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Auslegung elektrischer Antriebe

 

Mechanische Motorauslegung

Servomotoren werden von den Herstellern für einen definierten Arbeitsbereich ausgelegt. Dieser Arbeitsbereich ist im Datenblatt des Servomotors spezifiziert. Ein Betrieb außerhalb des Arbeitsbereiches ist im allgemeinen nicht zulässig und führt zu einer Beschädigung des Motors.

 

Kennliniendiagramm für mechanische Grenzkurven

Für den ersten Schritt der Motorauswahl sind die mechanischen Grenzdaten von Bedeutung. Sie werden vom Hersteller als Kennliniendiagramme angegeben und grenzen den Arbeitsbereich des Motors hinsichtlich der Drehzahl und des Drehmomentes ein. Von Bedeutung sind dabei folgende Grenzkennlinien:

• Das Grenzdrehmoment ist eine Konstante und definiert das maximale Drehmoment, das der Motor abgeben kann. Das Grenzdrehmoment ist durch die mechanische Konstruktion insbesondere der Motorwelle festgelegt.
• Die Grenzdrehzahl ist ebenfalls eine Konstante und gibt die maximale Drehzahl an, mit der der Motor betrieben werden darf. Bei einer Überschreitung kann es zu Beschädigungen der Lager und des Läufers kommen.
• Die Spannungsgrenzkurve begrenzt das Motordrehmoment in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Diese Grenzkurve berücksichtigt, dass durch die Rotation des Läufers eine Gegenspannung in der Ständer- oder Ankerwicklung induziert wird, die von der speisenden Spannung kompensiert werden muss. Da die induzierte Gegenspannung mit steigender Drehzahl anwächst, erreicht sie bei einer bestimmten Drehzahl den Spannungsbetrag, mit dem der Motor maximal betrieben werden darf. Im allgemeinen ist die maximal zulässige Spannung mit der Nennspannung des Motors identisch.
  Die Spannungsgrenzkurve verläuft je nach Motortyp unterschiedlich. Während sie bei permanent erregten Synchron- und Gleichstrommotoren sowie bei Schrittmotoren sehr steil abfällt und die x-Achse schneidet, verläuft sie bei Asynchron- und fremd erregten Gleichstrommotoren aufgrund des möglichen Feldschwächbetriebes asymptotisch.
  Um genügend Reserven beim Auftreten von Netzspannungsschwankungen zu haben, ist bei der Auslegung ein Sicherheitsabstand zur Spannungsgrenzkurve von mindestens 10 % einzuhalten.
  
  Hinweis: Auch Synchronmotoren können mit Feldschwächung betrieben werden. Da dafür aber besondere Schutzmaßnahmen im Stellgerät erforderlich sind, wird dieser Betriebsfall nicht weiter betrachtet.
  

Vorauswahl von Motoren unter Verwendung der mechanische Grenzkurven

Zur Auswahl eines Motors werden die markanten Punkte für die Motordrehzahl und das Motordrehmoment aus den durch das Lastspiel vorgegebenen zeitlichen Verläufen in das Diagramm der Grenzkennlinien übertragen.

Für jeden in Betracht kommenden Motor werden seine Grenzkennlinien eingetragen. Liegen alle Punkte des Lastspiels im zulässigen Arbeitsbereich, ist der entsprechende Motor unter mechanischen Gesichtspunkten in der Lage, das geforderte Lastspiel zu erfüllen.
Alle Motoren, die diese Bedingung erfüllen, werden vorausgewählt und in den folgenden Auslegungsschritten weiter betrachtet. Alle anderen Motoren werden aussortiert und in die folgenden Auslegungsschritte nicht mehr mit einbezogen.