Hoe gebruik je een servomotor? De belangrijkste eigenschappen en soorten

Wat is de beste servomotor voor mijn applicatie? Dit is een veelvoorkomende vraag maar een die maar moeilijk te beantwoorden is zonder naar het complete servosysteem te kijken. Waarom dat zo is leggen we met dit artikel uit. We bespreken daarom wat een servomotor is, wat de belangrijkste eigenschappen zijn, welke types er zijn en welke rol de servomotor inneemt in het servosysteem. Na het lezen van dit artikel weet je alles over servomotoren en wat bepalend is voor de keuze.

Gebruik servomotor

Een servomotor is een elektromotor die zorgt voor de omzetting van elektrisch vermogen in mechanische vermogen. Een servomotor wordt veel toegepast in dynamische systemen waarbij snelle verplaatsingen gerealiseerd moeten worden. Hiervoor is het noodzakelijk dat de servomotor een lage massa of massatraagheid geeft en beschikt over een hoge kracht of koppel voor acceleratie. Deze gegevens stellen eisen aan de constructie en uitvoering van de servomotor. Een lage massatraagheid wordt bij een roterende servomotor verkregen door een slanke rotor of een platte “pancake” rotor constructie toe te passen. Een hoog koppel kan worden verkregen door het toepassen van sterke permanent magneten.

Een elektromotor wordt meestal geassocieerd met een ronddraaiende beweging. Via een mechanische transmissie, zoals een tandriem- of spindelunit, kan de roterende beweging omgezet worden in een lineaire beweging. Dat is ook bij een servomotor vaak het geval.

Belangrijkste eigenschappen servomotor

De belangrijkste eigenschappen van een servomotor zijn:

• Hoge dynamiek
• Hoge overbelastbaarheid
• Grote positioneer nauwkeurigheid
• Hoge snelheidsnauwkeurigheid
• Compacte constructie
• Laag gewicht
• Lage massatraagheid
• Hoog rendement

Onderdeel van elektromechanisch servosysteem

Een servomotor is een onderdeel van een elektromechanisch servosysteem. Omdat een servosysteem een positie- en snelheidsregeling bevat is er een feedback systeem nodig dat de actuele positie meet. Dit feedback systeem is meestal een encoder of een resolver en bevindt zich dan ook vaak in de servomotor. Er bestaan ook lineaire servomotoren of actuatoren die het elektrisch vermogen direct omzetten in een lineaire beweging zonder tussenkomst van een mechanische transmissie.

De geschiedenis en ontwikkeling van de servomotor

Veel uitvinders door de geschiedenis heen worden erkend voor hun deelname aan de ontwikkeling van de elektromotor. De begindagen van servomotoren begonnen met Alessandro Volta en de batterij, Hans Oerstad ontdekte het genereren van magnetische velden en Michael Faraday het elektromagnetisme. Deze ontwikkelingen kwamen samen voor Mortiz Herman Jacobi die als eerste een werkende, roterende elektromotor creëerde in 1834. Zijn motor kon ongeveer 5 kg tillen met een snelheid van ongeveer 0,3 meter per seconde (15 watt).

In de jaren rond 1950 waren er alleen gelijkstroom motoren met permanente magneten als servomotoren. In deze versie van deze motoren bevinden zich “borstels” die werden gebruikt om elektriciteit over te brengen van de stator naar de rotor. Dit veroorzaakte slijtage van de motor dat uiteindelijk de levensduur negatief beïnvloedde. Om dat tegen te gaan werd een zogenaamde borstelloze DC servomotoren (PMDC brushless servomotor) ontwikkeld. Met deze nieuwe technologie gingen de servomotoren langer mee dan voorheen.

Maar de vooruitgang stopte daar niet want dit systeem had nog steeds zijn beperkingen. Deze motor was nog steeds alleen bruikbaar in toepassingen met een laag vermogen en de efficiëntie kon nog duidelijk verbeterd worden. Die uitdaging was de aanleiding voor de ontwikkeling van de borstelloze AC-servomotor. Borstelloze AC-servomotoren worden tegenwoordig veel gebruikt in allerlei industriële systemen.

Een borstelloze AC-servomotor met zeldzame aarde magneten heeft superieure acceleratie-eigenschappen in vergelijking met alle andere motortypes. In het jaar 1970 was het rendement borstelloze PM-motor 80%, wat veel hoger was dan enige andere motortechnologie (minder dan 1 KW) in die tijd. Op het moment van schrijven bereiken borstelloze AC-servomotoren met zeldzame aarde magneten zelfs een rendement van 98% en een piekkoppel van 3-5 maal het nominale koppel!

Servomotor onderdelen

In principe bestaat een bostelloze AC servomotor uit de volgende basisonderdelen:

• Een stator met wikkelingen
• Een rotor met permanente magneten
• Een feedback systeem
• Een behuizing
• Optioneel een houdrem

Overzicht van de verschillende type servomotoren

Het product servomotoren kan worden onderverdeeld in de volgende groepen en subgroepen:

Hoe werkt een servomotor?

Het principe van elke servomotor is gebaseerd op elektromagnetisme, afhankelijk van het type servomotor bevat de stator of de rotor dan ook permanente magneten. Door de wikkelingen, die zich in een magnetisch veld bevinden, te voorzien van de juiste stroom zal er een Lorentz kracht ontwikkeld worden die de rotor van de servomotor laat draaien. Bij een PMDC servomotor zitten deze wikkelingen in de rotor, bij een borstelloze AC servomotor zijn deze juist in de stator te vinden.

Als de rotor van de servomotor gaat draaien zal de stoom door de wikkelingen moeten worden aangepast om de Lorentz kracht in de juiste richting te behouden. In de PMDC servomotor met borstels wordt dit gedaan door de commutator en de borstels, bij een borstelloze AC servomotor moet de stroom per motor wikkeling worden aangepast door de servoregelaar. Door het meten van de rotor positie met behulp van een feedback systeem wordt de juiste stroom door de motor wikkelingen gestuurd. Een servomotor heeft voor de juiste werking van het servosysteem altijd een servoregelaar nodig.

Het geheel van de servomotor, servoregelaar, een feedbacksysteem en een besturingssysteem maakt een servosysteem. De servomotor is dus onlosmakelijk verbonden met het servosysteem en de keuze voor een servomotor is dus nooit los van het systeem waarin deze moet functioneren te maken.

Servomotor kiezen: drijvende kracht in servosysteem

De systeem eisen die betrekking hebben op het maken van een keuze voor een type servomotor zijn o.a:

• De dynamiek van de aandrijving (acceleratie, snelheid en verplaatsing)
• De te verplaatsen massa of massatraagheid
• Gewenste nauwkeurigheid
• Omgevingscondities
• Inbouwmogelijkheden
• Eventueel verstoringen

VARIODRIVE helpt machinebouwers met het opzetten van een systeem architectuur en stelt samen met de klant vast wat dan de technisch en commercieel meest optimale configuratie is. De keuze voor een servomotor is hierbij vanzelfsprekend van groot belang. De calculatie, simulatie en het programmeren van servosystemen zijn vervolgens het specialisme van VARIODRIVE en die capaciteit maakt dat wij machinebouwers op dit vlak echt kunnen ontzorgen.

Wil je meer weten over de mogelijkheden? Wij vertellen je graag, aan de hand van interessante case studies, hoe we dit aan zouden pakken.
Neem contact op met sales@variodrive.nl of bel +31 186636280 voor een afspraak.