Der Schlüssel zur Vermeidung von Rastmomenten mit der richtigen Motortechnologie

Das Rastmoment, auch bekannt als Rastmoment, Leerlaufmoment oder einfach „Rastmoment“, ist ein unerwünschter Effekt, der bei Elektromotoren, insbesondere bei Permanentmagnetmotoren, beobachtet wird. Die Hauptursache für das Rattern ist die magnetische Anziehung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Rändern der Statorzähne. Wenn sich der Rotor dreht, verursachen diese magnetischen Wechselwirkungen eine periodische Änderung des Drehmoments, was zur Drehmomentwelligkeit beiträgt, Vibrationen und Geräusche verstärkt und die Laufruhe des Motors, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, negativ beeinflusst, was eine präzise Steuerung erschwert.

Ein Motor mit niedrigem Rastmoment ist bei Anwendungen, die einen präzisen und reibungslosen Motorbetrieb erfordern, wie z. B. in der Robotik, medizinischen Anwendungen, der Luft- und Raumfahrt und verschiedenen Arten von Präzisionsmaschinen, von entscheidender Bedeutung. Um die Motorleistung in diesen empfindlichen Anwendungen zu verbessern, ist es unerlässlich, das Rastdrehmoment zu verstehen und zu reduzieren. So erfordern motorgetriebene Prothesen (Abb.1) beispielsweise sanfte und natürliche Bewegungen, um menschliche Bewegungen exakt nachzuahmen. Das Rastmoment kann zu ungleichmäßigen Bewegungen führen und die Funktionalität der Prothese beeinträchtigen.

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Bei herkömmlichen Eisenkernmotoren kann die Reduzierung der Rastbildung durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, z. B. durch Schrägstellen der Wicklungen oder Magnete (Abb.2), Auswahl bestimmter Steck-/Polkombinationen, Formung der Magnetpole und Anwendung fortschrittlicher Regelalgorithmen. All diese Maßnahmen reduzieren zwar das Rastmoment, senken aber auch die Gesamtleistung des Motors.

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Bei Motoren ohne Nut gibt es keine Statorzähne, daher ist der magnetische Wechselwirkungsmechanismus, der zum Verrasten führen könnte, einfach nicht vorhanden. Motoren ohne Schlitzen haben also eine bessere Leistung in Bezug auf Laufruhe und Steuergenauigkeit. Sie können nahezu vibrationsfrei und leise hergestellt werden.

Eine qualitative Darstellung der theoretisch möglichen Drehmomentkurven ist in Abbildung 3 für einen Eisenkernmotor (Schlitzmotor) dargestellt, wobei die Kurven die kombinierten Rast- und räumlichen harmonischen Effekte beinhalten. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass keine der Maßnahmen zur Reduzierung der Rastbildung getroffen wurde, die die Leistung des Schlitzmotors beeinträchtigen würden. Die Drehmomentwelligkeit bei einem Motor ohne Schlitzen ist um eine Größenordnung niedriger als bei einem Motor mit Schlitzen, da bei einem Motor ohne Nuten das Rastmoment Null ist und die räumliche harmonische Drehmomentwelligkeit niemals höher als 2% ist.

Referenzen

[1] A. Krings, C. Monissen. (2020). Überblick und Trends bei elektrischen Fahrmotoren für batteriebetriebene Elektro- und Hybridfahrzeuge. 10.1109/ICEM49940.2020.9270946.