De schokken temmen: Een gids voor cogging-koppel en koppelrimpel

Ik gebruik al vele jaren motoren. Mijn ervaring heeft me geleerd dat niet alle koppel hetzelfde is. Je kunt een motor hebben die eruitziet alsof hij genoeg kracht heeft. Maar hij kan trillen, geluid maken of niet zo soepel bewegen als je wilt. Twee dingen veroorzaken deze problemen vaak: cogging koppel en koppelrimpel. Ik wil delen wat ik over deze twee problemen heb geleerd. In dit artikel vertel ik wat ze zijn. Ik zal het ook hebben over waarom ze gebeuren en wat je kunt doen om ze te verhelpen. Dit artikel is voor jou als je wilt dat je motorsysteem trillingsvrij werkt.

Wat is de belangrijkste reden voor het coggingkoppel in een motor?

Ik herinner me de eerste keer dat ik een kleine borstelloze gelijkstroommotor vasthield. Ik draaide de as met mijn hand. Ik voelde een vreemd, hobbelig gevoel. Het voelde alsof de rotor op bepaalde plekken wilde vastklikken. Dat gevoel, mijn vrienden, is cogging koppel. Het is een klikkend koppel dat je kunt voelen zelfs als de motor geen vermogen heeft. Dit effect ontstaat door de manier waarop de permanente magneten op de rotor en de stalen onderdelen van de stator samenwerken.

Je kunt er op deze manier over denken. De permanente magneten op de rotor werken altijd. Ze hebben een krachtig magnetisch veld. De stator is gemaakt van een materiaal waar het magnetische veld aan trekt. De magneten willen de gemakkelijkste weg nemen. Deze weg leidt recht naar de tanden van de stator. Deze aantrekkingskracht zorgt ervoor dat de onderdelen in een natuurlijke positie komen te staan. Wanneer je de rotor probeert te draaien, moet je een bepaalde kracht gebruiken om de magneten weg te trekken van de tanden van de stator. Dit is het cogging koppel. Dit hobbelige gevoel is een normaal onderdeel van hoe veel motorontwerpen werken. Daarom heb je een bepaald koppel nodig om de rotor vanuit stilstand in beweging te krijgen.

Hoe creëren de rotor en stator samen koppelrimpel?

Laten we het vervolgens hebben over koppelrimpel. Het voelt misschien aan als een cogging-koppel, maar het is anders. Het treedt op wanneer de motor wordt ingeschakeld en draait. Koppelrimpel is de verandering in koppel die optreedt wanneer de motoras ronddraait. Dat de motor een ongelijk koppel produceert, komt door een paar dingen. De belangrijkste reden is dezelfde magnetische interactie waar we het over hadden bij cogging-koppel. De rotormagneten worden nog steeds naar de statortanden getrokken. Deze trekkracht creëert een rimpelkoppel.

Maar er is nog een belangrijke reden waarom dit gebeurt wanneer we de motor inschakelen. De elektrische stroom die door de statorwikkeling loopt, maakt zijn eigen magnetische veld. Een motor maakt koppel door de manier waarop dit veld en het veld van de permanente magneten van de rotor samenwerken. De vormen van de statoronderdelen en de wikkeling zijn niet perfect. Hierdoor is de manier waarop ze samenwerken niet perfect vloeiend. Als de rotor draait, verandert de manier waarop de twee magnetische velden in elkaar overlopen. Hierdoor gaat het koppel op en neer. Dit creëert koppelrimpel. Een goed motorbesturingssysteem probeert deze koppelrimpel op te vangen.

Waarom kun je een coggingkoppel voelen, zelfs als de motor is uitgeschakeld?

Dit is een heel goede vraag. Het helpt uit te leggen wat cogging-koppel eigenlijk is. Zoals ik al eerder zei, kun je cogging-koppel voelen zonder dat er vermogen naar de motor gaat. Het is iets fysisch dat gebeurt door magneten. De permanente magneten op de rotor zijn altijd ingeschakeld. Hun magnetische veld is er altijd. De statorkern heeft delen die uitsteken, tanden genoemd. Deze delen geven de magnetische flux een pad om te volgen.

Het magnetische veld zoekt altijd de gemakkelijkste weg. Dit betekent dat de rotormagneten precies naast de tanden van de stator worden geplaatst. Dit creëert een zeer sterke aantrekkingskracht. Het zorgt ook voor een stabiele rustpositie. Wanneer je de as draait, vecht je tegen deze magnetische kracht. Je moet een koppel uitoefenen om de magneten los te krijgen van de ene tand en naar de volgende tand te laten gaan. Daarom voelt het "hobbelig" of alsof het klikt. Dit is een natuurlijk gedrag voor elke motor met permanente magneten en een stator met sleuven. Het is een direct gevolg van hoe de motor is gebouwd. Elke motor van dit type zal een cogging-koppel vertonen.

Wat is het echte verschil tussen coggingkoppel en koppelrimpel?

Ik zie vaak mensen de woorden coggingkoppel en koppelrimpel gebruiken alsof ze hetzelfde betekenen. Ze zijn met elkaar verbonden, maar ze zijn niet hetzelfde. Ik denk dat ze in een tabel zetten helpt om de verschillen duidelijker te zien.

Je kunt het coggingkoppel dus zien als één stukje van de puzzel. Het helpt koppelrimpel te creëren. Wanneer de motor draait, voel je de totale koppelrimpel. Dit is een mix van het coggingkoppel en de rimpelingen door de manier waarop we stroom toepassen. Dus terwijl er stroom vloeit, is de koppelrimpel wat je probeert te controleren. Het coggingkoppel creëert een basisniveau van verandering dat de motorregeling vervolgens moet proberen af te vlakken. Een motor kan een laag coggingkoppel hebben. Maar hij kan nog steeds veel koppelrimpel hebben als het regelsysteem niet goed is ingesteld.

Hoe verandert het ontwerp van de motor deze ongewenste krachten?

Het ontwerp van de motor is het belangrijkste onderdeel om te bepalen hoeveel coggingkoppel de motor heeft. Ik heb ingenieurs hier vele uren aan zien werken. De hoeveelheid cogging-koppel hangt af van het aantal statorgleuven en magnetische polen op de rotor. Veranderingen in deze getallen kunnen een groot verschil maken. Een andere methode die vaak wordt gebruikt is het schuin zetten van de statorlaminaties of de rotormagneten. In plaats van recht, worden de gleuven of magneten van de stator onder een kleine hoek geplaatst. Hierdoor verandert de magnetische aantrekkingskracht geleidelijker als de rotor draait. Dit helpt om het detent-effect af te vlakken.

Voor koppelrimpel is het motorontwerp ook erg belangrijk. De vorm van de permanente magneten kan beter worden gemaakt. De manier waarop de wikkeling in de statorsleuven is geplaatst, maakt ook een groot verschil. Een goede opstelling van de wikkeling kan helpen om een vloeiender magnetisch veld te maken wanneer er stroom op staat. Het doel voor de motorontwerper is om een motor te bouwen die een zo constant mogelijk koppel levert. Dit maakt het werk voor het motorbesturingssysteem veel eenvoudiger. Zelfs het laminatiemateriaal van de stator kan het magnetische veld en het rimpelkoppel dat optreedt beïnvloeden.

Kun je koppelrimpel regelen met de motoraandrijving?

Ja, dat kan. Dit is waar nieuwe motorbesturingsmethoden erg nuttig zijn. Als je eenmaal een fysieke motor hebt, kun je het ingebouwde coggingkoppel niet veranderen. Maar je kunt wel veel doen om de totale koppelrimpel te verlagen. De motoraandrijving is als het elektronische brein. Het vertelt de motor wat hij moet doen. Het regelt de stroom die naar de statorwikkelingen gaat. Door deze stroom zorgvuldig te regelen, kan de regelaar de koppelvariaties opheffen.

Slimme besturingsmethoden kunnen het koppelrimpelpatroon van een motor leren. Het regelsysteem weet dat de motor bij een bepaalde rotorpositie een dip in het koppel zal hebben. Dus stuurt het precies op dat moment een beetje extra stroom om dit te compenseren. Als de motor dan op een punt is waar hij een piek in koppel heeft, verlaagt het regelsysteem de stroom een klein beetje. Dit vereist zeer exacte informatie over de rotorpositie en een snelle verwerkingslus. Een hightech aandrijving kan de koppelrimpel veel verlagen, soms met meer dan 90 procent. Dit is een doel voor veel systemen die heel precies moeten zijn.

Bij welke snelheid wordt koppelrimpel een groter probleem?

Dit is een zeer interessante vraag. Je zou kunnen denken dat koppelrimpel altijd slecht is. Maar het effect is echt afhankelijk van de snelheid van de motor. Bij zeer lage snelheden is koppelrimpel gemakkelijk op te merken. Denk aan een robotarm die een zeer langzame, soepele beweging probeert te maken. Elke fluctuatie in het koppel zorgt voor een schokkerige beweging. In deze situatie zijn zowel het coggingkoppel als het rimpelkoppel een groot probleem. Je hebt een motor en regelsysteem nodig die gemaakt zijn voor een soepele werking bij lage snelheden.

Maar bij hoge snelheden kan het effect van koppelrimpel minder zorgwekkend zijn. De neiging van de rotor en zijn belasting om te blijven bewegen helpt om de dingen glad te strijken. De motor draait zo snel dat de kleine, snelle veranderingen in het koppel niet genoeg tijd hebben om een grote verandering in de snelheid te veroorzaken. De voorwaartse beweging van het systeem zelf werkt als een filter. Toch kan koppelrimpel zelfs bij hoge snelheden ongewenste problemen veroorzaken, zoals trillen en ruis. De beweging ziet er dus misschien vloeiend uit. Maar de koppelrimpel eronder kan nog steeds stress veroorzaken op de motor en het hele systeem. Bij welke motorsnelheden koppelrimpel een probleem vormt, hangt af van het specifieke gebruik.

Wat voor problemen veroorzaakt een ongelijk koppel?

Als ik een nieuw systeem maak, moet ik altijd nadenken over de resultaten van koppelrimpel. De problemen kunnen kleine dingen zijn die vervelend zijn. Of het kunnen grote dingen zijn die ervoor zorgen dat het hele systeem faalt. De meest voorkomende problemen zijn trillen en lawaai. De constante verandering in koppel kan ervoor zorgen dat de hele motor en de onderdelen waarop hij is aangesloten, trillen. Je kunt dit vaak horen als een zoemend of brommend geluid. Het wordt erger als de snelheid van de motor omhoog of omlaag gaat.

In systemen die nauwkeuriger moeten zijn, zijn de resultaten slechter.

• Niet op de juiste plaats stoppen: In robots of snijmachines kan koppelrimpel ervoor zorgen dat de motor niet op de exacte doelpositie stopt. Dit maakt hem minder nauwkeurig.
• Slechte snelheidsregeling: Voor een systeem dat een zeer constante snelheid nodig heeft, is koppelrimpel een groot probleem. Het zorgt voor kleine snelheidsveranderingen, ook wel "snelheidsrimpel" genoemd. Dit is niet goed voor dingen zoals scanners, printers of platenspelers.
• Slijtage van onderdelen: Het constante schudden door het rimpelmoment kan ervoor zorgen dat lagers en andere machineonderdelen van het systeem sneller slijten. Dit kan lange tijd stress en schade veroorzaken. Een motor met een hoge koppelrimpel heeft een moeilijker en duurder regelsysteem nodig om een soepele respons te krijgen.

Hoe beïnvloeden permanente magneten dit gedrag?

Permanente magneten zijn een zeer belangrijk onderdeel van dit onderwerp, vooral voor borstelloze gelijkstroommotoren. Deze motoren zijn krachtig en verbruiken minder energie door het sterke magnetische veld van nieuwe typen magneten. Maar datzelfde sterke veld zorgt voor het coggingkoppel. De sterkte, of fluxdichtheid, van de magneten heeft een directe invloed op hoe sterk het coggingkoppel is. Een motor met sterkere magneten zal meestal een hoger coggingkoppel hebben.

De vorm van de permanente magneten en waar ze op de rotor worden geplaatst, zijn ook zeer belangrijke onderdelen van het motorontwerp. Ontwerpers kunnen de magneten zo vormen dat het magnetische veld vloeiender wordt. Dit helpt om zowel het cogging-koppel als de koppelrimpel te verlagen. In plaats van een eenvoudige vierkante magneet kunnen ze bijvoorbeeld een meer afgeronde vorm gebruiken. Er kan ook gebruik worden gemaakt van de manier waarop de magneten rond de rotor zijn geplaatst. Een speciale opstelling kan bijvoorbeeld het magnetische veld aan de ene kant concentreren en het aan de andere kant zwakker maken. Dit is een ander hulpmiddel om de motor beter te laten werken en ongewenste koppelvariaties te verminderen. Het type motor is belangrijk, want niet alle motoren gebruiken permanente magneten op dezelfde manier.

Wat zijn de beste manieren om het coggingkoppel en het rimpelkoppel te verlagen?

Ik heb gemerkt dat voor het oplossen van deze problemen een manier nodig is die het probleem in twee stappen oplost. Je moet de motor beter maken en je moet een slimmere regelmethode gebruiken. Je kunt het niet zomaar oplossen met computerprogramma's als de motor vanaf het begin een zeer hoog coggingkoppel heeft. Het draait allemaal om een goed systeemontwerp.

Ten eerste moet je de juiste motor kiezen. Als je werk zeer soepele bewegingen bij lage snelheden vereist, moet je een motor zoeken met een laag coggingkoppel. Dit kan een motor betekenen die "kernloos" of "sleufloos" is. In deze motoren zijn er geen stator tanden voor de magneten om aan te trekken. Of het kan een motor zijn met schuine statorlaminaties, meer polen of magneten met speciale vormen. Deze eigenschappen helpen om de fysieke oorzaak van het probleem op te lossen. Een standaardmotor kost misschien minder, maar is misschien niet de juiste voor de klus.

Ten tweede moet je slimme besturing toepassen. Een nieuwe aandrijving met een snelle processor kan speciale instructies gebruiken om koppelrimpel actief te elimineren. Hiervoor is meestal een apparaat voor terugkoppeling nodig, zoals een encoder. Dit onderdeel vertelt de regelkring de exacte rotorpositie. Met deze kennis kan de regelaar de stroom vele honderden of duizenden keren per seconde veranderen. Dit wordt gedaan om het koppel af te vlakken. Als je een goede motor en een slimme regelaar samen gebruikt, heb je de beste kans op een soepele, continue en exacte beweging.

Belangrijkste opmerkingen

Na vele jaren werken met elk type motor dat je maar kunt bedenken, zijn hier de belangrijkste dingen die je volgens mij moet onthouden over coggingkoppel en koppelrimpel:

• Coggingkoppel is een magnetisch klikkend koppel. Je kunt het voelen wanneer een motor geen vermogen heeft. Het wordt veroorzaakt door de aantrekkingskracht tussen de permanente magneten van de rotor en de tanden van de stator.
• Koppelrimpel is de op- en neerwaartse verandering in koppel wanneer de motor aan staat. Het is een mix van coggingkoppel en rimpelingen die ontstaan door de manier waarop stroom naar de motorwikkeling wordt gestuurd.
• Je kunt cogging-koppel niet verwijderen met een besturingsprogramma. Maar je kunt wel een motor kiezen die ontworpen is om er minder van te hebben. Schuine lamellen en sleufloze ontwerpen zijn twee manieren om dit te doen.
• Je kunt koppelrimpel bestrijden met een slimme motoraandrijving. Geavanceerde besturingsmethoden kunnen de stroom zo vormen dat veranderingen in het koppel worden gecompenseerd. Maar hiervoor is exacte positie-informatie nodig.
• De problemen door koppelrimpel zijn het meest merkbaar bij lage toerentallen. Bij een hoger toerental helpt de eigen beweging van de motor om de zaken glad te strijken. Maar schudden en lawaai kunnen nog steeds een probleem zijn.