De toepassingen waarin elektrische motoren ingezet worden, kunnen ruwweg ingedeeld worden in twee grote groepen, wat meteen ook een eerste criterium oplevert voor de selectie van een geschikt motortype. De eerste groep zijn aandrijftoepassingen waarbij de motor dient om systemen zoals conveyors, pompen en compressoren in beweging te brengen en te houden. In een tweede groep zijn gecontroleerde bewegingen nodig zoals het positioneren van lasten en andere motion control toepassingen. In de eerste groep ligt de nadruk bij de selectie vaak op het geleverde vermogen. In de tweede groep van toepassingen staat nauwkeurigheid centraal.
Daarnaast zijn er nog een hele reeks andere criteria die de keuze mee kunnen bepalen zoals de beschikbare voedingsspanning, het nodige koppel of vermogen, en de inertie van de last. Ook de cost of ownership kan een belangrijke rol spelen met als bijzonder aandachtspunt uiteraard de energiekost.
Asynchrone inductiemotor
Een van de klassiekers in elektrische aandrijving is de asynchrone inductiemotor waarbij de term asynchroon slaat op het feit dat de rotor (het roterende deel van de motor) aan een lagere snelheid draait dan het magnetische draaiveld dat met wisselstroom opgewerkt wordt in de stator (het vaste deel van de motor). Asynchrone inductiemotoren hebben het grote voordeel dat ze zeer robuust zijn en dat ze zelfstartend zijn, wat betekent dat ze geen externe sturing nodig hebben, al kan er wel met een soft starter of een frequentieregelaar gewerkt worden om hoge inschakelstromen te vermijden. Een nadeel van de asynchrone inductiemotor is dat het rendement meestal vrij laag is. Bij moderne uitvoeringen in efficiëntieklasse 4 (volgens de IEC 60.034 norm) wordt wel een hoger rendement gehaald, tot zelfs 95%.
De klassieke inductiemotor wordt typisch gebruikt in toepassingen zoals pompen en ventilatoren, compressoren, conveyors en in tal van huishoudtoestellen.
Synchrone reluctantiemotor
Bij een synchrone motor draait de rotor wel aan de dezelfde snelheid als het magnetisch draaiveld in de stator, wat als voordeel heeft dat de snelheid nauwkeurig te regelen is. De synchrone reluctantiemotor wordt gekenmerkt door een rotor zonder wikkelingen of permanente magneten. In de plaats daarvan wordt een rotor gebruikt waarvan de doorsnede overeenkomt met de vorm van het magneetveld dat opgewekt wordt door de stator. Dit zorgt ervoor dat het magneetveld als het ware inhaakt op de vorm van de rotor, en zo de rotor in beweging brengt.. Het is een robuust en breed inzetbaar motortype dat vooral gekenmerkt wordt door een hoog rendement. Een nadeel is dat de motor niet zelfstartend is en er dus altijd externe elektronica nodig is om de motor aan te sturen. In hybride vormen wordt dit opgevangen door bijkomend op de rotor een kooi, zoals die van een asynchrone motor, te plaatsen zodat de motor als een asynchrone motor zonder sturing kan opstarten.
Klassieke synchrone motor
Net als de vorige twee types wordt de klassieke synchrone motor vaak ingezet voor aandrijftoepassingen zonder specifieke motion control. Bij de klassieke synchrone motor zitten er meestal elektromagneten in de rotor waardoor zeer hoge vermogens gerealiseerd kunnen worden. Die elektromagneten worden via sleepringen gevoed met een regelbare gelijkstoomspanning. Verder heeft men de eerder aangehaalde voordelen die eigen zijn aan een synchrone motor zoals een nauwkeurige regeling van de snelheid en een hoog energetisch rendement. Dit type motor wordt meestal via een frequentieregelaar gestuurd want hij is niet zelfstartend.
Dit type motor wordt zeer vaak ingezet in zware sectoren waar grote vermogens nodig zijn. Een speciale toepassing van de klassieke synchrone motor is nog het compenseren van de arbeidsfactor in elektriciteitsnetten.
Gelijkstroommotor met borstels
Een vierde motortype dat gebruikt wordt in aandrijftoepassingen is de gelijkstroommotor met wikkelingen in de rotor die via sleepcontacten en borstels gevoed worden. Een commutator op de sleepring zorgt ervoor dat het magnetisch veld twee keer per omwenteling omgekeerd wordt, wat de motor in beweging houdt. De grote voordelen zijn de eenvoud, de lage kost en een goede controle over de snelheid. Op de stator zitten meestal permanente magneten, al kunnen ook daar wikkelingen gebruikt worden om een magnetisch veld op te wekken. In dat geval spreekt men over een seriegeschakelde of shuntgeschakelde DC motor.
Omwille van de slijtage van de borstels wordt dit motortype nog maar weinig gebruikt in industriële toepassingen. Men vindt het wel nog vaak in huishoudtoestellen en speelgoed.
Stappenmotor
In de grote groep van toepassingen waarin gecontroleerde bewegingen gevraagd worden, is de stappenmotor een belangrijk motortype. Een stappenmotor kan uitgevoerd zijn als een reluctantiemotor met een getande rotor of kan permanente magneten in de rotor hebben. Er zijn ook hybride stappenmotoren met getande magneten, wat het meest gebruikte type van stappenmotoren is in industriële toepassingen. De stappenfunctie wordt gerealiseerd via het beurtelings aansturen van de fasen in de stator waardoor de rotor tandje per tandje verspringt. In principe heeft de stappenmotor geen feedback nodig voor het uitvoeren van een gecontroleerde beweging al zijn er wel uitvoeringen met een encoder die bij elke stap terugkoppelen naar de sturing of die correct werd uitgevoerd.
Toepassingen van stappenmotoren zijn terug te vinden in toepassingen waar lagere vermogens nodig zijn zoals printers, compacte CNC-toepassingen en robotica
Borstelloze gelijkstroommotor
De borstelloze gelijkstroommotor is in wezen het omgekeerde van de eerder aangehaalde gelijkstroommotor met borstels, omdat hier de wikkelingen op de stator zitten met een permanente magneet in de rotor. Het voordeel hiervan is dat men geen borstels meer nodig heeft om de spanning over te brengen op de rotor. De keerzijde is dat hierdoor ook de commutator wegvalt en er dus een elektronische regeling nodig is met feedback van de motor om het omkeren van de spanning te sturen. De borstelloze gelijkstroommotor is zeer compact en kan zeer hoge snelheden halen.
Typische toepassingen zijn te vinden in handgereedschappen, drones, elektrische fietsen en ook compacte robots.
Asynchrone servomotor
De asynchrone servomotor werkt zoals de inductiemotor maar heeft bijkomend een geïntegreerde encoder voor de terugkoppeling van zijn positie. De motor wordt typisch ook uitgevoerd met een dunnere, langere rotor wat de inertie verlaagt en een hogere dynamiek bij het aansturen mogelijk maakt. Dit type motor kan hoge snelheden en hoge vermogens leveren.
Toepassingen van de asynchrone servomotor zijn te vinden in werktuigmachines en andere servo applicaties die een hoog vermogen vergen.
Synchrone servomotor
Het meest gebruikte motortype in toepassingen met gecontroleerde beweging is de synchrone servomotor die meestal een krachtige permanente magneet heeft als rotor, wat leidt tot een hoger rendement dan dat van motoren waarin het magneetveld in de rotor opgewekt wordt via inductie. Dit motortype wordt gekenmerkt door zijn compactheid, hoge vermogensdichtheid en nauwkeurige regeling van de snelheid en het koppel.
Synchrone servomotor worden veel gebruikt in robottoepassingen en geavanceerde CNC applicaties.
Lineaire motor
De lineaire motor, tenslotte, is een motortype waarbij elektrische energie rechtstreeks omgezet wordt in een lineaire beweging, waardoor er dus geen tandriem of spindel nodig is om tot een lineaire beweging te komen. De motor kan zowel synchroon of asynchroon uitgevoerd worden, met magneten over de volledige lengte van de as. Lineaire motoren zijn zeer dynamisch en zeer nauwkeurig maar worden voor grotere verplaatsingen al snel vrij duur.
De lineaire motor wordt vooral gebruikt in toepassingen waar zijn hoge nauwkeurigheid noodzakelijk is, zoals in elektronica en printsystemen.
Electric Motion Sizing Tool
Festo focust in zijn aanbod aan elektrische motoren vooral op stappenmotoren en synchrone servomotoren. Met al zijn variaties en accessoires levert dat een enorm aanbod aan keuzemogelijkheden. Daarom werd een interactieve tool ontwikkeld die de gebruiker begeleidt bij de selectie van een optimale oplossing: de Electric Motion Sizing Tool.
In die tool kan de gebruiker in een aantal stappen zijn toepassing en een bewegingscyclus definiëren waarbij onder meer gekeken wordt naar de fysieke afmetingen, een aantal karakteristieken van de last en de tijdspannes waarin de opeenvolgende bewegingen uitgevoerd moeten worden. De tool geeft vervolgens een hele reeks mogelijkheden om de toepassing te realiseren waarbij telkens concrete producten aangeduid worden, aangevuld met parameterinstellingen en alle bestanden en documenten die nodig zijn om de toepassing te realiseren. Daarbij komen ook de connectiviteit met een PLC en de configuratie van de drives aan bod.
Full servo met stappenmotor
Tot slot vermelden we nog een nieuwe tendens in elektrische aandrijving, namelijk het gebruik van een hybride stappenmotor, aangedreven met een servoregelaar. Die gedraagt zich als een borstelloze DC motor en combineert een hoge performantie en dynamiek met een zeer nauwkeurige bewegingscontrole, en zeer aantrekkelijke prijs.
Bij Festo wordt dit type aangeboden met multiprotocol drives, met speciale functies voor vectorcontrole en veldverzwakking. Dit type van motor kan ook gecontroleerd afgeremd worden bij een noodstop en maakt door zijn precieze regeling allerlei toepassingen met 3D interpolatie mogelijk.
Decentrale drives
Een laatste tendens in elektrische aandrijftechniek is het gebruik van decentrale drives die een unit vormen met een motor en zo in het veld geplaatst kunnen worden, als alternatief voor het plaatsen van afzonderlijke drives in een sturingskast. Het grote voordeel is dat men een daisy chain principe kan toepassen waarbij één kabel van motoreenheid naar motoreenheid gaat, die zowel voor de voeding als voor de communicatie met een sturing zorgt. Dit levert een aanzienlijke besparing ten opzichte van de klassieke benadering waarbij elke motor in het veld met een eigen kabel verbonden is met zijn drive in de sturingskast.
Bovendien biedt Festo de mogelijkheid om op de decentrale drives ook nog I/O-modules aan te sluiten die gebruikt kunnen worden om sensoren in de buurt van de motoren ook via de daisy chain te connecteren met een centrale sturing in de kast. Op die manier kunnen met een eenvoudig en overzichtelijk concept zeer uitgebreide en complexe systemen van voeding en communicatie voorzien worden.
Meer informatie
Dit artikel artikel is geschreven op basis van een samenvatting van ons webinar 'Optimale motortechnologie'. Klik hier om de opname van het webinar te bekijken.