Rastmomentfreie Motoren : ohne Cogging

Rastmoment (englisch: "Cogging") entsteht durch die magnetische Anziehungskraft zwischen dem vernuteten Eisenkern einer Motorwicklung und den Permanentmagneten des Rotors. Durch das Drehen des Rotors kann somit eine sinusförmige Welligkeit im Drehmomentprofil beobachtet werden.

Das Rastmoment macht es schwieriger, anspruchsvolle Servoaufgaben wie z.B. Mikrometer- oder Nanometergenaue Positionierung, oder bei Aufgaben wie z.B. Verfahren mit Kriechgeschwindigkeit zu meistern. Man braucht also Motoren ohne Rastmoment.

Es gibt zwei Arten von rastmomentfreien Motoren. Motoren, deren Wicklung ohne Eisenkern ist, bekannt als eisenlose Motoren (vgl. Bild rechts). Oder aber, Motoren deren Wicklung einen nicht-vernuteten Eisenrückschluss haben (vgl. Bild rechts). In diesem Falle entsteht zwar die vorher erwähnte magnetische Anziehungskrauft, jedoch ohne Welligkeit.

TG Familie von eisenlosen Motoren

LSI Familie von nutlosen Motoren

Der eisenlose Motor kann schneller fahren, da im Stator keine sog. "Eisenverluste" (elektrische Wirbelströme) entstehen. Dafür hat der eisenlose Motor eine geringere Drehmomentdichte. Die geringere Drehmomentdichte kann er jedoch durch eine höhere Leistungsdichte wettmachen. Zudem ist der eisenlose Motor leichter als ein eisenbehafteter Motor.

Der rastmomentfreie Motor mit dem nicht-vernuteten Eisenrückschluss hat eine höhere Drehmomentdichte gegenüber dem gerade erwähnten eisenlosen Motor, kann aber nicht so schnell fahren, wegen der Eisenverluste. In den nachfolgenden Absätzen, beschreiben wir unsere beiden Familien von rastmomentfreien Motoren.

Rastmomentfreie Motoren der LSI-Serie

Unser Hersteller-Partner Fa. ThinGap ist Spezialist für rastmomentfreie Motoren. Die PM-bürstenlosen Drehstrommotoren haben eine Ring-Geometrie und bestehen aus eigenentwickelter Technologie für rastmomentfreie Statoren. Hierbei wird das nutenlose Statorblechpaket ringförmig hinter der Statorwicklung montiert. Das Ergebnis: Motoren und Generatoren, welche die gleiche Drehmomentdichte wie herkömmliche Motoren bieten, bei nicht zu übertreffendem Gleichlauf. Die ringförmige Geometrie ermöglicht neue Maschinendesigns, die besser integriert, kompakter und leichter sind.

Im Gegensatz zu Motoren mit geringem Rastmoment, haben nur ThinGap Motoren tatsächlich kein Rastmoment ("True-Zero™"). Das liegt daran, dass das Statorblechpaket als Ring keine Nuten aufweist und somit der Rotor in keine definierte Position strebt (magnetischer Pol). Das führt zu einer präzisen Drehbewegung, sowie zu einem hohen Gleichlauf.

Bitte nehmen Sie Kontakt auf, um Ihre Anforderungen mit einem erfahrenen Ingenieur durchzusprechen.

Tabellarische Übersicht der Motorparameter der LSI-Serie

TypNenn-
Moment
[Nm]
Nenn-
Drehzahl
[RPM]
Spitzen-
Moment
[Nm]
Pol-
Zahl
Stator
AD
[mm]
Rotor
ID
[mm]
Axiale
Länge
[mm]
Gewicht
Bausatz
[kg]
Hall
Option
LSI 25-100,01663700,04482511,9610,130,022Nein
LSI 25-160,02584000,0782514,6315,670,026Nein
LSI 25-250,06664000,2082511,9624,940,048Nein
LSI 51-130,1433260,5118513012,30,089Nein
LSI 59-130,1828400,72225936130,121Nein
LSI 75-120,2925001,25267552,211,90,151Nein
LSI 75-200,6625002,70267552,220,30,278Nein
LSI 75-301,0425005,49267552,2300,39Nein
LSI 105-331,916009,0426104,777,724,90,648Ja
LSI 130-232,25153012,126130,295,322,90,837Nein
LSI 152-293,6200018,436152,4127,828,50,725Ja
LSI 267-3211,5220068,138266,7231,431,82,047Nein

 

Rastmomentfreie Motoren der TG-Serie

Unser Hersteller-Partner Fa. ThinGap ist Spezialist für eisenlose Motoren. Die PM-bürstenlosen Drehstrommotoren der TG-Familie haben eine Ring-Geometrie und bestehen aus eigenentwickelter Technologie für eisenlose Statoren. Das Ergebnis: Motoren und Generatoren, die wenig wiegen, sowie eine hohe Leistungsdichte bei nicht zu übertreffendem Gleichlauf liefern. Die ringförmige Geometrie ermöglicht neue Maschinendesigns, die besser integriert, kompakter und leichter sind.

Die TG-Motoren bieten folgende Vorteile:

  • hohes Verhältnis zwischen Drehmoment und Gewicht
  • niedrige Trägheit
  • bessere Integration in die Maschine dank ringförmiger Geometrie
  • null Rastmoment ermöglicht bessere Stellgenauigkeit und Gleichlauf
  • hohe Leistungsdichte von 50W bis 550kW
  • Durchmesser von 40mm bis 900mm

Bitte nehmen Sie Kontakt auf, um Ihre Anforderungen mit uns durchzusprechen.

Tabellarische Übersicht der Motorparameter der TG-Serie

TG-SerieModellAD/
Axiale
Länge
[mm]
Nenn-
Moment
[Nm]
Spitzen-
Moment
[Nm]
Erforderliche
Spannung
bei max.
Drehzahl
[V]
Max.
Drehzahl
[RPM]
Serie 2TGI231057 / 620,7402,6841,56.500
TGO232060 / 600,351,8768,516.000
TGO233067 / 630,962,83102,216.000
TGO234067 / 621,023,6951,36.500
TGI04646 / 620,714,1477,03.300
Serie 3TG303071 / 160,140,41134,030.600
TG304075 / 170,190,53160,828.400
TG305076 / 160,210,62118,217.900
Serie 4TGD108108 / 512,803,9441,94.800
TGO110110 / 210,993,8828,04.000
Serie 5TG5130131 / 301,685,00168,718.400
TG5140136 / 302,658,12199,013.900
TG5150138 / 303,5711,52207,210.300
Serie 7TG7130178 / 392,9810,88156,113.700
TG7140182 / 394,2617,47186,110.800
TG7150190 / 394,8323,25230,910.300
Kundenspezifisch250-600
mm
(AD)
7-200 kW output2K-20K

 

Anwendung von rastmomentfreien Motoren in der Halbleitertechnik: Reibstangenantrieb

Die rastmomentfreien Motoren werden auch gerne dafür benutzt, aus einer rotatorischen Bewegung eine präzise lineare Bewegung zu erzeugen. Das ist bei Mask-Inspection in der Halbleiterbranche besonders wichtig. Das Prinzip heisst Reibstangenantrieb und funktioniert folgendermaßen.

  • Die Welle eines rastmomentfreien Motors drückt auf einen Läufer (Reibschluss Metall auf Metall)
  • Welle und Läufer sind gehärtet, um mechanische Nachgiebigkeiten zu minimieren
  • Die Welle hat zwei gepaarte Lager (2x2), um radiales Spiel zu unterbinden
  • Das sind spezielle gepaarte Lager, die eine sehr ähnliche Toleranz haben müssen
  • Feedback: Resolver + DC-Tacho
  • Antriebselektronik: MACCON LWM, eine nichttaktende Endstufe
  • Keine Wärmeentwicklung im Läufer, da der Läufer keine elektrische Spule hat und ist somit komplett passiv.

Eine andere Anwendung der rastmomentfreien Motoren ist Wafer-Polishing. Durch die Rastmomentfreiheit wird eine hohe Drehzahlkonstanz erreicht. Das führt zu eine hohe Oberflächenebenheit des Wafers.

Nehmen Sie Kontakt mit uns auf, um mit einem erfahrenen MACCON-Ingenieur über Ihre Anwendung zu sprechen.

Controller für rastmomentfreie Motoren

Bei Aufgaben wie z.B. Mikrometer- oder Nanometergenaue Positionierung, oder bei Aufgaben wie z.B. verfahren mit Kriechgeschwindigkeit (hohe Drehzahlkonstanz trotz variablen Drehwiderstands der Mechanik), ist Rastmomentfreiheit bei den eingesetzten Motoren ein Muss. Das reicht aber bei weitem nicht aus, um das Aufgabenziel zu erreichen. Weitere Voraussetzungen sind: ein hochaufgelöstes Wegmesssystem sowie ein Linearservoverstärker (d.h. nichttaktender Servoverstärker oder Servoregler oder Servoumrichter). Im Bereich der hochaufgelöstes Wegmesssysteme bieten wir optische Wegmesssysteme an. Eine Überblick derer können Sie unter diesem Link finden. Als linearer Servoverstärker bieten wir unser eigenes Produkt der LWM-Familie an. Mehr Informationen finden Sie unter diesem Link. Die meisten Servoverstärker sind taktend d.h. verwenden Pulsweitenmodulation (d.h. Zerhacken der Spannung) um den gewünschten Strom einzustellen. Das Takten führt jedoch zum Stromrippel (d.h. überlagerter Wechselstrom). Der Stromrippel wiederherum führt zu Kraftwelligkeit.

Genau diese Welligkeit macht es schwieriger, anspruchsvolle Servoaufgaben wie z.B. Mikrometer- oder Nanometergenaue Positionierung, oder bei Aufgaben wie z.B. verfahren mit Kriechgeschwindigkeit erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Als letzter und vielleicht wichtigster Erfolgsfaktor zählt die Erfahrung eines Inbetriebnahmeingenieurs, der öfter solche komplexen Systeme in Betrieb genommen hat. MACCON bietet genau solche Ingenieurleistungen an. Wir haben in den Branchen Halbleiter, Optik, Laser sowie Weltraum vielen Kunden mit unserem Erfahrungsschatz zum Erfolg verholfen. Nehmen Sie Kontakt mit uns auf, um mit einem erfahrenen Ingenieur über Ihre technischen Anforderungen zu sprechen!

Darstellung der Drehmomentwelligkeit

Folgende Abbildung zeigt am Besipiel eines Standard Motors die Überlagerung von Rastmoment und Luftspaltmoment bei einer Phasenunsymmetrie von 5%. Die blaue Linie stellt die Drehmomentwelligkeit bei sinusförmiger Kommutierung des Motors dar. Diese Drehmomentwelligkeit führt zu unerwünschten Schwankungen in der Drehzahl und beeinträchtigen damit den Gleichlauf des Motors.

Durch nut- und eisenlose Motorkonstruktionen wird das Rastmoment eliminiert. Die folgende Abbildung zeigt den Phasenverlauf eines rastmomentfreien Motors. Dank seiner patentierten einzigartigen Konstruktionsmerkmale weisen die Motoren der LS-Serie  eine nahezu perfekte Phasensymmetrie mit einer Abweichung von weniger als 1% auf. Die Kombination aus minimaler Phasenunsymmetrie und völliger Rastmomentfreiheit reduziert die Drehmomentwelligkeit der Motoren der LS-Serie auf ein Minimum und ermöglicht eine hohe Positioniergenauigkeit und Drehzahlkonstanz.

Bitte nehmen Sie Kontakt auf, um Ihre Anforderungen mit einem erfahrenen Ingenieur zu besprechen.

FAQ zu rastmomentfreien Motoren

  1. Was sind die Vorteile von einem rastmomentfreien Motor?
    Rastmomentfreie Motoren sind im Gegensatz zu Motoren mit Rastmoment für anspruchsvolle Servoaufgaben, wie Mikrometer- oder Nanometergenaue Positionierung und bei Kriechgeschwindigkeiten einsetzbar.Außerdem kann der eisenlose rastmomentfreie Motor schneller fahren und ist leichter als ein eisenbehafteter Motor.
  2. Welche Arten von rastmomentfreien Motoren gibt es?
    Es gibt zwei Arten von rastmomentfreien Motoren. Zum einen den eisenlosen Motor und zum anderen die Motoren bei denen die Wicklung einen nicht-vernuteten Eisenrückschluss hat.
  3. Welche Einbußen bei der Performance hat der rastmomentfreie Motor?
    Der eisenlose Motor hat eine geringere Drehmomentdichte, diese kann er jedoch durch seine höherer Leistungsdichte kompensieren.
    Der rastmomentfreie Motor mit dem nicht-vernuteten Eisenrückschluss kann nicht so schnell fahren wie der eisenlose Motor, dies kann er jedoch durch seine höherer Drehmomentdichte kompensieren.
  4. Was ist Cogging?
    Cogging ist die englische Bezeichnung für Rastmoment.Cogging betrifft eisenbehaftete Linearmotoren und Torque Motoren. Es entsteht durch die magnetische Anziehungskraft zwischen dem vernuteten Eisenkern einer Motorwicklung und den Permanentmagneten des Rotors. Das Cogging führt zu einem schlechteren Gleichlauf des Motors als bei einem eisenlosen Motor.