Motoren erzeugen Drehmoment und Rotation durch die Wechselwirkung der Magnetfelder im Rotor und Stator. In einem idealen Motor – mit perfekt bearbeiteten und zusammengebauten mechanischen Komponenten und elektrischen Feldern, die sich sofort aufbauen und abbauen – wäre die Drehmomentabgabe vollkommen gleichmäßig und ohne Schwankungen. Aber in der realen Welt gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die dazu führen, dass die Drehmomentabgabe inkonsistent ist – wenn auch nur in geringem Maße. Diese periodische Schwankung des Ausgangsdrehmoments eines bestromten Motors wird als Drehmomentwelligkeit bezeichnet.

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

Bei linearen Bewegungsanwendungen besteht der Haupteffekt der Drehmomentwelligkeit darin, dass sie zu inkonsistenten Bewegungen führt. Und da ein Motordrehmoment erforderlich ist, um eine Achse auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen, kann die Drehmomentwelligkeit zu Geschwindigkeitsschwankungen oder „ruckartigen“ Bewegungen führen. Bei Anwendungen wie Bearbeitung und Dosierung kann diese inkonsistente Bewegung erhebliche Auswirkungen auf den Prozess oder das Endprodukt haben – beispielsweise sichtbare Abweichungen in den Bearbeitungsmustern oder in der Dicke der aufgetragenen Klebstoffe. Bei anderen Anwendungen wie Pick-and-Place sind die Drehmomentschwankungen und die Laufruhe möglicherweise kein kritisches Leistungsproblem. Es sei denn, die Rauheit ist stark genug, um Vibrationen oder hörbare Geräusche zu verursachen – insbesondere, wenn die Vibrationen Resonanzen in anderen Teilen des Systems hervorrufen.

Das Ausmaß der Drehmomentwelligkeit, die ein Motor erzeugt, hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der Konstruktion des Motors und seiner Steuerungsmethode.
Motorkonstruktion und Rastmoment

Bei Motoren, die Permanentmagnete in ihren Rotoren verwenden – wie bürstenlose Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und synchrone Wechselstrommotoren – tritt ein Phänomen auf, das als Rastmoment oder Rastmoment bekannt ist. Das Rastmoment (im Zusammenhang mit Schrittmotoren oft als Rastmoment bezeichnet) wird durch die Anziehungskraft des Rotors und der Statorzähne an bestimmten Rotorpositionen verursacht.

Obwohl es typischerweise mit den „Kerben“ verbunden ist, die zu spüren sind, wenn ein stromloser Motor von Hand gedreht wird, ist ein Rastmoment auch vorhanden, wenn der Motor mit Strom versorgt wird. In diesem Fall trägt es zur Drehmomentwelligkeit des Motors bei, insbesondere bei langsamem Betrieb.

Es gibt Möglichkeiten, das Rastmoment und die daraus resultierende ungleichmäßige Drehmomenterzeugung zu mildern – durch Optimierung der Anzahl der Magnetpole und Schlitze und durch Schrägstellen oder Formen der Magnete und Schlitze, um eine Überlappung von einer Rastposition zur nächsten zu erzeugen. Und ein neuerer Typ bürstenloser Gleichstrommotoren – das nutenlose oder kernlose Design – eliminiert das Rastmoment (jedoch nicht die Drehmomentwelligkeit), indem ein gewickelter Statorkern verwendet wird, sodass im Stator keine Zähne vorhanden sind, die periodische Anziehungs- und Abstoßungskräfte erzeugen mit den Rotormagneten.
Motorkommutierung und Drehmomentwelligkeit

Bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (BLDC) und synchrone Wechselstrommotoren unterscheiden sich häufig durch die Art und Weise, wie ihre Statoren gewickelt sind, und durch die verwendete Kommutierungsmethode. Permanentmagnet-Synchron-Wechselstrommotoren haben sinusförmig gewickelte Statoren und nutzen eine sinusförmige Kommutierung. Dies bedeutet, dass der Strom zum Motor kontinuierlich gesteuert wird, sodass die Drehmomentabgabe bei geringer Drehmomentwelligkeit sehr konstant bleibt.

Für Bewegungssteuerungsanwendungen können Permanentmagnet-Wechselstrommotoren (PMAC) eine fortschrittlichere Steuerungsmethode verwenden, die als feldorientierte Steuerung (FOC) bekannt ist. Bei der feldorientierten Steuerung wird der Strom in jeder Wicklung unabhängig gemessen und gesteuert, sodass die Drehmomentwelligkeit noch weiter reduziert wird. Bei dieser Methode wirken sich auch die Bandbreite des Stromregelkreises und die Auflösung des Rückkopplungsgeräts auf die Qualität der Drehmomenterzeugung und das Ausmaß der Drehmomentwelligkeit aus. Und fortschrittliche Servoantriebsalgorithmen können die Drehmomentwelligkeit bei extrem empfindlichen Anwendungen weiter reduzieren oder sogar eliminieren.

Im Gegensatz zu PMAC-Motoren haben bürstenlose Gleichstrommotoren trapezförmig gewickelte Statoren und nutzen typischerweise eine trapezförmige Kommutierung. Bei der Trapezkommutierung liefern drei Hall-Sensoren alle 60 elektrische Grad Informationen über die Position des Rotors. Dies bedeutet, dass der Strom in einer Rechteckwellenform mit sechs „Schritten“ pro elektrischem Zyklus des Motors an die Wicklungen angelegt wird. Der Strom in den Wicklungen kann jedoch aufgrund der Induktivität der Wicklungen nicht sofort ansteigen (oder fallen), sodass bei jedem Schritt oder alle 60 elektrischen Grad Drehmomentschwankungen auftreten.

Da die Frequenz der Drehmomentwelligkeit proportional zur Drehzahl des Motors ist, können bei höheren Drehzahlen die Motor- und Lastträgheit dazu dienen, die Auswirkungen dieses inkonsistenten Drehmoments zu glätten. Zu den mechanischen Methoden zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit in BLDC-Motoren gehört die Erhöhung der Anzahl der Wicklungen im Stator oder der Anzahl der Pole im Rotor. Und BLDC-Motoren können – wie PMAC-Motoren – eine Sinussteuerung oder sogar eine feldorientierte Steuerung verwenden, um die Gleichmäßigkeit der Drehmomenterzeugung zu verbessern, obwohl diese Methoden die Systemkosten und die Komplexität erhöhen.