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Erweiterte Maschinenleistung mit High-Torque-Schrittmotoren
Mehr Drehmoment, weniger Vibration
Die Anforderungen an eine effiziente Maschinenautomatisierung steigen und werfen die Frage auf, wie die Produktivität auf gleicher Fläche erhöht werden kann. Die neuen High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie von Oriental Motor sollen hier ihre Vorteile ausspielen und einen höheren Maschinendurchsatz ermöglichen - im Zweifel sogar bei einer Verkleinerung der Maschine.
 Oriental Motor konnte bei den neuen High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie eine Reihe wichtiger Verbesserungen umsetzen.
Oriental Motor konnte bei den neuen High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie eine Reihe wichtiger Verbesserungen umsetzen.Bild: Oriental Motor GmbH

Durch ein höheres Drehmoment im Vergleich zu anderen Motoren derselben Größe können High-Torque-Schrittmotoren die Maschinenkapazität und den Durchsatz einer Maschine erhöhen, ohne dass dafür die Maschinenfläche vergrößert werden muss. Die wirtschaftlichen Vorteile liegen auf der Hand und kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Tragen: Z.B. kann ein automatischer Mehrkanal-Pipettierer oder ein Oberflächenstruktur-Analysierer kompakter 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 finden sich im verbesserten Arbeitszyklus und der schnelleren Bruttotaktzeit sowie im geringeren Wartungsaufwand durch eine längere Lebensdauer sowie in der reduzierten 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 die Leistung erhöht und der Wartungsaufwand reduziert werden. Außerdem führt die Reduzierung des Phasenstroms zur Verringerung der Jouleschen Verlustleistung, was durch die geringere Zufuhr von elektrischer Leistung indirekt zur Senkung der Betriebskosten beitragen kann.

 Die konstruktiven Verbesserungen führten auch zu geringeren Vibrationen, was erheblich zur Laufruhe und zu geringeren Geräuschemissionen beiträgt.
Die konstruktiven Verbesserungen führten auch zu geringeren Vibrationen, was erheblich zur Laufruhe und zu geringeren Geräuschemissionen beiträgt.Bild: Oriental Motor GmbH

Möglichkeiten der Drehmomenterhöhung

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 wegen der hohen magnetischen Feldstärke einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) im Rotor. 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 steigern, muss entweder die Anzahl der Wicklungswindungen oder der Eingangsstrom erhöht werden. Beide Ansätze sind mit Herausforderungen verbunden. Da die Anzahl der Wicklungswindungen in der Regel von den Motorherstellern maximal ausgelegt wird, ist die einfachste Möglichkeit den Motor und somit den verfügbaren Raum für Wicklungswindungen zu vergrößern. Eine Erhöhung des Eingangsstroms kann auch die Betriebstemperatur des Motors erhöhen, was sich parasitär auf den Betriebsbereich oder die Kupferwicklungen auswirken kann, wenn es über einen längeren Zeitraum geschieht. Oriental Motor ist bei der neuen PKP-Serie hingegen eine Entwicklung gelungen, die das Drehmoment im Vergleich zum Vorgängermodell nicht nur um bis zu 70 Prozent steigert, sondern zugleich auch noch das Vibrationsverhalten verbessert.

 Die Anwendungen der neuen PKP-Schrittmotoren sind vielfältig: Mehrkanal-Pipettierer, Oberflächenstruktur-Analysierer, PTZ-Kameras oder Etikettieraggregate profitieren gleichermaßen von ihren Vorteilen.
Die Anwendungen der neuen PKP-Schrittmotoren sind vielfältig: Mehrkanal-Pipettierer, Oberflächenstruktur-Analysierer, PTZ-Kameras oder Etikettieraggregate profitieren gleichermaßen von ihren Vorteilen.Bild: Oriental Motor GmbH

Ganzheitliche technische Verbesserung

Anstatt sich nur auf Bauteile sowie deren Parameter zu konzentrieren, hat der Hersteller den gesamten Prozess der Konstruktion und Fertigung überarbeitet und dabei mehrere technische Verbesserungen umgesetzt. Das passend ausgelegte Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Stators und dem Außendurchmesser des Rotors erhöht den magnetischen Fluss. Wird der Rotor jedoch zu groß, erhöht sich auch die Massenträgheit 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. Der Hersteller hat umfangreiche Testreihen durchgeführt, um das beste Verhältnis beider Größen zu ermitteln. Eine zweite Verbesserungsmaßnahme betrifft die Statorbleche: Um die Streuflüsse während der elektromechanischen Energiewandlung möglichst weit zu reduzieren, wurde der Fokus auch auf die richtige 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 verkleinert 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 verursachten Vibrationen verringert werden.

 Durch Maßnahmen wie den Einsatz präziserer Maschinen und ein verbessertes Werkzeugmanagement konnte der Luftspalt zwischen Rotor und Stator reduziert werden.
Durch Maßnahmen wie den Einsatz präziserer Maschinen und ein verbessertes Werkzeugmanagement konnte der Luftspalt zwischen Rotor und Stator reduziert werden.Bild: Oriental Motor GmbH

Verbesserte Steifigkeit und verkleinerter Luftspalt

Zur Verbesserung der Steifigkeit und Erhöhung der möglichen Radialbelastung wurde ein größeres Motorlager gewählt. Auch der Basisdurchmesser der Motorwelle wurde vergrößert. Dies hat im Vergleich zur bisherigen Spezifizierung zu einer Erhöhung der maximalen Radialbelastung von bis zu 50 Prozent 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 das führte zu verringerten Vibrationen. Die Reduzierung des Luftspalts zwischen den Zähnen des Stators und des Rotors war 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. Durch den Einsatz präziserer Maschinen und ein verbessertes 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 konnte der Luftspalt im Ergebnis auf 30µm (0,03mm) reduziert werden. Zum Vergleich: Eine menschliche Haarsträhne ist 17 bis 181µm dick. Die Forschung bei Oriental Motor hat ergeben, dass eine Verringerung des Luftspalts um 10µm das Drehmoment um etwa 5 Prozent erhöht. Oriental Motor konnte die Wicklungsdichte um 8 Prozent 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.

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Oriental Motor GmbH
http://www.orientalmotor.de

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