit starrer Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.7 Beschleunigungsvermögen und Gleichlaufverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.8 Dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.8.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.8.2 Linearachse mit elastischer Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3 Grundlagen elektrischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2 Analogien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3 Physikalische Effekte bei elektromagnetischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3.1 Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3.2 Induktion und Lenz’sche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3.3 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8 Inhalt

3.4 Magnetfelderzeugung und magnetische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.5 Leistungsverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.6 Belastungsprofile, Einschaltdauer und Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.7 Wärmeklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.8 Schutzarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.9 Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.10 Bauformen und Befestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.11 Bemessungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4 Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2 Drehmomenterzeugung und Drehmomentgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.3 Spannungsinduktion und Spannungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.4 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.5 Klemmenbezeichnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.6 Fremderregter Gleichstrommotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.6.1 Elektrisches Ersatzschaltbild und beschreibende Gleichungen . . . . . . . . . . . . 86

4.6.2 Statisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.6.3 Feldschwächung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.7 Selbsterregter Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.8 Permanenterregter Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.9 Bürstenloser Gleichstrommotor und EC-Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5 Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1005.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.2 Aufbau und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.3 Wechselpolschrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.4 Vollschrittbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.5 Schrittwinkel und Schrittzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.6 Halbschrittbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.7 Mikroschrittbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.8 Haltedrehmoment und Selbsthaltedrehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.9 Dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.10 Reluktanzschrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.11 Hybridschrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.12 Betriebsdiagramm.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.13 Schrittmotoren im geregelten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Inhalt 9

6 Grundlagen Drehstromantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1136.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.2 Drehspannung und Drehstrom.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.3 Anschluss von Drehstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.4 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.5 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.6 Vergleich Stern- und Dreieckschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.7 Magnetisches Drehfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.8 Umrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.9 Energiemanagement bei umrichterbetriebenen Antrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7 Synchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1347.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.2 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.3 Elektrisches Ersatzschaltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

7.4 Spannungsinduktion und Drehmomenterzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.5 Drehmoment-Drehzahl-Diagramm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.6 Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.7 Komponenten eines Servoantriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.8 2-phasige Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8 Asynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1498.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.2 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.3 Spannungsinduktion und Drehmomenterzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.4 Motorkennlinie und Motorkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

8.5 Normmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

8.6 Anlaufstrombegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

8.7 Drehzahlvariable Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

8.8 Frequenzumrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

8.9 Zentrale und dezentrale Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.10 Feldorientierte Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.11 Betrieb am Wechselspannungsnetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9 Positionsmessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1719.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.2 Drehzahl- und Geschwindigkeitsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.3 Messsignale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

10 Inhalt

9.4 Unterscheidungsmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

9.5 Einheiten bei der Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9.6 Photoelektrische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9.7 Magnetische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

9.8 Induktive Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

9.9 Signalauswertung und Übertragung der Positionsinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

9.10 Messgenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

10 Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19210.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

10.2 Anforderungen und Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

10.3 Kaskadierte Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

10.4 Bewegungsprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

10.5 Modellierung mechanischer Übertragungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.6 Mechanisch steife Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

10.7 Mechanisch elastische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.8 Feldorientierte Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

10.9 Lineare und rotatorische Direktantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

A Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233A.1 Weiterführende Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

A.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

A.1.2 Grundlagen elektrischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

A.1.3 Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

A.1.4 Grundlagen Drehstromantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

A.1.5 Synchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

A.1.6 Asynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

A.1.7 Positionsmessgeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

A.1.8 Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

A.2 Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

A.3 Lösungen der Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

A.4 Formelzeichen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

A.5 Griechisches Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

A.6 Verwendete Konvertierung und Reihenfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

A.7 Übersicht Symbole und Abkürzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287

2 Mechanische Übertragungs-elemente

2.1 EinführungDas Bauvolumen und die Kosten eines Elektromotors sind, bei ansonsten gleichen Konstruk-tionsbedingungen, im Wesentlichen vom Drehmoment, das der Motor zur Verfügung stellenmuss, abhängig. Die Motordrehzahl beeinflusst die Motorkosten erst ab Drehzahlen von ca.15 000 min−1 nennenswert. Unter der Annahme gleicher Konstruktionsbedingungen ist dasMotordrehmoment oder die Motorkraft proportional zur Fläche, die zur Drehmoment- oderKrafterzeugung beiträgt.

Rotatorischer Motor: MMo = cA AT (2.1a)

Linearmotor: FMo = cA AF (2.1b)

cA Konstante Motordrehmoment zu dreh-momenterzeugender Fläche

Constant motor torque to torquegenerating area

Nm/m2

Konstante Motorkraft zu krafterzeugen-der Fläche

Constant motor force to force ge-nerating area

N/m2

AT Drehmomenterzeugende Fläche Torque generating area m2

AF Krafterzeugende Fläche Force generating area m2

Bei rotatorischen Motoren ist das die Mantelfläche eines Zylinders (Bild 2.1).

AT =πdT lT (2.2)

dT Drehmomenterzeugender Durchmesser Torque generating diameter mlT Drehmomenterzeugende Länge Torque generating length m

Bild 2.1 Drehmomenterzeugende Fläche

Eine Veränderung des Motordrehmomentes kann entweder durch alleinige Änderung desDurchmessers oder der Länge oder durch gleichzeitige Änderung beider Größen erfolgen.

28 2 Mechanische Übertragungselemente

Durch eine Änderung des Durchmessers und/oder der Länge wird gleichzeitig das Trägheits-moment beeinflusst, wobei für die weitere Betrachtung davon ausgegangen wird, dass sichdas innere Teil dreht (Innenläufermotor). Das Trägheitsmoment soll auf Basis eines Vollzylin-ders mit konstanter Dichte berechnet werden. Hohlräume oder unterschiedliche Materialenbei realen Maschinen werden dadurch berücksichtigt, dass eine mittlere Dichte angenommenwird. Für das Trägheitsmoment gilt:

JMo = π

32ρA lT d 4

T (2.3)

ρA Mittlere Dichte Averaged density kg/m3

Wird eine Verdoppelung des Motordrehmomentes gewünscht, kann dies z. B. über eine Ver-doppelung der Länge oder des Durchmessers erreicht werden. Bei einer Verdoppelung derLänge ergibt sich eine Verdoppelung des Trägheitsmomentes. Das Beschleunigungsvermö-gen des Motors bleibt damit konstant. Im Gegensatz dazu erhöht sich bei Verdoppelung desDurchmessers das Trägheitsmomentes auf das 16-Fache des ursprünglichen Wertes. Das Be-schleunigungsvermögen sinkt auf 1/8 des ursprünglichen Wertes.

Durch die Wahl der Länge und des Durchmesser des Motors ist es möglich, einen Motor aufhohes Beschleunigungsvermögen oder auf hohen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsgleichlaufauszulegen. Abhängig von der Applikation ist das eine oder das andere erforderlich (Tabel-le 2.1). Da ein Motor immer eine zu bewegende Masse antreibt, sind für eine Optimierungdes Antriebes alle zu bewegenden Massen des Antriebsstranges zu berücksichtigen. WeitereBetrachtungen hierzu finden sich im Abschnitt „Beschleunigungsvermögen und Gleichlauf-verhalten“ in diesem Kapitel.

Tabelle 2.1 Vergleich niedriges und hohes Trägheitsmoment des Motors

Niedriges TrägheitsmomentLow-Inertia-Motor

Hohes TrägheitsmomentHigh-Inertia-Motor

Vorteil Hohes Beschleunigungsvermögen Hoher Drehzahl- oder Geschwindig-keitsgleichlauf

Applikation(Beispiele)

■ Handhabungstechnik■ Holzbearbeitungsmaschinen■ Maschinen für die Nahrungsmittel-

und Getränkeindustrie

■ Werkzeugmaschinen■ Druckmaschinen■ Messmaschinen

Für die vom Motor bereitgestellte mechanische Leistung gilt:

PMo = MMoωMo = MMo 2πnMo (2.4)

Bei konstantem Drehmoment des Motors ist dessen Leistung an der Welle umso größer, je hö-her die Drehzahl ist. Daher sollte die Motordrehzahl möglichst hoch gewählt werden, so dassohne Kostenerhöhung für den Motor und die zugehörige Leistungselektronik die Motorleis-tung gesteigert wird. Sind jedoch aufgrund vergleichsweise hoher Drehzahlen und/oder hoherZentrifugalkräfte kostentreibende mechanische Maßnahmen am Motor erforderlich, ist einegesonderte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erforderlich.

Die maximale Drehzahl von Elektromotoren ist oft höher als die von der Antriebsaufgabegeforderte maximale Drehzahl. In diesen Fällen ermöglichen mechanische Übertragungsele-

2.1 Einführung 29

mente zwischen dem Motor und der anzutreibenden Masse eine Anpassung des Arbeitspunk-tes des Motors an denjenigen der Antriebsaufgabe. Vernachlässigt man zunächst die Verlusteim Antriebsstrang, so lautet die Leistungsbilanz:

MMo 2πnMo︸ ︷︷ ︸Antriebsseite

= MM 2πnM︸ ︷︷ ︸Abtriebsseite

→ MMo = nM

nMoMM (2.5)

Das Motordrehmoment ergibt sich, abhängig vom Verhältnis der Drehzahlen von Abtriebsseitezu Antriebsseite, aus dem Drehmoment, das an der anzutreibenden Masse benötigt wird. Kanndie Motordrehzahl größer als die Drehzahl der anzutreibenden Masse gewählt werden, ist ei-ne Verringerung des erforderlichen Motordrehmoments möglich. Die Anpassung von Dreh-momenten und Drehzahlen ist eine Aufgabe mechanischer Übertragungselemente. In elektri-schen Antrieben ermöglichen sie eine technische und wirtschaftliche Optimierung des Motorsund der Leistungselektronik (Bauvolumen und Kosten). Eine weitere Aufgabe von mechani-schen Übertragungselementen in elektrischen Antrieben kann die Wandlung einer Drehbe-wegung in eine Linearbewegung sein.

Innerhalb des Antriebsstrangs können mehrere mechanische Übertragungselemente hinter-einander, d. h. in Serie, geschaltet sein. Für jedes mechanische Übertragungselement werdendie in Tabelle 2.2 gezeigten Größen eingeführt.

Bewegungsart Antriebsseite → Abtriebsseiterotatorisch → rotatorisch Drehmoment M1 → M2 Drehmoment

Drehzahl n1 → n2 Drehzahlrotatorisch → linear Drehmoment M1 → F2 Kraft

Drehzahl n1 → v2 Geschwindigkeit

Tabelle 2.2 Formel-zeichen

Abhängig von der Art der Kraftübertragung (Bild 2.2) unterscheidet man in:

■ Reibschlüssige Übertragungselemente und

■ Formschlüssige Übertragungselemente

n1

n2

ReibschlüssigBeispiel: Flachriemen

FormschlüssigBeispiel: Zahnriemen

n1

n2

Bild 2.2 Reibschlüssige und formschlüssige Übertragungselemente

Bei reibschlüssigen Übertragungselementen erfolgt die Kraft- bzw. Drehmomentübertragungmittels Reibung. Prinzipbedingt kommt es bei reibschlüssigen Übertragungselementen zu

30 2 Mechanische Übertragungselemente

Schlupf zwischen Antriebs- und Abtriebsseite. Sie eignen sich daher nicht für Positionier-aufgaben. Bei Überschreitung des maximalen durch Reibung übertragbaren Drehmomentskommt es zum „Durchrutschen“.

Formschlüssige Übertragungselemente nutzen Formelemente, wie Zähne, Kugeln, Ketten etc.,zur Kraft- bzw. Drehmomentübertragung. Durch die ineinander greifenden Formelementetritt kein Schlupf auf. Formschlüssige Übertragungselemente eignen sich daher für Positio-nieraufgaben. Im Weiteren werden nur formschlüssige Übertragungselemente behandelt.

2.2 Leistungsbilanz und WirkungsgradIn elektrischen Antrieben werden elektrische und mechanische Leistungen gewandelt, um-geformt und übertragen. Bei diesen Vorgängen entstehen mehr oder weniger große Verluste.Die Bezeichnung der Leistung für das jeweilige Antriebselement im Antriebsstrang erfolgtentsprechend zu den Drehmomenten bzw. Drehzahlen:

P1 Leistung an der Antriebseite Power at driving side WP2 Leistung an der Abtriebsseite Power at output side WPL Verlustleistung Power loss W

Die Leistungsbilanz ist die Summe der zugeführten und abgeführten Leistungen. Die Summeist in einem abgeschlossenen System immer null.

P1︸︷︷︸zugeführte

Leistung

−P2 −PL︸ ︷︷ ︸abgeführte

Leistung

= 0 (2.6)

Der Wirkungsgrad ist definiert zu:

η= P2

P1; 0 ≤ η≤ 1 (2.7)

η Wirkungsgrad Efficiency

Bei hintereinandergeschalteten Antriebselementen sind zur Ermittlung des Gesamtwirkungs-grades die einzelnen Wirkungsgrade zu multiplizieren:

η=Πni=1ηi ; i = 1, . . . ,n n : Anzahl Antriebselemente Antriebsstrang (2.8)

2.3 Drehzahlanpassung undAntriebsoptimierung

Zur Anpassung des Drehmomentes und der Drehzahl auf der Antriebsseite an das Drehmo-ment und die Drehzahl auf der Abtriebsseite werden bei elektromechanischen Antrieben

2.3 Drehzahlanpassung und Antriebsoptimierung 31

Getriebe eingesetzt. Sie werden genutzt, um Drehmomente bzw. Kräfte umzuformen und zuübertragen (Bild 2.3). Man unterscheidet in:

■ Zahnradgetriebe

■ Zugmittelgetriebe

Zugmittelgetriebe nutzen Zugmittel wie Riemen oder Ketten zur Übertragung von tangentia-len Zugkräften. Das Zugmittel umschlingt zwei Scheiben, um aus dem Drehmoment auf derAntriebsseite die Zugkraft zu erzeugen und sie anschließend auf der Abtriebsseite in ein Dreh-moment zu wandeln. Die Kraft- bzw. Leistungsübertragung erfolgt im sogenannten Lasttrum.Bei unbegrenzter Anzahl an Umdrehungen muss das Zugmittel zurückführt werden. Dies er-folgt im kraftfreien Leertrum.

ZahnradgetriebeBeispiel: Stirnradgetriebe

ZugmittelgetriebeBeispiel: Zahnriemen

n1

n2

FT

z 1

Lasttrum

z2

n1

z 1

d1 n2

d2

z2

Leertrum

Bild 2.3 Zahnradgetriebe und Zugmittelgetriebe

Das Verhältnis von Antriebsdrehzahl zu Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist die Getriebeüber-setzung. Sie ist definiert zu:

iG = n1

n2(2.9)

iG Getriebeübersetzung Gear ration1 Drehzahl an der Antriebsseite Speed at driving side 1/sn2 Drehzahl an der Abtriebsseite Speed at output side 1/s

Der Zusammenhang zwischen dem Arbeitspunkt der Antriebsseite und dem Arbeitspunkt derAbtriebsseite kann immer mit

■ dem kinematischen Zusammenhang und

■ einer Leistungsbilanz

hergeleitet werden.

Den Zusammenhang zwischen den Motorgrößen und den Größen an der anzutreibendenMasse erhält man damit bei einem Zahnradgetriebe zu:

Kinematischer Zusammenhang

nMo = iG nM (2.10)

32 2 Mechanische Übertragungselemente

Leistungsbilanz (PM = ηGPMo)

MM2πnM = ηGMMo2πnMo = ηGMMo2πiG nM (2.11)

PM Leistung der anzutreibenden Masse Power at mass to be moved WPMo Motorleistung (mechanisch) Motor power (mechanical) WηG Wirkungsgrad des Getriebes Efficiency of gear

Damit ergibt sich das erforderliche Motordrehmoment zu:

MMo = 1

ηG iGMM (2.12)

Das maximale Drehmoment auf der Abtriebsseite ist durch die Antriebsaufgabe vorgegeben,womit sich das maximal erforderliche Motordrehmoment berechnen lässt. Mit der Wahl derGetriebeübersetzung wird das maximal zur Verfügung zu stellende Drehmoment des Motorsbeeinflusst (Tabelle 2.3). Das maximale Drehmoment des Motors bestimmt im Wesentlichendessen Bauvolumen. Ferner ist der Motorstrom in erster Näherung proportional zum Motor-drehmoment. Die Größe der Leistungselektronik steigt mit dem Motorstrom. Unter diesen Ge-sichtspunkten ist es vorteilhaft, die Getriebeübersetzung iG > 1 zu wählen.

Tabelle 2.3 Einfluss der Getriebeübersetzung

Getriebe-übersetzung

Drehzahl &Drehmoment

Bauvolumen& Kosten∗

Antriebsprinzip

iG > 1 nMo > nM

MMo < MM

➘ ✔ ElektromechanischerAntrieb

iG < 1 nMo < nM

MMo > MM

➚ ✗ ElektromechanischerAntrieb

iG = 1 nMo = nM

MMo = MM

Direktantrieb oderdirekt gekoppelt

∗ Motor & Leistungselektronik

Tabelle 2.4 zeigt exemplarisch einen Vergleich des erforderlichen Motordrehmomentes zwi-schen der Lösung einer Antriebsaufgabe für einen Rundtisch mit Direktantrieb und elektro-mechanischem Antrieb. Für den elektromechanischen Antrieb wird beispielhaft eine Getrie-beübersetzung von iG = 5 eingesetzt.

Tabelle 2.4 Vergleich erforderliches Motordrehmoment mit Direktantrieb und elektromechanischemAntrieb

Direktantrieb Elektromechanischer AntriebSpezifikationAntriebsaufgabe

MM = 100 NmnM = 600 min−1

Motor MMo = 100 NmnMo = 600 min−1

Beispiel (iG = 5)MMo = 20 NmnMo = 3000 min−1

2.4 Wandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung 33

Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist bei elektromechanischen Antrieben einMotor auszuwählen, der Drehzahlen erlaubt, die nicht unter der von der Antriebsaufgabe ge-forderten maximalen Drehzahl liegen.

Es ist allerdings zu beachten, dass ein Motor mit deutlich höherer Drehzahl als vonder Antriebsaufgabe erforderlich eine höhere Stromaufnahme haben kann als einMotor, dessen Drehzahl nur moderat über der zur Erfüllung der Antriebsaufgabe er-forderlichen Drehzahl liegt. Eine zu hohe Wahl der Getriebeübersetzung führt dannnicht zu einem wirtschaftlichen Optimum.

2.4 Wandlung einer Drehbewegung in eineLinearbewegung

Zur Wandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung werden in elektrischen Antriebenhauptsächlich folgende mechanischen Antriebskomponenten eingesetzt:

■ Gewindetrieb

■ Zahnriemen

■ Zahnstange-Ritzel

2.4.1 Gewindetrieb

Ein Gewindetrieb besteht aus einer Welle mit einem Gewinde (Gewindespindel) und einerMutter (Gewindemutter). Die Welle wird vom Motor angetrieben. Die anzutreibende Masse istfest mit der Mutter verbunden. Eine Drehbewegung der Welle führt zu einer Linearbewegungder Mutter. Bild 2.4 zeigt exemplarisch einen Kugelgewindetrieb.

Um Reibungsverluste zu minimieren, werden zur Kraftübertragung von der Gewindespindelauf die Gewindemutter Kugeln eingesetzt, die auf Laufbahnen abrollen. Beim Gewindetriebbestimmt die Spindelsteigung den kinematischen Zusammenhang zwischen der Drehzahl auf

n1

vMhSp

Gewindespindel Gewindespindel

Kugelrückführung Bild 2.4 Kugelgewindetrieb(© SKF GmbH, 2012)

34 2 Mechanische Übertragungselemente

der Antriebsseite und der Geschwindigkeit auf der Abtriebsseite.

vM = hSpn1 (2.13)

vM Geschwindigkeit der anzutreibenden Masse Velocity of mass to be moved m/shSp Spindelsteigung des Gewindetriebes Spindle pitch of screw drive m

Stellt man die Leistungsbilanz auf, so folgt:

FMvM = FM hSpn1 = ηSp M12πn1 (2.14)

Das Drehmoment kann in eine Kraft umgerechnet werden:

FM = ηSp2π

hSpM1 (2.15)

ηSp Wirkungsgrad des Gewindetriebes Efficiency of screw drive

2.4.2 Zahnriemen

Zahnriemen eignen sich neben dem Einsatz in Zugmittelgetrieben auch zur Wandlung einerDrehbewegung in eine Linearbewegung. Es gibt zwei Ausführungsformen:

■ Umlaufender Zahnriemen

■ Eingespannter Zahnriemen

Beim umlaufenden Zahnriemen ist die anzutreibende Masse fest mit dem Zahnriemen ver-bunden. Der Zahnriemen umschlingt jeweils am Ende des Verfahrweges eine Zahnscheibe.Eine der beiden Zahnscheiben wird vom Motor angetrieben (Bild 2.5). Insbesondere für großeVerfahrwege, bei denen ein umlaufender Riemen wegen der Riemenlänge nicht zweckmäßigist oder eine Zahnstange-Ritzel-Lösung die unwirtschaftlichere Lösung darstellt, werden ein-gespannte Zahnriemen eingesetzt. Der Zahnriemen umschlingt dabei nur eine Zahnscheibe,die vom Motor angetrieben wird.

Bei Zahnriemen zur Erzeugung von Linearbewegungen ist die Geschwindigkeit auf der Ab-triebsseite abhängig von der Drehzahl auf der Antriebsseite und dem wirksamen Durchmesserder Zahnscheibe. Der kinematische Zusammenhang lautet:

vM =πdEffn1 (2.16)

dEff Wirksamer Durchmesser der Zahnscheibe Effective diameter of toothed lock washer m

n1

vM

Bild 2.5 Zahnriemen zur Erzeugung einer Linearbewe-gung (© Lenze SE, 2012)

Index

Abklingkonstante, 46absolute Messgeräte, 180Abtastfrequenz, 23, 202Abtastzeit, 23, 202, 210, 218Amplitudengang, 51Anker, 81Anlaufverfahren, 139Anstiegszeit, 200Antriebsprinzip, 24Anzugsdrehmoment, 155Anzugsstrom, 155anzutreibende Masse, 16anzutreibendes Massenträgheitsmoment, 16aperiodische Bewegung, 47aperiodischer Grenzfall, 47Außenleiterspannung, 120Außenleiterstrom, 120

Bemessungsgrößen, 77Bemessungspunkt, 91Beschleunigungsdrehmoment, 18Betriebszustände, 15Bewegungsgleichung, 18Bewegungskoordinaten, 16Bewegungsprofil, 39Bezugspunkt, 36BLDC-Motor, 97Bleche, 85Blechpaket, 152blockförmige Kommutierung, 97Bode-Diagramm, 52bürstenbehafteter Motor, 86bürstenloser Gleichstrommotor, 97

charakteristische Gleichung, 46

d,q-Koordinatensystem, 225Dämpfungsgrad Positionsregelkreis, 215Dauerbetrieb, 68Dauermagnete, 61

dezentrale Antriebstechnik, 166digitale Regler, 23direkt gekoppelter Antrieb, 26Direktantrieb, 227, 228, 231direkte Messung, 175Drehfeld, 123drehmomentbildender Strom, 226Drehmomentkonstante, 83, 144Drehmomentwelligkeit, 153Drehspannung, 115Drehspannungssystem, 151Drehstromsystem, 115Drehstromwicklung, 137drehzahlgeregelter Antrieb, 20Drehzahlregler, 202Drehzahlschwankung, 41, 201drehzahlvariabler Antrieb, 20, 162Dreieckschaltung, 118

EC-Motor, 97Eckfrequenz, 164Effizienzklasse, 72Eigenwert, 46Einbaumotor, 228Einschaltdauer, 67Einschwingzeit, 200eisenbehafteter Anker, 85eisenlose Anker, 86Eisenverluste, 63elastische Kopplung, 42, 207Elastizität, 42elektrisch erregte Maschine, 79elektrische Zeitkonstante, 59elektrischer Direktantrieb, 24, 207elektrischer Kreis, 54elektromechanischer Antrieb, 24, 208Energiespeicher, 133Erregerfeld, 59, 138, 225, 226Erregerwicklung, 79

288 Index

Federsteifigkeit, 43feldorientierte Regelung, 168Feldschwächung, 92, 166, 225ferromagnetische Werkstoffe, 60fremderregte Maschine, 79Frequenzumrichter, 164Führungsverhalten, 196

Gesamtmasse, 16Geschwindigkeitsregler, 202Geschwindigkeitsschwankung, 200Getriebeübersetzung, 31Gewindetrieb, 33

Halbschrittbetrieb, 107Haltedrehmoment, 89harmonische Schwingung, 47Hauptpol, 170High-Inertia-Motor, 28Hybridschrittmotor, 111Hystereseverluste, 63

indirekte Messung, 175induzierte Spannung, 56, 141inkrementale Messgeräte, 180Inkrementalsignal, 178instationärer Betriebszustand, 18International Efficiency, 72International Mounting, 77International Protection, 70

Käfigläufer, 152kaskadierte Regelung, 201Kennfrequenz Positionsregelkreis, 215Kennkreisfrequenz Positionsregelkreis, 215Kippdrehmoment, 155Kippdrehzahl, 155Kippschlupf, 155Klauenpolschrittmotor, 104Kloß’sche Gleichung, 156Koerzitivfeldstärke, 60Kommutator, 86Kommutierung, 98, 139Kondensatormotor, 168Kupferverluste, 63Kurzschlussläufer, 152Kurzschlussringe, 153

Kurzstatormotor, 228

Längsstrom, 226Langstatormotor, 228Lastdrehmoment, 18Lastkraft, 17Läufer, 81Leerlaufdrehzahl, 89Leistungselektronik, 20Leistungsfluss, 21Leiterspannung, 120Leiterstrom, 120Lenz’sche Regel, 57Linearmotor, 228logarithmisches Dekrement, 49Lorentzkraft, 55, 155Low-Inertia-Motor, 28

magnetische Sättigung, 60magnetischer Kreis, 54Magnetisierungskennlinie, 60Magnitude, 51Maschinenschwingungen, 205mechanische Übertragungselemente, 21Messgeräte, 21Messprotokoll, 192Mikroschrittbetrieb, 107Momentenwelligkeit, 85Motion Controller, 20, 139, 210, 218Motorstarter, 161Multiturn, 182

Nebenschlusserregung, 93Nebenschlussmotor, 93Nennwerte, 78Netzbetrieb, 152Netzfrequenz, 152Neutralleiter, 118

Ohmsche Verluste, 63

periodischer Aussetzbetrieb, 68permanenterregte Maschine, 79permanenterregter Gleichstrommotor, 95permanenterregter Synchronmotor, 136Phase, 51Phasengang, 51

Index 289

Polpaarzahl, 137, 151, 163Polrad, 111Polradspannung, 141Polteilung, 82Positionsauflösung, 190Positionsregler, 202

Querstrom, 226

Rastmoment, 85Raumzeigerdiagramm, 225Referenzpunktfahrt, 180Regelfenster, 200Reihenschlusserregung, 93Reihenschlussmotor, 93Reluktanzschrittmotor, 110Remanenzflussdichte, 60Resolver, 188Rotormagnetfeld, 139Ruck, 205

Sanftanlaufgerät, 161Sanftstarter, 161Satteldrehmoment, 155Sattelpunkt, 155Schleifringläufer, 152Schlupf, 154Schrittfolge, 111Schrittfrequenz, 103, 110Schrittverlust, 103Schrittwinkel, 106Schrittzahl, 106selbsterregte Maschine, 79Selbsthaltedrehmoment, 109Selbstinduktion, 58sensorless control, 139sensorlose Regelung, 139Signalperiode, 178Singleturn, 182sinusförmige Kommutierung, 97Softstarter, 161Spaltmotor, 168Spaltpol, 170Spannungsgrenze, 91, 140, 146, 226Spannungskonstante, 84, 143Spindelsteigung, 33starre Kopplung, 42stationäre Regelabweichung, 200

stationärer Betriebszustand, 18steife Kopplung, 207Steifigkeit, 43Steinmetzschaltung, 168Sternschaltung, 118Stillstandsdrehmoment, 89, 144Stillstandsstrom, 89, 144Störverhalten, 196Strangspannung, 120Strangstrom, 120Streuverluste, 63Stromanpassung, 107Stromgrenze, 90, 146, 206Stromregler, 202Synchrondrehzahl, 152

thermische Längenänderung, 176thermische Zeitkonstante, 65Torquemotor, 228Torsionssteifigkeit, 43Trägheitsmoment, 17tubularer Linearmotor, 228

U/f-Steuerung, 163Überschwingen, 200Übertemperatur, 64Ummagnetisierungsverluste, 63Umrichter, 130Unterschwingen, 200ununterbrochener periodischer Betrieb, 68

Vollschrittbetrieb, 105Vollschrittwinkel, → SchrittwinkelVorzugsposition, 102

Wechselpolschrittmotor, 104Wechselrichter, 130Wicklung, 59Wirbelstromverluste, 63

Zahnradgetriebe, 31Zahnriemen, 33Zahnstange-Ritzel, 33Zeigerdiagramm, 140, 143zentrale Antriebstechnik, 166Zugmittelgetriebe, 31Zwischenkreis, 130