Beim Entwurf eines Motors für eine Anwendung gibt es grundlegende Entscheidungen, die die Einschränkungen des zu bauenden Geräts ausgleichen. Eine dieser grundlegenden Entscheidungen ist, wie der Motor in den verfügbaren Bauraum passt. In diesem Moment stellt sich die Frage, was Priorität hat: der Durchmesser oder die Länge des Motors. Das Drehmoment skaliert mit dem Quadrat des Motordurchmessers und linear mit seiner Länge. Eine Verdoppelung des Durchmessers führt zu einer Vervierfachung des Drehmoments, während die gleiche Änderung der Länge nur eine Verdoppelung des Drehmoments bewirkt. Dies könnte darauf hindeuten, dass die sicherste Wahl darin besteht, den größtmöglichen Durchmesser zu wählen, wenn die Anwendung ein hohes Drehmoment erfordert. Aber was ist mit der Motorkonstante (d.h. der Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie)? Beeinflussen andere Aspekte wie Gewicht oder thermische Grenzen diese Entscheidung? In Wirklichkeit geht es bei dieser Auswahl nicht darum, jeden Ampere durch die Wicklungen zu pressen. Vielmehr geht es darum, zu verstehen, woher das Drehmoment wirklich kommt, und frühzeitig im Design kluge Kompromisse einzugehen.

Warum es wichtig ist

In vielen Anwendungen wie Robotik, Gimbals und medizinischen Geräten definiert das Drehmoment die Leistung. Gleichzeitig haben Designer es meist mit engen Platzverhältnissen und strengen Gewichtsbeschränkungen zu tun.

Genau hier glänzen rahmenlose Motoren. Rahmenlose Motoren ermöglichen die direkte Integration des Motors in die Mechanik des Geräts und nutzen den Raum effizienter. Ist das Design jedoch nicht gut durchdacht, wirken sich diese Vorteile weniger stark aus. Das Ziel ist es, das benötigte Drehmoment zu erzielen, ohne das Design zu überdimensionieren, zu überhitzen oder zu verkomplizieren.

Praktische Designüberlegungen

Drehmomentdichte vs. Größenbeschränkungen

Einer der größten Hebel im Motordesign zur Erzielung eines hohen Drehmoments ist die Motorgröße, insbesondere der Durchmesser. Wenn mehr Drehmoment benötigt wird, sind die verfügbaren Alternativen die Erhöhung des Durchmessers, die Erhöhung der Länge oder die Erhöhung des Stroms. Diese sind nicht gleichermaßen effektiv. Eine Erhöhung des Durchmessers wirkt sich tendenziell viel stärker auf das erreichte Drehmoment aus, als den Motor einfach länger zu machen oder den Strom zu erhöhen.

Torque∝𝐷2×𝐿

Kein mechatronisches Design erlaubt unbegrenzten Platz für den Motor. Wenn Platzbeschränkungen bestehen, ist es hilfreich, sorgfältig darüber nachzudenken, wie dieser Raum effizient genutzt wird. Eine geringe Vergrößerung des Durchmessers kann viel bewirken. Wenn die Wahl möglich ist, ist es in der Regel besser, nach außen zu wachsen, anstatt den Motor nur länger zu machen.

Warum bieten Hersteller längere Motoren statt größerer Durchmesser an?

Hersteller von rahmenlosen Motoren bieten in ihrem Portfolio tendenziell eine begrenzte Anzahl von Durchmessern an, passen aber die sogenannte „Stapellänge“ an und bieten mehrere Längenoptionen für dieselben Motorkonstruktionen. Dies liegt daran, dass eine Änderung des Durchmessers von genuteten Designs erhebliche Investitionen in Design, Maschinen und Werkzeuge erfordert. Dies ist bei nutenlosen Motoren anders, da der Außendurchmesser mit ähnlichem Aufwand wie die Motorlänge geändert werden kann, auch wenn die Fertigungsmethoden traditionell weniger automatisiert und teurer waren. Dies, kombiniert mit einer Drehmomentreduzierung im Vergleich zu genuteten Designs, hat ihre Nutzung in drehmomentgetriebenen Anwendungen auf spezifische Nischenmärkte beschränkt. Alvas FiberPrinting™ hat dieses Paradigma vollständig verändert, wo dies nun möglich ist.

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