Motoren erzeugen Drehmoment und Rotation durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern im Rotor und Stator. In einem idealen Motor – mit perfekt gefertigten und montierten mechanischen Komponenten und sich augenblicklich aufbauenden und abklingenden elektrischen Feldern – wäre das Drehmoment vollkommen gleichmäßig und ohne Schwankungen. In der Realität gibt es jedoch verschiedene Faktoren, die zu einem ungleichmäßigen Drehmoment führen – selbst wenn es nur geringfügig ist. Diese periodische Schwankung des Drehmoments eines eingeschalteten Motors wird als Drehmomentwelligkeit bezeichnet.

Mathematisch gesehen ist die Drehmomentwelligkeit definiert als die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Drehmoment, das über eine mechanische Umdrehung des Motors erzeugt wird, dividiert durch das durchschnittliche Drehmoment, das über eine Umdrehung erzeugt wird, ausgedrückt als Prozentsatz.

Bei linearen Bewegungsanwendungen führt Drehmomentwelligkeit hauptsächlich zu ungleichmäßigen Bewegungen. Da das Motordrehmoment benötigt wird, um eine Achse auf eine vorgegebene Geschwindigkeit zu beschleunigen, kann Drehmomentwelligkeit Geschwindigkeitswelligkeit oder ruckartige Bewegungen verursachen. In Anwendungen wie der Bearbeitung und Dosierung kann diese ungleichmäßige Bewegung erhebliche Auswirkungen auf den Prozess oder das Endprodukt haben – beispielsweise sichtbare Abweichungen in den Bearbeitungsmustern oder in der Dicke aufgetragener Klebstoffe. In anderen Anwendungen, wie z. B. Pick-and-Place, sind Drehmomentwelligkeit und Bewegungsgleichmäßigkeit möglicherweise keine kritischen Leistungsfaktoren. Dies gilt jedoch nicht, wenn die Rauheit so stark ist, dass sie Vibrationen oder hörbare Geräusche verursacht – insbesondere, wenn die Vibrationen Resonanzen in anderen Teilen des Systems anregen.

Die Höhe des Drehmomentwelligkeit eines Motors hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der Konstruktion des Motors und seiner Steuerungsmethode.
Motorkonstruktion und Rastmoment

Motoren mit Permanentmagneten im Rotor – wie bürstenlose Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und Synchron-Wechselstrommotoren – weisen ein Phänomen auf, das als Rastmoment bekannt ist. Das Rastmoment (bei Schrittmotoren oft auch als Rastmoment bezeichnet) entsteht durch die Anziehungskraft zwischen Rotor und Statorzähnen in bestimmten Rotorpositionen.

Obwohl das Rastmoment typischerweise mit den „Rucklern“ in Verbindung gebracht wird, die beim Drehen eines stromlosen Motors von Hand zu spüren sind, tritt es auch auf, wenn der Motor mit Strom versorgt wird. In diesem Fall trägt es zur Drehmomentwelligkeit des Motors bei, insbesondere bei Betrieb mit niedriger Drehzahl.

Es gibt Möglichkeiten, das Rastmoment und die daraus resultierende ungleichmäßige Drehmomentverteilung zu reduzieren – durch Optimierung der Anzahl der Magnetpole und Nuten sowie durch Schrägstellung oder Formgebung der Magnete und Nuten, um eine Überlappung zwischen den Rastpositionen zu erzielen. Ein neuerer Typ von bürstenlosem Gleichstrommotor – der nutenlose oder kernlose Motor – eliminiert das Rastmoment (jedoch nicht die Drehmomentwelligkeit) durch die Verwendung eines gewickelten Statorkerns. Dadurch besitzt der Stator keine Zähne, die periodische Anziehungs- und Abstoßungskräfte mit den Rotormagneten erzeugen könnten.
Motorkommutierung und Drehmomentwelligkeit

Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (BLDC) und Synchron-Wechselstrommotoren unterscheiden sich häufig durch die Wicklung ihrer Statoren und das verwendete Kommutierungsverfahren. Permanentmagnet-Synchron-Wechselstrommotoren besitzen sinusförmig gewickelte Statoren und nutzen eine sinusförmige Kommutierung. Dadurch wird der Stromfluss zum Motor kontinuierlich geregelt, sodass das Drehmoment sehr konstant bleibt und nur geringe Drehmomentschwankungen aufweist.

Für Anwendungen in der Bewegungssteuerung können Permanentmagnet-Wechselstrommotoren (PMAC) ein fortschrittlicheres Regelungsverfahren, die sogenannte feldorientierte Regelung (FOC), nutzen. Bei der feldorientierten Regelung wird der Strom in jeder Wicklung unabhängig gemessen und geregelt, wodurch das Drehmomentwelligkeit weiter reduziert wird. Die Bandbreite des Stromregelkreises und die Auflösung des Rückkopplungsgeräts beeinflussen dabei die Qualität der Drehmomenterzeugung und die Höhe der Drehmomentwelligkeit. Moderne Servoantriebsalgorithmen können die Drehmomentwelligkeit für besonders empfindliche Anwendungen weiter reduzieren oder sogar vollständig eliminieren.

Im Gegensatz zu PMAC-Motoren besitzen bürstenlose Gleichstrommotoren trapezförmig gewickelte Statoren und nutzen typischerweise die Trapezkommutierung. Bei der Trapezkommutierung liefern drei Hall-Sensoren alle 60 elektrische Grad Informationen über die Rotorposition. Das bedeutet, dass die Wicklungen mit einem Rechteckstrom versorgt werden, der sechs Stufen pro elektrischer Periode des Motors umfasst. Aufgrund der Induktivität der Wicklungen kann der Strom in den Wicklungen jedoch nicht sprunghaft ansteigen (oder abfallen), sodass bei jeder Stufe bzw. alle 60 elektrischen Grad Drehmomentänderungen auftreten.

Da die Frequenz des Drehmomentwelligkeit proportional zur Motordrehzahl ist, können bei höheren Drehzahlen die Trägheit von Motor und Last die Auswirkungen dieses ungleichmäßigen Drehmoments ausgleichen. Mechanische Methoden zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit in BLDC-Motoren umfassen die Erhöhung der Wicklungszahl im Stator oder der Polzahl im Rotor. BLDC-Motoren können – wie PMAC-Motoren – auch eine sinusförmige oder feldorientierte Regelung nutzen, um die Gleichmäßigkeit der Drehmomenterzeugung zu verbessern. Diese Methoden erhöhen jedoch die Systemkosten und -komplexität.