Rastmoment (engl. 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.
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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.
Die neue LSO-Serie von Außenläufer-Torquemotoren baut auf die erfolgreiche LS-Serie auf.
Merkmale der LSO-Serie:
Durch die Außenläufer-Bauweise (Rotor befindet sich auf der Außenseite des Stators), bieten die neuen Bausätze ein mechanisches Merkmal, für Anwendungen, die eine Außenrotation um ein stationäres Zentrum benötigen.
Typische Anwendungsgebiete für rastmomentfreie Außenläufer-Bausatzmotoren:
Typ | Nenn- Moment [Nm] | Nenn- Drehzahl [RPM] | Spitzen- Moment [Nm] | Pol- Zahl | Stator ID [mm] | Rotor AD [mm] | Axiale Länge [mm] | Gewicht Bausatz [kg] | Hall Option | Datenblatt |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
LSO 225-51 | 11,35 | 920 | 125 | 42 | 198,02 | 224,79 | 54,96 | 2,422 | Nein | |
LSO 225-66 | 17,86 | 920 | 64 | 42 | 198,02 | 224,79 | 70,48 | 2,778 | Nein |
Die LSO-Serie wird voraussichtlich 2022 um weitere Baugrößen erweitert.
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Unser Hersteller-Partner Fa. ThinGap ist Spezialist für eisenlose Motoren. Die PM-bürstenlosen Drehstrommotoren der TG-Serie 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:
TG-Serie | Modell | AD/ Axiale Länge [mm] | Nenn- Moment [Nm] | Spitzen- Moment [Nm] | Erforderliche Spannung bei max. Drehzahl [V] | Max. Drehzahl [RPM] |
---|---|---|---|---|---|---|
Serie 2 | TGI2310 | 57 / 62 | 0,740 | 2,68 | 41,5 | 6.500 |
TGO2320 | 60 / 60 | 0,35 | 1,87 | 68,5 | 16.000 | |
TGO2330 | 67 / 63 | 0,96 | 2,83 | 102,2 | 16.000 | |
TGO2340 | 67 / 62 | 1,02 | 3,69 | 51,3 | 6.500 | |
TGI046 | 46 / 62 | 0,71 | 4,14 | 77,0 | 3.300 | |
Serie 3 | TG3030 | 71 / 16 | 0,14 | 0,41 | 134,0 | 30.600 |
TG3040 | 75 / 17 | 0,19 | 0,53 | 160,8 | 28.400 | |
TG3050 | 76 / 16 | 0,21 | 0,62 | 118,2 | 17.900 | |
Serie 4 | TGD108 | 108 / 51 | 2,80 | 3,94 | 41,9 | 4.800 |
TGO110 | 110 / 21 | 0,99 | 3,88 | 28,0 | 4.000 | |
Serie 5 | TG5130 | 131 / 30 | 1,68 | 5,00 | 168,7 | 18.400 |
TG5140 | 136 / 30 | 2,65 | 8,12 | 199,0 | 13.900 | |
TG5150 | 138 / 30 | 3,57 | 11,52 | 207,2 | 10.300 | |
Serie 7 | TG7130 | 178 / 39 | 2,98 | 10,88 | 156,1 | 13.700 |
TG7140 | 182 / 39 | 4,26 | 17,47 | 186,1 | 10.800 | |
TG7150 | 190 / 39 | 4,83 | 23,25 | 230,9 | 10.300 | |
Kundenspezifisch | 250-600 mm (AD) | 7-200 kW output | 2K-20K |
Die kardanische Aufhängung, auch kardanische Lagerung (engl. Gimbal) genannt, ist eine Aufhängevorrichtung, bei der ein Körper in alle Richtungen drehbar im Raum gelagert ist. Die kardanische Aufhängung besteht in den meisten Fällen aus drei Ringen, deren Achsen jeweils um 90° verstetzt, ineinader drehbar gelagert sind. Gimbals werden häufig in der Luft- & Raumfahrt und Satellitenkommunikation eingesetzt. Für solche Gimbal-Systeme eignen sich besonders die rastmomentfreien ThinGap-Motorsätze der LSI-Serie.
Der Einsatz von kardanischen Aufhängungen in der Luft ist sowohl bei bemannten Flugzeugen als auch bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) weit verbreitet. Neben der üblichen Verwendung in Kommunikationssystemen werden sie zunehmend in Sicherheitssystemen von Polizei, bei Such- und Rettungsaktionen und zur Unterstützung von Unwetter- und Offshore-Einsätzen der Küstenwache eingesetzt. Diese hochmodernen Gimbals oder "Balls", wie sie oft genannt werden, sind häufig mit fortschrittlichen Systemen wie Wärmebildkameras, hochpräzisen Kameras, Luft-Boden-Kommunikation und Lasern zum Ausrichten, Entfernungsmessen und Beleuchten ausgestattet.
Multiaxiale Gimbals benötigen Hochleistungsmotoren, um ihre Bewegungen direkt anzutreiben und die Position zu halten. Als luftgestützte Systeme wird hohe Leistung durch Gewicht, Drehmomentkapazität, reibungslose Bewegung und einen wünschenswerten Formfaktor definiert. Die nutenlosen Motorkits der LSI-Serie erfüllen alle diese kritischen Anforderungen.
Die Nutenlose Motoren der LSI-Familie eliminieren das Cogging-Drehmoment und bieten eine sehr guten Gleichlauf, die für optische Systeme zum präzisen Zielen, Zeigen und Zoomen bei großen Abständen und ansonsten für eine gleichmäßige Bewegung zum präzisen Scannen entscheidend ist.
Zusammenfassung der Eigenschaften von Motoren der LS-Serie:
Ein Reaktionsrad ist ein Aktuator zur Positionsregelung eines Satelliten. Das Reaktionsrad übt ein Drehmoment aus, um den Satelliten entlang der selben Achse, jedoch in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Ein Reaktionsrad besteht aus einem Elektromotor, eine von ihm gedrehte Schwungradmasse und eine Steuerelektronik für die Bestimmung der Drehzahl des Motors. Im Gegensatz zu Steuerraketen oder elektromagnetischen Spulen, die den Drall des Systems verändern, bleibt der Gesamtdrall des Satellitensystems konstant. Für die Lagerregelung eines Satelliten eignen sich besonders die rastmomentfreien ThinGap-Motorsätze der TG-Serie.
Die Motoren der TG-Serie haben folgende Eigenschaften:
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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.
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.
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Robotergestützte chirurgische Systeme, erfordern reibungslose Präzisionsbewegungen in den Robotergelenken und Endeffektoren. Hierfür eignene sich besonders die rastmomentfreien Motoren der LS-Serie. Das nutenlose ringförmige Statorblechpakete des Motors führt zu einer präzisen rastmomentfreien Drehbewegung und einem hohen Gleichlauf. Die große Innenbohrung der Motoren ermöglicht zudem ein einwandfreies verlegen von Kabeln und Schläuchen durch die Robotergelenke.
Die rastmomentfreien Bausatzmotoren der LS-Serie erfüllen mit ihren Eigenschaften die erforderlichen Standards der Medizintechnikhersteller.
Auch im Bereich der Antriebselektronik bietet MACCON passende Lösungen für die anspruchsvollen Anwendungen in der Medizinrobotik. Zum einen kapazitive Encoder in Bausatzform für Robotik und zum anderen integrierte Servorgeler für Robotik.
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Luftgelagerte Drehtische werden für Anwendungen eingesetzt, die eine höchste Präzision erfordern, mehr als dies bei Drehtischen mit herkömmlichen Kugellagern möglich ist. Typische Zielbranchen hierfür sind die Fertigung von Halbleiter- und Messtechnik. Neben dem Luftlager selbst sind auch sehr präzise bearbeitete mechanische Komponenten des Antriebs- und Bearbeitungssystems erforderlich. Darüber hinaus sind ein hochaufgelöstes Winkelmesssystem, und eine passende Antriebselektronik erforderlich. Vor allem ist die Verwendung eines rastmomentfreien Motors notwendig, damit das vom Motor gelieferte Drehmoment möglichst wenig Momentenwelligkeit aufweist.
Das Luftlager selbst muss die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- ein minimaler Kippfehler, d. h. die Abweichung von einer idealen vertikalen Drehachse zur Längsachse des Lagers
- eine hohe axiale und radiale Genauigkeit, um keine bis minimale Bewegung der rotierenden Teile parallel und rechtwinklig zur idealen vertikalen Drehachse gewährleisten zu können
Diese Parameter des Luftlagers sind nicht mit den Plan- und Rundlaufabweichungen zu verwechseln, welche aufgrund von Bearbeitungsabweichungen der rotierenden mechanischen Teile entstehen. Noch dazu ist die Verwendung eines hochauflösenden optischen Encoders (siehe Link) und des richtigen Steuerungssystems notwendig, um die Gleichmäßigkeit der rotierenden Bewegung zu maximieren.
Und nicht zuletzt ist die Verwendung eines rastmomentfreien Motors zwingend erforderlich, wie die oben aufgeführte TG-Familie oder LSI-Familie. Beide Motorbaureihen werden als nutenlose Variante ausgeführt, d.h. es sind keine Statorzähne vorhanden, sondern lediglich eine Luftspaltwicklung. Das bedeutet, dass die Reluktanz des Motors in Bezug auf die Winkelposition des Rotors konstant ist, so dass während des Betriebs kein Rastmoment auftritt. Dies wird kombiniert mit einer guten Phasensymmetrie, d.h. einem elektrischer Fehler von ~1°, und einer Gegen-EMK-Gesamtverzerrung von < 1 %, typischerweise 0,25 %. Das bedeutet, dass ein typischer Motorbausatz aus dieser Serie in Verbindung mit einem passenden Motor-Controller (z.B. MACCON LWM7), der eine perfekte Sinuswelle erzeugen kann, eine Drehmomentwelligkeit von nahezu null aufweist, was zu einer unvergleichlichen Laufruhe führt.
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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. Einen Überblick darüber 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!
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 LSI-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 LSI-Serie auf ein Minimum und ermöglicht eine hohe Positioniergenauigkeit und Drehzahlkonstanz.
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