Kernlose Motoren vs. Eisenkernmotoren

DIE HERAUSFORDERUNG

Brushless-Motoren mit Permanentmagneten können drehende und lineare Bewegungen erzeugen. Sie sind bekannt für ihre hohe Drehmomentdichte und Leistungsfähigkeit. Bei Antrieben dieser Art spricht man gewöhnlich von Brushless-Gleichstrommotoren, Brushless-Wechselstrommotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren oder Servomotoren. Diese elektrischen Antriebe erzeugen grundsätzlich Drehmoment (drehend) oder Kraft (linear).

Für viele Anwendungen im Bereich der Optik, der Abtastung, der Metrologie, der Optoelektrik und des Trackings besteht die wesentliche Herausforderung darin, ein/e konstante/s und voraussehbare/s Drehmoment/Kraft zu gewährleisten. Bei den traditionellen Brushless-Motoren mit Permanentmagneten besteht die Gefahr des Rastmoments, einer Störung infolge der Interaktion zwischen dem Permanentmagnet und den Nuten zwischen den Zähnen des Stators. Das Rastmoment ist ein zyklisches Drehmoment mit einem Winkel, der Drehmomentwelligkeit (und die entsprechende Drehzahlwelligkeit) erzeugt, wodurch ein nicht lineares Element in der Steuerung des Motors Einzug hält.

Im Lauf der Jahre wurden verschiedene Verfahren angewandt, um das Rastmoment auf ein Minimum zu reduzieren, z.B. mittels Schräglamellen, Schrägmagneten, spezieller mechanischer Änderungen und elektrischer Kompensation im Controller des Motors. In den meisten Anwendungen, die eine konstante Antriebsbewegung mit geringen Lasten erfordern, lässt der Erfolg dieser Verfahren jedoch zu wünschen übrig.

DIE LÖSUNG

Die Slotless-Motoren (nutfrei) sind eigens dafür ausgelegt, die Gleichmäßigkeit zu optimieren und ein voraussehbares Ausgangsdrehmoment mit Reduzierung der nicht linearen Effekte auf ein Minimum zu gewährleisten. Die gewöhnlich in drehender Version als Slotless-Motoren und in linearer Version als Ironless-Motoren definierten Antriebe sind mit freitragenden Spulen, auch Luftspulen genannt, versehen. Bei richtiger Anordnung interagieren diese Spulen mit dem Fluss der Permanentmagneten, um Kraft oder Drehmoment zu erzeugen. Das Rastmoment wird dank der Beseitigung der durch die Zähne des Stators entstehenden Diskontinuität eliminiert. Die Slotless-Technologie ist bei Präzisionssystemen mit direktem Antrieb besonders effizient, da das gesamte Drehmoment vom Phasenstrom bestimmt wird und der Motor keine unerwünschten oder unkontrollierten Drehmomentstörungen erzeugt.

TOPOLOGIE DES MOTORS

Innerhalb der Brushless-Motoren mit Permanentmagneten befinden sich zwei wesentliche Komponenten: die Baugruppe des Permanentmagneten und die Baugruppe der Statorspulen. Bei der drehenden Version werden diese zwei Komponenten Rotorbaugruppe und Statorbaugruppe genannt, während man bei der linearen Version von Magnetschiene und Forcer spricht. Der/die Rotor/Magnetschiene ist eine magnetische Komponente und besteht aus Permanentmagneten, die in einer ferromagnetischen Struktur angebracht oder eingetaucht sind. Der Stator/Forcer ist die Gesamtheit der Spulen, die passend kombiniert und dafür ausgelegt sind, ein magnetisches Feld mit verschiedenen Phasen, drei in der üblichen Ausführung, herzustellen.
Was dieser technischen Kurzbeschreibung noch hinzuzufügen ist, sind der Vergleich und die Unterschiede zwischen drehenden Slotless- und Slotted-Motoren. Die gleichen Grundsätze gelten auch für die linearen Ironless- und Ironcore-Motoren.

ROTOR- UND STATOR-STRUKTUR

Rotor-Baugruppe mit Permanentmagneten

Die Rotor-Baugruppe ist in der Regel ein Ring oder eine Welle aus Stahl, an dem/der Magnete befestigt sind, die mechanisch getrennt sein oder einen festen Ring mit einzelnen magnetischen, auf dem Ring magnetisierten Feldern bilden können.

Die Anzahl der Pole steht in direkter wechselseitiger Beziehung zur Anzahl der Permanentmagnete der Rotor-Baugruppe.

Mitunter kann man sich dafür entscheiden, die Anzahl der Nord-Süd-Paare zu zählen, wobei man in diesem Fall von Polpaaren spricht. Die Gesamtanzahl der Pole bestimmt das Übertragungsverhältnis zwischen der elektrischen Frequenz und der mechanischen Drehzahl. In der Regel weisen die Motoren mit einer kleineren Anzahl von Polen eine höhere mechanische Drehzahl auf, während diejenigen mit mehr Polen gewöhnlich langsamer sind. Aber dank der Fortschritte der modernen Elektronik mit großer Bandbreite ist es möglich gewesen, die Drehzahl auch der Motoren mit einer hohen Polanzahl immer mehr zu steigern.

Abb. 1 - Beispiel eines Rotors mit mechanisch getrennten Magneten.

Statorbaugruppe

Damit der Motor drehen kann, ist es notwendig, exakt eine bestimmte Anzahl an elektromagnetischen Phasen zu erregen, die bei Brushless-Motoren mit Permanentmagneten in der Regel drei sind. Diese elektromagnetischen Phasen werden mittels Stromausgängen erregt, die von einem Controller des Motors generiert werden. Der Controller des Motors nutzt typischerweise die Rückkopplung zur Überwachung der Position des Rotors und zur Herstellung des korrekten Stromvektors in den Phasen des Stators, um das Drehmoment zu erhalten. Nach der Herstellung des Drehmoments kann dieses zusammen mit der Drehzahl und der Position gesteuert werden, um jede beliebige Motion-Control-Anwendung zu managen.

Die Statorbaugruppe besteht typischerweise aus Weicheisenlamellen mit Zähnen, die strahlenförmig herausstehen. Die Räume zwischen diesen Zähnen sind die bereits erwähnten Nuten; sie ermöglichen das Einfügen des Drahts der elektromagnetischen Spulen. Dieser Motortyp wird „slotted“ genannt.

Abb. 2 - Ein klassischer direkter Frameless-Motor mit hoher Anzahl an Polen und Konstruktion mit Flachprofilring.

Im Beispiel von Abb. 2 sind die Zähne und Nuten des Stator eindeutig erkennbar. Der graufarbene Ring in der Mitte des Motors ist der aus magnetischem Material erstellte Rotor mit 36 magnetisch geneigten und auf dem Ring magnetisierten Polen. Man beachte, dass die Pole aus gestalterischen Gründen angenähert wurden. Die geneigte Konfiguration trägt dazu bei, das Phänomen des Rastmoments zu reduzieren, indem das magnetische Feld axial alterniert und die grundlegende Frequenz des Rastmoments kompensiert wird.

SLOTTED-STATOR

Die traditionellen Konfigurationen eines Slotted-Stators basieren auf Zähnen, die den elektromagnetischen Fluss in Richtung der Magnete des Rotors konzentrieren und den Gesamtluftspalt des magnetischen Kreislaufs reduzieren. In der Regel sieht jede Phase eine Vielfalt von Zähnen vor. Die Slotted-Motoren sind die verbreitetsten Antriebe, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen dem Ausgangsdrehmoment, der Konstante des Motors, der Funktionstüchtigkeit und der Leichtigkeit in der Herstellung gewährleisten. Gewöhnlich garantieren sie die höchste Antriebsbewegungskonstante Kt (Drehmoment/Ampere) für einen Motor einer gegebenen Größe sowie eine hohe Effizienz und eine bemerkenswerte Beschleunigung mit minimaler Trägheit.

Wie oben erläutert, erlauben die Räume zwischen den Zähnen des Stators das Einfügen des Drahts der elektromagnetischen Phasen. Die Nuten sind die Hauptursache des Rastmoments, da sie eine diskontinuierliche Durchlässigkeit kreieren, während die Magnete von der einen Nut zur nächsten übergehen. Um die grundlegende Frequenz des Rastmoments auf das mögliche Minimum zu reduzieren, werden die Zähne des Stators oder die Magnete des Rotors in der Regel geneigt oder verstellt.

Abb. 3 - Stator mit geneigten Zähnen.

Je nach Konfiguration des Motors variiert das Rastmoment der Slotted-Motoren typischerweise zwischen 1 und 5% des Spitzendrehmoments. Bei Anwendungen mit höheren Nutzlasten ist das minimale Rastmoment gegenüber dem Antriebsdrehmoment reduziert und hat somit nur unerhebliche Auswirkungen auf die Leistungen des Systems. Jedoch bei Anwendungen, in denen die Nutzlast reduziert ist oder die gleichmäßige Antriebsbewegung zu den wesentlichen Anforderungen zählt, verursacht das Rastmoment in der Regel eine Drehzahlwelligkeit, die sich negativ auf die Leistungen auswirken kann.

Die Frequenz des Rastmoments wird durch die Anzahl der Pole und die Anzahl der Nuten des Motors bestimmt. Die grundlegende Frequenz dieses Rastmoments ist das gemeinsame mehrfache Minimum zwischen der Anzahl der Pole und derjenigen der Nuten. Aufgrund der Variationen in der Produktion und der dreidimensionalen Effekte tragen jedoch auch andere harmonische, mehr und weniger hohe Attribute zum Profil des Rastmoments mit Winkel bei.

Die Statoren mit Nuten sind mit der Zunahme des Stroms auch magnetischer Sättigung unterworfen. Dieses Phänomen wird auch Linearität der Drehmomentkonstante (Kt) genannt. Zur Optimierung der Größe und des Ausgangs des Motors befindet sich das Eisen gewöhnlich nahe an der magnetischen Sättigung in Entsprechung zum beständigen thermischen Limit des Motors. Bei einigen Motoren schließt der beständige Wert des Ausgangs gemäß Typenschild einen Linearitätsfehler von gut 10% Kt ein.

SLOTLESS-STATOR

Ein idealer Brushless-Motor mit Permanentmagneten produziert ein sinusförmiges Drehmoment ohne harmonische Verzerrung. Der Slotless-Motor zählt zu denen, die diesem Ziel am nächsten kommen. Der nutfreie Stator weist keine Zähne und keine diesbezüglichen Nuten auf. Die Phasenspulen sind räumlich um den Stator ausgerichtet, um die Beziehung zwischen den elektromagnetischen Phasen, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind, aufzubauen. Sobald die Spulen erregt werden, bilden sie ein magnetisches Feld, das dem des Slotted-Motors ähnelt, aber die dabei entstehende Drehmoment/Winkel-Kennlinie ist sinusförmig. Der Wert des Rastmoments ist null aufgrund des Fehlens der Zähne und diesbezüglichen Nuten.

Abb. 4 - Slotless-Motor mit entsprechend ausgelegtem Rotor zur Verwendung mechanisch getrennter Magnete.

Der Rotor in der Mitte besteht aus 8 getrennten Magneten und hat acht Pole. Die Slotless-Statoren weisen einen sehr flachen radialen Querschnitt auf, der es erlaubt, einen größeren Rotordurchmesser zu verwenden.

Abb. 5: Der Rotor in der Mitte ist ein fester magnetischer Ring mit 12 Polen.

In einem Slotless-Motor ist das gesamte Drehmoment das Ergebnis des an der Wicklung angelegten Stroms, wodurch das System der Servosteuerung vereinfacht und ein gleichmäßigerer Betrieb gewährleistet wird. Darüber hinaus bietet der Motor eine bedeutend bessere Kt-Linearität im Vergleich zur Slotted-Version.

Ein die Slotless-Konfigurationen betreffender Aspekt ist der große magnetische Luftspalt zwischen Rotor und Stator, welcher auf die Beseitigung der Zähne des Stators zurückzuführen ist. Dies bewirkt eine geringere Dichte des Flusses und folglich ein niedrigeres Ausgangsdrehmoment für einen Motor gegebener Größe. Das Ausgangsdrehmoment einer Slotless-Konfiguration liegt gewöhnlich bei 70-75% eines Slotted-Motors von vergleichbarer Größe, aber mit der Optimierung verschiedener Parameter ist es möglich, 85% zu erreichen. Muss die Gleichmäßigkeit als eine kritische Anforderung betrachtet werden, ist die Slotless-Technologie zu bevorzugen, während die Slotted-Motoren wahrscheinlich die beste Lösung sind, sollte die Drehmomentdichte der wesentliche Faktor sein.

KENNLINIE DREHMOMENT VS. WINKEL

Ein drehender Motor erzeugt grundsätzlich ein Drehmoment, das vom Strom und von der Position bestimmt wird. Für die Analyse dieses Phänomens wird gewöhnlich die Drehmoment/Winkel-Kennlinie herangezogen. Die Drehmoment/Winkel-Kennlinie steht für das Ausgangsdrehmoment eines Motors, einschließlich Rastmoment, und ist die nützlichste wesentliche Veranschaulichung, um die Funktionsweise eines Motors in einer spezifischen Anwendung vorauszusehen. Das Verhältnis Drehmoment-Winkel kann gemessen werden, indem man eine Phase des Motors mit Energie versorgt, während der Rotor per Hand gedreht wird; die Messung des dabei entstehenden Drehmoments erfolgt mit einem Drehmoment-Messwertgeber.

Alle Brushless-Motoren mit Permanentmagneten weisen ein Drehmoment/Winkel-Profil auf, das gewöhnlich sinusförmig ausfällt und in der Regel verschiedene Oberschwingungen enthält. Das Rastmoment ist einer der Faktoren, die dazu beitragen, was zu einer bedeutenden harmonischen Verzerrung führen kann. Während der Motor in Betrieb ist, verursacht diese Verzerrung eine Drehmomentwelligkeit, die Auswirkungen auf die Drehzahlwelligkeit hat.

Die nachfolgenden Abbildungen 6 und 7 verdeutlichen, wie das Rastmoment den wesentlichen Unterschied zwischen Slotted- und Slotless-Motoren ausmacht. Abbildung 6 zeigt unmissverständlich, dass bei einem Slotted-Motor, der nicht auf dem maximalen Nenndrehmoment arbeitet, das Rastmoment ein relativ niedriger Prozentwert des Ausgangs und die Drehmomentwelligkeit bedeutend höher ist. Aus der Abbildung 7 geht klar hervor, dass das Rastmoment in der Kennlinie Drehmoment vs. Winkel null ist.

Abb. 6 - Die violette Kennlinie ist das theoretische sinusförmige Drehmoment gegenüber dem Winkel. Die grüne Kennlinie ist das Kompromissergebnis des Rastmoments. Die rote Kennlinie ist das Rastmoment und die blaue Kennlinie das resultierende Drehmoment aus allen drei Phasen, die zusammen arbeiten. Alle Werte wurden auf 1 genormt, um die Anzeige zu vereinfachen. Das Beispiel zeigt ein Rastmoment auf 5% des Nenndrehmoments der Motoren.

Abb. 7 - Das Fehlen des Rastmoments bewirkt, dass der Motor während der eigenen Drehung oder Bewegung einen konstanten Drehmomentvektor produziert. Das gesamte Drehmoment steht in direkter wechselseitiger Beziehung zum an der Wicklung erzeugten Strom. Das Ausgangsdrehmoment ist linear, und die Variationen des Stroms und der Antriebsbewegung können weitaus besser gesteuert werden. Die violette Kennlinie ist von der grünen Kennlinie überlagert, d.h., die zwei Kennlinien sind deckungsgleich.

ZUSAMMENFASSUNG UND FOLGERUNGEN

Das Angebot von Servotecnica umfasst Slotted- und Slotless-Motoren. Die Slotted-Motoren bieten gute Ergebnisse hinsichtlich hoher Drehmomentdichte und hoher Beschleunigung, während die Slotless-Motoren ausgezeichnete Antriebe sind, wenn es darum geht, einen gleichmäßigen Betrieb mit einer guten Kt-Linearität bei Verwendung in einem servounterstützten System zu gewährleisten.

Das Rastmoment variiert erheblich je nach vorliegender Konfiguration der Motoren, und gewöhnlich werden entsprechende Maßnahmen ergriffen, um die Auswirkungen zu mildern, beispielswiese durch Neigen der Magnete oder der Lamellen des Stators. Bei beiden Technologien sind große Rotorbohrungen vorgesehen, und beide können für Anwendungen mit direktem Antrieb und flachem Profil entsprechend angepasst werden.

Die wesentlichen Leistungseigenschaften jedes Motortyps sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

Parameter	Slotted	Slotless
Gleichmäßigere Antriebsbewegung (minimale Drehzahlwelligkeit)		✓
Höhere Drehmomentkonstante	✓
Linearität der Drehmomentkonstante (Kt)		✓
Größere Durchgangsbohrung		✓
Höhere Beschleunigungen	✓

Tabelle 1: Zusammenfassung der wesentlichen Eigenschaften der Slotted- und Slotless-Motoren.

Quelle: Celera Motion