Die Auswahl eines rahmenlosen Motors kann schwierig sein, wenn man sich nur auf das erforderliche Drehmoment konzentriert, die Datenblätter der Anbieter durchsieht und den kleinsten Motor wählt, der das geforderte Drehmoment erfüllt. Wenn Sie bei der Auswahl die in diesem Artikel besprochenen Aspekte außer Acht lassen, erreichen mechatronische Konstruktionen oft nicht die geforderte Leistung. Ein Datenblatt ist keine Rangliste, sondern definiert Betriebsgrenzen. Dauerdrehmoment, Spitzendrehmoment, Drehmomentkonstante und Maximaldrehzahl beschreiben verschiedene Aspekte dieser Grenzen, oft unter sehr spezifischen Testbedingungen. Sie werden erst aussagekräftig, wenn sie im Kontext des gesamten Motor-Antriebs-Systems interpretiert werden. Möchten Sie Motoren basierend auf Ihren Anwendungsanforderungen bewerten? Nutzen Sie Alvas Produktselektor oder fordern Sie Zugang zu TorqStudio an, um Motoren unter realen Betriebsbedingungen zu vergleichen.

Was ist Drehmomentsättigung?

Innerhalb seines linearen Arbeitsbereichs ist das Drehmoment eines Permanentmagnetmotors annähernd proportional zum q-Achsen-Strom:

T ≈ Kt × Iq

T = Drehmoment in [Nm]

Kt = Drehmomentkonstante [Nm/A]

Iq = q-Achsen-Strom [A]

Dies ermöglicht es dem Steuerungssystem, den Strom als direkte Anforderung für das Drehmoment zu behandeln. Erhöht man den Strom um 20 %, sollte das Drehmoment um etwa 20 % steigen.

Diese Annahme wird unzuverlässig, sobald der Magnetkreis in die Sättigung gerät. Bei einem herkömmlichen genuteten Motor konzentriert sich der magnetische Fluss in den Statorzähnen. Bei hohem Strom können Teile des Eisens einen Punkt erreichen, an dem zusätzlicher Strom immer weniger nutzbaren Fluss erzeugt. Die Drehmoment-Strom-Kennlinie biegt sich von der idealen Geraden ab – hier beginnt die Sättigung.

Das Drehmoment kann zwar noch steigen, jedoch weniger effizient, während die Kupferverluste mit dem Quadrat des Stroms weiter zunehmen. Ein geringer zusätzlicher Drehmomentgewinn kann daher mit einer hohen thermischen Belastung verbunden sein. Daher sollte das Spitzendrehmoment nicht linear mit Kt und dem Eingangsstrom berechnet werden, da Kt nur den linearen Bereich beschreibt.

Im Gegensatz dazu haben nutenlose Motoren keine Statorzähne und vermeiden diesen lokalen Sättigungsmechanismus. Ihre Drehmoment-Strom-Beziehung bleibt über einen weitaus größeren Bereich linear. Diese Linearität bedeutet nicht, dass das Drehmoment unbegrenzt ist. Sie bedeutet vielmehr, dass Temperatur, Magnetschutz gegen Entmagnetisierung, mechanische Grenzen oder die Leistung des Antriebs (Strom) eher die praktischen Spitzenwerte definieren.  

Faktoren, die das Drehmoment begrenzen

Die elektromagnetische Sättigung bestimmt, ob eine Erhöhung des Stroms noch zu einem proportionalen Drehmoment führt. Die thermischen Bedingungen legen fest, wie lange die Verluste toleriert werden können. Die elektrische Leistung bestimmt, ob der erforderliche Strom bei einer bestimmten Drehzahl unter Berücksichtigung von Widerstand, Induktivität und Gegen-EMK bereitgestellt werden kann. Schließlich bestimmt die Leistungsgrenze des Antriebs, ob der Umrichter diesen Strom und diese Spannung liefern kann.

Ein Motor kann zwar magnetisch in der Lage sein, das erforderliche Drehmoment zu erzeugen, dies jedoch aufgrund thermischer Bedingungen nicht dauerhaft leisten. Er erreicht das Drehmoment möglicherweise bei niedriger Drehzahl, nicht aber bei der geforderten Geschwindigkeit. Oder er erreicht das im Datenblatt theoretisch angegebene Drehmoment, während der gewählte Antrieb dazu nicht in der Lage ist.

Das Dauerdrehmoment ist eine thermische Kenngröße

Das Dauerdrehmoment ist das Drehmoment, das ein Motor unbegrenzt lange erzeugen kann, ohne unter den angegebenen Kühlbedingungen seine zulässige Temperatur zu überschreiten.  

Die Montagefläche, das Gehäusematerial, die Konvektion, die Kühltemperatur und die Umgebungstemperatur beeinflussen die Drehmomentkapazität. Ein rahmenloser Stator, der in eine massive Aluminiumstruktur eingebaut ist, leitet Wärme völlig anders ab als derselbe Stator in einem kleinen Gehäuse. Beide Werte können korrekt sein, sind aber nur vergleichbar, wenn die thermischen Bedingungen identisch sind.

Prüfen Sie die Umgebungstemperatur, das Gehäuse bzw. den Kühlkörper, die Kühlmethode und die zulässige Wicklungstemperatur. Überprüfen Sie außerdem, ob der Wert im Stillstand oder bei einer bestimmten Drehzahl gilt. Eisen-, Magnet- und Wirbelstromverluste nehmen mit der Drehzahl zu, daher steht das Stillstandsdrehmoment nicht automatisch über den gesamten Drehzahlbereich zur Verfügung.

Das Spitzendrehmoment ist eine zeitliche (und thermische) Kenngröße

Das Spitzendrehmoment beschreibt einen kurzzeitigen Betriebszustand. Es sollte immer in Verbindung mit einer Dauer und einer thermischen Ausgangsbedingung angegeben werden.

Ein Motor, der bei 20 °C startet, hat einen größeren thermischen Spielraum als einer, der bereits nahe an seiner Dauerbetriebstemperatur liegt. Das Spitzendrehmoment hängt stark von der Dauer ab. Eine längere Belastungsspitze bringt mehr Wärme in die Wicklung, daher muss das zulässige Drehmoment niedriger sein, um innerhalb der sicheren thermischen Grenzen des Motors zu bleiben.

Das Spitzendrehmoment muss im Zusammenhang mit dem Spitzenstrom, der Stromkonvention, der Dauer, der Wiederholrate, der Anfangstemperatur sowie den maximalen Wicklungs- und Rotortemperaturen betrachtet werden. Auch die Entmagnetisierungsgrenze und die Leistungsfähigkeit des Antriebs spielen eine Rolle. Ein einzelner hoher Wert für das Spitzendrehmoment ohne diese Bedingungen reicht für die Auslegung nicht aus, da er eine sehr hohe Stromaufnahme implizieren könnte.

Bei hohen Drehzahlen wird die Spannung Teil derselben Fragestellung. Der Antrieb muss sowohl die Gegen-EMK als auch die ohmschen und induktiven Spannungsabfälle überwinden. Ein Strom, der im Stillstand leicht zu erzeugen ist, lässt sich bei hoher Drehzahl möglicherweise nicht mehr erreichen.

In TorqStudiokönnen Betriebspunkte anhand der Drehmoment-, Drehzahl- und thermischen Anforderungen Ihrer Anwendung bewertet werden, was das Verständnis für das Zusammenspiel dieser Parameter erleichtert.

Motorkonstanten hängen zusammen  

Es gibt vier wichtige Konstanten, die bei der Auswahl eines Motors verstanden und gleichermaßen berücksichtigt werden müssen. Sie sind nicht für alle Anwendungen gleich wichtig, hängen aber, wie in diesem Abschnitt beschrieben, miteinander zusammen.

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Drehmomentkonstante, Kt

Kt verknüpft im linearen Bereich den Strom mit dem Drehmoment. Die Einheiten, in denen die Konstante angegeben wird, haben eine konkrete Bedeutung. Nm/Arms ist nicht direkt mit Nm/Apeak austauschbar, und Phasenstromwerte sollten nicht mit Strangstromwerten vermischt werden. Nm/Arms gibt an, wie viel Drehmoment der Motor pro Effektivwert-Ampere (RMS) erzeugt, während Nm/Apeak dasselbe für den Spitzenstrom angibt.

Motorkonstante, Km

Km setzt die Drehmomentbildung ins Verhältnis zum Kupferverlust:

Km = Kt / √R

Die Widerstandskonvention muss mit der Kt-Konvention übereinstimmen. Wenn Kt den RMS-q-Achsenstrom verwendet und der Widerstand als Strangwiderstand (Leiter-Leiter) angegeben ist, muss der entsprechende dreiphasige Widerstandsfaktor berücksichtigt werden.

Km ist nützlich, da es angibt, wie viel Drehmoment ein Motor bei einem gegebenen Kupferverlust erzeugt. Am aussagekräftigsten ist dieser Wert bei niedrigen Drehzahlen und im Stillstand. Er ist kein vollständiger Effizienzmaßstab für hohe Drehzahlen, bei denen auch Eisen-, Magnet- und Wirbelstromverluste eine Rolle spielen.

Spannungskonstante, Ke

Ke beschreibt die induzierte Gegenspannung (Back EMF) pro Drehzahleinheit. Ein Motor mit höherem Ke nutzt bei einer gegebenen Drehzahl mehr der verfügbaren Zwischenkreisspannung und ist daher eng mit der Wahl der Wicklung verknüpft.

Es ist unerlässlich, Ke im Hinblick auf die maximale Drehzahl, die nutzbare Antriebsspannung und den für die Stromregelung erforderlichen Spielraum zu prüfen. Eine Auslegung direkt auf die Nenn-Gleichspannung lässt keinen Raum für ohmsche Spannungsabfälle, induktive Abfälle, Modulationsgrenzen oder Regelreserven.

Widerstand und Induktivität

Der Widerstand bestimmt den Kupferverlust und steigt mit der Wicklungstemperatur an. Ein bei 20 °C gemessener Wert ist niedriger als der Widerstand im heißen Betriebszustand.

Die Induktivität beeinflusst die Stromwelligkeit und die Bandbreite des Stromregelkreises. Nutlose Motoren weisen oft eine geringe Induktivität auf, was ein schnelles Ansprechverhalten des Stroms ermöglicht, aber manchmal eine höhere Schaltfrequenz, entsprechende Filterung oder Abstimmung erfordert. Ein Antrieb, der nur nach Nennstrom ausgewählt wurde, kann dennoch die falsche Wahl sein.

Auswahl der Wicklungskonfiguration

Die Wicklungskonfiguration ist eine Liste elektrischer Schnittstellen für dieselbe Rotor- und Statorgeometrie.

Mehr Windungen führen im Allgemeinen zu einem höheren Kt und Ke. Der Motor benötigt weniger Strom für das gleiche Drehmoment, erzeugt aber bei gleicher Drehzahl eine höhere Gegenspannung. Bei fester Zwischenkreisspannung ist sein Drehzahlbereich daher geringer. Weniger Windungen bewirken das Gegenteil: niedrigeres Kt und Ke, höherer Strombedarf und mehr Spannungsspielraum bei hohen Drehzahlen.

Stern- und Dreieckschaltung verschieben denselben Kompromiss. Bei gleicher Phasenwicklung ergibt die Sternschaltung ein etwa √3-mal höheres Kt und Ke auf Leitungsebene als die Dreieckschaltung, während der Leiter-Leiter-Widerstand und die Induktivität etwa dreimal höher sind.

Die richtige Wicklung lässt genügend Stromkapazität beim geforderten Drehmoment und ausreichend Spannungsspielraum bei der geforderten Drehzahl.

Die drei häufigsten Fehler

Die drei häufigsten Fehler beim Lesen eines Motordatenblatts sind:  

1. Vergleich von Spitzendrehmoment mit Dauerdrehmoment

Vergleichen Sie Dauerdrehmoment mit Dauerdrehmoment unter ähnlichen thermischen Bedingungen und Spitzendrehmoment mit Spitzendrehmoment bei gleicher Dauer und Ausgangstemperatur.

2. Behandlung des Dauerdrehmoments als universelle Vergleichsregel

Das Dauerdrehmoment bezieht sich immer auf eine Kombination aus Motor und Kühlung. Wenn sich die Annahmen zur Kühlung unterscheiden, müssen die Werte angepasst und durch ein thermisches Modell gestützt werden.

3. Vernachlässigung des Antriebs (Elektronik)

Der Servoregler muss den Effektiv- und Spitzenstrom liefern, bei der erforderlichen Drehzahl genügend Spannung bereitstellen und eine potenziell niederinduktive Last steuern können. Für Motoren mit geringer Induktivität ist eine geeignete Schaltfrequenz erforderlich.

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Fazit

Das Datenblatt eines rahmenlosen Motors ist nur dann aussagekräftig, wenn man es horizontal und nicht vertikal liest. Drehmoment, Strom, Dauer, Temperatur, Wicklung, Spannung und Antriebsleistung gehören zu ein und demselben Betriebspunkt.

Die entscheidende Frage ist nicht, welcher Motor das höchste Drehmoment aufweist. Es geht vielmehr darum, ob das gesamte System aus Motor, Antrieb und Thermik das erforderliche Drehmoment bei der benötigten Drehzahl über die geforderte Zeit hinweg zuverlässig und wiederholbar für die jeweilige Anwendung erbringen kann.

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