High-Torque-Schrittmotor: Mehr Drehmoment und weniger Vibration

Durch ein höheres Drehmoment im Vergleich zu anderen Motoren derselben Größe kann ein High-Torque-Schrittmotor mit hohem Drehmoment die Maschinenkapazität und den Produktionsdurchsatz einer Maschine erhöhen, ohne dass dafür die Maschinenfläche vergrößert werden muss. Die wirtschaftlichen Vorteile liegen auf der Hand und kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Tragen: Beispielsweise kann ein automatischer Mehrkanal-Pipettierer oder ein Oberflächenstrukturanalysierer kleiner und leichter ausfallen. Eine PTZ-Kamera, die auf kompaktem Raum gleichzeitig schwenken, neigen und zoomen soll, wird kleiner, unauffälliger und dynamischer. Auch ein Etikettieraggregat einer Verpackungsmaschine wird platzsparender bei höherer Dynamik.

High-Torque-Schrittmotor: Vorteile, die überzeugen

Weitere Vorteile sind höherer Durchsatz dank des verbesserten Arbeitszyklus und der optimierten Bruttotaktzeit sowie geringerer Wartungsaufwand durch eine längere Lebensdauer und Kosteneinsparungen durch die reduzierte Leistungsaufnahme der effizienteren Motoren. Durch die anwendungsangepasste Reduzierung des Phasenstroms auf ein Maß, das auch für den High-Torque-Schrittmotor im Bereich des thermischen Optimums liegt, kann der Produktionsdurchsatz erhöht und der Wartungsaufwand reduziert werden. Außerdem führt die Reduzierung des Phasenstroms mit der Gleichung PJ =R I² zur Verringerung der Jouleschen Verlustleistung, was durch die geringere Zufuhr von elektrischer Leistung indirekt zur Senkung der Betriebskosten beitragen kann.

Möglichkeiten der Drehmomenterhöhung

Während in der Vergangenheit meist Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo) und Samarium-Kobalt (SmCo) als Magnetwerkstoffe eingesetzt wurden, verwenden die meisten Motoren auf dem Markt heutzutage wegen seiner hohen magnetischen Feldstärke einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) im Rotor. Unter der Annahme, dass die Feldstärke des Permanentmagneten konstant bleibt, beschreibt sich das Drehmoment wie folgt: T ∼ N I. Dabei ist T das Drehmoment, N die Zahl der Wicklungswindungen und I der Eingangsstrom.

Um das Drehmoment eines Motors zu erhöhen, muss entweder die Anzahl der Wicklungswindungen oder der Eingangsstrom erhöht werden. Beide Ansätze sind mit Herausforderungen verbunden. Da die Anzahl der Wicklungswindungen in der Regel von den Motorherstellern maximal ausgelegt wird, ist die einfachste Möglichkeit den Motor und somit den verfügbaren Raum für Wicklungswindungen zu vergrößern. Eine Erhöhung des Eingangsstroms kann auch die Betriebstemperatur des Motors erhöhen, was sich parasitär auf den Betriebsbereich oder die Kupferwicklungen auswirken kann, wenn dies über einen längeren Zeitraum geschieht. Oriental Motor gelang eine deutliche Drehmomenterhöhung, die das Drehmoment im Vergleich zum Vorgängermodell nicht nur um bis zu 70 Prozent steigerte, sondern zugleich auch noch das Vibrationsverhalten optimierte.

Gelungene technische Umsetzung

Anstatt sich nur auf Bauteile sowie deren Parameter zu konzentrieren, hat Oriental Motor den gesamten Prozess der Konstruktion und Fertigung überarbeitet und dabei mehrere technische Verbesserungen umgesetzt.

Erstens maximiert ein optimales Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Stators und dem Außendurchmesser des Rotors den magnetischen Fluss. Wird der Rotor jedoch zu groß, erhöht sich auch die Massenträgheit und die Motoren können weniger dynamisch auf Änderungen des Drehzahlsollwertes reagieren. Ein größerer Rotordurchmesser führt auch dazu, dass der Raum für die Statorwicklungen kleiner wird, wodurch der erzeugte magnetische Fluss verringert wird. Umfangreiche Testreihen wurden diesbezüglich durchgeführt, um das beste Verhältnis beider Größen zu ermitteln.

Eine zweite Optimierungsmaßnahme betrifft die Statorbleche: Um die Streuflüsse während der elektromechanischen Energiewandlung zu minimieren, wurde der Fokus auch auf die optimale Dimensionierung der Schenkelpole sowie des hinteren Poljochs und der Oberfläche der Statorblechzähne gelegt. Die Zahnform ist quadratischer als früher, wodurch sich hohe Induktionswerte im Luftspalt erzielen lassen und die Verluste über die Stator- und Rotorzähne minimiert werden.

Der Rotor wird hergestellt, indem auf jeder Seite des Permanentmagneten eine Reihe von dünnen, gezahnten Siliziumstahlblechen befestigt wird. Aus der Forschung ist bekannt, dass es eine bestimmte Anzahl von Lamellen gibt, die das Drehmoment maximieren. Durch Analyse der Sättigungsspannung der Magnetisierungseigenschaften konnte das Drehmoment erhöht und die durch Drehmomentwelligkeit verursachten Vibrationen konnten verringert werden.

High-Torque-Schrittmotor: Verbesserte Steifigkeit und minimaler Luftspalt

Zur Verbesserung der Steifigkeit und zur Optimierung der maximalen Radialbelastung wurde beim High-Torque-Schrittmotor ein größeres Motorlager gewählt. Auch der Basisdurchmesser der Motorwelle wurde vergrößert. Dies hat im Vergleich zur bisherigen Spezifizierung zu einer Erhöhung der maximalen Radialbelastung von bis zu 50 Prozent geführt. Außerdem wurde bei der Lagermontage auf der Abtriebsseite des Motors ein Klebemittel appliziert, wodurch weniger Spiel am Lagergehäuse und somit mehr Raum für den Rotor geschaffen wurde. Weiterhin wurde die Fügetechnik der Stator- und Rotorbleche verbessert, um die Steifigkeit dieser Komponenten zu erhöhen. Auch dies führte zu verringerten Vibrationen.

Die Minimierung des Luftspalts zwischen den Zähnen des Stators und des Rotors ist eine Herausforderung. Der Luftspalt ist ein kritischer Teil der Motorkonstruktion, da Ungenauigkeiten bei der Herstellung zu unruhigem Laufverhalten, Schrittverlusten, Vibrationen, Geräuschen oder sogar zu einem blockierten Rotor führen können. Das erfordert eine umfassende Prüfung und wiederholte Tests vieler Konstruktions- und Fertigungsprozesse.

Durch den Einsatz präziserer Maschinen und ein optimiertes Werkzeugmanagement konnten für die Rotor- und Statorbleche sowie für die Kugellager die Durchmessertoleranzen reduziert werden. Stator- und Rotorkerne werden regelmäßig einer Hochdruckwäsche und Ultraschallreinigung unterzogen, um unerwünschte Fremdkörper aus den Prozessen zu entfernen. Durch die hohe Fertigungs- und Montagegenauigkeit konnte der Luftspalt im Ergebnis auf 30 Mikrometer (0,03 mm) reduziert werden. Zum Vergleich: Eine menschliche Haarsträhne ist 17 bis 181 Mikrometer dick. Die Forschung bei Oriental Motor hat ergeben, dass eine Verringerung des Luftspalts um 10 Mikrometer das Drehmoment um etwa 5 Prozent erhöht.

Oriental Motor konnte die Wicklungsdichte um 8 Prozent erhöhen, indem der Wickeldrahtdurchmesser bei gleichbleibender Windungszahl vergrößert wurde. Der größere Durchmesser der Wicklung senkt die Wicklungsimpedanz und damit auch die Joulesche Verlustleistung. Auch diese Maßnahme trug zu einem höheren Drehmoment, geringerer Wärmeentwicklung und einem verbesserten Vibrationsverhalten der Motoren bei.

Höheres Drehmoment, geringere Vibration

Bei den Schrittmotoren der PKP-Serie konnte das Drehmoment bei gleicher Baugröße um 20 bis 70 Prozent erhöht werden. Das verbesserte Vibrationsverhalten trägt zudem erheblich zur Laufruhe und zu geringerer Geräuschemission bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es viele Möglichkeiten gibt, das Drehmoment eines Schrittmotors zu erhöhen. Durch die Kombination von Verbesserungen verschiedener Teilaspekte wie des Magnetdesigns, der Steifigkeit, der Luftspaltoptimierung und der Wicklungsdichte bietet Oriental Motor mit der PKP-Serie einen verbesserten High-Torque-Schrittmotor zu wirtschaftlichen Preisen an. Das Portfolio von 20 mm- bis 85 mm-Motoren mit optionalen Encodern oder Getrieben umfasst eine breite Auswahl für alle Anwendungen, bei denen ein höheres Drehmoment und geringer Platzbedarf erforderlich ist.

Von Gunnar Siebel.

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