Rahmenlose Torque-Motoren: Von der Eliminierung des Rastmoments zu den drei großen technologischen Durchbrüchen von 2026

Dieser Artikel beginnt mit dem Prinzip des Rastmoments bei frameless motors, erläutert, wie slotless core technology Drehmomentrippel und Vibrationen beseitigt, und hebt die drei großen Durchbrüche hervor, die frameless torque motors im Jahr 2025 erzielt haben: die Erhöhung des Drehmoments bei niedriger Drehzahl durch High pole-pair designs mit mehr als 32 pole pairs, die Einführung hohler frameless structures für kompakte und leichte Bauweisen sowie die Nutzung hochwertiger NdFeB permanent magnets zur Steigerung der Drehmomentdichte.

Der Artikel fasst außerdem die Vorteile von frameless torque motors zusammen, darunter kompakte Bauweise und hohe Drehmomentdichte, und geht gleichzeitig auf Herausforderungen wie die Optimierung des Magnetkreises und das Wärmemanagement ein. Abschließend bietet er praktische Auswahlempfehlungen nach dem Prinzip „torque first“ sowie wichtige konstruktive Hinweise zu Einbau und Wärmeableitung.

Die Grundlagen verstehen: Was verursacht Rastmoment?

Um den Motorbetrieb vollständig zu verstehen, ist es zunächst notwendig, die drei grundlegenden Komponenten eines Motorkerns zu verstehen.

Der durchgehende kreisförmige Ring am äußersten Teil des Stators wird Joch genannt. Die zahnförmigen Vorsprünge, die sich vom Joch nach innen erstrecken, werden Zähne genannt. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Zähnen heißen Nuten, während die Öffnung an der Vorderseite jeder Nut als Nutöffnung bezeichnet wird.

Damit der Motor arbeiten kann, werden leitfähige Kupferwicklungen um die Zähne gewickelt. Da die Zähne über eine hervorragende magnetische Permeabilität verfügen, tragen sie dazu bei, das Magnetfeld zu verstärken.

Wenn ein Rotor im Stator platziert wird und sich zu drehen beginnt, ist ein spürbarer periodischer Widerstand oder ein „ruckartiges“ Gefühl wahrnehmbar. In der Motorentechnik wird dieses Phänomen als Rastmoment bezeichnet.

Betrachten Sie beispielsweise einen Stator mit sechs Nuten und vier Polen in Kombination mit einem Rotor mit vier Polen. Da sich die Anzahl der Magnetpole und Nuten nicht perfekt ausrichten kann, schwankt die magnetische Anziehung zwischen den Rotor magneten und den Statorzähnen während der Rotation periodisch. Jedes Mal, wenn der Rotor eine Nutenposition passiert, entsteht eine Drehmomentstörung, die zu Vibrationen und ungleichmäßiger Bewegung führt.

Eine der wirksamsten Methoden zur Beseitigung des Rastmoments ist die Verwendung einer slotless core structure.

Wie der Name schon sagt, enthält ein slotless motor weder Nuten noch Zähne. Stattdessen sind Kupferwicklungen direkt an der glatten Innenfläche des Eisenkerns angebracht. Ohne Zähne bleibt die magnetische Anziehung zwischen den Rotor magneten und dem Stator während der Rotation konstant.

Infolgedessen beseitigen slotless motoren das Rastmoment vollständig und bieten:

• Extrem ruhigen Lauf

• Kein Ruckeln oder Vibrationen

• Extrem geringe Drehmomentrippel

• Hohe Positioniergenauigkeit

Dies ist einer der wichtigsten Leistungsvorteile der slotless motor technology.

Welche technologischen Durchbrüche haben frameless torque motors im Jahr 2025 erzielt?

Frameless torque motors sind mehrpolige Permanentmagnet-Synchron-Direktantriebe. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren verzichten sie auf nicht unbedingt notwendige Strukturen wie Gehäuse, Lager und Abtriebswellen.

Ihre Entwicklung konzentriert sich auf drei Hauptziele:

• Konstantes Drehmoment bei niedriger Drehzahl

• Hohe Drehmomentdichte

• Geringe Drehmomentrippel

Im Jahr 2025 wurden in den Bereichen elektromagnetisches Design, strukturelle Innovation und Materialentwicklung bedeutende technologische Fortschritte erzielt, wodurch frameless torque motors ideal für die kompakten, flexiblen und hochpräzisen Anforderungen von Humanoid-Roboter-Gelenken geeignet sind.

1. Elektromagnetisches Design: Lösung von Vibrationen bei niedriger Drehzahl

Die Erhöhung der Anzahl der Polpaare ist zum entscheidenden Faktor für Leistungsverbesserungen geworden.

Im Vergleich zu den vor fünf Jahren verbreiteten 12-Polpaar-Konfigurationen verfügen High-End frameless torque motors heute über 32, 64 oder sogar noch mehr Pole pairs.

Die höhere Polzahl ermöglicht es dem Motor, auch bei Stillstand oder bei ultraniedrigen Drehzahlen von nur 0.1°/s ein stabiles Nennmoment zu liefern und damit Kriech-, Festklemm- und Vibrationsprobleme herkömmlicher Motoren wirksam zu beseitigen.

Gleichzeitig setzt die Branche weithin optimierte fractional-slot concentrated winding Konfigurationen wie 48 poles und 324 slots ein, wodurch das Rastmoment auf weniger als 1% des Nennmoments reduziert wird.

Dies ermöglicht eine außergewöhnlich ruhige Bewegungssteuerung für anspruchsvolle Anwendungen wie:

• Operationsroboter

• Humanoid-Roboter-Gelenke

• Halbleiterausrüstung

• Präzisionsautomationssysteme

2. Strukturelle Innovation: Kompaktes Design für Humanoid-Roboter

Frameless torque motors sind zur bevorzugten Motorarchitektur für Humanoid-Roboter geworden.

Im Gegensatz zu integrierten framed DD (Direct Drive) motors verfügen frameless motors über:

• Kein äußeres Gehäuse

• Keine Lager

• Keine Abtriebswelle

Diese minimalistische Architektur bietet erhebliche Integrationsvorteile.

Der Stator kann direkt in das Robotergehäuse eingebettet werden, während der Rotor direkt auf der Lastwelle montiert wird.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

Axiale Länge auf etwa ein Drittel herkömmlicher Antriebsmotoren reduziert

Mehr als 30% geringeres Gesamtgewicht

Deutlich kleinere Gelenkabmessungen

Interner Verlegeplatz für Kabel, Sensoren und Fluidleitungen

Die hohle Struktur eignet sich besonders gut für die kompakten Einbauanforderungen von Humanoid-Roboter-Gelenken.

3. Materialfortschritte: Stabile Hochdrehmomentleistung über einen breiten Temperaturbereich

High-End frameless torque motors verwenden häufig NdFeB permanent magnets der Güteklasse N52H und höher, mit Remanenzwerten von bis zu 1.45 Tesla.

In Kombination mit Kupferlegierungswicklungen mit hoher Leitfähigkeit verbessern diese Materialien deutlich:

Elektromagnetische Umwandlungseffizienz

Drehmomentdichte

Dauerleistung

Das vollständige Materialsysten unterstützt den Betrieb in einem weiten Temperaturbereich von -40°C bis 125°C und gewährleistet stabile Drehmomentabgabe unter anspruchsvollen Bedingungen wie:

• Hochtemperaturumgebungen

• Niedrigtemperaturumgebungen

• Häufige Start-Stopp-Zyklen

• Leichte Überlastbedingungen

Dieser Ansatz vereint Leistung und langfristige Zuverlässigkeit.

Vorteile und Herausforderungen von frameless torque motors

1. Kernvorteile

Kompakte Bauweise

Das hohle Design minimiert den belegten Raum und vereinfacht die Kabelführung sowie die Systemintegration innerhalb von Roboter-Gelenken.

Hohe Drehmomentdichte

Auch bei niedrigen Drehzahlen kann ein hohes Drehmoment erzeugt werden, wodurch frameless torque motors ideal für Roboteranwendungen mit niedriger Drehzahl und hoher Last sind.

Stabile Leistung

Die direkte Integration in Maschinenstrukturen erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber:

• Hohe Temperaturen

• Hohe Spannungen

• Strahlenexposition

• Raue industrielle Umgebungen

• Hervorragende Start- und Leerlaufeigenschaften

• Niedrige Startspannung

• Niedriger Leerlaufstrom

• Verbesserte Energieeffizienz

2. Technische Herausforderungen

Optimierung des Magnetkreises

Ingenieure müssen Magnetmaterialien und Wicklungskonfigurationen sorgfältig optimieren, um die Effizienz des Magnetkreises und den Nutfüllfaktor zu maximieren.

Wärmemanagement

Niederspannungssysteme erfordern häufig einen hohen Strombetrieb, wodurch erhebliche Wärme entsteht. Übermäßiger Temperaturanstieg kann die Alterung von Komponenten beschleunigen und die Lebensdauer des Systems verkürzen.

Anforderungen an die Konsistenz

Mehrgelenkige Robotersysteme erfordern eine sehr gleichmäßige Motorleistung über alle Gelenke hinweg. Abweichungen erhöhen die Inbetriebnahmekomplexität und beeinträchtigen die Regelgüte.

Kostensenkung

Die Lokalisierung wichtiger Komponenten bleibt entscheidend, um die Fertigungskosten zu senken und eine groß angelegte kommerzielle Einführung zu ermöglichen.

Wie wählt man den richtigen frameless torque motor aus?

1. Goldene Auswahlregel

Die wichtigste Regel lautet:

Drehmoment zuerst, Drehzahl zweitens

Humanoid-Roboter arbeiten häufig im Start-Stopp-Betrieb und mit rasch wechselnden dynamischen Lasten.

Empfohlene Auslegungsreserven sind:

• Dauerdrehmoment ≥ 1.2–1.5 × stationäres Lastdrehmoment

• Spitzendrehmoment ≥ 2 × Stoßlastdrehmoment

Für Robotergelenke muss auch die Trägheitsanpassung sorgfältig kontrolliert werden.

Das Verhältnis von Lastträgheit zu Motorträgheit sollte:

≤ 5:1

betragen, um Vibrationen, Instabilität und Schwingungen zu vermeiden.

Wahl des Encoders

Für Standardanwendungen bei Humanoid-Robotern:

• 23-bit absoluter Encoder

• Auflösung etwa 0.0001°

Für ultrahochpräzise Anwendungen wie:

• Medizintechnik-Robotik

• Halbleiterfertigung

wird ein 29-bit ultra-hochauflösender Encoder empfohlen.

2. Wichtige Integrationsaspekte

Koaxialitätskontrolle

Übermäßige Koaxialitätsfehler sind eine der häufigsten Ursachen für Ausfälle von frameless motoren.

Die Konzentrizität zwischen Stator und Rotor sollte innerhalb von:

0.02 mm

gehalten werden.

Übermäßige Fehlflucht kann zu Folgendem führen:

Erhöhtes Drehmomentrippel

Lokale Überhitzung

Lagerversagen

Zur präzisen Ausrichtung sollten bei der Montage Messuhren verwendet werden.

Wärmemanagement

Da frameless motoren bei niedriger Drehzahl und hohem Strom arbeiten, kann die Wärmeentwicklung erheblich sein.

Unter Bedingungen wie:

• Dauerstillstand

• Betrieb bei maximaler Leistung

werden Luftkühlung oder Flüssigkühlsysteme dringend empfohlen.

Fortschrittliche Gelenkkonstruktionen können einsetzen:

• In das Gelenkgehäuse integrierte Heat pipes

• Zirkulation dielektrischer Kühlflüssigkeit

um die kontinuierliche Drehmomentdichte um bis zu viermal zu erhöhen.

Strukturelle Steifigkeit

Direktantriebssysteme verfügen nicht über die Dämpfung eines Getriebes.

Unzureichende strukturelle Steifigkeit kann zu Resonanz und Vibrationen führen.

Empfohlene Lösungen umfassen:

Hohle integrierte Gelenkstrukturen

Verstärkte Trägerbasen aus Gusseisen

Erhöhte Systemsteifigkeit

3. Inbetriebnahme und EMI-Optimierung

Während der Inbetriebnahme sollten drei Hauptfunktionen aktiviert werden:

• Rastmomentkompensation

• Oberwellenunterdrückung

• Reibungs-Feedforward-Kompensation

Die Bandbreite des Stromregelkreises sollte über folgenden Werten liegen:

• 2 kHz für Standardanwendungen

• 5 kHz für High-End-Präzisionsanwendungen

Diese Maßnahmen reduzieren wirksam Drehmomentrippel und verbessern die Laufruhe.

Beispielsweise kann in Anwendungen der OP-Robotik die Abstimmung des PI-Reglers auf:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

eine Stromantwortzeit von nur 0.5 ms erreichen.

EMI-Unterdrückung

Um festfrequente Störquellen wie 1.2 MHz Interferenzen zu adressieren, werden folgende Lösungen empfohlen:

• Kupferfolienabschirmung an den Statorwicklungen

• Nanokristalline magnetische Abschirmungsschichten

• Abschirmung mit leitfähigem Gewebe

• Ferritkerne an den Stromkabeln

Eine Erhöhung der PWM-Frequenz von 15 kHz auf 18 kHz kann die Schaltverluste leicht erhöhen, hilft jedoch, mechanische Resonanzfrequenzen zu vermeiden und die elektromagnetischen Geräuschspitzen um etwa 8 dB zu reduzieren.

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