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Herkömmliche und nutenlose Motoren: Was Sie darüber wissen müssen

17 Jun 2021
Kollmorgen Experten

Herkömmliche bürstenlose und nutenlose Motoren haben in Bezug auf die jeweilige Leistung ihre eigenen Stärken und Schwächen. Bei der Wahl für eines dieser Systeme geht es aber nicht darum, welcher Motor besser ist. Es geht darum, welcher Motor sich am besten für die betreffende Anwendung eignet.  

Wenn ein leichtläufiges und präzises mechanisches System benötigt wird, sind dies häufig kompakte Motoren mit hohem Drehmoment. Denken Sie zum Beispiel an elektro-optische/Infrarot-Systeme (EO/IR). In solchen Systemen kommt es auf die Stabilität, Reaktionsschnelligkeit und Bewegungsgenauigkeit der Plattform an, um Objekte selbst unter widrigen Bedingungen wie Bodenunebenheiten, Luftturbulenzen, Vibrationen und anderen Einwirkungen nachzuverfolgen.  

Mechanische Aspekte und Umwelteinflüsse (wie zum Beispiel Drehmomentwelligkeit oder Kräfte, die in mobilen Anwendungen auf das System einwirken) können die Rückführung des optischen beziehungsweise Infrarot-Sensors unterbrechen. In diesem Fall wird eine zusätzliche Software zur Bildstabilisierung und -glättung benötigt. In einem leichtläufigen und stabilen mechanischen System kann durch das Ausgleichen der Umgebungseinflüsse das Bild mechanisch stabilisiert werden. Dies spart Rechenleistung, die sonst für die Bildstabilisierung benötigt würde.  

Da die Möglichkeit besteht, Rastmoment und Drehmomentwelligkeit durch das Motordesign und das Steuerungssystem auszugleichen, ist die Drehmomentdichte in einem EO/IR-System höher zu priorisieren. Herkömmliche Motoren haben eine höhere Drehmomentdichte als nutenlose Motoren. Bei Systemen mit niedriger Drehzahl (<1.000 U/min) wie EO/IR-Systemen haben sie ein höheres Spitzen- und Dauerdrehmoment und daher eine größere Reaktionsschnelligkeit.   

Welche Rolle spielen Rastmoment und Drehmomentwelligkeit? 

Um den Unterschied zwischen herkömmlichen und nutenlosen Motoren zu verstehen, muss man sich nicht nur mit dem Rastmoment und der Drehmomentwelligkeit befassen, sondern auch mit ihrer Rolle in EO/IR-Systemen.  

Rastmoment tritt bei herkömmlichen Motoren im stromlosen Zustand auf, wenn die Anziehung zwischen den Dauermagneten am Rotor und den Zähnen des Statorblechs beim Drehen eine ruckartige Bewegung hervorruft.Bei nutenlosen Motoren ist dies nicht der Fall, da die Zähne am Stator fehlen und die Magnete während der gesamten Drehung vom Blech angezogen werden.  

Drehmomentwelligkeit tritt sowohl bei herkömmlichen als auch bei nutenlosen Motoren im bestromten Zustand auf. Dies liegt an den Abweichungen der elektromagnetischen Felder bei der Interaktion zwischen Rotor und Stator. Zwar lässt sich das Rastmoment in nutenlosen Motoren reduzieren, doch die Drehmomentwelligkeit ist immer vorhanden und nur durch ein Gebersystem mit hoher Auflösung und hochentwickelten Regelalgorithmen auszugleichen. Mehr darüber erfahren Sie in unserem Blogpost „Rastmoment und Drehmomentwelligkeit: Was Sie darüber wissen müssen“.

Bei Anwendungen mit niedriger Drehzahl, wie z. B. EO/IR-Systemen, ist das Rastmoment für Servomotoren meist nicht der entscheidende Faktor. Die Beseitigung des Rastmoments kann zwar auch Auswirkungen auf die Drehmomentwelligkeit haben, doch am meisten kommt es auf das Verhalten des Motors im bestromten Zustand an. Und da die Drehmomentwelligkeit bei allen Motoren auftritt (auch nutenlosen), sollten die Vorteile herkömmlicher Motoren dementsprechend bei der Auswahl berücksichtigt werden. Drehmomentdichte ist bei der Auswahl eines Motors für EO/IR-Anwendungen der wichtigste Faktor.

Der Trend geht zu nutenlosen Motoren 

Anders als herkömmliche Motoren haben nutenlose Motoren keine Zähne am Statorlamina, weshalb herkömmliche Motoren manchmal auch als genutete (englisch „slotted“) Motoren bezeichnet werden. Die Windungen werden nicht durch Zähne gestützt, sondern das Statorblech besteht stattdessen aus Stahlringen, die mit Kupferspulen übereinander geschichtet und anschließend verkapselt werden. Dadurch befinden sich die Spulen in der Lücke zwischen dem Statorblech und den Rotormagneten.   

Der große Luftspalt zwischen Rotor und Stator schränkt das Drehmoment, welches der Motor erzeugen kann, ein.  Mit einem kleineren Luftspalt (geringerer Abstand zwischen Magnet und Stator) kann mehr Drehmoment erzeugt werden. Eine Halbierung des Abstands vervierfacht das Drehmoment. Nutenlose Motoren verringern diesen Abstand so weit wie möglich, um das maximale Drehmoment herauszuholen. Bei einem zu kleinen Luftspalt entsteht jedoch ein neues Problem. Viele Hersteller schließen den Spalt mit immer größeren Magneten. Dadurch steigen aber die Kosten. Herkömmliche bürstenlose Motoren können ein größeres Drehmoment erzeugen, ohne die Grenzen (und Kosten) bei der Fertigung auszureizen.  

Wie Sie sich vorstellen können, hat es mehrere Vorteile, dass in nutenlosen Motoren die Windungen im Statorblech verkapselt sind. Wie bereits erwähnt, haben sie kein Rastmoment. Ohne Zähne im Blech, die auf den Rotormagneten einwirken, hat der Motor ruhige Laufeigenschaften. Das entstandene Drehmoment ist vorhersehbar und in hohem Maße regulierbar, da es direkt vom Stromfluss in den Windungen abhängt. Nutenlose Motoren haben bei hohen Drehzahlen (die im Allgemeinen bei EO/IR-Anwendungen nicht vorkommen) einen geringen Ummagnetisierungsverlust und lassen sich wirksam für Anwendungen mit geringem Gewicht, niedrigem Drehmoment und stabilen Bedingungen einsetzen. In EO/IR-Anwendungen mit hoher Dynamik sind sie weniger effektiv.  

Zwar gibt es aufgrund der fehlenden Zähne im Blech bei nutenlosen Motoren kein Rastmoment, Drehmomentwelligkeit tritt aber dennoch auf. Da der Motor nur Drehmoment erzeugt, wenn Strom anliegt, ergeben sich nur minimale Vorteile durch das fehlende Rastmoment. Bei empfindlichen Präzisionsanwendungen wie EO/IR ist immer noch ein Gebersystem zur Beseitigung der Drehmomentwelligkeit erforderlich.

Herkömmliche bürstenlose Motoren 

Herkömmliche Motoren mit gezahnten Blechen nennt man auch genutete Motoren. Ihre genuteten Stahlbleche werden mit in die Nuten eingesetzten Kupferwindungen zusammengesteckt. Als „Zahn“ wird der Teil des Stators bezeichnet, der dem Rotor am nächsten liegt. Er fokussiert den elektromagnetischen Fluss auf die Rotormagnete und konzentriert die Energie daher besser als bei nutenlosen Konstruktionen.  

Im Vergleich zu nutenlosen Motoren schaffen herkömmliche Motoren ein gutes Gleichgewicht zwischen Abtriebsmoment, Motorkonstante und Herstellbarkeit. Herkömmliche bürstenlose Motoren haben im Verhältnis zu ihrer Größe eine hohe Motorkonstante mit großer Effizienz, bei hoher Beschleunigung und geringer Trägheit. Dadurch haben herkömmliche Motoren eine geringere Ankerrückwirkung bei hoher Stromstärke, eine geringere Drehmomentwelligkeit und ein höheres kontinuierliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. 

Herkömmliche Motoren mit hoher Polzahl bringen einige Herausforderungen mit sich. Sie sind in der Regel weniger effizient und haben bei hohen Drehzahlen ein geringeres Drehmoment. Das größte Problem der herkömmlichen Motoren ist jedoch das Rastmoment. Wie bereits erwähnt, hat das Rastmoment bei Anwendungen mit geringer Drehzahl und hohem Drehmoment weniger Relevanz als die Drehmomentdichte.

Überwindung des Rastmoments. 

Bei herkömmlichen Motoren sind Drehmomentdichte, Effizienz und Ausgangsleistung höher. Sie eignen sich am besten für Systeme mit niedriger Drehzahl wie EO/IR-Anwendungen mit hoher Dynamik. Auch ihre Herstellbarkeit ist sehr gut. Durch mehrere Kooperationsprojekte und Standardlösungen konnten wir das Rastmoment in herkömmlichen Motoren minimieren. Zum Beispiel kann die Auswahl der richtigen Nuten-Pol-Kombination das Rastmoment stark reduzieren. Auch andere Aspekte spielen eine Rolle: 

  • Der Windungsfaktor, von dem die Effektivität der Verbindung zwischen Magnetfluss und Windung abhängt.  
  • Das Wickeln der Windungen, zum Beispiel Nadelwicklung mit mäßiger Nutenfüllung oder Handwicklung mit höherem Nutenfüllfaktor. Bei höheren Nuten-Pol-Kombinationen dauert das Wickeln jedoch länger und sie haben längere Wicklungsköpfe. 
  • Ankerrückwirkung. Niedrigere Nuten-Pol-Kombinationen haben eine stärkere Ankerrückwirkung. 

Die Auswirkungen des Rastmoments lassen sich auch mit verschiedenen anderen Designoptionen und Maßnahmen verringern. Unter Umständen reduzieren sie die Leistung des Motors, sind aber nicht bei jedem Systemdesign erforderlich: 

  • Abstand zwischen den Polen (Breite der Magnete) 
  • Form der Magnete 
  • Gestaltung der Nutenöffnungen und Zahnspitzen 
  • Schrägverzahnung (bis zu 90-prozentige Verringerung des Rast-Drehmoments)

Herkömmliche Motoren sind immer noch die erste Wahl 

Wenn eine große Laufruhe, eine hohe Beschleunigung und ein hohes Drehmoment benötigt werden, sind herkömmliche bürstenlose Motoren immer noch die erste Wahl. Bei niedriger Last ist ein nutenloser Motor möglicherweise eine gute Alternative. Sein Leistungsbereich reicht jedoch nicht für dynamische Anwendungen mit höherem Drehmoment aus. EO/IR-Systeme mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment müssen eine höhere Drehmomentdichte haben, um für mehr Laufruhe und Stabilität zu sorgen. Somit können Umwelteinflüsse mechanisch ausgeglichen werden. Dies spart Rechenleistung, die sonst für die Bildstabilisierung benötigt würde. Herkömmliche bürstenlose Motoren können ein höheres Spitzendrehmoment haben, während nutenlose Motoren in diesen Anwendungen mit mittlerem bis hohem Drehmoment weniger effektiv sind.  

Kollmorgen hat das nötige Know-how für die Entwicklung herkömmlicher Motoren, die zugleich die Anforderungen von EO/IR-Systemen erfüllen und das Rastmoment minimieren. Sind Sie bereit, die Möglichkeiten Ihrer Anwendung zu erkunden? 

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Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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