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Was ist Drehmomentwelligkeit und wie wirkt sie sich auf lineare Bewegungsanwendungen aus?

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Das Rastmoment trägt zur Drehmomentwelligkeit bei.

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Motoren erzeugen Drehmoment und Drehung durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern im Rotor und im Stator. In einem idealen Motor - mit mechanischen Komponenten, die perfekt bearbeitet und zusammengebaut sind, und elektrischen Feldern, die sich sofort auf- und abbauen - wäre die Drehmomentabgabe vollkommen gleichmäßig, ohne Schwankungen. In der realen Welt gibt es jedoch eine Vielzahl von Faktoren, die dazu führen, dass das abgegebene Drehmoment nicht gleichmäßig ist - und sei es nur um einen kleinen Betrag. Diese periodische Schwankung des Ausgangsdrehmoments eines bestromten Motors wird als Drehmomentwelligkeit bezeichnet.

Mathematisch gesehen ist die Drehmomentwelligkeit definiert als die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Drehmoment, das über eine mechanische Umdrehung des Motors erzeugt wird, geteilt durch das durchschnittliche Drehmoment, das über eine Umdrehung erzeugt wird, ausgedrückt in Prozent.

Bei linearen Bewegungsanwendungen besteht die Hauptauswirkung der Drehmomentwelligkeit darin, dass sie zu einer ungleichmäßigen Bewegung führt. Und da das Motordrehmoment erforderlich ist, um eine Achse auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen, kann die Drehmomentwelligkeit zu einer ruckartigen Bewegung führen. Bei Anwendungen wie der Bearbeitung und dem Auftragen von Klebstoffen kann sich diese ungleichmäßige Bewegung erheblich auf den Prozess oder das Endprodukt auswirken, z. B. durch sichtbare Abweichungen in den Bearbeitungsmustern oder in der Dicke des aufgetragenen Klebstoffs. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. Pick-and-Place, sind die Drehmomentwelligkeit und die Gleichmäßigkeit der Bewegung nicht unbedingt ein kritisches Leistungsproblem. Es sei denn, die Rauheit ist stark genug, um Vibrationen oder hörbare Geräusche zu verursachen - insbesondere, wenn die Vibrationen Resonanzen in anderen Teilen des Systems hervorrufen.

Das Ausmaß der Drehmomentwelligkeit eines Motors hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der Motorkonstruktion und der Art der Steuerung.

Motorkonstruktion und Rastmoment

Bei Motoren mit Permanentmagneten im Rotor - wie bürstenlosen Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und synchronen Wechselstrommotoren - tritt ein Phänomen auf, das als Rastmoment bezeichnet wird. Das Rastmoment (im Zusammenhang mit Schrittmotoren oft als Rastmoment bezeichnet) wird durch die Anziehung von Rotor und Statorzähnen bei bestimmten Rotorpositionen verursacht.

Obwohl es typischerweise mit den "Kerben" in Verbindung gebracht wird, die zu spüren sind, wenn ein nicht angetriebener Motor von Hand gedreht wird, tritt das Rastmoment auch auf, wenn der Motor mit Strom versorgt wird; in diesem Fall trägt es zur Drehmomentwelligkeit des Motors bei, insbesondere bei langsamer Drehzahl.

Es gibt Möglichkeiten, das Rastmoment und die daraus resultierende ungleichmäßige Drehmomenterzeugung abzuschwächen, indem die Anzahl der Magnetpole und Nuten optimiert wird und die Magnete und Nuten schräg gestellt oder geformt werden, um eine Überlappung von einer Rastposition zur nächsten zu erreichen. Eine neuere Art von bürstenlosem Gleichstrommotor - das nutenlose oder kernlose Design - beseitigt das Rastmoment (wenn auch nicht die Drehmomentwelligkeit) durch die Verwendung eines gewickelten Statorkerns, so dass es keine Zähne im Stator gibt, die periodische Anziehungs- und Abstoßungskräfte mit den Rotormagneten erzeugen.

Motorkommutierung und Drehmomentwelligkeit

Permanentmagnetische bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und synchrone Wechselstrommotoren werden häufig durch die Art der Statorwicklung und das verwendete Kommutierungsverfahren unterschieden. Dauermagnet-Synchron-Wechselstrommotoren haben sinusförmig gewickelte Statoren und verwenden eine sinusförmige Kommutierung. Das bedeutet, dass der Strom zum Motor kontinuierlich geregelt wird, so dass das abgegebene Drehmoment sehr konstant bleibt und die Drehmomentwelligkeit gering ist.

Für Bewegungssteuerungsanwendungen können Permanentmagnet-AC-Motoren (PMAC) eine fortschrittlichere Steuerungsmethode verwenden, die als feldorientierte Steuerung (FOC) bekannt ist. Bei der feldorientierten Regelung wird der Strom in jeder Wicklung unabhängig gemessen und geregelt, so dass die Drehmomentwelligkeit noch weiter reduziert wird. Bei dieser Methode wirken sich auch die Bandbreite des Stromregelkreises und die Auflösung der Rückkopplungseinrichtung auf die Qualität der Drehmomenterzeugung und die Höhe der Drehmomentwelligkeit aus. Und fortschrittliche Servoantriebsalgorithmen können die Drehmomentwelligkeit bei extrem empfindlichen Anwendungen weiter reduzieren oder sogar eliminieren.

Im Gegensatz zu PMAC-Motoren haben bürstenlose Gleichstrommotoren trapezförmig gewickelte Statoren und verwenden in der Regel eine Trapezkommutierung. Bei der Trapezkommutierung liefern drei Hall-Sensoren alle 60 elektrischen Grad Informationen über die Position des Rotors. Das bedeutet, dass die Wicklungen in einer quadratischen Wellenform bestromt werden, mit sechs "Schritten" pro elektrischem Zyklus des Motors. Aufgrund der Induktivität der Wicklungen kann der Strom in den Wicklungen jedoch nicht sofort ansteigen (oder abfallen), so dass das Drehmoment bei jedem Schritt, d. h. alle 60 elektrischen Grad, schwankt.

Da die Frequenz der Drehmomentwelligkeit proportional zur Motordrehzahl ist, können bei höheren Drehzahlen die Motor- und Lastträgheit die Auswirkungen dieses ungleichmäßigen Drehmoments ausgleichen. Zu den mechanischen Methoden zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit bei BLDC-Motoren gehört die Erhöhung der Anzahl der Wicklungen im Stator oder der Anzahl der Pole im Rotor. Außerdem können BLDC-Motoren - wie PMAC-Motoren - eine sinusförmige Steuerung oder sogar eine feldorientierte Steuerung verwenden, um die Gleichmäßigkeit der Drehmomenterzeugung zu verbessern, obwohl diese Methoden die Systemkosten und die Komplexität erhöhen.