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Grundlagen: Was ist das Rastmoment?
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Das Rastmoment von Elektromotoren ist das Drehmoment, welches durch die Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Statornuten einer Permanentmagnet-Maschine entsteht. Es ist auch als „stromloses Drehmoment“, „Polfühligkeit“ oder im Englischen als „Cogging Torque“ bekannt.
Rastmoment
Das Rastmoment ist positionsabhängig und seine Periodizität pro Umdrehung hängt von der Anzahl der Magnetpole sowie der Anzahl der Zähne des Stators ab. Es ist eine unerwünschte Komponente für den Betrieb solcher Motoren, denn es führt zu schwankenden Drehmomenten und einem unruhigen Lauf – inbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Bei hohen Drehzahlen filtert das Trägheitsmoment des Motors jedoch die Wirkung des Rastmoments heraus.
Das Rastmoment macht es somit schwieriger, fordernde Servoaufgaben, wie beispielsweise mikro- oder nanometergenaue Positionierungen oder Aufgaben mit Kriechgeschwindigkeit, zu meistern. In solchen Fällen benötigt man Servomotoren mit minimalem beziehungsweise ohne Rastmoment.
Das Rastmoment oder vielmehr sein Effekt ist in den meisten elektrisch betriebenen Maschinen nicht erwünscht. In Schritt- und Reluktanzmotoren wird er allerdings gezielt genutzt.
Wie stark fällt das Rastmoment aus?
Die Stärke des Rastmoments hängt von mehreren Faktoren ab. Zum einen sind das die magnetische Kraft der Permanentmagnete sowie die Polzahl. Bei einem zweipoligen Motor mit drei Spulen und Polschuhen beispielsweise kommt es zu einem ungeraden Verhältnis zwischen den Magneten und den Polschuhen. Das führt zu einem kleineren Rastmoment, als dies bei Antrieben mit einem geraden Verhältnis – beispielsweise bei einem vierpoligen Motor mit sechs Spulen und Polschuhen – der Fall ist.
Zum andern hängt das sogenannte Cogging Torque auch von der Größe des Luftspalts zwischen Dauermagnet und Polschuh ab. Je größer dieser Spalt ausfällt, umso kleiner ist das Rastmoment. Weitere Einflussfaktoren sind zudem Form und Größe der Magneten sowie der Polschuhe. Sind diese kantig geformt und etwa von gleicher Größe, so wird auch die Polfühligkeit stärker ausfallen.
Wie kann das Rastmoment minimiert werden?
Das Rastmoment lässt sich einerseits durch konstruktive Maßnahmen reduzieren, indem man beispielsweise die Nuten im Stator leicht schräg anordnet. Somit verlaufen die Übergänge zwischen den Nuten und den Magnetkanten nicht parallel zueinander, was für einen geschmeidigeren Übergang sorgt.
Andererseits kann das Rastmoment auch regelungstechnisch kompensiert werden. Baumüller bietet hierzu in seinen Servoreglern eine spezielle Funktion an, die als Rastmomentkompensation bezeichnet wird.
Die High-Precision-Servomotoren der DSH-Baureihe von Baumüller bieten nahezu Null-Cogging.
Zwei Arten von rastmomentfreien Antrieben
Grundlegend gibt es zwei Arten rastmomentfreier Motoren:
- Motoren, deren Wicklung keinen Eisenkern besitzt, z.B. Drehstrom-Asynchronmotoren
- Motoren, deren Wicklung einen Eisenrückschluss besitzt, der nicht vernutet ist, z.B. bürstenloser Gleichstrommotor
Eisenloser Drehstrom-Asynchronmotor
Permanentmagnet-Synchronmotor PMSM / Bürstenloser Gleichstrommotor BLDC
In einem eisenlosen Antrieb, beziehungsweise in seinem Stator, entstehen keinerlei elektrische Wirbelströme, weswegen er imstande ist, schneller zu fahren. Er verfügt zwar über eine geringere Drehmomentdichte, kann diese allerdings durch eine höhere Leistungsdichte ausgleichen. Zudem zeichnen sich eisenlose Antriebe durch ihr geringeres Gewicht aus.
Rastmomentfreie Antriebe mit nicht vernutetem Eisenrückschluss bieten gegenüber den eisenlosen Antrieben eine höhere Drehmomentdichte, sie können aufgrund der Eisenverluste allerdings nicht so schnell fahren.
Sie wollen mehr über Servomotoren und ihre Rastmomente erfahren? Dann nehmen Sie Kontakt zu uns auf!
Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH