Detaillierte Erläuterung der Schlüsselparameter für rahmenlose Roboter-Torquemotoren: So bewerten Sie Drehmomentdichte, Drehmomentwelligkeit und Motorkonstante

Warum diese drei Parameter wichtig sind

Humanoide Roboter und kollaborative Roboter breiten sich rasant aus den Laboren in den Produktionslinien aus. Als Kernkomponente der Gelenkbetätigung bestimmt die richtige Auswahl des Motors direkt die Belastbarkeit, Bewegungspräzision und Ausdauer des Roboters. Unter den vielen Motortypen hat sich der  rahmenlose Torquemotor  aufgrund seiner kompakten Struktur und der Möglichkeit, direkt in Gelenkmodule eingebettet zu werden, zur gängigsten Wahl entwickelt – alle 28 Gelenkaktuatoren von Tesla Optimus verwenden rahmenlose Torquemotoren als Kernantriebseinheiten.

Angesichts einer Vielzahl von Produktdatenblättern reicht es jedoch bei weitem nicht aus, sich nur auf traditionelle Spezifikationen wie „Nennleistung“ oder „Nenngeschwindigkeit“ zu konzentrieren. Die drei tiefer liegenden Parameter, die wirklich bestimmen, ob ein rahmenloser Drehmomentmotor mit den Betriebsbedingungen von Robotergelenken umgehen kann, sind:  Drehmomentdichte, Drehmomentwelligkeit und Motorkonstante (km)  . Sie beantworten drei Kernfragen: „Ist es stark genug?“, „Ist es stabil genug?“ und „Kann es die Leistung aufrechterhalten?“. In diesem Artikel werden die einzelnen Parameter aufgeschlüsselt, um Ingenieuren und Technikbegeisterten zu helfen, die wahre Bedeutung hinter den Datenblattzahlen zu verstehen.

I. Zunächst einmal verstehen: Was ist ein rahmenloser Torquemotor?

Um die Parameter zu verstehen, müssen Sie zunächst wissen, wie diese „Hauptkomponente“ aussieht.

Ein rahmenloser Torquemotor ist ein Motor „ohne Gehäuse“ – er besteht nur aus zwei elektromagnetischen Kernkomponenten: dem  Stator und dem Rotor . Es hat kein Gehäuse, keine Lager und keine Abtriebswelle. Dies bedeutet, dass er nicht wie ein herkömmlicher Motor unabhängig arbeiten kann; Stattdessen muss es direkt in die Gelenkstruktur des Roboters eingebettet werden – der Stator ist am Gelenkgehäuse befestigt und der Rotor ist direkt mit der Lastwelle verbunden.

Dieses „rahmenlose“ Design bietet drei wesentliche Vorteile:  Die Drehmomentdichte pro Volumeneinheit ist etwa 30 % höher als bei herkömmlichen Motoren, Spiel im Antriebsstrang wird eliminiert, was zu einer etwa 50 % höheren Steifigkeit führt, und die Hohlstruktur erfüllt die Anforderungen an die interne Roboterverkabelung.  Aus diesen Gründen ist es zur zentralen Leistungskomponente für kollaborative und humanoide Robotergelenkmodule geworden.

II. Drehmomentdichte – Wie „leistungsstark“ der Motor ist

Was ist Drehmomentdichte?

Vereinfacht ausgedrückt gibt die Drehmomentdichte an, wie viel Drehmoment der Motor pro Volumeneinheit oder Gewichtseinheit abgeben kann. Typischerweise wird es auf zwei Arten ausgedrückt: volumetrische Drehmomentdichte (Nm/L) und gravimetrische Drehmomentdichte (Nm/kg).

Der Gelenkraum des Roboters ist äußerst begrenzt. Sie können den Motordurchmesser nicht endlos vergrößern, um ein höheres Drehmoment zu erzielen – das würde das Gelenk sperrig und schwierig zu integrieren machen. Daher misst die Drehmomentdichte im Wesentlichen die „Kompaktheit“ des elektromagnetischen Designs: In einem bestimmten Raum kann der Motor mit einem stärkeren Magnetfeld und einer höheren Stromeffizienz mehr Drehmoment abgeben.

Wie bewertet man diesen Parameter?

Bei der Auswahl eines Motors sollten Sie  Ihre Entscheidung auf der Grundlage des Spitzendrehmomentbedarfs unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen treffen und eine Sicherheitsmarge von 10–20 % einplanen.  Bei Gelenken humanoider Roboter kann der Spitzendrehmomentbedarf das 5- bis 10-fache des Nenndrehmoments betragen. Wenn beispielsweise während eines Gangzyklus ein einzelnes Bein das gesamte Körpergewicht trägt, muss der Hüftgelenksmotor sofort ein Vielfaches des Drehmoments abgeben, das zum Gehen mit konstanter Geschwindigkeit erforderlich ist.

Beachten Sie auch, dass die Drehmomentdichte eng mit den Kühlbedingungen zusammenhängt. Da der rahmenlose Motor zur Wärmeableitung auf die mechanische Struktur angewiesen ist, in die er eingebettet ist, beträgt das tatsächlich dauerhaft verfügbare Drehmoment innerhalb einer abgedichteten Verbindung möglicherweise nur 50–70 % des Typenschildwerts. Beachten Sie daher bei der Bewertung der Drehmomentdichtespezifikationen unbedingt die im Produktdatenblatt bereitgestellte Derating-Kurve.

Derzeit verbessert sich die Drehmomentdichte der im Inland hergestellten Motoren in China rapide. Beispielsweise decken die rahmenlosen Torquemotoren der U-Serie eines Unternehmens Außendurchmesser von 16 bis 200 mm und Nenndrehmomente von 0,01 bis 65 Nm ab und erfüllen unterschiedliche Anforderungen von Mikrogelenken bis hin zu Hochleistungsgelenken.

III. Drehmomentwelligkeit – Wie „stabil“ der Motor ist

Was ist Drehmomentwelligkeit?

Selbst wenn Sie dem Motor einen idealen Konstantstrom zuführen, ist sein Ausgangsdrehmoment keine vollkommen glatte gerade Linie; Es kommt zu kleinen periodischen Schwankungen – das ist  die Drehmomentwelligkeit , typischerweise ausgedrückt als Prozentsatz der Welligkeitsamplitude im Verhältnis zum Nenndrehmoment.

Es gibt zwei Hauptquellen für Drehmomentwelligkeit:

• Rastmoment:  Schwankungen, die durch Änderungen der magnetischen Anziehung zwischen den Zähnen/Schlitzen des Stators und den Permanentmagneten des Rotors verursacht werden. Es ist der Hauptverursacher der Drehmomentwelligkeit und eine inhärente Eigenschaft von Permanentmagnetmotoren.

• Harmonisches Drehmoment:  Elektromagnetische harmonische Komponenten, die durch Faktoren wie eine nicht sinusförmige Wicklungsverteilung und eine Sättigung des Magnetkreises verursacht werden.

Für Roboteranwendungen ist die praktische Auswirkung der Drehmomentwelligkeit entscheidend. Eine übermäßige Drehmomentwelligkeit führt zu „Rasselbewegungen“, die sich als Zittern und Diskontinuität bei der Gelenkbetätigung bei niedriger Geschwindigkeit bemerkbar machen und sich direkt auf die Leistung in Anwendungen wie der Präzisionsmontage und der medizinischen Chirurgie auswirken.

Wie bewertet man diesen Parameter?

Branchenführende Werte erfordern typischerweise  eine Drehmomentwelligkeit von unter 1 %.  Bei Präzisionsarbeiten wie geschickten Händen muss die Drehmomentwelligkeit möglicherweise sogar auf 2 % kontrolliert werden.

Die Reduzierung der Drehmomentwelligkeit ist eine der zentralen Herausforderungen bei der Motorkonstruktion. Zu den gängigen technischen Methoden gehören: Optimierung der Pol-Schlitz-Kombination, Verwendung von schrägen Schlitzen oder schrägen Polen, Anpassen der Permanentmagnetbreite und des Lichtbogenkoeffizienten sowie das Hinzufügen von Hilfsschlitzen an den Zahnspitzen. Beachten Sie jedoch, dass es oft einen Kompromiss zwischen der Reduzierung des Rastmoments und der Erhöhung des Abtriebsdrehmoments gibt – einige Konstruktionen, die das Rastmoment unterdrücken (z. B. die Vergrößerung der Luftspaltlänge), können das Abtriebsdrehmoment reduzieren. Darüber hinaus bieten Hersteller für Anwendungen mit extrem strengen Anforderungen an die Drehmomentwelligkeit möglicherweise  nutenlose (Luftkern-)rahmenlose Torquemotoren an , die das Rastmoment vollständig eliminieren, allerdings auf Kosten der Leistungsdichte.

Daher kommt es bei der Bewertung von Drehmomentwelligkeitsspezifikationen nicht darauf an, „je niedriger, desto besser“, sondern darum, das optimale Gleichgewicht zwischen „Betriebsruhe“ und „Drehmomentabgabefähigkeit“ zu finden.

IV. Motorkonstante km – Ob der Motor „die Leistung aufrechterhalten kann“

Was ist die Motorkonstante km?

Die Motorkonstante Km ist vielleicht der „am wenigsten bekannte“, aber dennoch „praktischste“ der drei Parameter. In vielen Produktdatenblättern wird dieser Wert nicht einmal direkt angegeben, aber seine Bedeutung bei der Motorauswahl ist nicht geringer als die von Drehmoment und Drehzahl.

Die Definition von Km ist:

Km = Kt / √R

Dabei ist Kt die Drehmomentkonstante (erzeugtes Drehmoment pro Stromeinheit) und R der Wicklungswiderstand. Seine physikalische Bedeutung ist:  Wie viel Drehmoment kann der Motor unter der Bedingung einer Verlustleistung von 1 Watt abgeben?  Die Einheit ist Nm/√W.

Warum ist diese Definition wichtig? Denn wenn der Motor läuft, erzeugt der Wicklungswiderstand Wärme. Die angesammelte Wärme erhöht die Temperatur und schränkt letztendlich die Dauerbetriebsfähigkeit des Motors ein. Ein höherer Km-Wert bedeutet, dass der Motor bei gleicher erzeugter Wärmemenge (gleicher Verlustleistung) mehr Drehmoment abgeben kann. Mit anderen Worten:  Km misst die tatsächliche Drehmomentabgabefähigkeit des Motors unter thermischen Einschränkungen.

Um eine Analogie zu ziehen: Wenn die Drehmomentdichte die „Explosionskraft“ des Motors misst, dann misst Km die „Ausdauer“ des Motors. Ein Motor kann ein sehr hohes Spitzendrehmoment haben, aber wenn sein Wicklungswiderstand ebenfalls hoch ist (dünner Draht, viele Windungen), erwärmt er sich bei anhaltendem Hochstrombetrieb schnell und seine Dauerleistungsfähigkeit ist begrenzt – in diesem Fall ist sein Km-Wert oft nicht hoch.

Wie bewertet man diesen Parameter?

Wenn man Motoren verschiedener Hersteller oder verschiedener Modelle vergleicht, ist Km eine fairere Messgröße, als einfach nur die „Nennleistung“ oder das „Spitzendrehmoment“ zu betrachten. Die Gründe:

• Zwei Motoren mit dem gleichen Volumen haben möglicherweise ein ähnliches Spitzendrehmoment. Wenn einer jedoch einen deutlich höheren Km-Wert aufweist, bedeutet dies, dass er im Langzeitbetrieb eine stabilere Leistung aufrechterhalten kann und es weniger wahrscheinlich ist, dass er aufgrund von Erwärmung abnimmt.

• Km verknüpft die Drehmomentabgabefähigkeit mit thermischen Verlusten und ermöglicht so eine realistischere Einschätzung der Motorleistung im Dauerbetrieb des Roboters.

Bei der praktischen Auswahl können Sie wie folgt vorgehen:

1. Berechnen Sie den erforderlichen Mindest-Km:  Bei gegebenem Lastdrehmoment T und zulässigem Widerstandsverlust P gilt Km_min = T / √P. Wählen Sie einen Kandidatenmotor mit einem Km-Wert aus, der größer als dieser Mindestwert ist.

2. Achten Sie auf die Prüftemperatur:  Die Kalibriertemperatur für Km und Kt liegt typischerweise zwischen 20 °C und 40 °C. Verschiedene Hersteller können bei unterschiedlichen Temperaturen kalibrieren. Je höher die Temperatur, desto niedriger ist der Kt-Wert. Stellen Sie bei Kreuzvergleichen sicher, dass die Kalibrierungsbedingungen konsistent sind.

3. Fordern Sie proaktiv Daten an:  Wie bereits erwähnt, geben viele Datenblätter den Km-Wert nicht direkt an. Es wird empfohlen, den Lieferanten im Rahmen des Auswahlprozesses proaktiv nach diesem Parameter zu fragen.

V. Beziehungen und gemeinsame Betrachtung der drei Parameter

Drehmomentdichte, Drehmomentwelligkeit und Motorkonstante Km sind keine isolierten Indikatoren; Sie haben inhärente Beziehungen und Design-Kompromisse.

Wenn ein Motor eine Verbesserung der Drehmomentdichte anstrebt (z. B. durch Erhöhung der Flussdichte im Luftspalt), kann dies zu einer erhöhten Drehmomentwelligkeit führen. Umgekehrt kann ein übermäßiges Streben nach geringer Drehmomentwelligkeit (z. B. Verwendung einer nutenlosen Struktur) die Drehmomentdichte verringern. Daher findet ein gutes Design eines rahmenlosen Torquemotors den  optimalen Gleichgewichtspunkt  zwischen diesen drei Parametern.

Fazit: Auswahl ist kein Zahlenspiel

Kehren wir zum täglichen Arbeitsszenario des Ingenieurs zurück: Bei der Auswahl von Komponenten verfällt man leicht in die Denkweise „Größere Parameter sind besser“. Eine wirklich ausgereifte Auswahlstrategie legt jedoch Kompromisse fest, die auf den  tatsächlichen Betriebsbedingungen  des Robotergelenks basieren:

• Beanspruchte Gelenke der unteren Gliedmaßen?  Priorisieren Sie die Drehmomentdichte,  um Belastbarkeit und Überlastspielraum sicherzustellen.

• Präzise geschickte Hand oder chirurgischer Roboter?  Priorisieren Sie Drehmomentschwankungen  , um Laufruhe bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.

• Industrieroboter, die über lange Zeiträume im Dauerbetrieb arbeiten?  Priorisieren Sie den Km-Wert  , um thermische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Da die humanoide Roboterindustrie im Jahr 2026 in eine kritische Phase der Ausweitung der Massenproduktion eintritt, holen im Inland hergestellte rahmenlose Torquemotoren in China bei Schlüsselparametern wie Drehmomentdichte und Drehmomentwelligkeit schnell auf das internationale Niveau auf, wobei die Preise nur 50–70 % der Preise vergleichbarer ausländischer Produkte betragen. Für Ingenieure ist das Verständnis der Parameter und das Erkennen der physikalischen Bedeutung hinter den Datenblattnummern der entscheidende Schritt von „damit es funktioniert“ zu „damit es gut funktioniert“.