Motoren erzeugen Drehmoment und Rotation durch das Zusammenspiel magnetischer Felder im Rotor und Stator. Ein idealer Motor – mit perfekt gefertigten und montierten mechanischen Komponenten und sich blitzschnell aufbauenden und abbauenden elektrischen Feldern – hätte ein gleichmäßiges Drehmoment ohne Schwankungen. In der Praxis gibt es jedoch verschiedene Faktoren, die zu einem uneinheitlichen Drehmoment führen – selbst wenn es nur geringfügig ist. Diese periodische Schwankung des Ausgangsdrehmoments eines bestromten Motors wird als Drehmomentwelligkeit bezeichnet.

Mathematisch wird die Drehmomentwelligkeit als die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Drehmoment definiert, das während einer mechanischen Umdrehung des Motors erzeugt wird, geteilt durch das durchschnittliche Drehmoment, das während einer Umdrehung erzeugt wird, ausgedrückt als Prozentsatz.

Bei linearen Bewegungsanwendungen führt Drehmomentwelligkeit vor allem zu ungleichmäßigen Bewegungen. Da Motordrehmoment erforderlich ist, um eine Achse auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen, kann Drehmomentwelligkeit Geschwindigkeitsschwankungen oder ruckartige Bewegungen verursachen. Bei Anwendungen wie der maschinellen 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 des aufgetragenen Klebstoffs. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. Pick-and-Place, stellen Drehmomentwelligkeit und Laufruhe möglicherweise kein kritisches Leistungsproblem dar. Es sei denn, die Unebenheit ist so stark, dass sie Vibrationen oder hörbare Geräusche verursacht – insbesondere, wenn die Vibrationen Resonanzen in anderen Systemteilen hervorrufen.

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

Motoren mit Permanentmagneten in ihren Rotoren – wie bürstenlose Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und synchrone Wechselstrommotoren – weisen ein sogenanntes Rastmoment auf. Das Rastmoment (bei Schrittmotoren oft auch als Rastmoment bezeichnet) entsteht durch die Anziehung von Rotor und Statorzähnen an bestimmten Rotorpositionen.

Obwohl Rastmomente typischerweise mit den „Kerben“ in Verbindung gebracht werden, die man spürt, wenn ein Motor ohne Antrieb von Hand gedreht wird, treten sie auch auf, wenn der Motor mit Antrieb läuft. In diesem Fall tragen sie zur Drehmomentwelligkeit des Motors bei, insbesondere bei niedrigem Drehzahlbereich.

Es gibt Möglichkeiten, das Rastmoment und die daraus resultierende ungleichmäßige Drehmomententwicklung zu verringern – durch Optimierung der Anzahl der Magnetpole und Schlitze sowie durch Schrägstellung oder Formgebung der Magnete und Schlitze, um eine Überlappung von einer Rastposition zur nächsten zu erzeugen. Ein neuerer Typ bürstenloser Gleichstrommotoren – das schlitzlose bzw. kernlose Design – vermeidet das Rastmoment (jedoch nicht die Drehmomentwelligkeit) durch die Verwendung eines gewickelten Statorkerns. Dadurch entstehen keine Zähne im Stator, die periodische Anziehungs- und Abstoßungskräfte mit den Rotormagneten erzeugen.
Motorkommutierung und Drehmomentwelligkeit

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und synchrone Wechselstrommotoren mit Permanentmagneten unterscheiden sich häufig in der Wicklung ihrer Statoren und der verwendeten Kommutierungsmethode. Synchrone Wechselstrommotoren mit Permanentmagneten haben sinusförmig gewickelte Statoren und verwenden eine sinusförmige Kommutierung. Dies bedeutet, dass der Strom zum Motor kontinuierlich geregelt wird, sodass das abgegebene Drehmoment sehr konstant bleibt und nur eine geringe Drehmomentwelligkeit aufweist.

Für Motion-Control-Anwendungen können Permanentmagnet-Wechselstrommotoren (PMAC) ein fortschrittlicheres Steuerungsverfahren verwenden, die sogenannte feldorientierte Regelung (FOC). Bei der feldorientierten Regelung wird der Strom in jeder Wicklung unabhängig gemessen und geregelt, wodurch die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert wird. Bei dieser Methode beeinflussen auch die Bandbreite des Stromregelkreises und die Auflösung des Rückkopplungsgeräts die Qualität der Drehmomenterzeugung und die Höhe der Drehmomentwelligkeit. 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 Trapezkommutierung. Bei der Trapezkommutierung liefern drei Hall-Sensoren alle 60 elektrischen Grad Informationen zur Rotorposition. Das bedeutet, dass die Wicklungen in Form einer Rechteckwelle mit sechs „Schritten“ pro elektrischem Zyklus des Motors bestromt werden. Aufgrund der Wicklungsinduktivität kann der Strom in den Wicklungen jedoch nicht augenblicklich ansteigen (oder abfallen), sodass bei jedem Schritt bzw. alle 60 elektrischen Grad Drehmomentschwankungen auftreten.

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