Die Zähmung der Shakes: Ein Leitfaden zum Rastmoment und zur Drehmomentwelligkeit

Ich habe viele Jahre lang mit Motoren gearbeitet. Dabei habe ich festgestellt, dass Drehmoment nicht gleich Drehmoment ist. Sie haben vielleicht einen Motor, der aussieht, als hätte er genug Kraft. Aber er kann rütteln, Geräusche machen oder sich nicht so gleichmäßig bewegen, wie Sie es wünschen. Zwei Dinge sind häufig die Ursache für diese Probleme: Rastmoment und Drehmomentwelligkeit. Ich möchte Ihnen mitteilen, was ich über diese beiden Probleme gelernt habe. In diesem Artikel werde ich darüber sprechen, was sie sind. Ich werde auch darüber sprechen, warum sie auftreten und was Sie tun können, um sie zu beheben. Dieser Artikel ist für Sie, wenn Sie möchten, dass Ihr Motorsystem ohne Rütteln funktioniert.

Was ist der Hauptgrund für das Rastmoment in einem Motor?

Ich kann mich noch gut daran erinnern, wie ich zum ersten Mal einen kleinen bürstenlosen Gleichstrommotor in der Hand hielt. Ich drehte die Welle mit meiner Hand. Ich spürte ein seltsames, holpriges Gefühl. Es fühlte sich an, als ob der Rotor an bestimmten Stellen einrasten wollte. Dieses Gefühl, meine Freunde, ist das Rastmoment. Es ist ein klickendes Drehmoment, das man auch dann spüren kann, wenn der Motor keine Leistung hat. Dieser Effekt entsteht durch die Art und Weise, wie die Permanentmagnete auf dem Rotor und die Stahlteile des Stators zusammenwirken.

Sie können es sich so vorstellen. Die Permanentmagnete auf dem Rotor sind immer in Betrieb. Sie haben ein starkes Magnetfeld. Der Stator ist aus einem Material gefertigt, an dem das Magnetfeld zieht. Die Magnete wollen den einfachsten Weg nehmen. Dieser Weg führt direkt zu den Zähnen des Stators. Diese Anziehungskraft sorgt dafür, dass sich die Teile in einer natürlichen Position aufreihen. Wenn Sie versuchen, den Rotor zu drehen, müssen Sie eine gewisse Kraft aufwenden, um die Magnete von den Zähnen des Stators wegzuziehen. Dies ist das Rastmoment. Dieses holprige Gefühl ist ein normaler Bestandteil der Funktionsweise vieler Motorenkonstruktionen. Deshalb braucht man ein gewisses Drehmoment, um den Rotor aus dem Stillstand in Bewegung zu bringen.

Wie erzeugt das Zusammenspiel von Rotor und Stator eine Drehmomentwelligkeit?

Als Nächstes wollen wir über die Drehmomentwelligkeit sprechen. Es mag sich ähnlich anfühlen wie das Rastmoment, aber es ist anders. Es tritt auf, wenn der Motor eingeschaltet ist und läuft. Die Drehmomentwelligkeit ist die Veränderung des Drehmoments, die bei der Drehung der Motorwelle auftritt. Dass der Motor ein ungleichmäßiges Drehmoment erzeugt, hat mehrere Gründe. Der Hauptgrund ist die gleiche magnetische Wechselwirkung, über die wir beim Rastmoment gesprochen haben. Die Rotormagnete werden immer noch in Richtung der Statorzähne gezogen. Diese Anziehungskraft erzeugt ein Ripple-Drehmoment.

Aber es gibt noch einen weiteren wichtigen Grund, warum das passiert, wenn wir den Motor einschalten. Der elektrische Strom, der durch die Statorwicklung fließt, erzeugt sein eigenes Magnetfeld. Ein Motor erzeugt ein Drehmoment durch das Zusammenwirken dieses Feldes und des Feldes der Permanentmagneten des Rotors. Die Formen der Statorteile und der Wicklung sind nicht perfekt. Aus diesem Grund ist ihr Zusammenspiel auch nicht vollkommen glatt. Wenn sich der Rotor dreht, ändert sich die Ausrichtung der beiden Magnetfelder ständig. Dadurch steigt und fällt das Drehmoment. Dadurch entsteht die Drehmomentwelligkeit. Ein gutes Motorsteuerungssystem wird versuchen, diese Drehmomentwelligkeit zu bewältigen.

Warum können Sie ein Rastmoment spüren, auch wenn der Motor ausgeschaltet ist?

Dies ist eine sehr gute Frage. Sie hilft zu erklären, was ein Rastmoment wirklich ist. Wie ich bereits sagte, kann man das Rastmoment auch dann spüren, wenn keine Leistung an den Motor abgegeben wird. Es ist eine physikalische Erscheinung, die durch die Magnete verursacht wird. Die Permanentmagnete auf dem Rotor sind immer eingeschaltet. Ihr Magnetfeld ist immer vorhanden. Der Statorkern hat Teile, die herausragen, so genannte Zähne. Diese Teile geben dem magnetischen Fluss einen Pfad, dem er folgen kann.

Das Magnetfeld sucht sich immer den einfachsten Weg. Das bedeutet, dass sich die Rotormagnete direkt neben den Statorzähnen befinden. Das erzeugt eine sehr starke Anziehungskraft. Außerdem entsteht so eine stabile Ruheposition. Wenn du die Welle drehst, kämpfst du gegen diese Magnetkraft an. Sie müssen ein Drehmoment aufbringen, damit sich die Magnete von einem Zahn lösen und zum nächsten Zahn bewegen können. Deshalb fühlt es sich "holprig" an oder als ob es klickt. Dies ist ein natürliches Verhalten für jeden Motor mit Permanentmagneten und einem geschlitzten Stator. Es ist eine direkte Folge der Bauweise des Motors. Jeder Motor dieser Art weist ein Rastmoment auf.

Was ist der wahre Unterschied zwischen Rastmoment und Drehmomentwelligkeit?

Ich sehe oft, dass die Begriffe Rastmoment und Drehmomentwelligkeit so verwendet werden, als ob sie dasselbe bedeuten würden. Sie sind miteinander verbunden, aber sie sind nicht dasselbe. Ich denke, wenn man sie in einer Tabelle zusammenfasst, kann man die Unterschiede besser erkennen.

Sie können also das Rastmoment als ein Teil des Puzzles sehen. Es trägt zur Erzeugung der Drehmomentwelligkeit bei. Wenn der Motor läuft, spüren Sie die gesamte Drehmomentwelligkeit. Dieser setzt sich zusammen aus dem Rastmoment und der Welligkeit, die durch die Stromzufuhr entsteht. Während der Strom fließt, ist es also die Drehmomentwelligkeit, die Sie zu kontrollieren versuchen. Das Rastmoment erzeugt eine Grundschwankung, die die Motorsteuerung dann auszugleichen versucht. Es ist möglich, dass ein Motor ein geringes Rastmoment hat. Dennoch kann er eine hohe Drehmomentwelligkeit aufweisen, wenn das Steuerungssystem nicht richtig eingestellt ist.

Wie verändert die Konstruktion des Motors diese unerwünschten Kräfte?

Die Konstruktion des Motors ist der wichtigste Faktor, wenn es darum geht, wie hoch das Rastmoment ist. Ich habe beobachtet, wie Ingenieure stundenlang an diesem Thema gearbeitet haben. Die Höhe des Rastmoments hängt von der Anzahl der Statorschlitze und der Magnetpole auf dem Rotor ab. Eine Änderung dieser Zahlen kann einen großen Unterschied ausmachen. Eine andere Methode, die oft verwendet wird, ist die Schrägstellung des Statorbleche oder die Rotormagnete. Anstatt gerade zu sein, sind die Statorschlitze oder Magnete in einem kleinen Winkel angeordnet. Dadurch ändert sich die magnetische Anziehung allmählich, wenn sich der Rotor dreht. Dies trägt dazu bei, den Rasteffekt zu glätten.

Für die Drehmomentwelligkeit ist auch das Motordesign sehr wichtig. Die Form der Permanentmagnete kann verbessert werden. Die Art und Weise, wie die Wicklung in den Statorschlitzen angeordnet ist, macht ebenfalls einen großen Unterschied. Eine gute Wicklungsanordnung kann dazu beitragen, ein gleichmäßigeres Magnetfeld zu erzeugen, wenn der Strom eingeschaltet ist. Das Ziel des Motorkonstrukteurs ist es, einen Motor zu bauen, der ein möglichst konstantes Drehmoment erzeugt. Das macht die Arbeit für das Motorsteuerungssystem viel einfacher. Sogar das Lamellenmaterial des Stators kann sich auf das Magnetfeld und das entstehende Rippeldrehmoment auswirken.

Kann man die Drehmomentwelligkeit über den Motorantrieb steuern?

Ja, das kann man. Hier sind die neuen Motorsteuerungsmethoden sehr hilfreich. Wenn Sie einen physischen Motor haben, können Sie sein eingebautes Rastmoment nicht ändern. Aber man kann vieles tun, um die Gesamtdrehmomentwelligkeit zu verringern. Der Motorantrieb ist so etwas wie das elektronische Gehirn. Er sagt dem Motor, was er tun soll. Er steuert den Strom, der in die Statorwicklungen fließt. Durch sorgfältige Formung dieses Stroms kann der Antrieb die Drehmomentschwankungen ausgleichen.

Intelligente Steuerungsmethoden können die Drehmomentwelligkeit eines Motors erlernen. Das Steuerungssystem weiß, dass der Motor bei einer bestimmten Rotorposition einen Drehmomentabfall hat. Also schickt es genau in diesem Moment ein wenig zusätzlichen Strom, um dies auszugleichen. Wenn der Motor dann eine Drehmomentspitze erreicht, senkt das Steuersystem den Strom ein wenig. Dies erfordert sehr genaue Informationen über die Rotorposition und eine schnelle Verarbeitungsschleife. Ein Hightech-Antrieb kann die Drehmomentwelligkeit erheblich senken, manchmal um mehr als 90 Prozent. Dies ist ein Ziel für viele Systeme, die sehr genau sein müssen.

Ab welcher Geschwindigkeit wird die Drehmomentwelligkeit ein größeres Problem?

Dies ist eine sehr interessante Frage. Man könnte meinen, dass die Drehmomentwelligkeit immer schlecht ist. Aber die Auswirkungen hängen tatsächlich von der Motordrehzahl ab. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten ist die Drehmomentwelligkeit leicht zu erkennen. Stellen Sie sich einen Roboterarm vor, der versucht, eine sehr langsame, gleichmäßige Bewegung auszuführen. Jede Schwankung des Drehmoments führt zu einer ruckartigen Bewegung. In dieser Situation sind sowohl das Rastmoment als auch das Ripple-Drehmoment ein großes Problem. Sie brauchen einen Motor und ein Steuerungssystem, das für einen reibungslosen Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgelegt ist.

Bei hohen Drehzahlen ist der Effekt der Drehmomentwelligkeit jedoch weniger besorgniserregend. Die Tendenz des Rotors und seiner Last, sich weiter zu bewegen, trägt dazu bei, die Dinge zu glätten. Der Motor dreht sich so schnell, dass die kleinen, schnellen Änderungen des Drehmoments nicht genug Zeit haben, um eine große Änderung der Geschwindigkeit zu bewirken. Die eigene Vorwärtsbewegung des Systems wirkt wie ein Filter. Dennoch kann die Drehmomentwelligkeit auch bei hohen Geschwindigkeiten unerwünschte Probleme wie Rütteln und Geräusche verursachen. Die Bewegung mag also ruhig aussehen. Aber die darunter liegende Drehmomentwelligkeit kann den Motor und das gesamte System belasten. Die Motordrehzahlen, bei denen die Drehmomentwelligkeit ein Problem darstellt, hängen von der jeweiligen Anwendung ab.

Welche Art von Problemen verursacht ein ungleichmäßiges Drehmoment?

Wenn ich ein neues System entwickle, muss ich immer an die Folgen der Drehmomentwelligkeit denken. Die Probleme können kleine Dinge sein, die ärgerlich sind. Es können aber auch große Probleme sein, die das ganze System zum Scheitern bringen. Die häufigsten Probleme sind Rütteln und Geräusche. Die ständige Veränderung des Drehmoments kann dazu führen, dass der gesamte Motor und die Teile, an die er angeschlossen ist, wackeln. Dies ist oft als Brummen oder Summen zu hören. Es wird schlimmer, je höher oder niedriger die Motordrehzahl ist.

Bei Systemen, die genauer sein müssen, sind die Ergebnisse schlechter.

• Nicht an der richtigen Stelle stoppen: Bei Robotern oder Schneidemaschinen kann die Drehmomentwelligkeit dazu führen, dass der Motor nicht an der exakten Zielposition anhält. Dadurch wird er ungenauer.
• Schlechte Drehzahlregelung: Für ein System, das eine sehr konstante Geschwindigkeit benötigt, ist die Drehmomentwelligkeit ein sehr großes Problem. Sie führt zu kleinen Geschwindigkeitsänderungen, die manchmal als "Geschwindigkeitsrippel" bezeichnet werden. Das ist nicht gut für Dinge wie Scanner, Drucker oder Plattenspieler.
• Abnutzung von Teilen: Die ständigen Erschütterungen durch das Ripple-Drehmoment können dazu führen, dass Lager und andere Maschinenteile des Systems schneller verschleißen. Dies kann über einen langen Zeitraum hinweg Stress und Schäden verursachen. Ein Motor mit hoher Drehmomentwelligkeit erfordert ein schwierigeres und kostspieligeres Steuerungssystem, um eine gleichmäßige Reaktion zu erreichen.

Wie wirken sich Permanentmagnete auf dieses Verhalten aus?

Dauermagnete sind ein sehr wichtiger Bestandteil dieses Themas, insbesondere bei bürstenlosen Gleichstrommotoren. Diese Motoren sind leistungsstark und verbrauchen aufgrund des starken Magnetfelds der neuen Magnete weniger Energie. Aber genau dieses starke Feld ist es, das das Rastmoment verursacht. Die Stärke bzw. Flussdichte der Magnete hat einen direkten Einfluss auf die Stärke des Rastmoments. Ein Motor mit stärkeren Magneten weist in der Regel ein höheres Rastmoment auf.

Die Form der Dauermagnete und ihre Platzierung auf dem Rotor sind ebenfalls sehr wichtige Bestandteile der Motorkonstruktion. Die Konstrukteure können die Magnete so formen, dass das Magnetfeld gleichmäßiger wird. Dies trägt dazu bei, sowohl das Rastmoment als auch die Drehmomentwelligkeit zu verringern. Anstelle eines einfachen quadratischen Magneten kann man beispielsweise eine rundere Form verwenden. Auch die Art und Weise, wie die Magnete um den Rotor herum angeordnet sind, kann genutzt werden. So kann beispielsweise eine spezielle Anordnung das Magnetfeld auf einer Seite bündeln und auf der anderen Seite schwächen. Dies ist ein weiteres Mittel, um den Motor besser arbeiten zu lassen und unerwünschte Drehmomentschwankungen zu verringern. Der Motortyp ist wichtig, denn nicht alle Motoren verwenden Dauermagnete auf dieselbe Weise.

Was sind die besten Methoden zur Verringerung des Rastmoments und des Ripple-Drehmoments?

Ich habe festgestellt, dass diese Probleme in zwei Schritten gelöst werden müssen. Man muss den Motor verbessern, und man muss eine intelligentere Steuerungsmethode verwenden. Man kann das Problem nicht einfach mit Computerprogrammen lösen, wenn der Motor von Anfang an ein sehr hohes Rastmoment hat. Es geht um einen guten Systementwurf.

Zunächst müssen Sie den richtigen Motor auswählen. Wenn Ihre Arbeit eine sehr gleichmäßige Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordert, sollten Sie einen Motor wählen, der ein geringes Rastmoment aufweist. Das kann ein Motor sein, der "kernlos" oder "nutenlos" ist. Bei diesen Motoren gibt es keine Statorzähne, an denen die Magneten ziehen können. Oder es könnte ein Motor mit schrägen Statorblechen, mehr Polen oder Magneten mit besonderen Formen sein. Diese Merkmale tragen dazu bei, die physikalische Ursache des Problems zu beseitigen. Ein Standardmotor mag zwar weniger kosten, aber er ist möglicherweise nicht der richtige für die Aufgabe.

Zweitens müssen Sie eine intelligente Steuerung anwenden. Ein neuer Antrieb mit einem schnellen Prozessor kann spezielle Anweisungen verwenden, um die Drehmomentwelligkeit aktiv zu beseitigen. Dazu ist in der Regel eine Rückkopplungseinrichtung wie ein Encoder erforderlich. Dieses Teil teilt dem Regelkreis die genaue Rotorposition mit. Mit diesem Wissen kann der Antrieb den Strom viele hundert oder tausend Mal pro Sekunde ändern. Dies geschieht, um das Drehmoment zu glätten. Wenn Sie einen guten Motor und einen intelligenten Antrieb zusammen verwenden, haben Sie die besten Chancen auf eine gleichmäßige, kontinuierliche und genaue Bewegung.

Wichtigste Erkenntnisse

Nachdem ich viele Jahre mit allen erdenklichen Motortypen gearbeitet habe, sind hier die wichtigsten Dinge, die Sie meiner Meinung nach über Rastmoment und Drehmomentwelligkeit wissen sollten:

• Das Cogging-Drehmoment ist ein magnetisches Klick-Drehmoment. Man kann es spüren, wenn ein Motor keine Leistung hat. Es wird durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Zähnen des Stators verursacht.
• Die Drehmomentwelligkeit ist die Veränderung des Drehmoments nach oben und unten, wenn der Motor eingeschaltet ist. Es ist eine Mischung aus Rastmoment und Welligkeit, die dadurch entsteht, wie der Strom an die Motorwicklung geleitet wird.
• Sie können das Rastmoment nicht mit einem Steuerprogramm beseitigen. Aber Sie können einen Motor wählen, der so konstruiert ist, dass er weniger davon hat. Schrägbleche und nutenlose Konstruktionen sind zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen.
• Mit einem intelligenten Motorantrieb können Sie die Drehmomentwelligkeit bekämpfen. Hightech-Steuerungsmethoden können den Strom so formen, dass Änderungen des Drehmoments ausgeglichen werden. Dazu sind jedoch genaue Positionsinformationen erforderlich.
• Die Probleme mit der Drehmomentwelligkeit treten vor allem bei niedrigen Drehzahlen auf. Bei höheren Drehzahlen trägt die Eigenbewegung des Motors dazu bei, das Problem zu glätten. Aber Rütteln und Geräusche können immer noch ein Problem sein.