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FAULHABER SA

Elektrische Antriebe für die Automation

Für die industrielle Automatisierung sind insbesondere vier Motorprinzipien relevant:

• 1. Asynchronmotor

• 2. Schrittmotor

• 3. bürstenbehafteter DC-Servomotor

• 4. bürstenloser Servomotor

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Die wichtigsten Unterschiede liegen in Aufbau, Kommutierung, Regelbarkeit, Dynamik, Kosten und erforderlicher Rückführung.

Asynchronmotor

Technologie und Funktionsweise: Der Asynchronmotor ist eine Wechselstrommaschine, deren Drehmoment durch elektromagnetische Induktion entsteht. Beim dreiphasigen Motor erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld. Dieses induziert Ströme im Rotor. Die Wechselwirkung zwischen Rotorstrom und Magnetfeld erzeugt das Drehmoment. Der Rotor erreicht dabei nicht exakt die synchrone Drehzahl des Drehfeldes. Die Differenz wird als Schlupf bezeichnet und ist für die Induktion des Rotorstroms und damit für die Drehmomentbildung erforderlich.

Die synchrone Drehzahl beträgt [n_s = \frac{60 f}{p}] mit: (n_s): synchrone Drehzahl in min⁻¹; (f): Frequenz in Hz und (p): Polpaarzahl. Die tatsächliche Rotordrehzahl liegt unter Last unterhalb dieser Drehzahl.

Arten von Asynchronmotoren

Käfigläufermotor: Der Käfigläufer ist die mit Abstand wichtigste Bauform. Der Rotor besteht aus elektrisch leitenden Stäben, die an den Enden über Kurzschlussringe verbunden sind. Merkmale sind eine sehr robuster Aufbau, keine Schleifringe, geringe Wartung, niedrige Kosten und eine hohe Zuverlässigkeit. Daher ist der Käfigläufer für zahlreiche industrielle Anwendungen die Standardlösung.

Schleifringläufer: Beim Schleifringläufer besitzt der Rotor eine gewickelte Drehstromwicklung. Die Rotorwicklung wird über Schleifringe und Bürsten nach aussen geführt. Dadurch kann beispielsweise ein zusätzlicher Rotorwiderstand zugeschaltet werden. Der Widerstand kann das Anlaufverhalten beeinflussen und insbesondere das Anlaufmoment erhöhen beziehungsweise den Anlaufstrom reduzieren. Schleifringläufer werden vor allem bei grossen Antrieben und Anwendungen mit hohem Anlaufmoment eingesetzt, beispielsweise bei schweren Förderanlagen, Mühlen oder Brechern.

Einphasen-Asynchronmotoren: Einphasen-Asynchronmotoren werden dort eingesetzt, wo kein Drehstromnetz verfügbar oder erforderlich ist. Da ein reines Einphasenfeld kein selbstständiges Anlaufdrehmoment erzeugt, benötigen sie Hilfskonstruktionen, beispielsweise: Hilfswicklung, Kondensator, Spaltpol und spezielle Anlaufverfahren. In der industriellen Automatisierung spielen sie gegenüber dreiphasigen Motoren eine deutlich geringere Rolle.

Anlauf- und Drehmomentverhalten

Beim direkten Einschalten eines Käfigläufermotors entsteht ein hoher Einschalt- bzw. Anlaufstrom. Gleichzeitig entwickelt der Motor ein endliches Anlaufmoment. Typischerweise steigt das Drehmoment ausgehend vom Stillstand zunächst auf das Anlaufmoment, kann anschliessend ein Minimum beziehungsweise Maximum durchlaufen und erreicht schliesslich das Nennmoment im Bereich der Nennlast. Die genaue Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie hängt stark von der Motorauslegung ab.

Beim direkten Netzbetrieb sind folgende Punkte relevant: hoher Anlaufstrom, mechanische Belastung durch Beschleunigung, begrenzte Möglichkeit zur Drehzahlvorgabe, Drehzahl wird primär durch Netzfrequenz und Polzahl bestimmt, Schlupf steigt mit der Belastung. Bei grossen Motoren kann der hohe Anlaufstrom das Netz erheblich belasten. Schleifringmotoren ermöglichen durch zusätzlichen Rotorwiderstand eine günstigere Kombination aus Anlaufstrom und Anlaufmoment.

Mit einem Frequenzumrichter lässt sich das Verhalten wesentlich verbessern. Frequenz und Spannung werden so verändert, dass Drehzahl und Drehmoment geregelt werden können. Moderne Umrichter verwenden dabei beispielsweise feldorientierte Regelungsverfahren.

Vorteile

• sehr robuster Aufbau

• hohe Lebensdauer

• keine Bürsten beim Käfigläufer

• relativ geringe Kosten

• hohe Leistungsbereiche

• geringer Wartungsbedarf

• sehr gut für Dauerbetrieb geeignet

• gute Effizienz

• in Verbindung mit Frequenzumrichter variable Drehzahl

• grosse Auswahl an Baugrössen

Nachteile

• direkte Positionierung nicht möglich

• Drehzahlabweichung durch Schlupf

• begrenzte Dynamik gegenüber Servomotoren

• hoher Anlaufstrom bei Direktanlauf

• bei niedrigen Drehzahlen abhängig von der Kühlung

• aufwendigere Regelung für hochdynamische Positionieraufgaben

Typische Einsatzgebiete

• Pumpen

• Lüfter

• Kompressoren

• Förderanlagen

• Extruder

• Mischanlagen

• allgemeine Maschinenantriebe

• Spindeln und Hilfsachsen

• grössere Leistungsantriebe

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