Vorteile von Direktantriebsmotoren

Diese technische Notiz beschreibt Konzepte von Getriebe- und Direktantriebsmotoren. Trägheitsverhältnis und Getriebegleichungen sind vorhanden. Herausforderungen an Getriebemotoren werden diskutiert und die Lösung für diese Herausforderungen, Direktantriebsmotoren, wird detailliert beschrieben. Dieses Dokument bietet auch ein grundlegendes Beispiel für den Vergleich der Motorausgangsleistung eines Getriebemotors mit einem Direktantriebsmotor.

Einleitung

Direktantriebsmotoren bieten mehrere Vorteile gegenüber Getriebemotoren für eine Vielzahl von Bewegungssystemen und Anwendungen wie Delta-Bots, Roboterarme, Gesundheits-Robotik, Mobilrobotik und Fabrikautomatisierungssysteme. Während Getriebe dazu beitragen können, die Anforderungen an das Lastdrehmoment von Servomotoren zu erfüllen, bieten Direktantriebsmotoren Systemintegratoren durch reduzierte Betriebskosten, schnellere Absetzzeiten und einfache Konstruktion einen erheblichen Vorteil.

Warum Getriebe verwendet werden – Drehmoment-/Drehzahlübersetzung

Getriebe werden für die Drehmoment- und Drehzahlübersetzung verwendet – in der Regel, um ein höheres Drehmoment von Servomotoren mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment zu erzielen. In Verbindung mit einem Getriebe steigt die Drehmomentabgabe proportional zur Übersetzung. Die Abtriebsdrehzahl wird jedoch um das gleiche Übersetzungsverhältnis reduziert.

Die Übersetzungsverhältnisse werden auf der Grundlage der mechanischen Auslegung des Getriebes bestimmt. Gleichungen für das Übersetzungsverhältnis können variieren. Bei der Auswahl eines Getriebes kann das minimale Übersetzungsverhältnis, das für eine Anwendung benötigt wird, auf der Grundlage der Ausgangsdrehmomentanforderung des Systems und des verfügbaren Eingangsdrehmoments vom Servomotor berechnet werden Auch der Getriebewirkungsgrad muss in diese Gleichung einbezogen werden.

Alternativ kann die obige Gleichung verwendet werden, um das Eingangsdrehmoment zu bestimmen, das von dem Servomotor auf Grundlage eines ausgewählten Übersetzungsverhältnisses und einer Ausgangsdrehmomentanforderung erforderlich ist. Wenn beispielsweise ein Drehmoment von 50 Nm erforderlich ist, um die Last mit einem Übersetzungsverhältnis von 50:1 und einem Wirkungsgrad von 80 % anzutreiben, muss das Eingangsdrehmoment für das Getriebe vom Motor 1,25 Nm betragen.

Bei der Wahl des richtigen Übersetzungsverhältnisses muss auch die maximale Lastdrehzahl berücksichtigt werden, da das Hinzufügen eines Getriebes erfordert, dass der Motor schneller als die erforderliche Abtriebsdrehzahl arbeitet. Die Getriebeeffizienz hat keinen Einfluss auf die Geschwindigkeitsumsetzung.

Wird bei gleicher Übersetzung wie im obigen Beispiel 100 U/MIN am Ausgang des Getriebes benötigt, so muss die Eingangsdrehzahl 5000 U/MIN betragen.

Trägheitsfehlanpassung bei überbeanspruchten Systemen reduzieren

Wenn die Lager in einem Getriebe nicht ausreichend für eine außeraxiale Last dimensioniert sind, muss ein zweiter Satz von Lastlagern hinzugefügt werden. Dadurch wird ein überstrapaziertes System geschaffen, das eine flexible Kupplung erfordert, um einer Exzentrizität zwischen der Lastwelle und der Getriebewelle Rechnung zu tragen.

Die Verwendung einer flexiblen Kupplung bringt Resonanz in die Anlagenübertragungsfunktion des Systems. Wenn die Last- und Motorträgheiten deutlich nicht übereinstimmen, sinkt die Frequenz der Resonanz. Getriebe können verwendet werden, um die Unwuchtbelastung gegenüber Motorträgheiten zu verbessern und die Resonanzfrequenz so zu erhöhen, dass sie den Regelkreis nicht stört. Für ein besseres Verständnis dieses Phänomens ist das Verständnis des Massenträgheitsverhältnisses entscheidend.

Wenn das Massenträgheitsverhältnis hoch ist, ist das Regelsystem anfälliger für Instabilität und Überschwingen. Das ideale Massenträgheitsverhältnis liegt typischerweise zwischen 10:1 und 3:1, wobei die niedrigeren Massenträgheitsverhältnisse in Präzisionsanwendungen verwendet werden.

Abbildung 1 unten zeigt, dass ein höheres Trägheitsverhältnis die Resonanzfrequenz in der Anlagenübertragungsfunktion nach links verschiebt. Um eine Instabilität durch die niederfrequente Resonanz zu vermeiden, sollte die Bandbreite reduziert werden – auch die Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems sollte reduziert werden.

Bei der Kopplung eines Getriebes mit einem Motor zum Antrieb der Last wird die Lastträgheit um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses (Gear Ratio, GR) reduziert. Die Getriebeträgheit (J_G) addiert sich zur Lastträgheit, ist aber im Vergleich zur Untersetzung relativ klein. Die Lastträgheit wird in der Trägheitsverhältnisgleichung durch die reflektierte Trägheit (J_R) ersetzt.

Das folgende einfache, einheitenlose Beispiel vergleicht das Massenträgheitsverhältnis mit und ohne Untersetzungsgetriebe.

1. Die Last wird von einem Direktantriebsmotor angetrieben. Die Lastträgheit ist 100 und die Motorträgheit ist 1.

Dieses hohe Massenträgheitsverhältnis erfordert aus Kontrollsicht ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Stabilität. Um Resonanzen nicht zu stören und die Stabilität zu erhalten, muß die Bandbreite des Regelkreises reduziert werden.

2. Die Last ist an ein Getriebe gekoppelt, das von einem Servomotor angetrieben wird. Das Übersetzungsverhältnis ist 5:1 und die Getriebeträgheit ist 1.

Das Massenträgheitsverhältnis wurde durch die Hinzufügung eines Getriebes von 100:1 auf 5:1 deutlich reduziert. Die Bandbreite und Leistungsfähigkeit der Regelschleife wird dabei durch die Resonanzen weniger eingeschränkt.

Das Getriebe reduziert effektiv die reflektierte Trägheit, reduziert das Trägheitsverhältnis und erhöht die Stabilität von überbeanspruchten Systemen. Weitere Informationen zu Resonanzen, die durch mechanische Komponenten in das Steuersystem eingebracht werden, finden Sie in unserer technischen Anmerkung zu den Vorteilen des rahmenlosen Motors.

Höhere Auflösung Erreichen

Der Weg, den der Getriebeausgang relativ zum Eingang zurücklegt, ist vom Übersetzungsverhältnis abhängig. Bei einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 20:1 muss die Eingangswelle 20 Umdrehungen drehen, damit der Ausgang eine Umdrehung dreht. Dadurch wird die Auflösung des Eingangs-Encoder effektiv um den Faktor 20 erhöht. Aufgrund des Getriebespiels ist es jedoch nicht möglich, die erhöhte Auflösung für kleine Bewegungen innerhalb des Totbandes zu realisieren.

Herausforderungen bei der Integration von Getrieben

Während Zahnräder bei der Drehmomentübersetzung für Servomotoren wirksam sind, gibt es mehrere Herausforderungen, die vor der Integration eines Getriebes in ein Bewegungssystem berücksichtigt werden müssen.

Getriebespiel

Alle Getriebe enthalten ein gewisses Spiel. Das Getriebespiel ist ein mechanisches Spiel, das in Getrieben beim Richtungswechsel aufgrund des mechanischen Spiels in der Verzahnung auftritt. Wenn die Eingangswelle die Richtung ändert, werden die Ausgangszähne physisch getrennt, bis sich der Eingang um die Strecke des mechanischen Spiels bewegt. An diesem Punkt kommen die Ausgangszähne wieder in Kontakt mit dem Eingang und folgen der Bewegung des Eingangs, wie in Abbildung 2 unten gezeigt.

Das Getriebespiel führt zu einer Zeitverzögerung und einem Positionstotband zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Getriebes und kann zu Instabilität in den Servoschleifen führen. Ein Getriebespiel ist insbesondere für Anwendungen unerwünscht, die Richtungsänderungen erfordern, wie Pick-and-Place-Systeme, die in Verpackungs- und Montage- und Bahnleitungssystemen verwendet werden, die Phasenvoreilungs- und Phasenverzögerungsroutinen für hohe Synchronität verwenden.

Obwohl es Techniken gibt, um das Spiel zu minimieren, wie z. B. die Lagervorspannung, kann dies die Reibung im Getriebe erhöhen und die Lebensdauer des Systems verringern. Komponentenintegratoren können auch doppelte Encoder am Eingang und Ausgang des Getriebes verwenden, um die Geschwindigkeitsschleife am Eingang und die Positionsschleife am Ausgang zu schließen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dies verbessert zwar die Genauigkeit und Wiederholbarkeit beim Wechseln der Drehrichtung, behebt aber nicht die Auswirkungen von Spiel. Es ist wichtig zu beachten, dass das Spiel im Laufe der Zeit zunimmt, wenn die Zähne aufgrund des direkten Kontakts während der Drehung verschleißen.

Einschwingzeit

Getriebe sind keine verwindungssteifen Bauteile, was bedeutet, dass sie ein gewisses Maß an Nachgiebigkeit aufweisen. Flexible Kupplungen, die typischerweise bei Getriebeservomotoren verwendet werden, sind ebenfalls nachgiebig. Diese mechanischen Komponenten fügen dem System Resonanzen hinzu, die die Regelkreise des Servoantriebs stören, und fügen je nachdem, wo der Positionsregelkreis geschlossen ist, Vibrationen oder Instabilität hinzu.

Die Zeit, die die Last benötigt, um sich zu beruhigen, nachdem der angeforderte Sollwert erreicht wurde, wird als Beruhigungszeit bezeichnet. Während dieser Zeit schwingt die Last, bis sie innerhalb der Toleranz des Sollwerts kommt, Abbildung 4.

Wenn nur ein einziger Encoder am Eingang des Getriebes montiert ist, können Spiel und Resonanzen an der Last am Eingang, an dem die Positionsschleife geschlossen ist, nicht erkannt werden. Daher wäre die am Eingang erfasste Einschwingzeit schneller als die tatsächliche Einschwingzeit der Last.

Wenn zwei Encoder verwendet werden, einer am Eingang und einer am Ausgang des Getriebes, kann die Positionsschleife an der Last geschlossen werden, um die wahre Position innerhalb des Totbandes zu verfolgen. Eine durch eine elastische Kupplung eingeleitete Resonanz könnte jedoch die Einschwingzeit der Last erhöhen. Längere Absetzzeiten führen zu reduziertem Durchsatz, was Anwendungen wie Delta-Bots, Rundschalttischen und Halbleiterwafer-Handhabungssystemen abträglich ist.

Ineffizienz

Getriebe sind nicht perfekt effizient, was bedeutet, dass Leistung verloren geht, wenn das Drehmoment erhöht und auf die Last übertragen wird. Die Effizienz ist abhängig von mechanischen Komponenten wie der Verzahnung, den Lagern, den Dichtungen und dem Fett, die Reibung in das Getriebe einbringen. Um diese Reibung zu überwinden und das geforderte Lastmoment zu erreichen, muß das Motorausgangsmoment ansteigen. Das bedeutet auch, dass die Eingangsleistung für den Motor erhöht werden muss, was eine größere Belastung für den Servoantrieb darstellt. Ein Getriebemotor ist keine ideale Lösung für mobile Roboter, Exoskelette und batteriebetriebene Anwendungen mit reduziertem Energiebudget.

Größe

Das Hinzufügen eines Getriebes erhöht die axiale Länge und Masse der Baugruppe und stellt eine Herausforderung für Roboterarme und andere Robotiksysteme dar, die in beengten Räumen arbeiten. Dies ist insbesondere für mobile Robotiksysteme mit geringerer Nutzlast und Anwendungen für unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) mit restriktiven Gewichtsgrenzen eine Herausforderung.

Reduzierte Lebensdauer

Im Dauerbetrieb oder bei hohen Tastverhältnissen steigt die Temperatur innerhalb der Verbindung an. Hohe Temperaturen reduzieren die Viskosität der Getriebeschmierung, erhöhen die Reibung im Getriebe und verringern dessen Lebensdauer. Die Getriebeschmierung birgt auch das Risiko einer Kontamination, die zusätzliche mechanische Komponenten wie Labyrinthdichtungen oder IP-zertifizierte Gehäuse erfordert, was die Größe, Masse und Kosten der Getriebemotorbaugruppe erhöht. Darüber hinaus verursacht die Reibung von den Gegenverzahnungen Verschleiß und erhöht das Spiel im Laufe der Zeit.

Kosten

Zusätzlich zu diesen technischen Bedenken erhöht die Hinzufügung eines Getriebes zum mechanischen System die Gesamtkosten. Die Systemkosten steigen nicht nur aufgrund der zusätzlichen Komponente oder Komponenten (wenn auch flexible Kupplungen für eingeschränkte Lasten verwendet werden), sondern auch aufgrund der erhöhten Servicekosten durch Degradation/Ausfall von Komponenten.

Was ist ein Direktantriebsmotor?

Ein Direktantriebsmotor ist ein Motor, der die Last direkt antreibt. Es besteht aus einem Stator, dem feststehenden Bauteil und einem Rotor, wobei das rotierende Bauteil direkt mit der Last gekoppelt ist, typischerweise durch Befestigungsschrauben oder Verklebung. Direktantriebsmotoren haben typischerweise große Durchgangslöcher und eine hohe Drehmomentdichte im Vergleich zu Servomotoren mit ähnlichem Formfaktor.

Warum einen Direktantriebsmotor verwenden?

Schnellere Abwicklungszeiten
Bei Verwendung eines Direktantriebsmotors ist die Last direkt am Rotor angebracht und umgeht andere Getriebekomponenten wie Getriebe, Riemen, Riemenscheiben und flexible Kupplungen, um eine maximale Steifigkeit zu erzielen. Dies ermöglicht wesentlich schnellere Einschwingzeiten als Getriebemotoren. Wenn sich die Last schneller einstellt, wird das Bewegungsprofil schneller abgeschlossen und bietet im Vergleich zu Getriebeaktuatoren einen verbesserten Durchsatz.

Reduzierte Größe
Direktantriebsmotoren haben im Allgemeinen eine höhere Drehmomentdichte als Servomotoren ähnlicher Größe, so dass nicht immer ein Getriebe erforderlich ist, um die Lastdrehmomentanforderungen zu erfüllen. Dies bedeutet, dass die Größe des Aktuators nur auf den Motor und die Last reduziert wird. In bestimmten Fällen, in denen die Last eingeschränkt ist, können Lager und flexible Kupplungen erforderlich sein. Allein der Ausbau des Getriebes reduziert jedoch die Baugröße und das Gewicht des Aktuators erheblich.

Niedrigere Betriebskosten
Während sie in der Regel höhere Vorlaufkosten haben, bieten Direktantriebsmotoren aufgrund der Einfachheit des Designs eine längere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF). Die Reduzierung von Komponenten reduziert die Ausfallstellen im System und die Betriebskosten.

Entfernt die Last der Trägheitsfehlanpassung
Da die Last direkt am Motor befestigt ist und keine flexiblen Kupplungen erforderlich sind, kann das Massenträgheitsverhältnis höher sein, ohne Einbußen bei der Regelkreisleistung hinnehmen zu müssen. Die Lastträgheit wirkt sich jedoch auf die erreichbare Beschleunigung des Motors aus und sollte bei der Motorauswahl berücksichtigt werden. Eine hohe Lastträgheit reduziert die Winkelbeschleunigung unter Beibehaltung des Drehmoments.

Die blauen Punkte in Abbildung 5 fassen die Vorteile von Direktantriebs- und Getriebeservomotoren zusammen.

Beispiel für die Motorausgangsleistung

Betrachten wir das einfache, einheitenlose Beispiel unten, in dem die Motorausgangsleistung von einer Direktantriebsanwendung mit einer Getriebeanwendung verglichen wird.

Lastträgheitsmoment	(JL)	= 4
Lastdrehmoment	(TL)	= 2
Lastgeschwindigkeit	(WL)	= 1
Übersetzungsverhältnis	(GR)	= 5:1
Getriebewirkungsgrad	(Geff)	= 80 %

Für den Direktantrieb:

Da der Motor mit der Last gekoppelt ist, entspricht die Motordrehzahl der Lastdrehzahl und das Motordrehmoment dem Lastdrehmoment.

Für den Getriebeeinsatz:

dabei wird das Motordrehmoment nun um das Übersetzungsverhältnis reduziert und die Motordrehzahl erhöht. Der Getriebewirkungsgrad muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Motorausgangsleistung für die Getriebeanwendung höher ist als für die Direktantriebsanwendung. Aber das ist noch nicht alles. Bei Diskussionen über den Motorwirkungsgrad kommt es auch auf die vom Servoantrieb geforderte Motorleistung an, die von den Verlustleistungen im Motor abhängig ist.

Es gibt zwei Hauptfaktoren für den Leistungsverlust eines Motors – Kupfer und Kern. Kupferverluste werden durch Erwärmung im Motor verursacht, da Strom durch die Kupferwicklungen fließt. Der Kupferverlust entspricht dem Quadrat des Stroms multipliziert mit dem Leitungswiderstand.

Kernverluste entstehen durch Wirbelströme im Statorpaket und Hysterese von magnetischen Feldlinien aus dem sich schnell ändernden Magnetfeld. Diese Verluste sind drehzahlabhängig – je höher die elektrische Frequenz, desto größer der Anteil der Kernverluste an den Gesamtverlusten im Motor. Kernverluste sind schwer zu modellieren, entsprechen jedoch typischerweise Kupferverlusten bei 80 % der Leerlaufdrehzahl und 80 % des Nenndrehmoments im Dauerbetrieb.

Bei Verwendung eines Getriebes wird der Drehmomentbedarf des Motors reduziert, was in der Regel bedeutet, dass der Motor bei geringerer Stromstärke betrieben werden kann. Mit unserer Kupferverlustgleichung oben sehen wir, dass ein niedrigerer Strom die Kupferverluste in den Motorwicklungen reduziert. Der Motor muss jetzt jedoch mit einer höheren Drehzahl arbeiten, von der wir jetzt wissen, dass sie die Kernverluste im Motor erhöht.
Wenn ein Direktantriebsmotor verwendet wird, muss der Motor in der Lage sein, ein ausreichendes Drehmoment zum Antrieb der Last zu erzeugen. Dies bedeutet, dass er mehr Strom als der Getriebemotor benötigt und die Kupferverluste steigen. Jetzt läuft der Motor jedoch langsamer, was zu geringeren Kernverlusten führt als der Motor, der mit einem Getriebe gekoppelt ist.

Das Gespräch über Effizienz ist nicht einfach und hängt stark von den Bewegungsprofilen und der Getriebeeffizienz ab. Im Allgemeinen verbrauchen Getriebelösungen mehr Leistung, basierend auf dem Getriebewirkungsgrad. Jede Anwendung erfordert jedoch ein anderes Bewegungsprofil und eine andere Drehmoment-Drehzahl-Anforderung. Ausgangsleistung, Leistungsverlust und Eingangsleistung sollten modelliert werden, um die tatsächlichen Leistungseinsparungen eines Direktantriebsmotors gegenüber einem Getriebemotor zu bestimmen.

Während Getriebe erforderlich sein können, um ein höheres Drehmoment von herkömmlichen Servomotoren zu erreichen, bieten Direktantriebsmotoren kein Spiel und schnellere Einschwingzeiten, was den Durchsatz erheblich verbessern kann. Während die Vorlaufkosten höher sind, benötigen Direktantriebsmotoren weniger mechanische Komponenten und haben geringere Reibungsverluste als Getriebeservomotoren. Dies spart dem Integrator im Laufe der Zeit Wartungskosten und Systemausfallzeiten.