Der kürzeste Weg zwischen Mechanik und Elektronik In einer Millisekunde von 0 auf 1000 U/min!

Die hier vorgestellte Kombination aus Glockenankermotor und Linearverstärker ist ein Antriebssystem von extrem hoher Dynamik. Der Motor beschleunigt innerhalb einer Millisekunde von 0 auf 1000 U/min. Das System bietet sich überall dort an, wo kürzeste Taktzeiten sowie höchste Bearbeitungsgeschwindigkeit und Präzision gefordert sind. Diese Servoverstärker arbeiten zudem absolut störungsfrei.

Dieses Antriebssystem von SERVOWATT, eignet sich somit für hochdynamische CNC-Maschinen, Spezial-Roboter und -Automaten und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen aller Art. Der eisenlose Glockenanker bedeutet minimales Trägheitsmoment und minimale Induktivität, zusammen mit der Ausgangsimpedanz Null am Ausgang des Verstärkers sind das die Voraussetzungen für eine sehr präzise Führung des Motors und eine extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit.

Der Linearverstärker

Der Leistungs-Operations-Verstärker Type DCP520/60B arbeitet mit einer bipolaren Linearendstufe gegen Masse, die einen Dauerausgangsstrom von 12 A bei 50 V liefert. Zum Beschleunigen und Bremsen liefert er einen Impulsausgangstrom von 60 A über eine Zeit von 100 ms, entsprechend einem Impulsdrehmoment von 6,4 Nm. Die 500 W Endstufe für 4Q-Betrieb ist dauerkurzschlußsicher ausgelegt. Sie enthält Hochleistungstransistoren im Verlustleistungsgesamtwert von 3000 W. Diese Technik ist industrieerprobt und arbeitet sehr zuverlässig.

Die Hauptgründe für den Einsatz solcher Linear-Endstufen sind:

- Sie erzeugen keinerlei EM-Störungen. Der Antrieb kann somit in Präzisions-Maschinen und in besonderen Robotern eingesetzt werden, die empfindliche Messungen, z.B. im Ultraschallbereich, durchführen.(Bild 5)

- Sie benötigen keine Drosseln am Ausgang. Die Ausgangsimpedanz ist nahezu Null und ist daher besonders geeignet, den Rotor optimal zu dämpfen. Die extrem kleine Induktivität von 0,24 mH erlaubt hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten für schnellste Momentänderungen, Voraussetzung für hochdynamische Präzisionsantriebe mit großer Wellensteifigkeit.

- Sie arbeiten ohne Totzeit und sind nahezu beliebig schnell. Der Servoverstärker besitzt eine Leistungsbandbreite von mehr als 20 kHz, eine weitere Voraussetzung für einen hochdynamischen Positionierregler. Der typische Frequenzgang des Motors kann durch den Linearverstärker so gut kompensiert werden, dass ein schnelles und gleichzeitig aperiodisches Einschwingen (ohne Über- und Ausschwingen) möglich wird.

Der Glockenankermotor

Der 6-polige Glockenankermotor vom Typ 55NM81 mit extrem starken Alnico-V5 Magneten besitzt ein extrem kleines Massenträgheitsmoment von 71 x 10-6 kgm2. Die maximale Drehzahl wurde für Anwendungen als Direktantrieb auf 2500 min-1 ausgelegt. Das Nennmoment ohne Kühlung beträgt 1,8 Nm bei 12 A, mit Luftkühlung bewältigt dieser Motor ein Dauermoment bis zu 3 Nm bei 20 A. Als Impuls-Drehmoment erreicht dieser Motor 10 Nm mit einem Strom von 60 A. Die max. Winkelbeschleunigung ohne Last liegt bei 143.000 rad/s2. Diese Eigenschaften machen diesen Motor für hochdynamische Anwendungen bis 1500 Watt Impulsleistung weltweit einzigartig.

Die Hauptgründe für den Einsatz dieser Glockenanker DC-Motoren

- Der Rotor ist als selbsttragende Kupferspule gewickelt (Bild 2). Kein Eisen im Rotor bedeutet kleines Trägheitsmoment und gleichzeitig eine kleine Induktivität sowie absolute Freiheit von Rastmoment und Bremsmomente bedingt durch Ummagnetisierungsverluste. Eine weitere wichtige Eigenschaft besteht darin, daß die Drehmomentkonstante eine extrem kleine Welligkeit aufweist. Das abgegebene Drehmoment ist somit unabhängig sowohl von der Lage als auch von der jeweiligen Geschwindigkeit. Diese Eigenschaften werden z.B. in der Entwicklung und Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Bürstenlos-Antrieben in besonderen Prüfständen verwendet.

- Die angekoppelte Tachometer-Spule mit einem Trägheitsmoment von nur 30*10-6 liefert einen absolut verzögerungsfreien Geschwindigkeits-Istwert. Die Tacho-Motor-Torsionsresonanzfrequenz wurde durch eine besonders starre Kopplung auf über 6 kHz angehoben. Der unverzögerte Messwert der Tachospannung wird regelungstechnisch für eine möglichst hohe interne Regelverstärkung verwendet, die wiederum in einer hohen Steifigkeit und Leistungs-bandbreite resultiert. Das sind die herausragenden Eigenschaften dieses Motors.

- Da im Tacho kein Eisen ummagnetisiert wird, arbeitet dieser frei von unerwünschten Effekten wie Hysterese. Die Bürsten sind doppelt und mit einem Winkelversatz ausgeführt, d.h. für beide Drehrichtungen optimiert. Der Motor kann daher makellos sauber arbeiten, auch bei schleichenden Drehzahlen. Genau diese Details aber ermöglichen erst ein Arbeiten mit sehr hoher Proportionalverstärkung, wodurch die Welle des Antriebs besonders steif, bzw. unempfindlich gegen Störmomente wird. Der praktisch nutzbare Geschwindigkeitsregelbereich liegt bei über 10.000 : 1. Alle Eigenschaften zusammen ergeben aufeinander abgestimmt einen Antrieb für höchste Anforderungen an Präzision und Dynamik.

Bild 3) zeigt die Sprungantwort der Drehzahl für Drehzahländerungen um 2.000U/min. Dieses aperiodische Einschwingen zeigt im Vergleich mit dem Einschwingverhalten anderer Antriebe, warum dieses Antriebssystem auch neben bürstenlosen Systemen immer eine Daseinsberechtigung haben wird: Es ist bezüglich Dynamik und Dämpfung aufgrund seiner physikalischen Parameter anderen Systemen überlegen.

Das System der selbsttragenden Kupferspule im statischen Magnetfeld ist erstens in der Dynamik unübertroffen und zweitens umschließt diese Spule kein Eisen und ist somit extrem induktivitätsarm. Das mustergültige Einschwingverhalten beweist die extreme Leistungsbandbreite dieses Systems. Die rotierende Spule im statischen Magnetfeld wird physikalisch bezüglich Verluste, Rastmomentfreiheit und kleiner Induktivität immer der Umkehrung überlegen sein, bestehend aus rotierenden Magneten im Spalt. Sehr zu Recht hat die Schweizer Firma Portescap vor vielen Jahren in einer physikalischen Abhandlung über den DC-Korbankermotor verkündet: “ Der kürzeste Weg zwischen Mechanik und Elektronik “... Es scheint, daß diese Aussage für immer gültig bleiben wird.

Die richtige Ansteuerung

Bei der Frage nach der richtigen Ansteuerung für diesen Antrieb stellt man fest, dass die Abtastzeit einer Achssteuerung von mehr als 1ms sicher viel zu langsam ist, um seine Dynamik zu nutzen. Schon sinnvoller sind Abtastzeiten von 50 bis 300 µs in modernen Positionierungen. Nicht vergessen sollte man analoge Positionierungen da, wenn diese richtig ausgelegt werden nicht nur sehr schnell, sondern auch vor allem stufenlos positioniert werden kann.
Ein Beispiel, das die Dynamik demonstriert:: Der Motor positioniert 100 mal pro Sekunde in Winkelschritten von 1/100 Umdrehung und verharrt dort jeweils 8 ms, um eine Messung zu erlauben. In 1 Sekunde wurden somit in einer Umdrehung 100 Winkellagen angefahren und während insgesamt 0,8 Sekunden 100 Messungen durchgeführt.

Anwendungen

Der Antrieb eignet sich insbesondere als Zustellachse in Hochleistungs-Präzisionsmaschinen die im Mü- oder sub-Mü-Bereich arbeiten, wie zum Beispiel: Schleifmaschinen für Präzisionsteile, für Verzahnungen und Schrägverzahnungen, Zahradmeßmaschinen, Präzisionsdrehmaschinen, Drehmaschinen für unrunde Teile, genannt auch Vibrationsdrehmaschinen usw.

Auch für sehr schnelle Fertigungseinrichtungen und spezielle Roboter ist der Antrieb geeignet, wie z.B. XY-Koordinatentische, Bestückungs- und Montageautomaten für Kleinteile, Sortierautomaten für Halbleiter, Folien- und Papierverarbeitungsmaschinen, Schnelldrucker bis zu 2500 Zeilen pro Minute, Hochgeschwindigkeits-Wickelautomaten und Laser-Trimmautomaten für Schichtwiderstände.

Aufgrund der kleinen Drehmoment-Welligkeit des Motors eignet er sich auch als trägheitsarmer Drehmomenterzeuger in Prüfeinrichtungen (Linearität besser als 3%). Somit kann der Antrieb auch sehr gut auch in Motorprüfständen eingesetzt werden, wobei das Drehmoment proportional-linear über den Strom stetig verändert wird. Auch zur Erzeugung von Impuls-Störmomenten können verschiedene Kurvenformen wie z.B. rechteckig, dreieckig, sinusförmig und frei programmierbar fast trägheitslos erzeugt werden. Für diesen Fall arbeitet der 4Q-Regler beschaltet als bipolare Stromquelle.

In High-Tech-Anwendungen wird der Verstärker DCP 520/60 eingesetzt, um einphasige bürstenlose Linearmotoren und Aktuatoren anzutreiben. Es werden bereits hierfür verschiedene Aktuatoren serienmäßig angeboten, wie z.B. in Bild 4 mit 200N. Besondere Konstruktionen erlauben alle Vorzüge des Leistungsoperationsverstärkers zu nutzen: Sie arbeiten hochdynamisch , steif, optimal bedämpft und sind daher bis in den Nanobereich einsetzbar.

Bild 1:
500W Servoverstärker mit Linearendstufe DCP520/60B mit Glockenankermotor 55NM81-120-1

Bild 2:
Herzstück des Glockenanker-Motors: die selbsttragende Rotorspule, bestehend nur aus Kupferdraht, Glasfaser und Epoxydharz. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator beträgt nur 0,25 mm. Man beachte die massive Verbindung zwischen der Antriebsspule und der Tachospule, um eine möglichst steife Kopplung zu erreichen. Die mechanische Torsions-Resonanz zwischen diesen liegt bei ca. 6.000 Hz. Das ist das wesentliche Konstruktions-Geheimnis, daß die unglaubliche Steifigkeit des Antriebes möglich macht.

Bild 3:
Beschleunigungsdiagramm des Motors 55NM81-120-1: Von Null auf 2000 min-1 in ca. 2,7ms, fast überschwingungsfrei. Die Impulsstrom wurde hierbei auf 40 A begrenzt, die Winkelbeschleunigung erreicht 78.000 rad/s2. Mit maximal 60 A würde die Beschleunigung sogar auf 120.000 rad/s2 ansteigen.

Bild 4:
Linear-Aktuator: Das Steuerungsverfahren von SERVOWATT liefert hochgenaue Positionierung bis in den Nanometer-Bereich, hochdynamisch und mit optimaler Dämpfung und Steifigkeit.

Bild 5:
Strahlungsarm Logo zum einbinden in den Text bei Anwendungen: “Sie erzeugen keinerlei EM-Störungen......“

Bild 6:
Titelbild des Artikels zum demonstrieren der extremen Dynamik bei der Beschleunigung von nur 3° könnte direkt nach einer Headline plaziert werden. Start-Stop-Betrieb mit einem leisen Klick: Von Null auf 1000 U/min in 1 Millisekunde. Der zurückgelegte Beschleunigungswinkel beträgt hierbei weniger als 3°.

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