Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) dominieren moderne Spindelmotordesigns aufgrund ihrer:
• Hohe Leistungsdichte (kompakte Größe für gegebenes Drehmoment)
• Überragender Wirkungsgrad (90–97 % typisch)
• Präzise Drehzahlregelung (Nullschlupf-Kennlinie)
• Ausgezeichnete dynamische Reaktion (kritisch für CNC-Anwendungen)
Dieser Leitfaden behandelt die elektromagnetisches, thermisches und mechanisches Design Überlegungen für Optimierung von PMSM-Statoren und -Rotoren in Spindelmotoren mit 10.000–60.000 U/min. Als grundlegende Technologie für alle Elektromotor Typen, Stator- und Rotordesign erfordern höchste Aufmerksamkeit im Engineering.
2.1 Kerngeometrieoptimierung
Schlitz-/Pol-Kombinationen
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Konfiguration |
Vorteile |
Spindel-Anwendungsfall |
|
9-fach/6-polig |
Geringes Rasten, gute Harmonische |
Fräsen für allgemeine Zwecke |
|
12-fach/8-polig |
Ausgewogene Drehmomentdichte |
Hochgeschwindigkeitsschleifen |
|
18-fach/12-polig |
Reduzierte Drehmomentwelligkeit |
Ultrapräzise Bearbeitung |
Wichtige Überlegungen:
• Höhere Schlitzzahlen reduzieren die Drehmomentwelligkeit, erhöhen aber den Kupferverlust
• Teilweise geschlitzte Wicklungen (z. B. 9 Schlitze für 8 Pole) minimieren Rastmomente
Laminierungsdesign
• Material: 0,2–0,35 mm dicke M19–M47-Siliziumstahllamellen
• Zahnbreite: 40–60 % der Schlitzteilung, um Sättigung und Kupferfläche auszugleichen
• Hinteres Eisen: 1,2-1,5-fache Zahnbreite, um eine Flusssättigung zu verhindern
2.2 Wicklungskonfiguration
Wicklungsarten
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Typ |
Vorteile |
Nachteile |
|
Verteilt |
Geringere Oberschwingungen, bessere Kühlung |
Längere Endkurven |
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Konzentriert |
Kürzere Spulen, höhere Schlitzfüllung |
Höhere Drehmomentwelligkeit |
Fortgeschrittene Techniken:
Doppelschichtige Wicklungen: 30–45° Phasenverschiebung zur Unterdrückung von Oberwellen
Litzendraht: Für Hochfrequenzbetrieb (>400 Hz) zur Reduzierung des Skin-Effekts
Schlitzfüllfaktor: 60–75 % erreichbar mit Präzisionswickelmaschinen
2.3 Kühlstrategien
Direkte Schlitzkühlung: In die Statorschlitze integrierte Ölkanäle
Hohlleiter: Für flüssigkeitsgekühlte Hochleistungsspindeln (>15 kW)
Thermische Schnittstellenmaterialien: Harze mit hoher Wärmeleitfähigkeit (5–8 W/mK)
3.1 Magnetanordnung
Topologien
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Typ |
Flussdichte |
Rastmoment |
Komplexität der Fertigung |
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Oberflächenmontiert |
Mäßig |
Niedrig |
Einfach |
|
Innen-PM (IPM) |
Hoch |
Mäßig |
Komplex |
|
V-förmiges IPM |
Sehr hoch |
Hoch |
Sehr komplex |
Spindelspezifische Auswahlmöglichkeiten:
10.000–30.000 U/min: Oberflächen-PM mit Kohlefaserhülse
30.000–60.000 U/min: Hohles IPM für besseren Widerstand gegen Zentrifugalkräfte
3.2 Magnetmaterialien
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Material |
Br (T) |
Hc (kA/m) |
Max. Temp |
Kosten |
|
Ferrit |
0.4 |
200 |
150°C |
$ |
|
NdFeB N42H |
1.3 |
900 |
120°C |
$$$ |
|
SmCo |
1.1 |
700 |
300°C |
$$$$$ |
Auswahlkriterien:
Temperaturreduzierung (Spindeln erreichen intern 80–150 °C)
Korrosionsschutz (Vernickelung für feuchte Umgebungen)
Segmentierte Magnete zur Reduzierung von Wirbelströmen
3.3 Rotorstrukturdesign
Retentionshülsen:
• Kohlefaser: Für >40.000 U/min (σ > 800 MPa)
• Inconel: Für Hochtemperaturanwendungen
Dynamisches Auswuchten:
•
• Asymmetrische Polform für harmonischen Ausgleich
4.1 Parameter-Kompromisse
|
Parameter |
Erhöhen um |
Wirkung |
|
Luftspalt |
Größere Lücke |
↓ Drehmomentdichte, ↑ Zuverlässigkeit |
|
Magnetstärke |
Mehr Material |
↑ Flussdichte, ↑ Kosten |
|
Aktuelle Dichte |
Höherer J |
↑ Drehmoment, ↑ thermische Spannung |
4.2 Fortgeschrittene Techniken
• Schrägstellung: 1-2 Schlitzteilungen zur Reduzierung von Rastungen
• Polformung: Gekerbte Pole für sinusförmige Gegen-EMK
• Multi-Ziel-Optimierung:
# Beispiel einer Pareto-Optimierung für Drehmoment vs. Verlust
Ziele = [maximieren (Drehmoment), minimieren (Eisenverlust)]
Einschränkungen = [Temp_rise
5.1 Überlegungen zur Lagerung
Schrägkugellager: Vorspannung von 150–400 N für Spindelsteifigkeit
Hybridkeramik: Für einen Drehzahlbereich von 20.000–40.000 U/min
Aktive Magnetlager: Für >50.000 U/min Ultrapräzision
5.2 Wellendesign
Steifigkeitsanforderung: >100 N/µm an der Werkzeugschnittstelle
Hohlwellen: Für den Kühlmitteldurchgang (ID/OD-Verhältnis
Kompensation des thermischen Wachstums: Kohlefaserhülsen mit WAK-Anpassung
|
Komponente |
Kritische Toleranz |
Messmethode |
|
Luftspalt |
±0,05 mm |
Lasermikrometer |
|
Magnetposition |
±0,1° Winkel |
Vision-System |
|
Spulensymmetrie |
|
LCR-Messgerät |
Stator: 18 Schlitze, 3-phasige verteilte Wicklung
Rotor: 6-poliges V-IPM mit SmCo-Magneten
Kühlung: Direkt ölgekühlte Schlitze
Leistung:
• Leistungsdichte: 6,5 kW/kg
• Wirkungsgrad: 96 % bei Nennlast
• Rundlauf:
Additive Fertigung: 3D-gedruckte Kühlkanäle
Graphenverstärkte Materialien: Für eine höhere Wärmeleitfähigkeit
Digitale Zwillinge: Leistungssimulation in Echtzeit
Entwerfen PMSM-Statoren und -Rotoren Für Spindelmotoren ist ein Auswuchten erforderlich:
1. Elektromagnetische Leistung (Drehmomentdichte, Wirkungsgrad)
2. Thermomanagement (Kühlstrategien)
3. Mechanische Integrität (Rotordynamik, Lagerlebensdauer)
Für Ihr spezifische Spindelanwendung, bedenken Sie:
• Soll-Geschwindigkeits-/Drehmomentprofil
• Einschränkungen des Kühlsystems
• Budget für Premium-Materialien (SmCo, Kohlefaser)
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