Schrittmotor als Außenläufer?

[Geistesblitz]

Ich hatte die Idee, dass es doch eigentlich möglich sein müsste, einen Schrittmotor als Außenläufer aufzubauen, also dass der Rotor außen liegt und der Stator innen. Durch den vergrößerten Luftspaltdurchmesser dürfte der Motor dann ja eigentlich ein deutlich höheres Drehmoment aufweisen und die Auflösung ließe sich so auch vergrößern, da so mehr Zähne auf den Umfang passen dürften. Jedenfalls kann ich mir vorstellen, dass sowas bei entsprechender Auslegung, mit noch weiter erhöhtem Durchmesser und Neodymmagneten, die in dem Rotor eingelegt werden, und unter Nutzung von Mikcostepping das ganze doch einen hervorragenden Direktantrieb für Robotergelenke abgeben dürfte, oder auch als vierte Achse für eine CNC-Fräse oder sowas. Dann auch nicht mehr mit einer Welle am Abtrieb, sondern mit einem Anbauflansch. Gibt es vielleicht sogar schon Hersteller, die sowas realisiert haben? Bei meiner bisherigen Recherche bin ich nur auf Außenläufer BLDCs und auf Torquemotoren gestoßen, aber die funktionieren ja eher nach dem Prinzip einer Synchronmaschine und agieren wenn dann als Servoantrieb. Jedenfalls wär das mal ein interessantes Projekt, wie ich finde, nur wüsst ich gerade keine bezahlbaren Möglichkeiten, die Teile für einen Prototypen herzustellen. Jedenfalls wollte ich erstmal noch nachfragen, ob meine Idee so überhaupt sinnvoll klingt. Kann ja auch sein, dass es gute Gründe gibt, warum sowas nicht auf dem Markt existiert.

[Peter(TOO)]

Schnapp dir ein Physik-Buch und lese was du zum Theme "Massenträgheit" findest.

Wenn du jetzt noch an die eigentlich Funktionsweise eine Schrittmotor denkst, wird dir klar, wieso die Bewegte Masse möglichst klein sein sollte.

Aussenläufer werden eigentlich nur für Antriebe mit konstanter Drehzahl. Da bringt die Zusätzliche Masse sogar noch eine Stabilisierung der Drehzahl. Deshalb hat z.B. Studer/Revox beim Bandantrieb Aussenläufer verwendet.

Für Servomotoren hatte ein Herr Faulhaber ein Patent. Sein Glockenanker-Motor verwendete als Aussenläufer eine selbsttragende Spule.
https://www.faulhaber.com/de/produkte/schrittmotoren/

MfG Peter(TOO)

[oberallgeier]

.. Deshalb hat z.B. Studer/Revox beim Bandantrieb Aussenläufer verwendet ..Kennt jemand ausser dem engeren Fanzirkel heut noch den Begriff Studer/Revox? (Ich wollte das alte, ererbte Bandgerät meiner Mutter, kein Revox, über die Bucht verscherbeln. Für wenige Flocken Erlös ist mir der Aufwand viel zu schade - diese Technik ist eben total aus der Mode. Und unser erstes Bandgerät war sogar ein Drahtgerät *gg*).

[Geistesblitz]

Hmm, ok, an das Trägheitsmoment hab ich dabei noch gar nicht gedacht. Wenn man den Motor aber mit entsprechenden Beschleunigungsprofilen fährt sollte das doch nicht zu sehr ins Gewicht fallen, oder? Außerdem würde sich das doch auch ein wenig mit dem erhöhten Drehmoment ausgleichen.

[RoboHolIC]

[OT]Kennt jemand ausser dem engeren Fanzirkel heut noch den Begriff Studer/Revox? [OT]
Jep, ist sowas ähnliches wie eine Leica für die Ohren.

[Peter(TOO)]

Hmm, ok, an das Trägheitsmoment hab ich dabei noch gar nicht gedacht. Wenn man den Motor aber mit entsprechenden Beschleunigungsprofilen fährt sollte das doch nicht zu sehr ins Gewicht fallen, oder? Außerdem würde sich das doch auch ein wenig mit dem erhöhten Drehmoment ausgleichen.
Der Schritt-Motor ist eine Art Synchron-Motor, kann der Rotor dem Drehfeld nicht folgen, knurrt er noch noch und dreht nicht mehr.

Die maximale Anfahrfrequenz ergibt sich aus der Massenträgheit! Kann man auch sehr gut selber testen. Nimm den nackten Motor und messe die maximale Anfahrfrequenz. Dann montierst du eine Schwungmasse auf die Welle und testest wieder die maximale Schrittfrequenz .....

Sinn eines Schritt-Motors ist es auch einzelne Schritte auszuführen.

OK, etwas vereinfacht:
Im Haltebetrieb stehen sich ungleiche Pole gegenüber, welche sich anziehen.
Macht6 man nun einen Schritt, stehen sich gleiche Pole gegenüber welche sich abstossen. nun muss als erstes die Masse beschleunigt werden. Die Kraft kommt zuerst aus der Abstossung der Pole, wenn sich der Rotor etwas dreht, kommt dann zusätzlich die Kraft aus der Anziehung der ungleichen Pole hinzu.
Beschleunigt wird, bis sich die ungleichen Pole gegenüberstehen, an diesem Punkt hat der Rotor die grösste Geschwindigkeit.
Durch die Massenträgheit dreht der Rotor aber über seine Endposition hinaus und muss erst einmal abgebremst werden.
Nun steht er aber hinter seiner Sollposition und muss wieder in die andere Richtung beschleunigt werden.
Der Rotor pendelt also zuerst um die neue Sollposition herum.
Je grösser die Masse ist, umso stärker ist das Pendeln. Bei einer bestimmten Masse schiesst dann der Rotor so weit über sein Ziel hinaus, dass er sogar mehrere Schritte gemacht hat.

Verwendet man einen Schrittmotor lediglich als Antrieb, welcher über einen grossen Drehzahlbereich einstellbar ist, macht das nichts, allerdings hat man dann keinen Bezug zwischen Schrittzahl und bewegter Strecke mehr.
Beim Positionieren über die Schrittzahl ist dies aber unbrauchbar.

Ein kleiner Haken bei der Massenträgheit liegt in der Formel: kg*m2
Mit doppeltem Abstand vervierfacht sich die Trägheit.

MfG Peter(TOO)

[HaWe]

Ich hatte die Idee, dass es doch eigentlich möglich sein müsste, einen Schrittmotor als Außenläufer aufzubauen, also dass der Rotor außen liegt und der Stator innen. Durch den vergrößerten Luftspaltdurchmesser dürfte der Motor dann ja eigentlich ein deutlich höheres Drehmoment aufweisen und die Auflösung ließe sich so auch vergrößern, da so mehr Zähne auf den Umfang passen dürften. Jedenfalls kann ich mir vorstellen, dass sowas bei entsprechender Auslegung, mit noch weiter erhöhtem Durchmesser und Neodymmagneten, die in dem Rotor eingelegt werden, und unter Nutzung von Mikcostepping das ganze doch einen hervorragenden Direktantrieb für Robotergelenke abgeben dürfte, oder auch als vierte Achse für eine CNC-Fräse oder sowas. Dann auch nicht mehr mit einer Welle am Abtrieb, sondern mit einem Anbauflansch. Gibt es vielleicht sogar schon Hersteller, die sowas realisiert haben? Bei meiner bisherigen Recherche bin ich nur auf Außenläufer BLDCs und auf Torquemotoren gestoßen, aber die funktionieren ja eher nach dem Prinzip einer Synchronmaschine und agieren wenn dann als Servoantrieb. Jedenfalls wär das mal ein interessantes Projekt, wie ich finde, nur wüsst ich gerade keine bezahlbaren Möglichkeiten, die Teile für einen Prototypen herzustellen. Jedenfalls wollte ich erstmal noch nachfragen, ob meine Idee so überhaupt sinnvoll klingt. Kann ja auch sein, dass es gute Gründe gibt, warum sowas nicht auf dem Markt existiert.

ich verstehe die Idee dahinter nicht:
das Drehmoment beim Motor wirkt doch zwischen Motorgehäuse und Achse (Achsmittelpunkt), egal welchen Teil man jetzt fest hält oder welchen man sich frei drehen lässt.
Das Drehmomoment ist konstant für eine bestimmte Drehzahl.
Die Kraft, die am Hebelarm wirkt (Ortsvektor), ist aber umgekehrt proportional zum Radius (Länge des Ortsvektors):

M = r·F // (bei Vektorschreibweise steht hier das Kreuzprodukt)
<=>
F = M/r // (für r≠0)

32998
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Drehmoment


Was sich also bei einem größeren Luftspalt ändert, ist höchstens die Länge des Ortsvektors, und die Längenänderung ändert nicht das Drehmoment (das bleibt konstant), sondern die resultierende Kraft, und letztere wird dann bei zunehmendem Radius (sogar) umgekehrt proportional kleiner.

[Peter(TOO)]

Nachtrag,

Ein kleiner Haken bei der Massenträgheit liegt in der Formel: kg*m2
Mit doppeltem Abstand vervierfacht sich die Trägheit.
Ich habe da noch etwas vergessen!

Bei doppeltem Durchmesser hast du doppelten Umfang, also, nach deiner Idee, doppelt so viele Pole.
Damit hast du, wenn wir ein konstantes Gewicht pro Pol annehmen, auch die doppelte Masse.

Zur Vervierfachung kommt also noch die doppelte Masse. Du hast dann die 8-fache Massenträgheit.

MfG Peter(TOO)

[Geistesblitz]

Also über die Basics von Schrittmotoren bin ich schon hinaus, wie die und die Treiber funktionieren ist mir recht gut bekannt.

@HaWe: du denkst falsch, außerdem schrieb ich größerer Luftspaltdurchmesser, nicht größerer Luftspalt. Was passiert, wenn man einen Pol umpolt? Es entsteht eine magnetische Kraft zwischen diesem und dem Permanentmagneten im Rotor, diese ist von der Feldstärke des Permanentmagneten und den Wicklungsparametern des Pols und des Stroms abhängig. Das Drehmoment ergibt sich dann mit M=F*r. Das bedeutet, je größer der Radius, desto größer das Drehmoment. Da man dann wahrscheinlich mehr Pole auf den Umfang verteilt, ergibt sich damit auch eine geringere Drehzahl, was in dem Falle aber nicht schlimm wäre. Das mit dem Anfahren sehe ich jetzt weniger als Problem, das lässt sich ja auf das Trägheitsmoment anpassen, allerdings ist das wirklich das Problem. Angenommen man erhält jetzt vereinfacht das doppelte Drehmoment, wenn man den Durchmesser verdoppelt. Würde sich das Trägheitsmoment auch verdoppeln, wären genau die gleichen Beschleunigungen möglich (alpha=J*M, also Winkelbeschleunigung ist Trägheismoment mal Drehmoment). Nun wächst das Trägheitsmoment aber mit der Größe in der vierten Potenz, also wesentlich stärker als das Drehmoment selbst. Daher machen da Getriebe auch besonders viel Sinn, da diese ebenfalls das Massenträgheitsmoment runtertransformieren. Ich erinner mich an die Formel J_red=J*i² oder in die Richtung. Also bei einer Untersetzung 2:1 wäre es so, als würde der Motor nur 1/4 des Trägheitsmoments antreiben müssen.

Aber noch ein anderer Gedanke: eine größere träge Masse führt ja auch dazu, dass die Eigenfrequenzen niedriger werden. Dadurch würde es doch wirklich nur beim Anfahren mal kurz etwas knurren und das wars. Bei sowas würde ich auch gar nicht auf die Idee kommen, es ohne Beschleunigungsrampe anfahren zu wollen. Außerdem, wenn man mit Mikroschrittansteuerung fährt wird ja auch gleichzeitig die Schrittfrequenz höher, was noch günstiger gegen etwaige Eigenfrequenzen ist.

Für den Aufbau hatte ich jedenfalls mal was zurechtkonstruiert:
33006 33008
Zum Vergleich hier der Aufbau eines herkömmlichen Hybridschrittmotors:
33007
Das in meinem Bild wäre so etwa das Prinzip Hybrid-Schrittmotor, nur umgekrempelt, innen sitzt der Stator mit insgesamt 12 Spulen (3 Polpaare je Phase, wobei sich das auch anpassen ließe) und außen der Rotor, bestehend aus zwei Eisenringen mit abwechselnden Zähnen. In die Löcher würden 24 Neodymstabmagnete in gleicher Orientierung eingelassen werden. Dabei stellen die Farben die Polung dar, also grün für Südpol und rot für Nordpol, wobei es auch umgekehrt funktioniert. Die Wicklungen wären hier abwechselnd die beiden Phasen und jede Phase wird von Pol zu Pol in umgedrehter Richtung gewickelt. In dem Bild ist nur eine Phase aktiv (rot+grün) und die andere abgeschaltet (grau). Die Zinken jeder Farbe stehen sich dabei ziemlich gut gegenüber, während die Grauen um einen viertel Zinken versetzt stehen.

Ich hatte auch vorher ein wenig nachgerechnet, ich hatte einen alten Schrittmotor zerlegt und geguckt, wie der aufgebaut ist. Der hat auf dem Rotor zwei gezackte Eisenkränze, die auf einen runden Ferritmagneten gepresst sind. Jeder Kranz hat 25 Zähne, da sie um einen halben Zahn versetzt sind macht das 50 Pole für den Rotor und da es zwei Phasen gibt führt das zu 100 Vollschritten, was auch mit der Angabe von einem Schrittwinkel von 3,6° hinkommt. Jedenfalls hatte ich ein wenig herumprobiert und bin dabei beispielhaft auf eine Zähnezahl von 249 gekommen, diese Zahl habe ich auch für die Komponenten in dem Bild verwendet. Anscheinend muss die Zähnezahl eine ungerade Zahl * Anzahl der Wicklungspaare pro Phase sein, in diesem Fall wären es 83*3, beim zerlegten Motor 25*1. Jedenfalls würde ich damit auf 996 Vollschritte pro Umdrehung kommen, was sich mit beispielsweise 1/16-Schritt-Modus auf 15936 Schritte verfeinern ließe. Das sind 0,023° bzw. 1,36 Winkelminuten. Mir ist allerdings auch bewusst, dass Mikroschritte nicht sehr genau sind, allerdings sollten sie für einen wesentlich ruhigeren Lauf und weniger Resonanzen sorgen. Außerdem verliert ein Schrittmotor wenn dann ein Vielfaches von 4 Vollschritten, da das die Stellen sind, an denen das Feld einrasten kann. Das ändert sich auch bei feinerer Mikroschrittauflösung nicht.

[Manf]

Deckt sich der Ansatz zum Teil mit den Überlegungen die hier dargestellt sind? Hier wird immerhin auch ein statisches Feld von den äußeren Polen eingebracht.

http://www.a-drive.de/fileadmin/user_upload/download/a-drive_AN-ZENmotor-V1_1_1de.pdf

[HaWe]

Also über die Basics von Schrittmotoren bin ich schon hinaus, wie die und die Treiber funktionieren ist mir recht gut bekannt.

@HaWe: du denkst falsch, außerdem schrieb ich größerer Luftspaltdurchmesser, nicht größerer Luftspalt. Was passiert, wenn man einen Pol umpolt? Es entsteht eine magnetische Kraft zwischen diesem und dem Permanentmagneten im Rotor, diese ist von der Feldstärke des Permanentmagneten und den Wicklungsparametern des Pols und des Stroms abhängig. Das Drehmoment ergibt sich dann mit M=F*r. Das bedeutet, je größer der Radius, desto größer das Drehmoment. Da man dann wahrscheinlich mehr Pole auf den Umfang verteilt, ergibt sich damit auch eine geringere Drehzahl, was in dem Falle aber nicht schlimm wäre. Das mit dem Anfahren sehe ich jetzt weniger als Problem, das lässt sich ja auf das Trägheitsmoment anpassen, allerdings ist das wirklich das Problem. Angenommen man erhält jetzt vereinfacht das doppelte Drehmoment, wenn man den Durchmesser verdoppelt. Würde sich das Trägheitsmoment auch verdoppeln, wären genau die gleichen Beschleunigungen möglich (alpha=J*M, also Winkelbeschleunigung ist Trägheismoment mal Drehmoment). Nun wächst das Trägheitsmoment aber mit der Größe in der vierten Potenz, also wesentlich stärker als das Drehmoment selbst. Daher machen da Getriebe auch besonders viel Sinn, da diese ebenfalls das Massenträgheitsmoment runtertransformieren. Ich erinner mich an die Formel J_red=J*i² oder in die Richtung. Also bei einer Untersetzung 2:1 wäre es so, als würde der Motor nur 1/4 des Trägheitsmoments antreiben müssen.

Aber noch ein anderer Gedanke: eine größere träge Masse führt ja auch dazu, dass die Eigenfrequenzen niedriger werden. Dadurch würde es doch wirklich nur beim Anfahren mal kurz etwas knurren und das wars. Bei sowas würde ich auch gar nicht auf die Idee kommen, es ohne Beschleunigungsrampe anfahren zu wollen. Außerdem, wenn man mit Mikroschrittansteuerung fährt wird ja auch gleichzeitig die Schrittfrequenz höher, was noch günstiger gegen etwaige Eigenfrequenzen ist.

Für den Aufbau hatte ich jedenfalls mal was zurechtkonstruiert:
33006 33008
Zum Vergleich hier der Aufbau eines herkömmlichen Hybridschrittmotors:
33007
Das in meinem Bild wäre so etwa das Prinzip Hybrid-Schrittmotor, nur umgekrempelt, innen sitzt der Stator mit insgesamt 12 Spulen (3 Polpaare je Phase, wobei sich das auch anpassen ließe) und außen der Rotor, bestehend aus zwei Eisenringen mit abwechselnden Zähnen. In die Löcher würden 24 Neodymstabmagnete in gleicher Orientierung eingelassen werden. Dabei stellen die Farben die Polung dar, also grün für Südpol und rot für Nordpol, wobei es auch umgekehrt funktioniert. Die Wicklungen wären hier abwechselnd die beiden Phasen und jede Phase wird von Pol zu Pol in umgedrehter Richtung gewickelt. In dem Bild ist nur eine Phase aktiv (rot+grün) und die andere abgeschaltet (grau). Die Zinken jeder Farbe stehen sich dabei ziemlich gut gegenüber, während die Grauen um einen viertel Zinken versetzt stehen.
ja, jetzt mit den Skizzen verstehe ich was und wie du es meinst!