Arten von Motoren in der Bewegungssteuerung

Wir fertigen möglicherweise keine Motoren an ADVANCED Motion Controls, aber wir arbeiten jeden Tag damit und bauen Servoantriebe, um sie zum Laufen zu bringen. Man könnte also sagen, wir wissen ein oder zwei Dinge darüber. Wir sind sehr stolz darauf, jede Anwendung bedienen zu können, und das bedeutet, dass wir einen Antrieb für nahezu jede Art von Motor haben, die Sie finden können. Welche Arten von Motoren gibt es und wo werden sie eingesetzt?

Servomotor

Im Allgemeinen fallen alle Servomotoren unter den Begriff der Permanentmagnetmotoren, die sowohl im Stator (dem Teil, der stillsteht) als auch im Rotor (dem Teil, der sich in der Mitte des Stators dreht) Permanentmagnete haben.

Im Laufe der Zeit haben sich jedoch die Grenzen der Was ist ein Servomotor? und was nicht, sind ein wenig unscharf geworden. Diese Unklarheit ist teilweise auf die erweiterten Einsatzmöglichkeiten von Servoantrieben über die Servosteuerung hinaus zurückzuführen.

Vor Jahrzehnten taten Servoantriebe nicht viel mehr, als ein Befehlssignal zu verstärken, daher auch ihr alternativer Name: Servoverstärker. Als Motion-Control-Technologie Im Laufe der Zeit entdeckten die Ingenieure, dass Servoverstärker modifiziert und so eingestellt werden können, dass sie andere Motortypen auf die gleiche Weise steuern wie Servomotoren. Die heutigen Servoantriebe sind wesentlich vielseitiger und können problemlos für eine Vielzahl von Motortypen konfiguriert werden, ohne dass der Begriff "Servo" in der Bezeichnung fehlt.

Servomotoren werden in Millionen von Anwendungen eingesetzt, von ferngesteuerten Fahrzeugen über CNC-Fräsmaschinen bis hin zu chirurgischen Robotern. Servomotoren sind aus einer Reihe von Gründen beliebt, unter anderem wegen ihrer Energieeffizienz und geringen Größe.

Vor allem aber können sie eine sehr präzise Steuerung bieten, wenn sie über eine Rückmeldevorrichtung und einen Servoantrieb verfügen.  ADVANCED Die Antriebe von Motion Controls sind in der Lage, nahezu jeden Servomotor zu steuern, den Sie finden können.

Gebürsteter Gleichstrom (einphasig)

Gebürstete Gleichstrommotoren sind vielleicht der einfachste Motortyp auf dem Markt. Sie haben Permanentmagnete, die im Stator befestigt sind, und Drahtspulen im Rotor. Wenn elektrischer Strom durch die Spulen fließt, erzeugt das Magnetfeld eine Kraft, die bewirkt, dass sich der Rotor bewegt. Die Frage ist, wie bringt man konstant Gleichstrom zu einem sich drehenden Objekt, ohne dass sich die Drähte verheddern? Die Antwort sind leitfähige Bürsten und ein Kommutator.

Der Kommutator ist ein rundes Stück mit metallischen Kontaktpunkten, die mit jeder der Spulenschleifen des Rotors verbunden sind. Die leitfähigen Bürsten sind nicht wie Haarbürsten; Sie sind typischerweise Stücke einer Graphitmischung, die federbelastet sind, um einen elektrischen Kontakt mit dem Kommutator des Motors herzustellen, während er sich dreht, um den elektrischen Strom bereitzustellen. Sie bieten hervorragende Leistung zu einem günstigen Preis. Ein Nachteil ist jedoch, dass der physische Kontakt zwischen den Bürsten und dem Kommutator Reibung erzeugt, die die Bürsten abnutzt und mit der Zeit viele Staubpartikel erzeugt. Aus diesem Grund sind Bürstenmotoren trotz geringerer Anschaffungskosten über einen längeren Zeitraum anfälliger für Wartungskosten als ihre bürstenlosen Pendants. Für kostengünstige Anwendungen, Anwendungen mit kurzer Lebensdauer oder Anwendungen, bei denen der Motor leicht zugänglich ist, um repariert oder ersetzt zu werden, kann ein DC-Bürstenmotor den Zweck erfüllen.

Die Servomotorsteuerung ist unser Spiel, weshalb jeder einzelne ADVANCED Der Servoantrieb von Motion Controls kann einen DC-Bürstenmotor antreiben, vorausgesetzt natürlich, er liegt im entsprechenden Leistungsbereich.

Bürstenloser Gleichstrom (dreiphasig)

Bürstenlose Motoren gehen den umgekehrten Weg wie Bürstenmotoren. Sie setzen die Permanentmagnete in den Rotor und leiten den Strom durch den Stator. Es gibt keinen mechanischen Kommutator mehr. Stattdessen werden die drei Motorphasen des Stators mit Gleichstrom betrieben und ihre Spulen interagieren mit dem Magnetfeld der Magnete des Rotors. Durch den kontrollierten Wechsel, welche der beiden Motorphasen gleichzeitig aktiv sind, bringen die Magnetfelder den Rotor zum Drehen.

Bürstenlose DC-Motoren kosten normalerweise mehr in der Anschaffung als ihre gebürsteten Gegenstücke. Der reduzierte mechanische Kontakt (AKA, Fehlen von Bürsten) in bürstenlosen DC-Motoren bedeutet jedoch eine hervorragende Wärmeableitung, einen geringeren Wartungsbedarf und einen höheren elektrischen Wirkungsgrad, was auf lange Sicht die Kosten senken kann.

Für Anwendungen, bei denen der Motor für die Wartung möglicherweise nicht leicht zugänglich ist oder eine höhere Effizienz als bei einem Bürstenmotor gewünscht wird, kann ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor die richtige Wahl sein.

Die Steuerung bürstenloser Servomotoren ist mit unseren Produkten einfach. Mit wenigen Ausnahmen können alle unsere aktiv vermarkteten Servoantriebe bürstenlose Gleichstrommotoren betreiben.

Bürstenlose Klimaanlage

Auch als Permanentmagnet-Synchron- oder PMAC-Motoren bekannt, sind bürstenlose AC-Servomotoren unglaublich effizient. Wie bei bürstenlosen Gleichstrommotoren fließt der elektrische Strom durch den Stator und die Permanentmagnete befinden sich im Rotor.

Heutzutage unterscheidet man beim Vergleich von bürstenlosen AC-Motoren mit bürstenlosen DC-Motoren weniger die Motoren selbst, sondern wie sie vom Servoantrieb angetrieben werden. Bei Brushless AC fließt der Strom ständig durch die drei Phasen, aber abwechselnd sinusförmig hin und her, wie Sie es bei der AC-Versorgung aus der Wand sehen würden. Dieses Phänomen erzeugt ein rotierendes Netto-Magnetfeld, das sich viel gleichmäßiger dreht als das Magnetfeld, das durch Ein- und Ausschalten von Motorphasen in einem bürstenlosen Gleichstrommotor erreicht wird.

Ähnlich wie bürstenlose Gleichstrommotoren müssen sie aufgrund des Fehlens mechanischer Bürsten nur selten gewartet werden. Der Nachteil von bürstenlosen Wechselstrommotoren im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (und Wechselstrom-Induktionsmotoren, die später besprochen werden) sind ihre noch höheren Anschaffungskosten. Ihre Leistungseffizienz und die minimalen Wartungskosten können dies jedoch auf lange Sicht wettmachen.

AMC DigiFlex Performance- und FlexPro-Servoantriebe können so konfiguriert werden, dass sie bürstenlose AC-Motoren betreiben, solange ein Feedback-Gerät vorhanden ist.

Andere Rotationsmotoren

Stepper

Schrittmotoren ähneln bürstenlosen Motoren, aber die Bewegung wird in inkrementellen "Schritten" definiert. Wie wird dies erreicht? Rotor und Stator sind mit „Zähnen“ geformt, aber im Gegensatz zu Zahnrädern kämmen die Zähne nicht – sie dienen der magnetischen Ausrichtung. Der Stator hat weniger Zähne als der Rotor, daher können nicht alle Zähne auf einmal ausgerichtet werden. Durch Magnetisieren verschiedener Statorphasen als Nord oder Süd verschiebt sich der Rotor ganz leicht, um sich mit den aktiven Phasen auszurichten oder gegenzuausrichten.

Selbst mit nur zwei oder drei Motorphasen können sich Schrittmotoren bei jedem Schritt in sehr eng kontrollierten Schritten bewegen, die weniger als ein Bewegungsgrad betragen können. Mit Half-Stepping (abwechselnd zwischen 1 und 2 ausgerichteten Phasen gleichzeitig verwenden) und Microstepping (stufenweises Aktivieren und Deaktivieren der Phasen) kann die Auflösung auf Kosten des Drehmoments verdoppelt werden. Dies macht Schrittmotoren ideal für hochpräzise Anwendungen.

Sie sehen die Schrittmotorsteuerung in Druckern (2D und 3D), Optiken, Low-End-Desktop-CNC-Maschinen, Computerkomponenten, Kameraobjektiven und anderen Geräten, die eine präzise Positionssteuerung benötigen. ADVANCED Motion Controls FlexPro- und DigiFlexPerformance-Servoantriebe können Closed-Loop-Schrittmotoren betreiben. Das bedeutet, dass die Motoren Encoder-Feedback benötigen, damit die Servoantriebe sie wie Servomotoren betreiben können.

AC-Induktion

Induktionsmotoren wurden von Nikola Tesla erfunden und sind möglicherweise der häufigste Motortyp der Welt. Im Gegensatz zu den anderen Rotationsmotoren, die wir besprochen haben, verwenden AC-Induktionsmotoren weder im Stator noch im Rotor Permanentmagnete.

Wie bürstenlose AC-Servomotoren beruhen sie auf einer dreiphasigen AC-Schleifenstruktur, die ein rotierendes Netto-Magnetfeld erzeugt. Anstatt jedoch das Feld zu verwenden, um Permanentmagnete im Rotor zu bewegen, induziert der magnetische Fluss einen Strom im Rotor, der als Käfigläufer konstruiert ist. Dieser Strom erzeugt dann ein Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld des Stators interagiert und den Rotor zum Drehen bringt. In gewisser Weise versucht der Rotor ständig, das rotierende Magnetfeld des Stators einzuholen. Der Geschwindigkeitsunterschied wird als Schlupf bezeichnet.

Die Drehzahl eines AC-Induktionsmotors kann einfach durch Einstellen der AC-Frequenz eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Verwendung von Wechselstrom im Gegensatz zu Gleichstrom an sich diese Motoren für Anwendungen mit sehr hoher Leistung sehr attraktiv machen. Infolge. Wechselstrom-Induktionsmotoren werden üblicherweise für große Geräte wie Kräne, Aufzüge, Elektroautos und andere schwere Maschinen verwendet. Alle ADVANCED Die digitalen Servoantriebe von Motion Controls können Closed-Loop-Vektormotoren betreiben, im Wesentlichen AC-Induktionsmotoren mit Encoder-Feedback.

Nichtrotierende Motoren

Nicht bei allen Bewegungssteuerungsanwendungen geht es darum, etwas herumzudrehen oder Gelenke zu bewegen.

Linearmotoren

Linearmotoren können als "abgerollte" bürstenlose Gleichstrommotoren betrachtet werden, bei denen Stator und Rotor vertauscht sind. Es gibt eine lange Spur aus Permanentmagneten mit wechselnder Polarität und einen beweglichen Wagen mit drei Spulenphasen. Die Stromrichtung durch diese Spulen magnetisiert die Phasen Nord oder Süd, wodurch sie entlang der Motorbahn gezogen bzw. geschoben werden.

Diese Motoren werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise und schnelle lineare Bewegung erforderlich ist, wie z. B. industrielle 3D-Drucker oder AMCs Ballwurf-Demos. Sie können horizontal, vertikal oder in einem Winkel ausgerichtet sein. Diese Funktionen haben jedoch buchstäblich ihren Preis; Linearmotoren sind viel teurer als andere Motortypen.

Alle ADVANCED Die digitalen Servoantriebe Motion Controls DigiFlex Performance und FlexPro können Linearmotoren betreiben.

Linearantrieb

Linearantriebe sind eine Alternative zu Linearmotoren. Technisch gesehen sind sie nicht wirklich eine andere Art von Motor. Sie sind ein Rotationsmotor, wie z. B. ein Servo-, Induktions- oder Schrittmotor, der mit einem Kugelgewindetrieb gekoppelt ist, um eine lineare Bewegung zu erzeugen. Da dieses Design sehr spielanfällig ist, wird häufig eine Rückkopplung mit zwei Schleifen verwendet, wenn Präzision erforderlich ist. Die Schleifen verwenden ein Rückkopplungsgerät am Rotationsmotor und ein Gerät an der sich linear bewegenden Komponente.

Linearaktuatoren sind in vielen Geräten zu finden, z. B. in großen Werkstattmaschinen, Desktop-3D-Druckern und großen Portalsystemen. Sie sind in der Regel eine kostengünstigere Alternative zu DC-Linearmotoren, wobei der Kompromiss niedrigere Höchstgeschwindigkeiten und mehr Platzbedarf für die Integration (aufgrund des Rotationsmotors) sind. Ein Bewegungssteuerungssystem mit einem Linearantrieb kann jedoch unglaublich effizient sein und größere Kräfte erzeugen als Systeme mit einem Linearmotor.

Schwingspulen

Schwingspulen sind einphasige Linearmotoren mit einem begrenzten Hub von weniger als einem elektrischen Zyklus. Sie sind nützlich für ihre Reaktionsgeschwindigkeit, Präzision und Genauigkeit.

Schwingspulen sind am häufigsten in Audiolautsprechern zu finden. Die Hin- und Herbewegung, gepaart mit dem kurzen Bewegungsbereich und der Präzision, ermöglicht es Schwingspulen, die Vibrationen zu erzeugen, die aus elektrischen Signalen hörbare Geräusche machen. In Motion-Control-Anwendungen werden Schwingspulenmotoren für lineare Bewegungen über einen kurzen Bereich verwendet, wie z um unerwünschten Vibrationen entgegenzuwirken, oder jede Kurzhub-Positionierungsanwendung, bei der hohe Geschwindigkeit und Präzision erforderlich sind.

Die Verwendung eines Servoantriebs zur Steuerung einer Schwingspule ist analog zur Steuerung eines gebürsteten DC-Servomotors, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass die Bewegung linear statt rotierend ist. Bei einer Servomotorsteuerung ist der Strom proportional zum Drehmoment, während bei einer Schwingspulensteuerung der Strom proportional zur Kraft ist. Und da alle unsere Servoantriebe Bürstenmotoren steuern können, können sie alle auch Schwingspulen steuern.

Abschließende Gedanken

Hoffentlich gibt Ihnen dieser Blog eine Vorstellung von den verschiedenen Motortypen da draußen und wie sie jeweils verwendet werden können. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Art von Motor Sie für Ihre Bewegungssteuerungsanwendung benötigen, kontaktieren Sie uns. Auch hier stellen wir keine Motoren her, aber wir kennen alle Aspekte der Bewegungssteuerung und sprechen gerne Empfehlungen aus. Gemeinsam mit Ihnen stellen wir eine Bewegungssteuerungslösung zusammen, die alle Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllt.

von Jackson McKay, Marketingingenieur