Drehstrommotoren

Hallo,

da ich nicht so ganz in der Thematik drin stecke, habe ich ein paar Fragen.

Also ich will einen Roboterarm bauen und brauch dafür natürlich Motoren. Jetzt stellt sich für mich die generelle Frage, da ich gelesen habe, dass meistens Gleichstrommotoren angewendet werden, warum dies so ist.
Haben Drehstrommotoren ein Problem mit dem ständigen Anfahren und Abbremsen oder liegt es allein an der einfacheren Drehzahlreglung bei Gleichstromotoren oder liegt ich hier komplett falsch?

Ich nehme stark an, dass für meine Zwecke eh nur Gleichstrommotoren in Frage kommen, da ich unter 50 V bleiben wollte, aber die Frage hat mich generell beschäftigt.

Dazu dann gleich die nächste Frage, da Drehstrommotoren ja meist relativ hohe Spannungen haben sind überhaupt Drehstrommotoren unter 50 V prinzipiell möglich und gibt es da welche?

sagen wir es so, den drehenden Strom bekommst du problemlos aus der Dose, nur eben mit Netzspannung ... und dann meist auch mit einer festen Geschwindigkeit!

Strom mit niedriger Spannung kommt in der Regel aus Batterien und dreht sich halt nicht, den muss man erst zu drehen bringen!

Und genau da wird es umständlich, das gleiche gilt auch für Drehstrommotoren mit variabler Frequenz!

Zumeist bekommt man die notwendigen Treiber nur ausm Modellbau als fertige Schaltung oder man muss sich halt mit der Materie auseinandersetzen und basteln ... DC-Motoren kann man mit einer einfachen H-Brüke ansteuern, Drehstrommotoren brauchen 3 Brücken ... und benötigt meiner Meinung nach "Anpassung" an die Motorwindungen, da der Motor sonst nervtötend pfeift, schlimmer als DC-Motoren (aber das kann auch individuelles Empfinden sein)

DC ist halt "einfacher" zu steuern! Für deine zwecke sollten abe rSchrittmotoren eher geeignet sein!

Ich bin mir nicht wirklich sicher, vermute aber das Industrie Roboter wie Kuka mit Drehstrom Motore angetrieben werden. Deren Ansteuerung (FU's) ist sicher erst einmal aufwändiger aber der Nutzen z.B. volles Drehmoment von 0 1/Min an und sehr hohe Beschleunigung sowie Haltekraft dürften den Ausschlag geben. Spannungsmäßig gibt es solche Motore in jeder erdenklichen Größe und natürlich auch Preise... Wobei die kleineren eher Drehzahl optimiert sind und teilweise Turbinen durchaus übertreffen was für Roboter eher weniger geeignet ist. Das ist aber ein Ding des inneren Aufbaus der Motore, E-Fahrrad Motore sind auch Drehstrom Motore, relativ klein mit hohem Drehmomend, niedriger Drehzahl und 24 bis 36 VDC Versorgung. Für den Drehstrom sogt dann eine FU.

Wenn man einmal bedenkt das so ein Außenläufer ohne Getriebe auskommt und quasi in den Teilen/Gelenken eines Roboters integriert werden kann, also nicht "Eingebaut" sondern ein Teil des Roboters Stator sowie Rotor ist / sein kann. Bleiben nur noch Vorteile, außer der für Eigenbau zu hohe Preis. :-(

Gruß Richard

Es gibt da auch noch eine Größeneffekt: wenn Drehstrommotoren (klassische asynchrone) kleiner werden als etwa 100 W nimmt der Wirkungsgrad relativ schnell aber, es sei denn es wird großer Aufwand in der Präzision für einen minimalen Luftspalt getrieben. Bei kleiner Leistung sind Motoren mit Permanentmagnet in der Regel deutlich besser als solche ohne, einfach weil im kleinen ein Permanentmagnet besser ist als ein Elektromagnet.

Die Bruschless-motoren sind im Prinzip auch eine Art Synchronmotor wo der Umrichter zur Erzeugung des passendes Drehstromes gleich mit dabei ist und die Frequenz mehr oder weniger automatisch wählt.

Erstmal Danke für die Antworten.

Ich hab mal bei Kuka reingeguckt, die benutzen bürstenlose AC-Servomotoren, hab zwar nichts zur Voltzahl gefunden, aber denke die werden ein bischen höher als 50 V laufen ;). Aber heisst ja schon mal prinzipiell sind AC Motoren bei Robotern nicht ausgeschlossen und haben wie Richard sagte auch Vorteile scheinen aber bei niedrigen Voltzahlen kaum sinnvoll.

@Richard: Bei den Motoren die direkt in die Achsen ohne Getriebe eingebaut werden, meinst du da die sogenannten Torquemotoren? Die finde ich natürlich auchsuper, hab da aber auch bis jetzt nur welche mit über 50 V gefunden. Hat da jemand Ahnung oder Vorschläge ob und wo es welche mit niedrigerer Spannung gibt? Ich weiss, dass das ganze preislich ziemlich hoch ist, aber ich würde gern wissen was generell möglich wäre. Quasi zumindest die schönste Lösung auf dem Papier zu haben ;).

Die Spannung muss nicht immer sehr hoch sein http://de.nanotec.com/servomotor_db42.html der erwähnte http://de.wikipedia.org/wiki/Torquemotor ist natürlich auch "schick" muss aber nicht unbedingt als Permanentmaget Motor aufgebaut sein. Ein BLDC oder Drehstrom Motor kann als Außenläufer ähnliches Leisten. Immer wieder interessant ist auch http://www.powercroco.de/ zu lesen. :-)

Gruß Richard

Ah sehr interessant, vor allem weil ich bei Nanotec auch schon einen Motor im Auge hatte, nur 2 Baugrößen weiter. Jetzt bin ich aber ehrlich gesagt wieder ein bischen verwirrt, dachte das BLDC steht für bürstelose DC also Gleichstrommotoren, warum sind es dann "elektronisch kommutierten 3-Phasen Brushless Motoren"? Wie schon oben erwähnt bin ich noch nicht so ganz in der Thematik drin und versuche das alles grad erst zu verstehen.

Zitat:

---

Zitat von akirahugo

Ah sehr interessant, vor allem weil ich bei Nanotec auch schon einen Motor im Auge hatte, nur 2 Baugrößen weiter. Jetzt bin ich aber ehrlich gesagt wieder ein bischen verwirrt, dachte das BLDC steht für bürstelose DC also Gleichstrommotoren, warum sind es dann "elektronisch kommutierten 3-Phasen Brushless Motoren"? Wie schon oben erwähnt bin ich noch nicht so ganz in der Thematik drin und versuche das alles grad erst zu verstehen.

---

Gute Frage. :-) Ich (vermute) die Bezeichnung BLDC stammt daraus weil diese Motore mit DC Quellen betrieben werden ( können). Was natürlich an den FU's liegt welche aus DC Drehstrom generieren. Ich habe ja den Link http://www.powercroco.de/ gepostet dort wird sehr genau auf die Funktion, Entwicklung, Eigenschaften und Selbstbau solcher Motore eingegangen. Wirklich lesenswert auch wenn es sehr viel zu lesen gibt.

Gruß Richard

Hi da,

ich denke auch, dass in erster Line DC Motoren verwendet werden, weil die in der Ansteuerung erheblich viel einfacher sind. In so einer Kontrolleinheit eines Brushlessmotors steckt richtig viel Know-How. Im Grunde kann man da ein ganzes ET Studium dran austoben. Schon die Kommutierung ist so ne Sache. Trick 17 ist ja an einem Unbestromten Spule die Induktionsspannung zu messen und bei Nulldurchgang einen weiter zu schalten. Da fängts schon an. Will man bestimmte Drehmomente und Drehzahlen fahren, muss PWM´s an die Spulen anlegen, die gewissen Gesetzten folgen. Diese PWM verrauscht dann die gemessene Induktionsspannung an der unbestromten Spule. Jetzt gibt es da verschiedene Methoden. Eine ist so zu messen, dass man einen sicheren Vorzeichenwechsel der induzierten Spannung detektiert hat. Dann weiß man, der Nulldurchgang war da und man schaltet um. Aber auf die Art wird man den Punkt nie treffen.
Die professionelle Variante ist, Korrelationsanalysen vom PWM Signal und der gemessenen Analogspannung zu machen und den Störanteil "wegzurechnen".
Da ist man dann schon mittendrin in digitaler Signalverarbeitung und demenstsprechend digitalen Signalprozessoren.
Aber wenn man wirklich gezielt eine Position anfahren will, gehts nicht anders.

Daher sollte man bei den DC Motoren bleiben. Auch im professionellem Bereich werden die eingesetzt. Dann sind es meist Glockenanker Motoren. Wirklich schöne Dinger. Habe selbst so einen in einem Solarboot im Einsatz. Kosten aber ein kleines Vermögen im Verhältnis zu "normalen" DC Motoren.

Zitat:

---

Zitat von akirahugo

Jetzt bin ich aber ehrlich gesagt wieder ein bischen verwirrt, dachte das BLDC steht für bürstelose DC also Gleichstrommotoren, warum sind es dann "elektronisch kommutierten 3-Phasen Brushless Motoren"? Wie schon oben erwähnt bin ich noch nicht so ganz in der Thematik drin und versuche das alles grad erst zu verstehen.

---

BLDC steht für "BrushLess DC motor", also für einen DC Motor, der nicht durch Bürsten kommutiert. Nicht durch Bürsten heißt heutzutage elektronisch. Man kann ihn also als "elektronisch kommutierten Gleichstrommotor" bezeichnen.

3 Phasen sind üblich aber nicht notwendig. PC-Lüfter haben meist nur 2 Phasen. Aber es sind auch mehr möglich. Sie haben nichts mit klassischen asynchronen Drehstrommotoren gemein, auch wenn viele das glauben, weil man beide durch Mehrphasenbrücken ansteuern kann. Einen Drehstrommotor kann man aber mit einer festen Frequenz betreiben, z.B. mit 50Hz. Das geht bei einem BLDC nicht. Die Kommutierung muß, wie bei einem DC Motor üblich, vom Rotor gesteuert werden.

MfG Klebwax

moin moin,

zieht Euch mal das DB zum SI9979, das ist eine Ansteuerung für BLDC...

Mit Gruß
Peter

Zitat:

---

Einen Drehstrommotor kann man aber mit einer festen Frequenz betreiben, z.B. mit 50Hz. Das geht bei einem BLDC nicht. Die Kommutierung muß, wie bei einem DC Motor üblich, vom Rotor gesteuert werden.

---

@klebwax: Kannst Du das noch etwas erläutern? Ich hatte bisher angenommen, dass ein synchroner Lauf ohne Rotorrückmeldung machbar wäre, ähnlich wie bei einem Schrittmotor oder einem Synchronmotor. Selbstverständlich innerhalb bestimmter Grenzen bezüglich der Drehmomentbelastung, einer Mindestanlauffrequenz usw. (wie das eben vom Schrittmotor auch bekannt ist).

Hier wird gerade Stiftung Verwirrt.

Es gibt 2 Arten von Drehstrommotoren: Asynchron- und Synchron Motoren.

Ein Asynchronmotor lebt davon, dass die Rotordrehzahl im Motorbetrieb geringer ist, als die Statordrehzahl. Abhängig vom geleisteten Drehmoment gibt es eien so gennanten "Schlupf" s, und die Rotordrehzal ist dann N= N0 * (1-s). Also wenn das Drehfeld im Stator mit 50Hz umläuft, die Maschiene 1 Polpaar hat, der Schlupf 0,03 ist, dann ist die Rotordrehzahl = 50Hz * 60 * (1-0,03) ) = 970U/min. Ich erläutere hier jetzt nicht das Wirkprinzip, Wiki wirds schon wissen. Jedenfalls ist bei einem Asynchronmotor um ihn zum drehen zu bringen, keine Information über die Rotoposition nötig.

Der Rotor eines Synchronmotors hat genau die Drehzal des im Stator umlaufenden Drehfeldes. Hier gibt es keinen Schlupf, sondern eine vom Drehmoment abhängige Winkelverschiebung zwischen dem umlaufenden Statorfeld und dem Rotor. Diese Motoren können NICHT anlaufen, wenn man sie einfach an ein Drehfeld mit fixer Frequenz anschließt. Da bedarf es dann Steuereinheiten, die ein Drehfeld mit variabler Frequenz herstellen können, wofür dann irgendeine Form von Positionsrückmeldung nötig ist, damit die Kommutierung klappt.

Der Begriff BLDC ist letztendlich technisches Marketing Deutsch. Es gibt keinen Drehstrommotor, der mit DC läuft. Es muss immmer ein FrequenzUmrichter (FU) her. BLDC sagt nur, dass bei einem Motor der so heißt, diese Einheit dabei ist.
(Genau genommen läuft nicht mal ein Gleichstrommotor mit DC, durch den Kolektor findet eine Kommutation statt, welche die Stromrichtung der Spulen auf dem Anker an der richtigen Stelle umpolt)

der Si0079 ist ein

3-Phase Brushless DC Motor Controller


>>wofür dann irgendeine Form von Positionsrückmeldung nötig ist,

in DB des Si9979 ist auch eine Ansteuerung ohne Positionsrückmeldung angegeben. Dann wird der Motor wie ein Schrittmotor betrieben.

Zitat:

---

Diese Motoren können NICHT anlaufen, wenn man sie einfach an ein Drehfeld mit fixer Frequenz anschließt. Da bedarf es dann Steuereinheiten, die ein Drehfeld mit variabler Frequenz herstellen können, wofür dann irgendeine Form von Positionsrückmeldung nötig ist, damit die Kommutierung klappt.

---

Das habe ich soweit verstanden. Das ist bei Schrittmotoren auch nicht anders. Schrittmotoren kann ich als zweiphasige Synchronmotoren auffassen. Allerdings laufen diese in den meisten Fällen ohne Rückmeldung des Läuferwinkels. Aus Klebwax' Aussage lese ich heraus dass diese Betriebsart bei dreiphasigen Synchronmotoren (=BLDC) nicht möglich ist. Ist das so richtig oder ein Missverständnis? Wenn es richtig ist, worin liegt die Notwendigkeit der Positionsrückmeldung begründet?

mit einer Positionsrückmeldung kann eine Verdrehung des Rotors ( durch eine äussere Kraft ) verhindert werden...

Zitat:

---

mit einer Positionsrückmeldung kann eine Verdrehung des Rotors ( durch eine äussere Kraft ) verhindert werden...

---

Auch das ist mir bekannt. Ich will nicht bestreiten, dass eine Positionsrückmeldung manchmal sehr nützlich sein kann, ich wollte eigentlich nur wissen, ob es nicht auch ohne geht.

Es schimmerte in den vorigen Posts schon durch.

Eine Synchromaschiene kann ohne Positionserfassung bewegt werden, wenn man sie als Stepper missbraucht. Von der Idee her kann das wie folgt ablaufen (bei Sternschaltung):

"S" entspricht Strang, "+" Vcc, "-" GND

1.) S1 +; S2-; S3-
2.) S1 +; S2+; S3-
3.) S1 -; S2+; S3-
4.) S1 -; S2+; S3+
5.) S1 -; S2-; S3+
6.) S1 +; S2-; S3+
gehe wieder zu Punkt 1

Dabei gibt es eine maximale Geschwindigkeit, die man im Durchlauf fahren kann, damit der Motor aus dem Stillstand anläuft. Danach wird er nur noch Summen.
Das liegt dann daran, dass das Magnetfeld weitergewandert ist, bevor es das Trägheitsmoment des Rotors überwinden konnte.

Zitat:

---

Zitat von ranke

@klebwax: Kannst Du das noch etwas erläutern? Ich hatte bisher angenommen, dass ein synchroner Lauf ohne Rotorrückmeldung machbar wäre, ähnlich wie bei einem Schrittmotor oder einem Synchronmotor. Selbstverständlich innerhalb bestimmter Grenzen bezüglich der Drehmomentbelastung, einer Mindestanlauffrequenz usw. (wie das eben vom Schrittmotor auch bekannt ist).

---

Ja man kann das so machen, aber der Motor leistet dann nur das, was ein Schrittmotor leistet. Drehmoment und Drehzahl sind stark begrenzt und die Last darf sich nicht wesentlich ändern. Und geht die Synchronisation einmal verloren, muß man zurück auf Null. Im Gegensatz dazu, kann man sowohl einen asychronen Drehstrommotor oder auch einen DC Motor anhalten (so man es denn schaft, und solange er nicht abbrennt) und er läuft nach loslassen einfach an. Dabei muß nichts an der Ansteuerung gemacht werden. Fazit: man kann ihn im Stepperbetrieb laufen lassen, aber er wird nur einen Bruchteil der Leistung bringen, die mit einem Motor seiner Größe eigentlich erreicht werden sollten. Er ist dann nicht nur ein wenig schlechter sondern eher unbrauchbar.

Zitat:

---

Der Begriff BLDC ist letztendlich technisches Marketing Deutsch. Es gibt keinen Drehstrommotor, der mit DC läuft. Es muss immmer ein FrequenzUmrichter (FU) her. BLDC sagt nur, dass bei einem Motor der so heißt, diese Einheit dabei ist.
(Genau genommen läuft nicht mal ein Gleichstrommotor mit DC, durch den Kolektor findet eine Kommutation statt, welche die Stromrichtung der Spulen auf dem Anker an der richtigen Stelle umpolt)

---

Das so nicht ganz richtig. Der Begriff sagt genau aus, was er ist. Der wichtige und richtige Punkt ist: Bei einem DC-Motor wird durch den Kollektor der Strom in den Spulen an den richtigen Stellen umgepolt.

Wenn man nun den mechanischen Kommutator (Brush auf neudeutsch) durch einen elektronischen Kommutator ersetzt (Brush Less) hat man schon fast einen BLDC. Eigentlich müsste man dann Power über Schleifringe zu den Spulen und den elektronischen Schaltern auf den Rotor bringen. Da es dem Magnetfeld und den daraus resultierenden Kräften aber egal ist, kann man Rotor und Stator auch tauschen: die Magnete drehen und die Spulen stehen still. Damit muß kein Strom zum Rotor gebracht werden. Es ist aber immer noch ein DC Motor, mit einem Kommutator, der durch die Rotorposition gesteuert wird.

Um den Sensor einzusparen (sensorlos) wird versucht, aus der GegenEMK des Motors die Position zu bestimmen. Das geht aber prinizipiell nur, wenn er sich schon dreht. Als Krücke bietet sich an, den BLDC im Schrittmotorbetrieb hochzufahren und dann über die GegenEMK zu kommutieren. Dann ist er aber in einer ähnlichen Sitution wie ein Bezinmotor, keine Leistung bei niedriger Drehzahl. So etwas geht möglicherweise bei Luftschrauben, aber nie in einem Roboter oder einem Fahrrad.

Noch etwas zum Begriff FU: man kann jede Schaltung, die aus Gleichstrom (oder besser gleichgerichtetem Wechselstrom) Wechselstrom macht FU nennen, z.B. den Kommutator im DC-Motor oder auch einen NF-Verstärker. Zum Verständniss, wie etwas funktioniert, trägt das aber nichts bei. Von einem FU wird eigentlich gesprochen, wenn aus Wechselspannung eine Wechselspnnung mit einer anderen Frequenz gemacht wird.

MfG Klebwax

Danke an The Man und Klebwax für die sehr ausführlichen und verständlichen Erklärungen. Im Prinzip hatte ich es mir ungefähr so gedacht, allerdings habe ich noch nie einen BLDC praktisch ausprobiert, deshalb war mir das Verständnis in der Sache wichtig.