Glossar


 
Torque_Motoren

Siehe auch: Beschleunigungsregelung  Bürstenlose Motoren  

Dies sind Motoren, die ihr hohes Drehmoment vorzugsweise aus dem besonders großen Durchmesser ihres Luftspaltes erzeugen. Weiterhin typisch ist, daß sie innen hohl sind. Normalerweise ist der Stator aussen und der Magnetläufer innen, aber auch umgekehrt funktioniert dieser Motor genauso als Aussenläufer. Weiterhin typisch für diese Motoren ist, daß sie ohne Lagerung und Gehäuse geliefert werden, denn der Kunde stülpt den Läufer auf seine bereits für die Aufnahme vorbereitete Welle / Hohlwelle über. Der Stator wird dafür an das Gehäuse zentriert und befestigt. Die in den Statorspulen erzeugte Wärme wird so an das Gehäuse weitergeleitet. Höhere Genauigkeit durch weniger mechanische Komponenten, wie Riemen, Getriebe und Kupplungen. Alle diese Komponenten bringen unötige Elastizität in ein idealerweise steifes Positioniersystem ein. Solche Torquemotoren sind üblicherweise sogenannte Langsamläufer, die die Welle ohne Getriebe, also direkt und daher völlig spielfrei antreiben. Wir erreichen mit solchen Systemen den kürzezsten Weg zwischen Elektronik und Mechanik.

Torquer werden bürstenbehaftet und bürstenlos angeboten, wobei das Interesse sich immer mehr auf die letzteren konzentriert, weil sie völlig verschleißfrei arbeiten und keine Abriebsverschmutzung erzeugen. Die bisherigen BL-Torquer arbeiten üblicherweise mit 3 Phasen, es gibt hier und da aber auch welche mit 2 und noch seltener mit 4, 6 und 12 Phasen. Grundsätzlich lassen sich solche Ringmotoren natürlich mit allen Phasenzahlen realisieren, wobei manche Phasenzahlen singuläre, sehr geschickte Gesamtlösungen erlauben. Für Sicherheitsanwendungen werden redundante Motoren mit höheren Phasenzhahlen eingesetzt. Solche Motoren werden in allen Größen hergestellt, von ca. 5 cm bis zu 30 m im Durchmesser (Weltraummotor zum Positionieren von Großlaserkanonen im SDI-Programm der USA). Die gravierenden Probleme mit diesen Motoren sind die großen Kräfte, die von den starken Magneten herrühren: sie erzeugen störende Haltemomente an Zähnen und Nuten (engl. detent torque oder auch cogging), die sich sehr störend auf einen gewünschten, optimalen Rundlauf auswirken. Auch wenn die Elektronik solche Störungen ausregeln kann, so bleibt ein kleiner Fehler in der Einschwingzeit, der oft nicht toleriert werden kann. Darüber hinaus haben solche Motoren auch Schwankungen im Drehmoment, sog. Momentwelligkeit (engl. ripple-torque), die sich ebenfalls ungünstig auf den erwünschten, absolut ruhigen Lauf auswirken.

Es gibt eine ganze Reihe von Ansätzen, um sich des einen und anderen Effektes zu entledigen, doch beide gleichzeitig weitgehend zu eliminieren ist bis jetzt nicht gelungen. Dies liegt z. T. daran, weil die bisherigen Motoren sich sehr schlecht mit einem vollkommenen mathematischen System beschreiben lassen. Hinzu kommen durch die magnetischen Streufelder z. T. ungewöhnliche Effekte, die sich analytisch schlecht voll erfassen lassen: es wird immer ein Rest von Fehlern übrigbleiben.

Unser Ansatz zielt hierbei auf eine neue Konstruktion des Motors, die wenigstens eine 2-dimensionale mathematische Beschreibung erlaubt, die also wenigstens im idealisierten Modell Momentwelligkeit und Rastmoment zu Null optimieren kann. Die durch Streuungen dann noch entstehenden Fehler müssen durch Versuche beseitigt werden. Die Erstellung eines perfekten 3-dimensionalen Modells, das sämtliche Effekte behandeln könnte, scheint aufgrund des großen Aufwandes nicht sinnvoll zu sein. Unser Konzept liefert für die Praxis auch ohne solche Hilfsmittel nahezu perfekt zu nennende Modelle. Vorteile auf einen Blick:
Direkter Kraftaufbau
Keine mechanischen Übertragungslelemente
Hohe statische und dynamische Laststeifigkeit
Hervorragende Regelgüte mit einem steif angekoppelten Lagesensor
minimale Geräuschentwicklung
Vereinfachte & unkritische Maschinenkonstruktion

Warum sind aber Torquer für uns interessant?

Es gibt viele Gründe, die beiden Wichtigsten sind folgende:
1.) Torquer arbeiten vollkommen spielfrei, und wenn sie richtig eingesetzt werden, sind sie in Maschinen und Robotern der kürzeste Weg zwischen Elektronik und Mechanik.
2.) Torquer greifen direkt an den Stellen, die üblicherweise in der Mechanik für die größte Stabilität zuständig sind, nämlich an der Peripherie von Übertragungselementen, wie Achsen, Roboterarmen usw. Die Übertragungssteifigkeit ist somit optimal. Insofern wir also präzisere Maschinen und Roboter bauen möchten, kommen wir nicht an diesen Antrieben vorbei.

Bemerkenswert ist der neue Trend der Japaner, sämtliche Gelenke an Manipulatoren und Robotern mit solchen Direktantriebsstationen zu bestücken. Wenn die Japaner an diesen Stellen ohne Getriebe arbeiten, so hat es sicher einen guten Grund: Japan hat es sich zur obersten Devise gemacht, in sämtlichen Bearbeitungsstufen noch eine Größenordnung genauer zu werden.
Das erklärte Ziel ist, die Fertigungstoleranzen soweit zu reduzieren, daß die Gesamtqualität aller gefertigten Produkte für andere praktisch unerreichbar wird!
Man sollte sich hüten, den Japanern alles nachzumachen, oder sie für intelligenter zu halten, denn häufig genug machen sie das Falsche richtig und das Richtige falsch.
Immerhin haben nun mehrere Firmen wie Yokogawa Precision, Tamagawa Seiki, NSK und andere solche Direktantriebe im Programm. Sie arbeiten angeblich alle nach dem Prinzip eines Reluktanz-Schrittmotors mit großem Durchmesser und feinen Schritten. Wieso preisen wir aber den bürstenlosen Motor und nicht diese Reluktanzantriebe an?

Folgende Eigenschaften sind kennzeichnend:
Es ist ein mathematisches Durchflutungsmodell vorhanden, daß eine magnetische
Sinusdurchflutung gewährleistet. Hierauf basierend ergibt sich durch diese Durchflutung:
- Der Motor ist im unbestromten Zustand rastmomentfrei.
- Konstant-Moment-Betrieb ist optimal gewährleistet, d. h. die Dremomentwelligkeit ist im Idealfall gleich Null, oder sehr klein.
Ausführungen werden gezielt darauf gezüchtet, daß die Statorinduktivität so klein wie möglich wird. Daraus folgt die Umkehrung, daß dI/dt so groß wie möglich sein soll. Der Motor kann gegen Störmomente nur so schnell gegenagieren, wie auch der Strom in die Wicklung hineinkommt. Das BL-DC System ist von der Physik her anderen Antriebsprinzipien wie Reluktanz- und Asynchronmotor grundsätzlich überlegen, denn diese benötigen den kleinen Spalt und die große Induktivität. Interessant ist, daß in den Beschreibungen überall nur Angaben über die statische Steifigkeit zu finden sind, während man keinerlei Angaben über die dynamische Steifigkeit macht. In der Dynamik ist der BL-DC Motor grundsätzlich allen anderen Motorarten überlegen. Ausführungen mit sehr hohem Wirkungsgrad ergeben sich zwangsläufig aus der Konstruktion. Der hohe Kupferfüllfaktor sorgt ebenfalls für kleinste Verluste. Nicht selten erreicht man Wirkungsgrade von über 90%. Wie z.B. im 9 m Großmotor vom VLT-Teleskop der ESO in Chile mit 95%. - Der Kupferwicklungskontakt zum Stator ist optimal. Auf diese Weise ist der Motor von der guten Wärmekapazität her bestens gerüstet um hohe Impulsbelastungen zu vertragen.
- Die geometrischen Dimensionen sind durchweg kleiner als bei vergleichbaren Motoren.
- Bei gleichem Außendurchmesser ist die Länge beachtlich kürzer, so daß man damit wesentlich flachere Motoren als die sog. Scheibenläufer bauen kann.
- Ebenfalls lassen sich diese Motoren hohl aufbauen, mit Geber oder einem Getriebe im Mittelraum.

Ausführungen sind möglich mit 2, 3 oder beliebig vielen Phasen. Es ergeben sich einige singuläre Vorteile:
- 6-phasige Motoren können mit nur 4 Halbbrücken betrieben werden.
- In Motoren mit paarzahligen Phasen können besonders geschickt Kommutierungsresolver integriert werden.
- Motoren mit höheren Phasenzahlen haben den Vorteil, daß die verbleibende
Momentwelligkeit stark fällt, wichtig bei höchstpräzisen Antrieben für hochgenaue
Fräßmaschinen und Teleskope.

Als anzubauende Lagegeber kommen in Frage:
- mehrpolige Resolver
- hochauflösende Inkrementalgeber

Als Kommutierungsgeber kommen in Frage:
- integrierte HF-Resolver
- integrierte Hall-Resolver

Aus der Konstruktion ergibt sich noch ein wichtiger Punkt, die Motoren lassen sich komplett zerlegt transportieren. Ein wichtiges Detail z. B. beim großen Azimutmotor von 9 Metern Durchmesser und 200.000 Nm von ESO für das VLT-Spiegelteleskop oder dem 30 m – Weltraum Teleskop für das SDI-Projekt.