Aktorik Zusammenfassung kurz PDF

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Reduzierte Zusammenfassung...

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1. Grundlagen Definition Aktor: Aktoren sind die Verbindungsglieder zwischen dem informationsverarbeitenden Teil von elektrischen oder fluidischen Steuerungen und einem technischen oder nichttechnischen (z.B. biologischen) Prozess. Wesentliche Bestandteile eines Aktors:  Energiesteller  Energiewandler Beispiele für Aktoren aus verschiedenen Anwendungsgebieten: Schrittmotor

Druckluftmotor

Piezo-Motor

GSM

Hydraulikmotor

Magnetostriktiver Linearmotor

Blockschaltbild eines Aktor:

Physikalische Effekte von Aktoren:

1

Klassen der Aktoren mit Beispielen:

2. Elektromagnetische Aktoren

 Schrittmotor

Aufbau eines Schrittmotors:

2

Vor- und Nachteile eines Schrittmotors:

Einsatzgebiete eines Schrittmotors:  Schreib- und Drucktechnik  Datenverarbeitung (CD-Rom Laufwerke)  Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik  Medizin- und Labortechnik  Gleichstrommotor

Aufbau eines GSM:

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Ein GSM besteht aus einem Ständer( auch Stator genannt) und dem sich drehenden Anker (auch Läufer genannt). Äußeres Hauptunterscheidungsmerkmal gegenüber anderen Motoren ist der am Läuferende angebrachte Kommutator (auch Kollektor genannt).

Unterschied stationärer- dynamischer Betrieb:  Stationär: Betriebsgrößen sind zeitlich konstant  Dynamisch: Leistungssteigerung pro Zeiteinheit  Fremderregter Motor : Motor dessen Felder aus einer Energiequelle gespeist werden, die unabhängig vom Ankerkreis ist (z.B. Permanentmagnet oder Elektromagnet).  Selbsterregter Motor: Motor dessen Hauptfeld aus dem Läuferfeldkreis gespeist wird. Unterscheidung hierbei in zwei Betriebsarten: → 2. Nebenschlussmotor (NS-Motor): Erreger- und Ankerwicklung parrallel geschaltet. → 3. Reihenschlussmotor (RS- Motor): Erreger- und Ankerwicklung in Reihe geschaltet.

Als letztes gibt es noch die Kombination aus NS- und RS- Motor: 4. Doppelschluss-/ Kompoundmotor  Synchronmotor

Aufbau und Wirkungsweise eines Synchronmotors: -

Besteht aus einem Permanentmagneten (Läufer) und einem Stator, in welchem Spulenpaare angeordnet sind. Legt man eine Spannung an, so entsteht ein rotierendes Magnetfeld im Stator. Drehzahl des Motors = Drehzahl des Magnetfeldes Wird mit Wechselstrom betrieben. Spulenpaare haben eine Phasenverschiebung von 120°. Drehzahl abhängig von der Netzfrequenz  Änderung Netzfrequenz durch Umrichter

Vor- und Nachteile eines Synchronmotors: Vorteile Wartungsarm Entwickelt geringe Wärme Drehzahlstabil

Nachteile Aufwendige Ansteuerungstechnik Nur geringe Leistung möglich Bei Überlastung bleibt der Motor stehen

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Bauformen eines Synchronmotors:

Kennlinie eines Synchronmotors: Siehe letzte Seite!

 Asynchronmotor

Aufbau und Wirkungsweise eines Asynchronmotors: -

Bestandteile: Stator (feststehend) und Rotor (drehend) Stator enthält Spulen, die so angeordnet sind, dass ein Drehfeld entsteht, wenn eine Spannung angelegt wird. Im Rotor wird durch magnetische Induktion ein Strom erzeugt. Dadurch entsteht eine Kraftwirkung mit einem entsprechenden Drehmoment.  Der Rotor dreht sich. Rotor dreht sich minimal langsamer als das Drehfeld  es entsteht ein Schlupf (daher asynchronmotor) Drehmoment ist nur bei asynchroner Drehzahl vorhanden  Wenn der Schlupf = 0 ist, dreht sich der Motor nicht!

Vor- und Nachteile eines Asynchronmotors (im Vergleich zum Kommutatormotor): Vorteile Geringe Masse, kleine Baulänge Kurze Anlauf- und Abbremszeiten Wartungsarm (kein Bürstenverschleiß!) Geringe Herstellungskosten

Nachteile Aufwendige Drehzahleinstellung und –regelung Mittlerer Wirkungsgrad Drehzahl von Netzfrequenz abhängig

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Kennlinie eines Asynchronmotors:

 Beim Einschalten nimmt der Asynchronmotor einen hohen Strom auf  Beim anfahren nur geringes Moment zulässig. Unterschiedliche Bauformen eines Asynchronmotors: -

Kurzschlussläufer Schleifringläufer

3. Fluidtechnische Aktoren Vor- und Nachteile von fluidtechnischen Aktoren: Nachteile

Vorteile große Stellkräfte

Hilfsenergie notwendig

großer Stellbereich

komplexe Systemstruktur

hohe Leistungsdichte

teure Servokomponenten

direkte Linearbewegung

eingeschränkte Genauigkeit

robust

Geräuschbildung

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Energiefluss für fluidtechnische Aktoren in Form eines Blockdiagrammes:

Vergleich pneumatische und hydraulische Aktoren:  Pneumatische Aktoren: Vorteile

Nachteile

Druckluftmenge unbegrenzt

Druckluftaufbereitung notwendig

Energie speicherbar

Reibung und Kompressibilität erschweren Regelung

keine Umweltbelastung

beschränkte Positioniergenauigkeit

eine Zuleitung

teilweise große Abmessungen

großer therm. Betriebsbereich

 Hydraulische Aktoren: Vorteile

Nachteile

hohe Energiedichte

Geringer Wirkungsgrad (hohe Verluste)

einfache Erzeugung hoher Kräfte und Momente

Nichtlineares Verhalten

hohe Steifigkeit

Gefahr von Leckage

geringe Kühlprobleme

Temperaturabhängig Hoher Wartungsaufwand

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Eigenschaften von Pneumatikmotoren:  kompakt und leicht  Robust  Drehmoment steigt mit der Last  Ausgangsleistung stufenlos einstellbar  leichte Laufrichtungsänderung Druckluftmotorvarianten Lamellen-

Kolben-

Zahnrad-

Turbinen-

Aufbau und Funktion eines Druckluftmotors 

Aufbau:  Ein genuteter Rotor dreht sich exzentrisch in einer von Zylinder und ZylinderEndplatten gebildeten Kammer.  Da der Rotor exzentrisch angeordnet ist und sein Durchmesser kleiner ist als der Zylinder, entsteht eine halbmondförmige Kammer.  Die in den rotornuten frei beweglichen Lamellen teilen die Kammer in unterschiedlich große Arbeitsräume auf.  Durch die Fliehkraft und mit Druckluft zusätzlich unterstützt, werden die Lamellen gegen die Zylinderwandung gepresst und dichten dadurch die einzelnen Arbeitsräume ab.



Funktionsweise:  Luft strömt in Kammer a  Lamelle 2 dichtet Kammer b zwischen 2. und 3. Lamelle ab.  Druck in Kammer b wirkt auf die 3. Lamelle  Rechtsdrehung  Lamellen drehen sich weiter  Expansionsprozess beginnt  Druck wird vermindert, Rotor dreht sich aber weiter durch nachfolgenden Einlassdruck in anderen Kammmern  Rotor dreht sich weiter  Kammer 2 wird entleert

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Hydraulikmotoren und Zylinder

 

Arbeiten nach dem hydrostatischen Prinzip. Eine Druckbilanz entscheidet über einen hydroSTATISCHEN oder hydroDYNAMISCHEN Betrieb. 𝑝ℎ𝑦𝑑𝑟 = 𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡 + 𝑝𝑑𝑦𝑛

Überwiegt der statische Druck, so spricht man von einem hydrostatischen Antrieb und umgekehrt. Hydraulikmotoren oder „fluidische Verdrängungsmaschinen“ können in Drehkolbenmaschinen und Hubkolbenmaschinen unterteilt werden, wobei diese sich in Fördervolumen und Druckbereich unterscheiden. 

Einteilung des Betriebszustandes:

 Hydrostatisch: o

Niederdruck:

p: 6-100bar

o

Hochdruck:

p: 100-700bar und darüber

o

Str.-geschw.:

v: 2-12 m/s

o

Druck:

p: 0,1-4bar

o

Str.geschw.:

v: bis 50 m/s

o  Hydrodyn.:



Leistung:

Leistung P = Volumenstrom Q * Druckdifferenz Δp



Bestandteile:

Ein Hydraulischer Antrieb besteht im Wesentlichen aus: o

Hydraulikpumpe (Energiewandler)

o

Hydraulikflüssigkeit (Energieträger)

o

Hydromotor/Hydrozylinder (Energiewandler)

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

Einsatzgebiete:

In Werkzeugmaschinen: o

Schleifmaschinen

o

Honmaschinen

o

Räummaschinen

o

Pressen

Weitere Bereiche:



o

Fördertechnik

o

Fahrzeugtechnik

o

Landmaschinen

o

Baumaschinen

o

Luft- und Raumfahrttechnik

Kraftdichte:

Hydraulikmotoren können große Kräfte bei kleinen Baugrößen erzeugen! Ein Bleistiftdicker Hydraulikzylinder kann bei einem Druck von 500 bar ca. 500kg heben. 



Aufgaben der Hydraulikfrlüssigkeit:

o

Übertragung der hydr. Leistung von der Pumpe zum Hydraulikmotor/-Zylinder

o

Schmierung, Korrosionsschutz

o

Abführen von Fremdkörpern (wie Schmutz, Span, Wasser, etc.) und Verlustwärme

Steifigkeit:

Hydrauliköl hat eine sehr geringe Kompressibilität (0,5-0,7% je 100bar), was zu einer hohen Steifigkeit führt. Durch Veränderung der Querschnittsfläche des Zylinders kann die Steifigkeit angepasst werden.



Leistungsverstärkung:

Ein Ventil mit einer Steuerleistung von 3W kann 350KW hydraulische Leistung steuern, was einer Leistungsverstärkung von mehr als 10^5 entspricht.

10





Verschiedene Hydraulikpumpen und –Motoren:

o

Außenzahnradpumpe (Q=Pi*modul*zähnezahl*radbreite*kopfhöhe*drehzahl)

o

Flügelzellenpumpe

o

Radialkolbenpumpe

Axialkolbenmaschinen

~ unterscheiden sich dadurch, welche Teile gegenüber der drehenden Welle abgewinkelt sind und welche Teile sich mit der Welle drehen.

o

Taumelscheibenmaschine

Die Taumelscheibe ist abgewinkelt und erzeugt durch ihre Rotation den Hub der Kolben durch das feststehende Gehäuse.

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o

Schrägachsenmaschine

Das feststehende Gehäuse, in dem die Trommel mit den Kolben rotiert, ist abgewinkelt.

o

Schrägscheibenmaschine

Die Kolben drehen sich mit der Welle mit (Trommelrevolver) und stützen sich an der feststehenden Schrägscheibe ab. 

Der Translationsmotor

Hydraulische Linearantriebe können einfach- und doppelwirkend aufgebaut werden.

o

Einfach

Das Ausfahren erfolgt hydraulisch, das Einfahren durch äußere Kräfte (Gewicht, Feder)

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o

Doppelt

Sowohl das Ausfahren, als auch das Einfahren erfolgen hydraulisch durch verschiedene Druckanschlüsse



Vergleich hydraulischer und pneumatischer Aktoren Merkmale

Hydraulikaktor

Pneumatikaktor

Niederdruck

30-50 bar (WZM)

Bis 1 bar (Steuerungen)

Mitteldruck

bis 170 bar (Baumaschinen)

xxx

Hochdruck

Bis 420 bar (Pressen)

6-10 bar (Pressen, Spannmittel)

Geschw.: Strömung ; Kolben

Bis 5 m/s , bis 0,15 m/s

Bis 40 m/s ; 0,01-1,5 m/s

Kräfte und Momente

groß

Klein

Regelbarkeit Geschw.

Sehr gut

Schlecht

Regelbarkeit Kraft/Moment

Sehr gut

Gut

Leistungsdichte

Sehr groß

Klein

Kompressibilität des Fluids

klein

Groß

Regelbarkeit Leckverlust

gering

Groß

Fluidrückführung in ~

Behälter

Umgebung

4. Unkonventionelle Aktoren Alternative Aktorprinzipien:  Festkörperumwandlung: z.B. Piezoeffekt, Magnetostriktion, Formgedächtniseffekt  Umwandlung von Fluiden: z.B. magnetotheologischer Prozess, elektrotheologischer Prozess  Umwandlung von Gasen: z.B. Chemische Reaktion, thermische Ausdehnung

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 Piezo-Aktoren  Piezo-Elemente weisen einen Hystereseeffekt auf

Unterschied direkter und reziproker Piezoeffekt: Direkter Piezoeffekt  Sensorprinzip:  Mechanische Verformung eines Kristalls  Entstehung von Oberflächenladung Reziproker Piezoeffekt  Aktorprinzip:  Anlegung einer elektrischen Spannung  Expansion/ Kontraktion eines Kristalls

Eigenschaften von Piezomaterialien:  Nichtleiter (Isolator)  Der Kristall ist anisotrop  keine Symmetriezentren  Der Kristall trägt eine polare Achse

Bauweisen von Piezoelementen:

Vor- und Nachteile von Piezoelementen: Vorteile Sub-Nanometer-Auflösung Reibungs- und Spielfrei Schnelle Ansprechzeit Große Stellkräfte

Nachteile Relativ teuer Hohe Spannungen nötig Kleine Stellwege Temperaturabhängigkeit

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Einsatzgebiete von Piezoelementen: -

Heben und Senken des Pantographen Hochdynamische Positionierung einer Kontaktiernadel Direktantrieb mit mehreren Elliptec Motoren Zweidimensionaler Scanner

Motoren mit Piezoelementen: -

Legs Elliptec Wanderwellen

Piezoscheiben in Stapelform  geringere erforderliche Spannung

 Magnetostriktive Aktoren

Vor- und Nachteile von magnetostriktiven Aktoren: Vorteile hoher elektrischer Wirkungsgrad hohe Kräfte hohe Wegauflösung kurze Reaktionszeiten gute Reproduzierbarkeit

Nachteile hohe Ströme ohmscher Verlust auch im stat. Betrieb kurze Stellwege Kennwerte sind temp.- und druckabhängig geringe Variantenvielfalt

Unterschiede magnetostriktiv zu piezo: -

Höhere Curie- Temperatur Höhere Energiedichte Geringere mechanische Hysterese Keine bewegten Elektroden Magnetisierungsstrom auch im stat. Betrieb (Ohmsche Verluste)

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 Formgedächtnis Aktoren

Definition Formgedächtnisaktoren: Aktoren, welche die Fähigkeit besitzen, sich auch nach einer starken quasi plastischen Deformation durch Erwärmung oder Rücknahme der Belastung an seine ursprüngliche Gestalt zu „erinnern“.

Einweg-Effekt: Eine scheinbar plastische Verformung bildet sich beim Erwärmen wieder vollständig zurück und verbleibt bei Rückgang der Temperaturen in diesem Zustand. Die maximale Dehnung 𝜀1𝑊kann mehrere Prozent betragen.

Zweiweg-Effekt: Beim Zweiwegeffekt „erinnert“ sich die Formgedächtnislegierung bei hoher Temperatur nicht nur an die austenitische Form, sondern bei der Rücktransformation in den Martensit an eine trainierte Deformation bei tiefer Temperatur.

Pseudoelastizität: Bei mechanischer Belastung dehnt sich das Material sehr stark bis zu mehreren Prozent aus und bei Wegnahme der Belastung kehrt sich das Material wieder in seine Ausgangsform zurück.

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