Solange sich der Motor dreht, bleibt das ausgegebene Drehmoment nicht vollständig konstant. Das momentane Drehmoment unterliegt periodisch wiederkehrenden, geringfügigen Schwankungen, die sich als Schwankungen der Drehkraft äußern.Diese periodischen Drehmomentschwankungen werden als „Drehmomentwelligkeit“ bezeichnet. Bei starker Drehmomentwelligkeit beeinträchtigt dies die Leistung der Geräte in Form von Vibrationen, Geräuschen, einer verminderten Positioniergenauigkeit und einer verschlechterten Regelbarkeit. Insbesondere in Bereichen wie medizinischen Geräten, optischen Geräten und Industrierobotern, in denen Laufruhe und Präzision unmittelbar mit der Qualität zusammenhängen, stellt dies eine technische Herausforderung dar, die nicht ignoriert werden darf.In diesem Artikel werden zunächst die grundlegende Bedeutung des Drehmomentrippels sowie der Unterschied zum Kogging-Drehmoment erläutert. Anschließend werden nacheinander die Hauptursachen für dessen Entstehung sowie Methoden zu dessen Reduzierung aus den Blickwinkeln der Konstruktion, der Regelung und der Motorauswahl erläutert. Der Inhalt dient als Referenz für die Auswahl und konstruktive Auslegung von Kleinmotoren.
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Was ist eine Drehmomentwelligkeit? Eine Übersicht über die Grundlagen
Bevor Maßnahmen gegen Drehmomentschwankungen erörtert werden können, ist es notwendig, das Phänomen selbst zu verstehen. Wenn Sie die Bedeutung des Begriffs, die Unterscheidung zu ähnlichen Begriffen sowie die Interpretation der Zahlenwerte verinnerlichen, wird Ihnen das Verständnis der im weiteren Verlauf behandelten Ursachen und Reduzierungsmaßnahmen erleichtert. In diesem Kapitel werden die Grundlagen zu Drehmomentschwankungen aus drei Perspektiven systematisch dargelegt, um die Voraussetzungen für das Verständnis des gesamten Artikels zu schaffen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Die grundlegende Bedeutung von „Torque Ripple“
- Der Unterschied zwischen Drehmomentwelligkeit und Kogging-Drehmoment
- Methoden zur Messung und Bewertung von Drehmomentwelligkeit
Wir werden nacheinander drei Aspekte betrachten, von der Definition der Begriffe bis hin zu den Bewertungskriterien.
Die grundlegende Bedeutung des Begriffs „Drehmomentwelligkeit“
Unter Drehmomentschwankungen versteht man die periodischen Schwankungen des Drehmoments, das während des Betriebs eines Motors abgegeben wird, da dieses nicht konstant bleibt. Selbst wenn der Betrieb bei konstanter Drehzahl zu erfolgen scheint, schwankt das momentane Drehmoment je nach Drehposition und elektrischen Bedingungen ständig.Wird das Drehmoment über eine Umdrehung hinweg kontinuierlich mit einem Drehmomentsensor gemessen, ergibt sich eine Wellenform, die um den Durchschnittswert herum nach oben und unten schwankt. Die Schwankungsamplitude dieser Wellenform entspricht dem Drehmomentrippel; je größer dieser Wert ist, desto weniger gleichmäßig verläuft die Drehbewegung.Leistungsbezogene Probleme wie Vibrationen, Geräusche, eine verminderte Positioniergenauigkeit und eine verschlechterte Regelbarkeit lassen sich in vielen Fällen auf das Drehmomentrippeln zurückführen. Es handelt sich um ein grundlegendes Phänomen, das bei der Beurteilung der Laufqualität eines Motors unbedingt berücksichtigt werden muss.
Der Unterschied zwischen Drehmomentwelligkeit und Kogging-Drehmoment
Der Unterschied zwischen Drehmomentschwankungen und Cogging-Drehmoment liegt in den Bedingungen, unter denen sie auftreten. Das Cogging-Drehmoment ist eine Drehmomentschwankung, die bei Permanentmagnetmotoren auch im stromlosen Zustand auftritt, wenn kein Strom fließt.Drehmomentrippel bezeichnet allgemeine Drehmomentschwankungen, die im stromführenden Betriebszustand beobachtet werden, und umfasst neben dem Rastmoment auch Verzerrungen der Stromwellenform sowie Einflüsse der Regelung. Die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden sind wie folgt:
| Punkt | Kogging-Drehmoment | Drehmomentwelligkeit |
| Auftrittsbedingungen | Tritt auch im stromlosen Zustand auf | Tritt im eingeschalteten und in Betrieb befindlichen Zustand auf |
| Hauptursachen | Aufbau von Eisenkernen und Magneten | Einflüsse von Strom und Steuerung zusätzlich zur Struktur |
| Umfang | Eine Komponente der Drehmomentschwankungen | Gesamtwert einschließlich des Cogging-Drehmoments |
Das Cogging-Drehmoment ist ein Bestandteil der Drehmomentwelligkeit, wobei beide Phänomene in einer Inklusionsbeziehung zueinander stehen. Bei der Bewertung von Drehmomentschwankungen während des Betriebs ist es erforderlich, nicht nur das Cogging-Drehmoment isoliert zu betrachten, sondern die gesamte Drehmomentwelligkeit im Blick zu behalten. Eine Haltung, die Verwechslungen vermeidet und die Phänomene korrekt voneinander abgrenzt, ist der Schlüssel für eine anschließende Ursachenanalyse.
Methoden zur Messung und Bewertung von Drehmomentwelligkeit
Bei der Messung und Bewertung von Drehmomentschwankungen ist es üblich, diese als Prozentsatz darzustellen, der sich aus der Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Drehmoment während einer Umdrehung, geteilt durch das durchschnittliche Drehmoment, ergibt.Durch die Angabe in Prozent lassen sich die Schwankungsgrade auch bei unterschiedlichen Motortypen und -leistungen anhand eines einheitlichen Maßstabs vergleichen. In der Praxis erfolgt die Bewertung durch direkte Messung mittels eines Drehmomentsensors.
Da die gleichzeitige Messung von Phasenstrom und Schwingungen nicht nur Aufschluss über das Ausmaß der Drehmomentschwankungen gibt, sondern auch zur Eingrenzung der Ursachen beiträgt, handelt es sich hierbei um eine praxisorientierte Messmethode zur Erfassung von Drehmomentwelligkeiten. Durch die Anwendung eines Messverfahrens, das sowohl numerische Werte als auch Wellenformen berücksichtigt, lassen sich das Verständnis des Phänomens und die Ermittlung der Ursachen in einem integrierten Ansatz vorantreiben.
Die drei Hauptursachen für Drehmomentwelligkeit
Drehmomentwelligkeit entsteht nicht aufgrund einer einzigen Ursache, sondern ist das Ergebnis des Zusammenspiels mehrerer Faktoren. Die Aufschlüsselung des Entstehungsmechanismus nach einzelnen Faktoren bietet eine Perspektive, die sich zur Identifizierung der Probleme vor Ort sowie zur Erörterung der im weiteren Verlauf behandelten Maßnahmen zur Reduzierung nutzen lässt.In diesem Kapitel werden die drei typischen Ursachen für Drehmomentwelligkeit nacheinander unter den drei Gesichtspunkten „Konstruktion“, „Elektrik“ und „Magnetfeld“ systematisch dargestellt.
Inhalt dieses Abschnitts
- Das Rastmoment ist darin enthalten
- Die Stromwellenform enthält Oberschwingungen
- Die magnetische Flussdichte enthält harmonische Anteile
Ausgehend von der Annahme, dass sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Steuerung Verbesserungsbedarf besteht, werden wir nun drei Faktoren untersuchen.
Das Kogging-Drehmoment ist darin enthalten
Das Cogging-Drehmoment ist eine periodische Drehmomentschwankung, die bei Motoren mit Permanentmagneten auch im stromlosen Zustand auftritt, wenn kein Strom fließt.Die gegenseitige Position der Zähne des Eisenkerns und der Permanentmagnete, die sich gegenseitig anziehen, ändert sich mit der Drehung und äußert sich in Form von Drehmomentpulsationen. Die Anzahl der Zyklen pro Umdrehung entspricht dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Schlitze. Das Cogging-Drehmoment weist die folgenden Merkmale auf:
[Merkmale des Kogging-Drehmoments]
- Tritt auch im stromlosen Zustand auf
- Wechselwirkung zwischen Statornuten und harmonischen Anregungskräften der Magnete
- Die Periode, die sich aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Nuten ergibt
Die Pulsationen im stromlosen Zustand überlagern sich beim Anlaufen des Antriebs als eine Komponente der Drehmomentschwankungen. Da sie auf die Konstruktion selbst zurückzuführen sind, gelten sie als der wichtigste Faktor, den es bei der Betrachtung von Drehmomentschwankungen zu berücksichtigen gilt.
Die Stromwellenform enthält Oberschwingungen
Auch das Vorhandensein von Oberwellen in der Stromwellenform ist ein Faktor, der zu erhöhten Drehmomentwelligkeiten führt.Beim Antrieb eines Motors über einen Wechselrichter kann es aufgrund von Faktoren wie den Verdrahtungsbedingungen zu Verzerrungen in der Stromwellenform kommen, was in einigen Fällen zu einer Zunahme der Drehmomentwelligkeit führt. Da das Drehmoment durch das Produkt aus Strom und Magnetfluss bestimmt wird, schwankt das Drehmoment in dem Maße, in dem die Stromwellenform von der idealen Sinuswelle abweicht.
Die PWM-Steuerung, das grundlegende Steuerungsverfahren für Wechselrichter, ist ein Verfahren, bei dem die an den Motor angelegte Spannung durch das Ein- und Ausschalten von Halbleiterschaltern erzeugt wird.Infolge des Schaltvorgangs weist der Strom feine Schwankungen pro Impuls auf. Diese Stromschwankungen führen über Schwankungen im Magnetfeld zu Drehmomentschwankungen, die als Drehmomentwelligkeit beobachtet werden. Dies lässt sich als ein Faktor einordnen, der auf der elektrischen Eingangsseite seinen Ursprung hat.
*Oberschwingungen: Komponenten, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz beträgt. Sie sind die Ursache für Verzerrungen der Wellenform.
Die magnetische Flussdichte enthält harmonische Anteile
Wenn die magnetische Flussdichte harmonische Anteile enthält, führt dies – als faktor auf der Seite des Magnetfelds – zu Drehmomentrippeln. Die in der magnetischen Flussdichte des Luftspalts enthaltenen harmonischen Anteile verursachen harmonische Anteile im magnetischen Kreuzfluss der Ankerkette, die sich letztendlich als Drehmomentrippel äußern. Der Luftspalt ist der geringe Spalt zwischen Rotor und Stator.
Hintergrund hierfür ist die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeld-Oberwellen der Permanentmagnete und den Luftspalt-Oberwellen. Es handelt sich um ein Phänomen, bei dem Drehmomentpulsationen in Abhängigkeit von der Drehung entstehen, sobald die Magnetfeldverteilung von einer idealen Sinuskurve abweicht. An der Magnetfeldverteilung sind Konstruktionsfaktoren wie der Polbogenwinkel, die Magnetform und die Magnetausrichtung beteiligt.Dies ist der dritte Faktor auf der Seite des Magnetfelds, der von der Konstruktion im Bereich der Magnete abhängt.
Drei Methoden zur Verringerung von Drehmomentschwankungen
Da es mehrere Ursachen für Drehmomentwelligkeiten gibt, gibt es auch nicht nur einen einzigen Ansatz zu deren Reduzierung. Sowohl in der Konstruktionsphase als auch in der Regelungsphase und bei der Auswahl des Motors stehen jeweils geeignete Maßnahmen zur Verfügung. In diesem Kapitel werden drei typische Methoden zur Unterdrückung von Drehmomentwelligkeiten im Rahmen des Ablaufs von Konstruktion, Regelung und Auswahl systematisch dargestellt.
Inhalt dieses Abschnitts
- Optimierung der Motorkonstruktion durch elektromagnetische Feldanalyse
- Anpassung der Stromwellenform durch Regelung
- Auswahl eines kernlosen Motors
Wir werden nacheinander drei Methoden betrachten, von der Konzeption in der frühen Entwicklungsphase bis hin zur endgültigen Produktauswahl.
Optimierung der Motorkonstruktion durch elektromagnetische Feldanalyse
Die Methode zur Optimierung der Motorkonstruktion mittels elektromagnetischer Feldanalyse besteht darin, die Ursachen für Drehmomentwelligkeiten auf struktureller Ebene zu minimieren. Die Stärke des Kogging-Drehmoments und der harmonischen Anteile hängt von strukturellen Faktoren ab, wie beispielsweise der Kombination aus der Anzahl der Magnetpole und der Schlitzanzahl, der Schräglage von Stator und Rotor sowie der Form der Magnete.In der Konstruktionspraxis ist es üblich, mithilfe von elektromagnetischen Feldsimulationen mehrere Konfigurationen numerisch zu vergleichen und zu bewerten. Wenn es gelingt, die Drehmomentkurven der einzelnen Konfigurationen bereits vor der Prototypenfertigung vorherzusagen, lassen sich Entwürfe mit geringen Schwankungen gezielt auswählen. Die Einbeziehung entsprechender Maßnahmen bereits in der frühen Entwurfsphase hat zudem den Vorteil, dass Nacharbeiten in späteren Prozessschritten vermieden werden können.
*Skew: Eine Konstruktion, bei der Stator und Rotor schraubenförmig und schrittweise versetzt angeordnet sind. Dies bewirkt eine Verschiebung der Einrastpositionen zwischen Magneten und Nuten und gleicht dadurch Drehmomentpulsationen aus.
Anpassung der Stromwellenform durch Regelung
Die Methode zur Glättung der Stromwellenform mittels Steuerung ist ein Ansatz zur Unterdrückung von Drehmomentschwankungen, die während des Betriebs durch den Strom verursacht werden. Weithin verbreitet ist dabei die Vektorsteuerung. Dabei wird der durch den Motor fließende Strom in eine d-Achsen-Komponente und eine q-Achsen-Komponente aufgeteilt, und es wird so geregelt, dass nur die das Drehmoment erzeugende Komponente dem Idealwert angenähert wird.Wenn die Schwankungen der Stromwellenform unterdrückt werden, werden auch die Schwankungen des Magnetfelds gemildert. Darüber hinaus ist die Überprüfung der PWM-Trägerfrequenz und der Betriebsbedingungen ein wirksames Mittel. Der Vorteil des steuerungsbasierten Ansatzes besteht darin, dass Anpassungen auf der Betriebsseite vorgenommen werden können, ohne die Konstruktion selbst zu ändern.
Auswahl eines kernlosen Motors
Neben der Optimierung von Konstruktion und Steuerung trägt auch die Auswahl eines Motors, der den geforderten Eigenschaften entspricht, zur Verringerung der Drehmomentrippel bei. Eine typische Wahl sind kernlose Motoren. Da sie keine Eisenkernkonstruktion aufweisen, finden keine wiederholten Anziehungs- und Abstoßungsvorgänge der Magnete statt, sodass nahezu kein Ruckeln auftritt.Die wichtigsten Merkmale kernloser Motoren sind wie folgt:
[Die wichtigsten Merkmale von kernlosen Motoren]
- Reduzierung des Rattereffekts durch eine Konstruktion ohne Eisenkern
- Gleichmäßige Drehcharakteristik mit geringen Drehzahlschwankungen
- Geringe Vibrationen und Geräuschentwicklung – hohe Reaktionsfähigkeit
Während bei Motoren mit Kern ein Rastmoment auftritt, werden bei kernlosen Motoren die Ursachen für dieses Rastmoment bereits auf konstruktiver Ebene minimiert. In Bereichen wie der Medizintechnik, der Optik und der Sicherheitstechnik, in denen ein gleichmäßiger Lauf und Geräuscharmut gefordert sind, stellen sie eine vielversprechende Wahl dar.
Zusammenfassung
Drehmomentschwankungen sind ein Phänomen, bei dem das vom Motor während des Betriebs abgegebene Drehmoment periodisch schwankt. Für deren Entstehung sind drei Faktoren in Wechselwirkung verantwortlich: das auch im stromlosen Zustand auftretende Rastmoment, die in der Stromwellenform enthaltenen Oberschwingungen sowie die in der Magnetflussdichte enthaltenen Oberschwingungen.Zur Reduzierung dieses Phänomens erweisen sich drei Ansätze als wirksam: die Optimierung der Konstruktion durch elektromagnetische Feldanalysen, die Anpassung der Stromwellenform durch Vektorregelung sowie die Auswahl eines Motors, der den geforderten Eigenschaften entspricht.Insbesondere kernlose Motoren, die keinen Eisenkern aufweisen, unterdrücken das Cogging bereits auf der Konstruktionsstufe und stellen somit eine vielversprechende Option für Anwendungen dar, bei denen Geräuscharmut und präzise Steuerung gefordert sind, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten, optischen Geräten und Sicherheitsausrüstung. Durch die Kombination von Maßnahmen in den einzelnen Phasen – Konstruktion, Steuerung und Auswahl – lässt sich die Drehmomentrippel auf ein für die jeweilige Anwendung akzeptables Maß reduzieren.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenloser Motor: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
