AC-motorer

Asynkronmotorer är tillsammans med DC motorn världens vanligaste motor, otroligt driftsäker och med hög IP-klass.
Motorerna finns med ett brett program av raka växlar eller vinkelväxlar och används inom industrin till transportörer,
produkttionsmaskiner, ventilation m.m.

OEM Motor har idag ett brett program av synkronmotorer med växlar för ventiler, programverk m.m.

En nära ”släkting” är stegmotorn som finns i samma storlekar men som då erbjuder typiska stegmotoregenskaper.

Skärmpolmotorn är en lågprismotor för 230VAC. Den går bara åt ett håll och används vanligen som enkel fläkt i t.ex. kyl- eller torkskåp. Med en kuggväxel blir det en driftsäker AC motor till en mycket låg kostnad.

Klassiska induktionsmotorer med eller utan kuggväxlar. Storlek på flänsen är 60-120 mm och effekt upp till 90W. Motorerna finns för 230 eller 3x400VAC. Denna växelmotor används främst inom värme och ventilation t.ex. pelletsbrännare, spjällreglering eller drivning av rotorer i värmeväxlare. Trefasmotorer kan varvtalsregleras med frekvensomriktare medan enfasmotorer är betydligt svårare.

En trend inom t.ex. värme och ventilation är att välja borstlösa motorer för att möta ökade EU krav om lägre strömförbrukning. En BLDC motor är enkel att varvtalsreglera och har 3-4 ggr bättre verkningsgrad än en motsvarande AC motor.

DC motorer med borstar

Världens mest tillverkade motortyp. De sitter i nästan alla konsumentprodukter som leksaker, dataspel, CD/DVD, datorer, hushållsprodukter m.m. Samma typ av motorer används också i t.ex. kontorsmaskiner, medicinsk utrustning, bilar och handverktyg. Dena motortyp kallas järnankarmotor med permanentmagnet eftersom rotorn består av laminerat järn runt vilken koppartråd lindats.



OEM Motor har ett mycket brett urval och DC motorer erbjuder störst möjlighet att kundanpassas.
Alla motorer kan förses med växlar, broms, encoder eller helt kundanpassa. DC motorn är enkel att varvtalsreglera eftersom varvtalet är proportionellt med spänningen.

Järnlösa motorer erbjuder en jämn gång, lång livslängd samt ett högt effekt/vikt förhållande Rotorn består av en fribärande rotor av enbart koppartråd.

Motorn ger en mängd fördelar framför den konventionella järnankarmotorn.

Betydligt längre livslängd Jämn gång Låg EMC-strålning Hög dynamik Högt effekt/vikt-förhållande

DC motorer utan borstar (BLDC)

Storlekar är Ø12-120 mm med effekt upp till ca 1 kW. Programmet omfattar allt från enkla drivmotorer till motorer med servoegenskaper. Motorerna finns som 2-, 4- eller 8-poliga. Borstlösa motorer är ofta anpassade en viss applikation och vi kan därför leverera en helt skräddarsydd motor. Borstlösa motorer är lämpliga att ersätta DC-motorer då höga varvtal och lång livslängd krävs. De kan också ersätta stegmotorer för att få en bättre dynamik. Komplett program av växlar, encoder, broms och drivelektronik finns.

Borstlösa motorn saknar den elektromekaniska kommutering som borstar och bläck representerar i en traditionell DC-motor där lindningarna roterar. Det man vinner genom detta är en avsevärt längre livslängd, mindre gnistbildning med resulterande störningar, lägre tillverkningskostnad, högre energidensitet m.m.

I BLDC-motor sitter lindningarna statiskt monterade, oftast utanför en roterande magnet men det finns också motorer där det yttre huset roterar och de statiska lindningarna sitter monterade innanför. Typen med en roterande magnet innanför lindningen är dock vanligast inom industrin. Den är både robustare och lättare att montera tillsammans med växellådor och har bättre dynamik. Motorer med roterande ytterhus används i applikationer som kräver stort vridmoment vid låga hastigheter som t.ex. i fordon.

Då den elektromekaniska kommuteringen inte existerar på en BLDC-motor så måste styrningen ta hand om detta. En BLDC-motor kan aldrig rotera med en konstant spänning ansluten.

För att styrningen skall kunna kommutera (DVS. rotera ström genom de olika lindningarna) så måste den få information om hur motorn roterar. Detta görs normalt med hjälp av hall-sensorer monterade runt en separat magnet på motoraxeln. Sensorerna ger en fasförskjuten signal som gör att styrningen både kan detektera rotorns position samt rotationsriktning.


Observera att denna typ av feedback (återkoppling) endast är tillför styrningens grundläggande funktion och oftast har för dålig upplösning för att kunna användas för positionering. Hall-givarsignalerna ger normalt i en modern styrning en upplösning på ca 16 pulser/varv.

Normalt kombineras detta med en optisk pulsgivare för att åstadkomma ett välfungerande servo.

Stegmotor

Stegmotorn omvandlar digitala pulser till en inkrementell rotation av motoraxeln. Antalet inkrement eller steg är proportionell mot de genererade pulserna och rotationshastigheten är en funktion av de inmatade pulsernas frekvens. Dessa pulser alstras enkelt av mikroprocessorer, logikkretsar eller t.o.m. kontakter eller relä. Drivelektroniken fungerar som en ”fördelardosa”, varje puls omvandlas till en sekventiell ström i respektive motorlindning. Oftast gäller att en puls vrider motorn ett steg.

Fig.1 Principen för en stegmotor

Vår enkla modell består av en permanentmagnet-rotor. Den har en Syd- och Nordpol och vrids i en stator med 4 poler. Runt varje statorpol finns en lindning av koppartråd. Antag att rotorn befinner sig som i 1a. När N1 och S1 magnetiseras vrids rotorn 90° och hamnar i läge 1b. Genom att rotera statorpolernas magnetfält, kommer rotorn att nå läge 1c och 1d. Dessa lägen är diskreta och stabila och motorn kommer att ha en stegvis rotation.

Stegmotorns uppbyggnad.

Det finns i huvudsak 4 olika stegmotorkonstruktioner.

• Variabel Reluktans (VR)
• Permanet Magnet (PM)
• Hybrid (HY) 2, 3 och 5-fas
• Disc Magnet (DM)

Om inget annat anges antar vi att det gäller 2-fas stegmotorer.

Permanent-magnetmotorn

Stegmotor av permanentmagnet-typ kallas oftast "PM-stegmotor". Se figur 3 och 4.

PM motorn har till skillnad från VR motorn, en rotor utan tänder men med integrerad permanent magnet. Observera från fig. 3 hur magneten är placerad. Statorn består av två plåthalvor av stål med utstansade tänder som böjts upp runt rotorn. Se fig.4. Motorn kallas Tin Can motor (”konservburks” motor). Runt tänderna i vardera halva, sitter en rund spole med koppartråd. Precis som tidigare kommer rotorn att flyttas ett steg, när spolarna magnetiseras. Den enkla motorn i fig.3 har tre syd- och tre nordpoler i rotorn. Stegvinkeln blir 30°. Genom att ha en än mer mångpolig magnet, kommer stegvinkeln att minska. PM stegmotorn lämpar sig för måttliga hastigheter, har högt moment och en god dämpning. Kommersiellt tillverkas denna motor i stora antal. Vanliga diametrar är 10, 15, 20, 25, 36, 42 och 57 mm med stegvinklar mellan 7,5-18°. PM motorn används i bläckstråleskrivare, datorer, luftkonditionering m.m. Priset ligger på endast 2-8$ vid stora volymer och nästan all tillverkning sker i Asien.

Hybrid Stegmotor 2-fas

Precis som namnet antyder, är hybrid motorn en kombination av flera egenskaper. Den förenar VR motorns höga hastighet med PM motorn styrka och dämpning.
Fig. 5 Hybridmotorn uppbyggnad. Fig. 6 Stator

Hybridmotorer är enkelt uppbyggd av endast 5 huvudkomponenter. Den består vanligen av 8 st statorpoler, som är försedda med tänder. Runt varje statorpol finns 2 lindningar, vilket gör att polen, beroende på strömmens riktning, antingen kan bli syd- eller nordpol.

Fig. 7 Rotorns uppbyggnad hos en hybridstegmotor

Rotorn består av 2 laminerade kugghjulsliknande halvor. Inuti sitter en permanentmagnet vanligen av Neodym. De bägge halvorna är vridna, så att tänderna på ena sidan passar försänkningarna på den andra. Se fig.7! Ena halvan blir således nord- och den andra sydpol.

Vanligen har rotorn 50 tänder.

Funktionen är följande:
Stator 1,5 Stator2,6 Stator 3,7 Stator 4,8
Fig. 8. Hybridstegmotorns stegförlopp

I läge 1 befinner sig Rotorns Sydpol mitt för Stator 1 och 5 (motstående i fig. 6) som nu är magnetiserad som Nordpol. Stator 3 och 7 är Sydpol och hamnar mitt för Rotorns Nordpol.

I läge 2 har vi flyttat magnetfältet i Statorn genom att magnetisera Polerna 2+6 samt 4+8. Rotorn flyttar sig ½ tand vilket i detta fall motsvarar 1,8°. Genom att rotera magnetfältet i statorn kommer rotorn att stegvis finna ett antal diskreta stabila lägen.

Stegvinkeln blir 360° / z / f / p

z= antalet tänder =50
p= antal rotor poler =2
f= antalet faser =2

d.v.s. 1.8° eller 200 steg.

Hybridmotorn finns i ett antal standardiserade storlekar med s.k. Nema fläns. De flesta mått är ursprungligen i tum. Moderna hybridmotorer är inte runda utan kvadratiska.

Vanliga flänsmått är 35, 39, 42, 56, 86 och 110 mm.

Stegvinkeln är nästan alltid 1,8° men även 3,6 och 0,9° förekommer. Varje storlek finns oftast i 2-4 olika längder. Hybridmotorn tillverkas i stora antal och priset ligger då på 5-20$ för 35-56 mm stegmotorer. 86 och 110 mm stegmotorer används i mycket mindre antal. Viss tillverkning sker i USA och Europa, men det mesta sker i Asien och då främst Kina. Typiska användningsområden är printrar, medicinska analysinstrument, radiobasstationer, industriautomation etc.

Hybridstegmotor 5-fas

Under 1970-talet fick tyska Berger Lahr patent på en 5-fas stegmotor som var överlägsen alla dåtidens 2- fas motor system. Motorn var starkare, inte behäftad med resonansproblem och hade en stegvinkel på endast 0,72° (anm. 500 steg och en kulskruv med 5 mm stigning gav 0,01 mm i upplösning). 1992 upphörde patentet. Berger Lahr, Oriental Motors och Sanyo Denki tillverkar fortfarande 5-fas motorer i större omfattning.

Tack vara bättre drivelektronik har 2 fas stegmotorn idag nästan samma prestanda, men till en mycket lägre kostnad.

Det finns dock ett antal tillämpningar för mätinstrument eller medicinteknik, där 5-fas motorns mycket mjuka och nästan resonansfria gång är helt nödvändig. Nackdelen är att antalet transistorer i drivsteget blir 10 eller 20 st vilket gör totallösningen dyr.

Betrakta följande s.k. vektordiagram (se vidare under kapitel 5). Varje vektor representerar momentet från resp. fas. Om man adderar –M4 , +M5 , +M1 och +M2, får man en totalvektor av 4 faser. Denna vektor representerar momentet med längden A. Den 5:e fasen, –M3 , ger vid B summan av alla 5 faser. Men tillskottet är endast 4-5% ! Därför kan man driva motorn med 4 faser och låta den 5:e verka bromsande. Detta ger en mycket jämn gång med en naturligt högre stegupplösning (0,72° istället för 1,8°).

Fig. 9. 5-fas stegmotorns vektordiagram av fasernas inverkan.

Hybridstegmotor 3-fas

3 fas stegmotorn är en nyare variant av hybridstegmotorer från vissa tillverkare. Tidigare fanns endast några japanska och tyska tillverkare av 3-fas stegmotorer. Numera finns även amt STEP-line i 3-fas utförande och med tillverkning i Kina har priserna nästan halverats.

3-fas stegmotorn har en rad fördelar

• Kräver endast 6 transistorer i drivsteget och kan använda samma drivmoduler som servomotorer eller frekvensomriktare.
• Har 1,2° stegvinkel (300 steg)
• Kan köras nästan ljudlöst
• Har betydligt jämnare gång än 2-fas stegmotorn men når inte riktigt 5-fas motorn.

Tack vare att 2-fas stegmotorn tillverkas i många miljoner svarar den för 95% av antalet hybridstegmotorer. Men 3-fas stegmotorn kommer i framtiden att bli mer och mer utbredd. Jämförelse mellan hybridstegmotor 2, 3 och 5-fas

Antal faser	2		3	5
Stegvinkel	1,8°		1,2°	0,72°
Drivsätt	Unipolär	Bipolär	Bipolär	Bipolär
Antal transistorer	4	8	6	10
Kopplingstyp	Bifilär	Monofilär	Y-koppling	Pentagon
Antal statorpoler	8		12	10
Antal anslutningar	6	4	3	5
Momentförhållande (TG/TH)	0,707	0,707	0,866	0,951

Fig.11. Olika parametrar för 2, 3, och 5-fas stegmotorer

Hållmoment (TH) - Max moment(TG) = Moment rippel

TG (2-fas) = 0,707xTH
TG (3-fas) = 0,866xTH
TG (5-fas) = 0,951xTH

Det är mycket viktigt att välja rätt motortyp, för applikationer som kräver låga vibrationer och hastighetsvariationer.


Fig. 13. Dynamisk karaktäristik


Fig. 14. Fördelen med 3 och 5-fas stegmotorer jämfört med 2-fas.

Som framgår av fig. 10-14 har 5-fas stegmotorn klart bäst prestanda. Tittar man på prisbilden och även ljudnivån är 3-fas stegmotorn den mest ideala stegmotorn.

Moment och hastighetsprofil

Innan vi går in på hur stegmotorn drivs måste tre viktiga begrepp nämnas.

Hållmoment

Alla stegmotorer har ett s.k. hållmoment (Eng=Holding torque, Tys=Haltemoment) när motorn står still. Om man matar maximalt tillåten ström genom motorlindningarna blir detta det högsta moment som stegmotorn kan prestera. I databladet anges alltid hållmomentet, men man skall veta att det praktiska vridmomentet vid drift är ca 20% lägre.

Restmoment

Även om stegmotorn är helt strömlös, har den ett visst hållmoment. Detta kallas restmoment (Eng=Detent torque, Tys=Resthaltemoment). En VR motor har nästan inget restmoment, medan en Hybridmotor kan ha 10% av hållmomentet. Disc Magnet motorer finns i utförande med restmoment på 3-4% av hållmomentet. Detta restmoment är mycket besvärande vid s.k. mikrostegning, om man samtidigt vill ha en hög upplösning med litet stegfel. Momentkurva

Vi skall nu bekanta oss med den s.k. moment kurvan för en stegmotor. Det är en graf som visar momentet som en funktion av stegfrekvensen.


Fig. 16. Momentet som funktion av stegfrekvensen

En stegmotor har en s.k. start-stopp frekvens eller ett pull-in moment . Det är den maximala stegfrekvens, som stegmotorn momentant kan ”hoppa” igång vid.

Som framgår av fig. 16 sjunker start-stopp frekvensen med ökande belastning. Observera att kurvan avser en obelastad stegmotor och om ett yttre tröghetsmoment (svängmassa) adderas, sjunker start-stopp frekvensen betydligt. Men stegmotorer klarar mycket högre frekvenser!

I fig. 16 anges också det s.k. pull-out moment d.v.s. det maximala moment en stegmotor kan leverera vid olika frekvenser, givet att den accelereras upp till sin arbetsfrekvens.

Observera att det angivna momentet är det absolut maximala en stegmotor kan lämna vid en given frekvens. Det finns inget extra startmoment . Skulle momentetbehovet, även kortvarigt överskrida kurvan, kommer motorn ofelbart att tappa sin synkronism.

Hastighetsprofil

Betrakta en typisk hastighetsprofil i fig. 17.

Stegmotorn kan genom att direkt starta med frekvensen f1 , tjäna in tiden mellan 0 och t1. Detta är mycket intressant vid korta snabba rörelser, t.ex. matningar med 120° per förflyttning. Typisk start-stopp frekvens är 200 -1 000 Hz. Om vi vill nå frekvensen f2 måste en accelerations ramp användas. Stegmotorn ökar linjärt sin hastighet under tiden t1 till t2 från frekvensen f1 till f2. Ofta användes samma ramp också för retardationen.

Fig. 17. Hastighetsprofil Mer om stegmotordrift hittar du om du trycker på kategorin "Drivelektronik" och fliken "Stegmotordrift".

Servomotorer.

En servomotor är en förfinad DC- eller BLDC motor. En vanlig benämning är AC-servomotor som är en borstlös 3-fas synkronmotorer speciellt anpassad för exakt positionering, hög acceleration och jämn gång. Programmet omfattar motorer ?20-220mm och upp till 7kW. Återkoppling sker med en inbyggd pulsgivare eller resolver. Styrning sker med servoförstärkare för +/-10V, pulser eller olika Industribussar. DC servomotorer används i speciella applikationer och ger en lågre systemkostnad eftserom drivelektroniken blir enklare. Vissa servomotorer har integrerad styrning påbyggd motorn för att slippa dyrt kablage mellan motor och förstärkare. Flertalet motorer kan anpassas för olika varvtal eller spänningar.

Benämningen servo innebär att en felsignal återkopplas till styrningen och jämförs med ett bör-värde så att en korregerande åtgärd kan vidtas. Detta innebär att begreppet servo inte nödvändigtvis innebär en viss typ av motor. Alla typer av motorer kan i kombination med återkoppling betraktas och fungera som ett servo.

Stegmotor med pulsgivare och en intelligent styrning är ett bra exempel på ett icke-traditionellt men intressant servo som ger mycket vridmoment i låga hastigheter, vilket kan vara intressant i en rad applikationer där motor+växellåda blir för lång. Mer om servostyrning finns om du trycker på kategorin "Drivelektronik" och fliken "Servosystem".