Einführung in Permanentmagnet-Schrittmotoren

 Schrittmotoren sind seit vielen Jahrzehnten eine tragende Säule präziser Bewegungssteuerungssysteme. Ein bekannter Schrittmotortyp ist der Permanentmagnet-Schrittmotor. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise, den Vorteilen und den Einsatzmöglichkeiten dieser nützlichen Motorvariante.

 

Den Permanentmagnet-Schrittmotor verstehen

Ein Permanentmagnet-Schrittmotor ist eine Art Schrittmotor, der Permanentmagnete in seinem Rotor, dem rotierenden Teil des Motors, verwendet. Schrittmotoren arbeiten mit einem Innenrotor, der sich als Reaktion auf kontrollierte elektrische Impulse dreht (oder „Schritte“ macht), die an den Stator, den nicht beweglichen Teil des Motors, abgegeben werden.

 

Das Funktionsprinzip von Permanentmagnet-Schrittmotoren

Das grundlegende Funktionsprinzip eines Permanentmagnet-Schrittmotors beruht auf der Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern von Stator und Rotor. Wenn ein Strom durch die Wicklungen des Stators fließt, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld interagiert mit dem Permanentmagnetfeld des Rotors und bewirkt, dass sich der Rotor dreht oder „schritt“.

 

Einphasenerregung: In diesem Modus wird jeweils nur eine Phasenwicklung mit Strom versorgt. Es führt zu dem geringsten Drehmoment und der geringsten Leistung, spart aber Energie.

Zweiphasenerregung: In diesem Modus werden zwei Phasenwicklungen gleichzeitig mit Strom versorgt. Es bietet ein höheres Maß an Drehmoment und Leistung im Vergleich zur einphasigen Erregung.

 

Vorteile von Permanentmagnet-Schrittmotoren

PMSMs werden wegen ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber anderen Motortypen geschätzt. Sie bieten eine hervorragende Präzision und Kontrolle und eignen sich daher besonders für Anwendungen, die eine hochpräzise Positionierung erfordern. Diese Motoren sind aufgrund der Verwendung von Permanentmagneten hocheffizient und benötigen keinen Strom, um ihr Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus weisen PMSMs eine geringe Rotorträgheit auf, was schnelle Starts, Stopps und Umkehrungen ermöglicht.

 

Anwendungen von Permanentmagnet-Schrittmotoren

Aufgrund ihrer beeindruckenden Eigenschaften finden PMSMs in zahlreichen Branchen und Anwendungen breite Anwendung. Man findet sie häufig in Computerperipheriegeräten wie Druckern und Festplattenlaufwerken sowie in der Robotik, wo eine präzise Bewegungssteuerung von größter Bedeutung ist. Weitere Anwendungen umfassen Industriemaschinen, medizinische Geräte und eine Vielzahl von Automatisierungssystemen.

 

Schlussfolgerung

Das Verständnis der Rolle und Bedeutung von Permanentmagnet-Schrittmotoren in verschiedenen Branchen gibt einen Einblick in die Bedeutung dieser Motoren. Da der technologische Fortschritt weiter voranschreitet, wird erwartet, dass die Rolle und der Einfluss von PMSMs nur noch zunehmen.

Source: https://www.oyostepper.de/article-1161-Einf%C3%BChrung-in-Permanentmagnet-Schrittmotoren.html

Wie erreicht man die Beschleunigung und Verzögerung des Schrittmotors?

 Schrittmotoren können nur durch digitale Signale gesteuert werden. Wenn dem Treiber Impulse zugeführt werden, sendet die Schrittmotorsteuerung zu viele Impulse in zu kurzer Zeit, d ins Stocken geraten. Um dieses Problem zu lösen, müssen Beschleunigung und Verzögerung genutzt werden. Das heißt, wenn der Schrittmotor günstig startet, muss die Impulsfrequenz schrittweise erhöht werden, und beim Abbremsen muss die Impulsfrequenz schrittweise verringert werden. Dies wird oft als „Beschleunigungs- und Verzögerungsmethode“ bezeichnet.

Die Geschwindigkeit des Schrittmotors ändert sich entsprechend der Änderung des Eingangsimpulssignals. Wenn dem Schrittmotortreiber ein Impuls gegeben wird, dreht sich der Schrittmotor theoretisch um einen Schrittwinkel (bei Unterteilung handelt es sich um einen Unterteilungsschrittwinkel). Wenn sich das Impulssignal tatsächlich zu schnell ändert, kann die magnetische Reaktion zwischen Rotor und Stator aufgrund der Dämpfungswirkung der internen elektromotorischen Gegenkraft des Schrittmotors der Änderung des elektrischen Signals nicht folgen führt zum Abwürgen und zum Verlust von Stufen.

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Wenn der Schrittmotor mit hoher Geschwindigkeit startet, muss daher die Methode zur Erhöhung der Impulsfrequenz verwendet werden. Beim Stoppen erfolgt außerdem ein Verzögerungsprozess, um eine präzise Positionierungssteuerung des Schrittmotors sicherzustellen.

Der Beschleunigungsvorgang ist eine Beschleunigungskurve, die sich aus der Grundfrequenz (niedriger als die höchste Direktanlauffrequenz des Schrittmotors) und der Sprungfrequenz (die Frequenz, die allmählich beschleunigt) zusammensetzt (für den Verzögerungsvorgang gilt das Umgekehrte). Die Sprungfrequenz bezeichnet die Frequenz, mit der der Schrittmotor allmählich über die Grundfrequenz hinaus ansteigt. Diese Frequenz darf nicht zu hoch sein, da es sonst zum Abwürgen und Verlust von Schritten kommt.

Die Beschleunigungs- und Verzögerungskurve ist im Allgemeinen eine Exponentialkurve oder eine modifizierte Exponentialkurve. Selbstverständlich kann auch eine Gerade oder eine Sinuskurve verwendet werden. Die Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung kann mithilfe eines Ein-Chip-Mikrocomputers oder einer SPS erfolgen. Für unterschiedliche Belastungen und unterschiedliche Geschwindigkeiten ist es notwendig, die entsprechende Grundfrequenz und Sprungfrequenz auszuwählen, um den besten Steuereffekt zu erzielen.

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Normalerweise beträgt die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit zur Fertigstellung des Schrittmotors mehr als 300 Millisekunden. Wenn eine zu kurze Beschleunigungs- und Verzögerungszeit verwendet wird, ist es bei den meisten Schrittmotoren schwierig, eine Hochgeschwindigkeitsdrehung des Schrittmotors zu erreichen.

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Wie funktioniert ein Frequenzumrichter?

 Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters (VFD) können Sie Energiekosten und -verbrauch sparen. VFDs können außerdem Prozesse straffen, den Wartungsaufwand reduzieren, die Produktion steigern und die Lebensdauer Ihrer Ausrüstung verlängern.

Ein VFD oder frequenzvariabler Antrieb ist ein elektronisches Gerät zur Steuerung eines AC-Induktions- oder Synchronmotors. Ein VFD steuert das Drehmoment, die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Motors, startet sanft und beschleunigt den Motor mit einer kontrollierten Beschleunigungsrate auf die gewünschte Geschwindigkeit.  Auch die Abbremsung wird gesteuert, und eine Bremsfunktion ist optional erhältlich.

Mit VFDs können Sie einen einzigen Motor für eine Vielzahl von Prozessen und Bedingungen verwenden, die möglicherweise unterschiedliche Geschwindigkeiten erfordern. Andere Namen für einen VFD sind:

Antrieb mit einstellbarer Geschwindigkeit

Antrieb mit einstellbarer Frequenz

Antrieb mit variabler Spannung/variabler Frequenz

AC-Antrieb

Mikroantrieb

Wechselrichter

Antrieb mit variabler Geschwindigkeit

Wie funktioniert ein VFD?

Ein Frequenzumrichter nimmt feste Wechselspannung und Frequenz in eine Gleichrichterbrücke auf, um die Spannung in Gleichstrom umzuwandeln, verwendet eine Kondensatorbank und Induktoren, um den Gleichstrom zu filtern, kehrt dann die Gleichspannung zurück in Wechselstrom und sendet sie mit der gewünschten Frequenz an den Motor. Kurz gesagt, ein VFD überträgt eine Spannung und Frequenz auf eine andere, um die Motordrehzahl zu ändern, ohne Drehmoment zu verlieren.

Wann sollte ein Frequenzumrichter verwendet werden?

VFDs werden in Systemen eingesetzt, die von Wechselstrom-Elektromotoren betrieben werden, in Anwendungen von der Fertigung bis zur Klimatisierung. Es gibt viele Gründe, sich für ein System mit Frequenzumrichter zu entscheiden.

Zur präzisen Steuerung der Geschwindigkeit eines Fertigungsprozesses.

Für einen sanften Start und eine vorsichtige Beschleunigung auf Betriebsgeschwindigkeit.

Um Energieeinsparungen zu erzielen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Drehmoment und Leistung einer Last nichtlinear variieren. Lüfter und Pumpen mit variablem Drehmoment sind gute Kandidaten für Einsparungen.

Um Prozess- und Qualitätsverbesserungen bei Beschleunigung, Durchfluss, Überwachung, Geschwindigkeit, Temperatur, Spannung, Drehmoment und Druck Ihrer Anwendung vorzunehmen.

Einen Motor in speziellen Mustern laufen lassen, um mechanische und elektrische Belastungen zu minimieren.

VFDs reduzieren oder eliminieren die Stromstöße, die zum Starten eines Motors "über die Leitung" erforderlich sind, erheblich. Abgesehen von den Stromstößen, die bis zum Achtfachen des Volllaststroms des Motors betragen können, kann diese Art des Starts auch für die mechanischen Komponenten der angetriebenen Last schädlich sein.

Source: https://www.oyostepper.de/article-1156-Wie-funktioniert-ein-Frequenzumrichter.html

Die Nachteile und Vorteile des Permanentmagnet-Schrittmotors

  Was ist ein PM-Schrittmotor?

Permanentmagnet-Schrittmotoren, auch „Blechdosen“-Schrittmotoren genannt, sind die einfachste Art von Schrittmotoren. Sie bestehen aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem Stator mit zwei Spulen. Wenn Strom an eine der Spulen angelegt wird, erzeugt diese ein Magnetfeld, das den Permanentmagnetrotor anzieht. PM-Schrittmotoren sind in der Regel kostengünstiger und einfacher im Design als Hybrid-Schrittmotoren.

Wann sollte ein PM-Schrittmotor verwendet werden?

PM-Schrittmotoren werden häufig in kleinen Robotikprojekten, Kameras und Spielzeugen verwendet, bei denen die Lautstärke sehr hoch ist. Sie werden auch in medizinischen Geräten, wissenschaftlichen Instrumenten und in der Laborautomatisierung eingesetzt, die eine präzise Steuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordern, beispielsweise in hochpräzisen Mikroskopen und automatisierten Pipettiersystemen. Sie können auch in Automobilanwendungen wie elektrischen Servolenkungssystemen, Drosselklappensteuerungen und Bremssystemen eingesetzt werden.

Vor- und Nachteile eines permanenten Schrittmotors:

Die Vorteile eines Permanentmagnet-Schrittmotors sind:

Es ist kompakt und klein, was es für viele Anwendungen nützlich macht.

Aufgrund der fehlenden externen Anregung sind die Verluste geringer.

Aufgrund des Fehlens jeglicher äußerer Erregung ist der Wartungsaufwand geringer.

Es kann an den externen Stromkreis angeschlossen werden, um die Drehzahl des Motors zu steuern.

Zur Lokalisierung der Rotorwicklungen können Sensoren eingesetzt werden.

Kann in einem breiten Drehzahl- und Drehmomentbereich betrieben werden.

Präzise Kontrolle.

Die Nachteile eines Permanentmagnet-Schrittmotors sind:

Aufgrund der Einschränkungen bei Permanentmagneten kann dieser nicht für Hochleistungsanwendungen verwendet werden.

Das erzeugte Drehmoment ist begrenzt.

Die Lebensdauer eines Permanentmagneten ist begrenzt.

Anwendungen:

Die Anwendungen eines Permanentmagnet-Schrittmotors sind:

Luftfahrtindustrie

Robotik

Spielzeuge

Herstellung

Kontrollieren Sie die Industrie

Mühlen und Druckerei

Source: https://www.oyostepper.de/article-1154-Die-Nachteile-und-Vorteile-des-Permanentmagnet-Schrittmotors.html