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Erweiterte Maschinenkapazität mit High-Torque-Schrittmotoren
Die Anforderungen an eine effiziente Maschinenautomatisierung steigen und werfen die Frage auf, wie die Produktivität auf gleicher Fläche optimiert werden kann. Die neuen High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie von Oriental Motor können hier ihre Vorteile ausspielen und ermöglichen einen höheren Maschinendurchsatz auf gleicher Fläche oder eine Verkleinerung der Maschine.
 Die Anwendungen der neuen PKP-Schrittmotoren sind vielfältig: Mehrkanal-Pipettierer, Oberflächenstrukturanalysierer, PTZ-Kameras oder Etikettieraggregate profitieren gleichermaßen von ihren Vorteilen.
Die Anwendungen der neuen PKP-Schrittmotoren sind vielfältig: Mehrkanal-Pipettierer, Oberflächenstrukturanalysierer, PTZ-Kameras oder Etikettieraggregate profitieren gleichermaßen von ihren Vorteilen.Bild: Oriental Motor GmbH

Durch ein höheres Drehmoment im Vergleich zu anderen Motoren derselben Größe können High-Torque-Schrittmotoren die Maschinenkapazität und den Produktionsdurchsatz erhöhen, ohne dass dafür die Maschinenfläche vergrößert werden muss. Die wirtschaftlichen Vorteile kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Tragen: Beispielsweise kann 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 unauffälliger und dynamischer. Auch ein Etikettieraggregat einer Verpackungsmaschine wird kleiner bei höherer Dynamik.

Weitere Vorteile sind höherer Durchsatz dank des verbesserten Arbeitszyklus 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 zur Verringerung der Verlustleistung, was durch die geringere Zufuhr von elektrischer Leistung indirekt zur Senkung der Betriebskosten beitragen kann.

 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

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 einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) im Rotor. Unter der Annahme, dass die Feldstärke des Permanentmagneten konstant bleibt, muss um das Drehmoment eines Motors zu erhöhen entweder die Anzahl der Wicklungswindungen oder der Eingangsstrom erhöht werden. Beide Ansätze sind mit Herausforderungen verbunden.

Da die Anzahl der Wicklungswindungen von den Motorherstellern meist maximal ausgelegt wird, ist die einfachste Möglichkeit, den Motor und damit den Raum für Wicklungen 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 dies über einen längeren Zeitraum geschieht.

Oriental Motor gelang eine Drehmomenterhöhung, die das Moment im Vergleich zum Vorgängermodell nicht nur um bis zu 70 % steigerte, sondern zugleich auch noch das Vibrationsverhalten optimierte.

 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

Gelungene technische Umsetzung

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.

Erstens maximiert ein passendes Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Stators und dem Außendurchmesser des Rotors 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. Umfangreiche Testreihen wurden diesbezüglich durchgeführt, um das beste Verhältnis beider Größen zu ermitteln.

Eine zweite Optimierungsmaßnahme betrifft die Statorbleche: Um die Streuflüsse während der elektromechanischen Energiewandlung zu minimieren, wurde der Fokus auch auf die 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 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.

 Die High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie erreichen im Vergleich zu Vorgängermodellen ein höheres Drehmoment im gesamten Drehzahlbereich.
Die High-Torque-Schrittmotoren der PKP-Serie erreichen im Vergleich zu Vorgängermodellen ein höheres Drehmoment im gesamten Drehzahlbereich.Bild: Oriental Motor GmbH

Verbesserte Steifigkeit

Zur Verbesserung der Steifigkeit und zur Optimierung der 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.

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

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