Direkte Vorteile

Direktantriebe – Torquemotoren ermöglichen eine spielfreie direkte Kraftübertragung ohne Getriebe. Probleme bereitet jedoch oft die hohe Induktivität, die eine hochdynamische Regelung erschwert. Bürstenlose DC-Torquemotoren mit Permanentmagneten versprechen hier Abhilfe.

21. Februar 2008

Nicht jedes Antriebsproblem lässt sich mit einer klassischen Antriebslösung aus Synchron- oder Asynchronmotor und einem passenden Getriebe optimal lösen. Häufig ermöglichen dies erst Direktantriebe: Sie erlauben den spielfreien und steifen Antrieb der Last ohne den Einsatz eines Getriebes. Eine Vielzahl von Nuten-, Pol- und Phasenzahlen ermöglicht dabei eine enorme Vielfalt an Lösungen und gewünschten Eigenschaften. Individuell konfigurieren lassen sich nicht nur die Drehzahlen, Beschleunigungswerte und Drehmomente, sondern etwa auch eine hohe Steifigkeit gegen Störmomente, ein möglichst geringes Rastmoment oder eine minimale Drehmomentwelligkeit, der EMK-Verlauf als Sinus, www-Sinus, Trapez oder Rechteck, die gewünschte Wicklungs-Induktivität oder spezielle Ei-genschaften wie hochkonstante Drehzahlen bei wechselnder Last, ein hochkonstantes Drehmoment über den Winkel oder geringste Erwärmung.

Torque liefert Drehmoment

Ein besonders hohes Drehmoment bieten Torquemotoren. Sie erzeugen ihr Drehmoment vorzugsweise aus dem großen Durchmesser ihres Luftspaltes. So liefert zum Beispiel in dem astronomischen Großteleskop VLT der Europäischen Raumfahrtagentur ESA in Antofagasta in Chile ein Motor mit einem Durchmesser von neun Metern ein Drehmoment von 200.000 Newtonmeter und erfüllt dabei die geforderten Eigenschaften wie Rastmoment und eine Drehmomentwelligkeit von weniger als ein Prozent bei minimaler Wärmeentwicklung.

Torquemotoren sind üblicherweise sogenannte Langsamläufer, die die Welle ohne Getriebe völlig spielfrei antreiben. Typisch für diese Motoren ist, dass sie innen hohl sind. Normalerweise ist der Stator außen und der Magnetläufer innen, aber solche Motoren funktionieren auch umgekehrt als Außenläufer. Die Motoren werden üblicherweise ohne Lagerung und Gehäuse geliefert und in der Anwendung auf der vorbereiteten Welle oder Hohlwelle befestigt. Die in den Statorspulen erzeugte Wärme wird so an das Gehäuse weitergeleitet. Bürstenlose Torquemotoren laufen zudem völlig verschleiß- und abriebfrei. Die realisierten Durchmesser reichen von rund fünf Zentimetern bis zu 30 Metern.

Magnetkraft stört Rundlauf

Probleme bereiten bei diesen Motoren die großen Kräfte, die von den starken Magneten herrühren: Sie erzeugen starke Haltemomente an Zähnen und Nuten, die den gewünschten optimalen Rundlauf stören. Zwar lassen sich diese Störungen elektronisch ausregeln, doch bleibt ein kleiner Fehler in der Einschwingzeit, der oft nicht toleriert werden kann. Darüber hinaus haben solche Motoren auch Schwankungen im Drehmoment, die sich ebenfalls ungünstig auf den erwünschten absolut ruhigen Lauf auswirken. Es gibt eine Reihe von Ansätzen, um diese Effektes zu verringern, doch ist es bis heute nicht gelungen, beide Störungen gleichzeitig weitgehend zu eliminieren. Die wichtigsten Vorteile von Torquemotoren sind ihre absolut spielfreie Arbeitsweise sowie die optimale Übertragungssteifigkeit. Viele Manipulatoren und Roboter besitzen deshalb an ihren Gelenken solche Direktantriebsstationen. Meist arbeiten diese nach dem Prinzip eines Reluktanz-Schrittmotors mit großem Durchmesser und feinen Schritten. Die extrem hohe Induktivität solcher Motoren verringert allerdings die Dynamik der Regelung. Im Positions-Regelungssystem ist nämlich die Induktivität das Nadelöhr für die Steifigkeit. Es genügt deshalb nicht allein, das statische Drehmoment des Antriebs zu erhöhen, sondern gleichzeitig muss die Steifigkeit verbessert werden.

Induktivität hemmt Dynamik

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, bieten bürstenlose DC-Torquemotoren mit Permanentmagneten: Sie besitzen grundsätzlich eine kleinere Induktivität und daher eine höhere dynamische Steifigkeit, weil der Motor gegen Störmomente nur so schnell gegenagieren kann, wie der Strom in die Wicklung hineinkommt. Bei bürstenlosen Motoren werden deshalb bewusst große Magnete als Spalt eingesetzt, um die unerwünschte Induktivität so klein wie möglich zu halten. Für solche Motoren existiert ein mathematisches Durchflutungsmodell, das eine sinusförmige magnetische Durchflutung gewährleistet. Der Motor ist deshalb im unbestromten Zustand rastmomentfrei und gewährleistet ein konstantes Drehmoment, sodass die Drehmomentwelligkeit sehr klein oder im Idealfall gleich null ist. In der Dynamik sind bürstenlose DC-Motoren deshalb aus physikalischen Gründen anderen Antriebsprinzipien wie Reluktanz- und Asynchronmotor grundsätzlich überlegen, denn diese benötigen den kleinen Spalt und haben daher eine große, störende Induktivität. Eine zwangsläufige Folge des hohen Kupferfüllfaktors ist auch der hohe Wirkungsgrad bis zu mehr als 90 Prozent. Zudem ermöglicht der optimale thermische Kontakt der Kupferwicklung zum Stator sehr hohe Impulsbelastungen. Daneben erlaubt dieses Konstruktionsprinzip sehr kompakte geometrische Dimensionen. Die Motoren arbeiten üblicherweise mit drei Phasen, es gibt aber auch welche mit zwei und noch seltener mit vier, sechs oder zwölf Phasen. Theoretisch sind Ausführungen mit beliebig vielen Phasen möglich. Diese Optionen eröffnen einige singuläre Vorteile: So lassen sich sechs phasige Motoren mit lediglich vier Halbbrücken betreiben, und Motoren mit paarzahligen Phasen vereinfachen die Integration von HF- oder Hall-Kommutierungsresolvern. Zudem fallen bei höheren Phasenzahlen die verbleibenden Rastmomente und die Momentwelligkeit stark ab, was vor allem für den Einsatz in hoch-genauen Werkzeugmaschinen oder Teleskopen wichtig ist.

Carlos Renz, Servowatt/bt

Erschienen in Ausgabe: 01/2008