Mehr Drehmoment für High-Torque-Schrittmotoren

Durch ein höheres Drehmoment im Vergleich zu anderen Motoren derselben Größe können High-Torque-Schrittmotoren mit hohem Drehmoment die Maschinenkapazität und den Produktionsdurchsatz einer Maschine erhöhen, ohne dass dafür die Maschinenfläche vergrößert werden muss. Dadurch kann beispielsweise ein automatischer Mehrkanal-Pipettierer oder ein Oberflächenstrukturanalysierer kleiner und leichter ausfallen. Eine PTZ-Kamera, die auf kompaktem Raum gleichzeitig schwenken, neigen und zoomen soll, wird kleiner, unauffälliger und dynamischer. Auch ein Etikettieraggregat einer Verpackungsmaschine wird platzsparender bei höherer Dynamik.

Weitere Vorteile sind ein höherer Durchsatz durch den verbesserten Arbeitszyklus und der optimierten Bruttotaktzeit sowie geringerer Wartungsaufwand durch eine längere Lebensdauer und Kosteneinsparungen durch die reduzierte Leistungsaufnahme der effizienteren Motoren. Durch die anwendungsangepasste Reduzierung des Phasenstroms auf ein Maß, das auch für den Motor im Bereich des thermischen Optimums liegt, kann der Produktionsdurchsatz erhöht und der Wartungsaufwand reduziert werden. Außerdem führt die Reduzierung des Phasenstroms mit der Gleichung zur Verringerung der Jouleschen Verlustleistung, was durch die geringere Zufuhr von elektrischer Leistung indirekt zur Senkung der Betriebskosten beitragen kann.

Während in der Vergangenheit meist Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo) und Samarium-Kobalt (SmCo) als Magnetwerkstoffe eingesetzt wurden, verwenden die meisten Motoren auf dem Markt heutzutage einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) im Rotor, wegen seiner hohen magnetischen Feldstärke. Unter der Annahme, dass die Feldstärke des Permanentmagneten konstant bleibt, beschreibt sich das Drehmoment wie folgt: T ∼ N I. Dabei ist T das Drehmoment, N die Zahl der Wicklungswindungen und I der Eingangsstrom.

Um das Drehmoment eines Motors zu erhöhen, muss entweder die Anzahl der Wicklungswindungen oder der Eingangsstrom erhöht werden. Beide Ansätze sind mit Herausforderungen verbunden.

Oriental Motor gelang eine deutliche Drehmomenterhöhung, die das Drehmoment im Vergleich zum Vorgängermodell nicht nur um 70 % steigerte, sondern zugleich auch noch das Vibrationsverhalten verbesserte. Denn, anstatt sich nur auf Bauteile sowie deren Parameter zu konzentrieren, hat Oriental Motor den gesamten Prozess der Konstruktion und Fertigung überarbeitet.

Erstens maximiert ein optimales Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Stators und dem Außendurchmesser des Rotors den magnetischen Fluss. Wird der Rotor jedoch zu groß, erhöht sich auch die Masseträgheit und die Motoren können weniger dynamisch auf Änderungen des Drehzahlsollwertes reagieren. Ein größerer Rotordurchmesser führt auch dazu, dass der Raum für die Statorwicklungen kleiner wird, wodurch der erzeugte magnetische Fluss verringert wird. Umfangreiche Testreihen wurden diesbezüglich durchgeführt, um das beste Verhältnis beider Größen zu ermitteln.

Eine zweite Maßnahme betrifft die Statorbleche: Um die Streuflüsse während der elektromechanischen Energiewandlung zu minimieren, wurde der Fokus auch auf die optimale Dimensionierung der Schenkelpole sowie des hinteren Poljochs und der Oberfläche der Statorblechzähne gelegt. Die Zahnform ist quadratischer als früher, wodurch sich hohe Induktionswerte im Luftspalt erzielen lassen und die Verluste über die Stator- und Rotorzähne minimiert werden.

Der Rotor wird hergestellt, indem auf jeder Seite des Permanentmagneten eine Reihe von dünnen, gezahnten Siliziumstahlblechen befestigt wird. Aus der Forschung ist bekannt, dass es eine bestimmte Anzahl von Lamellen gibt, die das Drehmoment maximieren. Durch Analyse der Sättigungsspannung der Magnetisierungseigenschaften konnte das Drehmoment erhöht und die durch Drehmomentwelligkeit verursachten Vibrationen konnten verringert werden.

Um die Steifigkeit und die maximale Radialbelastung zu verbessern, wurde ein größeres Motorlager gewählt. Auch der Basisdurchmesser der Motorwelle wurde vergrößert. Dies hat im Vergleich zur bisherigen Spezifizierung zu 50 % mehr maximale Radialbelastung geführt. Außerdem wurde bei der Lagermontage auf der Abtriebsseite des Motors ein Klebemittel appliziert, wodurch weniger Spiel am Lagergehäuse und somit mehr Raum für den Rotor geschaffen wurde. Weiterhin wurde die Fügetechnik der Stator- und Rotorbleche verbessert, um die Steifigkeit dieser Komponenten zu erhöhen. Auch dies führte zu verringerten Vibrationen.

Die Minimierung des Luftspalts zwischen den Zähnen des Stators und des Rotors ist eine Herausforderung. Der Luftspalt ist ein kritischer Teil der Motorkonstruktion, da Ungenauigkeiten bei der Herstellung zu unruhigem Laufverhalten, Schrittverlusten, Vibrationen, Geräuschen oder sogar zu einem blockierten Rotor führen können. Das erfordert eine umfassende Prüfung und wiederholte Tests vieler Konstruktions- und Fertigungsprozesse.

Mit präziseren Maschinen und einem optimierten Werkzeugmanagement konnten für die Rotor- und Statorbleche sowie für die Kugellager die Durchmessertoleranzen reduziert werden. Stator- und Rotorkerne werden regelmäßig einer Hochdruckwäsche und Ultraschallreinigung unterzogen, um unerwünschte Fremdkörper aus den Prozessen zu entfernen. Durch die hohe Fertigungs- und Montagegenauigkeit wurde der Luftspalt im Ergebnis auf 30 µm reduziert. Die Forschung bei Oriental Motor hat ergeben, dass eine Verringerung des Luftspalts um 10 µm das Drehmoment um etwa 5 % erhöht.

Oriental Motor konnte die Wicklungsdichte um 8 % erhöhen, indem der Wickeldrahtdurchmesser bei gleichbleibender Windungszahl vergrößert wurde. Der größere Durchmesser der Wicklung senkt die Wicklungsimpedanz und damit auch die Joulesche Verlustleistung. Auch diese Maßnahme trug zu einem höheren Drehmoment, geringerer Wärmeentwicklung und einem verbesserten Vibrationsverhalten der Motoren bei.

Nach diesen Maßnahmen ist das Drehmoment der Schrittmotoren der PKP-Serie bei gleicher Baugröße um 20 bis 70 % größer. Das verbesserte Vibrationsverhalten trägt zudem zur Laufruhe und zu geringerer Geräuschemission bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es viele Möglichkeiten gibt, das Drehmoment eines Schrittmotors zu erhöhen. Das Portfolio reicht von Motoren mit 20 bis 85 mm, bei Bedarf mit Encoder oder Getriebe.