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Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Antrieb, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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1 zeigt einen elektrischen Antrieb mit einem Motorgehäuse 1, das fest mit einer Maschinenstruktur 2, beispielsweise einem Maschinengestell oder einem Maschinenbett, verbunden ist. Im Gehäuse ist ein Stator 3 untergebracht, der fest mit dem Motorgehäuse 1 verbunden ist. Der Stator 3 umgibt mit einem Luftspalt 4 einen Rotor 5, der in bekannter Weise mit Permanentmagneten versehen ist und drehfest auf einem Läufer 6 sitzt. Er ist mit Wälzlagern 7, 8 in Gehäusedeckeln 9, 10 drehbar gelagert. Die Wälzlager 7, 8 sind vorteilhaft so ausgebildet, dass sie den Läufer 6 axial und radial abstützen.
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Die Drehlage φ des Rotors 5 und damit des Läufers 6 wird mit Hilfe einer Messeinheit 11 erfasst, die eine Lage- oder eine Drehzahl-Messeinheit sein kann. Mit der Messeinheit lässt sich die Rotorlage zwischen dem Motorgehäuse 1 und dem Läufer 6 (Motorgeber) und/oder zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 5 (Hall-Sensor und dergleichen) erfassen. Das Drehmoment M, das über den Luftspalt 4 auf den Läufer 6 übertragen wird, wirkt nahezu in gleicher Größe als Reaktionsmoment auf das Motorgehäuse 1. Es gelten somit folgende Beziehungen: MRotor = –MStator MMotorgehäuse = MStator.
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In 2 ist der Drehmomentenverlauf Nm gegen die Zeit t aufgetragen. Die Kurve a zeigt den Verlauf des Drehmomentes MRotor und die Kurve b den Verlauf des Drehmomentes MStator über die Zeit. Dieses Diagramm zeigt, dass das Drehmoment MRotor (Kurve a) und das Drehmoment MStator (Kurve b) betragsmäßig etwa gleich groß sind.
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Die Folge hiervon sind ruckartige Drehmomentenverläufe infolge der Sollbewegung des Rotors 5 oder infolge von Störmomenten, z. B. Bearbeitungskräften, die über den Luftspalt 4 direkt auf das Motorgehäuse 1 wirken. Da das Motorgehäuse 1 steif mit der Maschinenstruktur 2 verbunden ist, wirkt das Reaktionsmoment direkt auf die Maschinenstruktur 2 ein. Ist diese schwingfähig, wird die Maschinenstruktur 2 durch die Reaktionsmomente zu einem unerwünschten Schwingen angeregt. Die Maschinenstruktur 2 schwingt mit relativ großer Amplitude.
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3 zeigt eine bekannte schwingungsfähige Maschinenstruktur, die über eine Federung 12 und eine Dämpfung 13 gegenüber dem Untergrund 14 abgestützt und an der das Motorgehäuse 1 starr befestigt ist. Die gegensinnig wirkenden Drehmomente MRotor und MStator sind durch Pfeile angegeben.
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4 zeigt die Dreh-Soll-Lage des Rotors 5 (Kurve I). Durch diese Soll-Bewegung des Rotors 5 wird die Maschinenstruktur 2 angeregt und schwingt mit relativ großer Amplitude (Kurve II). Die Ist-Bewegung des Rotors 5 ist durch die Kurve III dargestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen rotatorischen Antrieb so auszubilden, dass die Entkopplung der Reaktionsmomente optimiert wird.
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Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen rotatorischen Antrieb erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Da das Gehäuse relativ zum zweiten Antriebsteil oder zum Stützkörper mit der rotatorischen Steifigkeit und der rotatorischen Dämpfung gelagert ist, werden das Gehäuse bzw. der Stützkörper zu allenfalls nur noch geringen Schwingungen angeregt. Der rotatorische Antrieb kann darum bei schwingungskritischen Anwendungen eingesetzt werden.
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Vorteilhaft ist der rotatorische Antrieb ein elektrischer Antrieb, bei dem das erste Antriebsteil ein Läufer mit einem Rotor ist. Er trägt Permanentmagnete und wir von einem Stator mit Wicklung als zweitem Antriebsteil unter Bildung eines Luftspaltes umgeben.
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Vorteilhaft sind der Rotor und der Stator teilweise entkoppelt. Dadurch wird der Stützkörper, an dem das Gehäuse des rotatorischen Antriebes befestigt ist, nur wenig angeregt. Der Stator kann bei angreifenden Läufermomenten relativ zum Gehäuse Ausweichbewegungen ausführen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die rotatorische Steifigkeit und die rotatorische Dämpfung zwischen dem Gehäuse und dem Stützkörper vorgesehen. Der Stützkörper wird dadurch nicht oder nur in sehr geringem Maße zu Schwingungen angeregt.
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Bei einer anderen Ausbildung kann die rotatorische Steifigkeit und die rotatorische Dämpfung zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Antriebsteil vorgesehen sein. Wenn das zweite Antriebsteil in bevorzugter Ausbildung der Stator ist, dann kann er bei angreifenden Läufermomenten relativ zum Gehäuse Ausweichbewegungen ausführen. Infolge der geringen rotatorischen Steifigkeit und Dämpfung zwischen dem Stator und dem Gehäuse bewegt sich der Stator nach kurzer Zeit wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Dadurch treten keine oder nur noch sehr geringe Schwingungen des Gehäuses auf.
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Die rotatorische Steifigkeit wird vorteilhaft durch wenigstens ein in Umfangsrichtung der Antriebsteile wirkendes Federelement gebildet.
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Die rotatorische Dämpfung wird vorteilhaft durch wenigstens ein in Umfangsrichtung der Antriebsteile wirkendes Dämpfungselement gebildet. Als Dämpfungselement können die herkömmlichen Einrichtungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Öldämpfer, wirbelstrombasierte Dämpfer, Elastomerdämpferelemente und dergleichen.
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Damit die Drehlage des ersten Antriebsteiles gegenüber dem Gehäuse einfach erfasst werden kann, ist der rotatorische Antrieb mit einer entsprechenden Messeinheit versehen.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung hat der erfindungsgemäße Antrieb auch eine zweite Messeinheit, mit der die Drehlage zwischen den beiden Antriebsteilen erfasst wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
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1 in schematischer Darstellung einen rotatorischen Antrieb nach dem Stand der Technik,
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2 ein Drehmoment-Zeit-Diagramm des rotatorischen Antriebes gemäß 2,
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3 in schematischer Darstellung den rotatorischen Antrieb gemäß 1 mit einer gefederten und gedämpften Maschinenstruktur,
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4 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Position eines Rotors des Antriebes gemäß den 1 bis 3 und der Schwingungen einer Maschinenstruktur,
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5 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebes in schematischer Darstellung,
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6 in einer Darstellung entsprechend 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebes,
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7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in 6,
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8 in schematischer Darstellung eine Hälfte einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebes,
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9 den Drehmoment-Zeit-Verlauf eines elektrischen Antriebes nach dem Stand der Technik,
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10 den Drehmoment-Zeit-Verlauf eines erfindungsgemäßen Antriebes,
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11 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Position eines Rotors des erfindungsgemäßen Antriebes und der Schwingungen der Maschinenstruktur.
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Die im Folgenden beschriebenen rotatorischen Antriebe sind vorteilhaft elektrische Antriebe, die für unterschiedlichste Zwecke eingesetzt werden können, beispielsweise als Antriebe bei handgeführten Elektrogeräten, wie beispielsweise Bohrmaschinen, bei Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen, bei Verpackungsmaschinen, bei Automatisierungsanlagen oder bei Kugelgewindetrieben mit angetriebener Mutter. Generell kann der Antrieb bei Anwendungen mit hoher Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen eingesetzt werden. Beispielsweise bei Verpackungsmaschinen oder Automatisierungsanlagen treten ruckartige Bewegungen auf, die ungedämpft zu unerwünschten Schwingungen führen. Weitere beispielhafte Anwendungen sind Raumfahrtanwendungen, weil dort Schwingungen nur langsam ausklingen, bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen und bei Robotern.
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Der rotatorischen Antrieb gemäß 5 hat das Motorgehäuse 1, an dessen Gehäuseinnenwand der Stator 3 mit Wicklung 26 befestigt ist. Er umgibt mit dem Luftspalt 4 den Rotor 5, der in bekannter Weise Permanentmagnete trägt und drehfest auf dem Läufer 6 bzw. der Motorwelle sitzt. Der Läufer 6 ist mit den Wälzlagern 7, 8 in den Gehäusedeckeln 9, 10 gelagert, die das Motorgehäuse 1 stirnseitig abschließen. Die Wälzlager 7, 8 stützen den Läufer 6 axial und radial ab. Das Motorgehäuse 1 ist gegenüber der Maschinenstruktur 2, die beispielsweise durch das Maschinenbett oder das Maschinengestell gebildet ist, mit rotatorischer Steifigkeit crot und rotatorischer Dämpfung drot zur Entkopplung der Reaktionsmomente von der Maschinenstruktur 2 extern gelagert. Die Entkoppelung bewirkt eine Tiefpassfilterung der Reaktionsmomente. Das Motorgehäuse 1 ist gegenüber der Maschinenstruktur 2 durch wenigstens ein Drehlager 15, vorzugsweise ein Wälzlager, begrenzt drehbar abgestützt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei solcher Drehlager 15 vorgesehen, die nahe benachbart zu den Gehäusedeckeln 9, 10 an der Außenseite des Motorgehäuses 1 angeordnet sind. Mit der Messeinheit 11, die in 5 nur schematisch dargestellt ist, wird die Drehlage φ des Rotors 5 bzw. des Läufers 6 relativ zum Motorgehäuse 1 erfasst. Diese Messung kann mittels eines Motorgebers oder eines Winkelgebers vorgenommen werden. Da solche Messeinheiten 11 bekannt sind, werden sie auch nicht näher erläutert.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 6 und 7 ist der Stator 3 gegenüber dem Motorgehäuse 1 mit wenigstens einem Drehlager 16 begrenzt drehbar abgestützt. Im Ausführungsbeispiel ist der Stator 3 durch zwei Drehlager 16 begrenzt drehbar gelagert, die sich unmittelbar benachbart neben den Gehäusedeckeln 9, 10 befinden. Der Stator 3 ist außerdem mit der rotatorischen Steifigkeit crot und der rotatorischen Dämpfung drot gegenüber dem Motorgehäuse 1 gelagert. Das beim Drehen des Läufers 6 entstehende, auf den Stator 3 wirkende Reaktionsmoment führt bei dieser Ausführungsform dazu, dass sich der Stator 3 relativ zum Motorgehäuse 1 verdrehen kann. Die rotatorisch wirkende Feder 18, die vorteilhaft geringe Steifigkeit hat, und das rotatorisch wirkende Dämpferelement 19 hemmen diese Drehbewegung des Stators 3 gegenüber dem Motorgehäuse 1 teilweise. Die Reaktionsmomente dieser Feder-Dämpfer-Anordnung auf das Motorgehäuse 1 sind gegenüber dem Reaktionsmoment, welches am Stator 3 wirkt, geglättet.
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Für spezielle Anwendungen können die Feder 18 und das Dämpferelement 19 weggelassen werden, so dass eine vollständige Entkoppelung stattfindet. Dies ist wegen des rotatorischen Antriebes möglich, während dies bei translatorischen Antrieben aufgrund des begrenzten Weges nicht umsetzbar ist.
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Um die Kabelführung zum Stator 3 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, den maximal zulässigen Verdrehwinkel des Stators 3 gegenüber dem Motorgehäuse 1 zu begrenzen. Hierfür wird die rotatorische Steifigkeit crot entsprechend ausgelegt, so dass ein hinsichtlich der Kabelführung zulässiger Drehweg nicht überschritten wird.
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Das Trägheitsmoment Jstator des Stators 3 kann im Bedarfsfall vergrößert werden, um ein günstigeres Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment Jrotor des Rotors 5 zum Trägheitsmoment Jstator des Stators 3 zu erhalten.
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Es ist weiter möglich, die zusätzliche radiale Lagerung und das Federelement als Festkörpergelenk zu gestalten, das entsprechend tordiert wird.
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Mit der Messeinheit 11 wird wiederum die Drehlage φ des Läufers 6 gegenüber dem Motorgehäuse 1 erfasst. Durch diese Lagemessung erhält man nur sehr geringe Einbußen in der Lageregelung des Läufers 6.
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Der Antrieb hat eine zweite Messeinheit 17, mit der die Drehlage φ des Läufers 6 gegenüber dem Stator 3 erfasst wird. Diese Messeinheit ist auch bei den anderen Ausführungsformen vorteilhaft vorgesehen.
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Wie aus 7 hervorgeht, erstreckt sich das zur Erzielung der Steifigkeit vorgesehene Federelement 18 in Umfangsrichtung des Stators 3 bzw. des Motorgehäuses 1. Auch das zur Dämpfung eingesetzte Dämpferelement 19 ist in Umfangsrichtung von Stator 3 bzw. Motorgehäuse 1 wirksam. Zur Befestigung des Federelementes 18 bzw. des Dämpferelementes 19 sind am Stator 3 sowie am Motorgehäuse 1 entsprechende Befestigungspunkte 20, 21 bzw. 22, 23 vorgesehen.
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Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Antrieb jeweils so ausgebildet, dass der Läufer 6 um seine Achse drehbar angetrieben wird. Die rotatorisch wirksame Steifigkeit und Dämpfung kann auch bei Antrieben eingesetzt werden, bei denen der Läufer 6 stillsteht und dafür der Stator 3 mit dem Motorgehäuse 1 drehbar angetrieben wird. Solche Antriebe (8) werden bei Außenläufermotoren eingesetzt. Das Motorgehäuse 1 ist mit den beiden Wälzlagern 7, 8 drehbar auf dem Läufer 6 gelagert. Die Wälzlager 7, 8 sind wie bei den vorigen Ausführungsformen gemäß den 5 bis 7 jeweils in den Gehäusedeckeln 9, 10 angeordnet. Der Stator 3 ist an der Innenwand des Gehäuses 3 befestigt und umgibt mit dem Luftspalt 4 den Rotor 5, der mittels der Lager 24, 25 begrenzt drehbar auf dem Läufer 6 abgestützt wird. Die rotatorische Steifigkeit crot und die rotatorische Dämpfung drot sind zwischen dem Rotor 5 und dem feststehenden Läufer 6 vorgesehen. Die Messeinheit 11 erfasst die Drehlage des Motorgehäuses 1 gegenüber dem feststehenden Läufer 6.
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In den 9 und 10 sind der Antrieb nach dem Stand der Technik sowie der Antrieb gemäß der Erfindung einander gegenübergestellt. Beim herkömmlichen Antrieb gemäß 9 haben das Motorgehäuse 1 das Drehmoment MMotorgehäuse und der Stator 3 das Drehmoment MStator. Beide Drehmomente sind identisch, wie auch der Drehmoment-Zeit-Verlauf zeigt. Die Kurve c zeigt den Drehmomentenverlauf des Motorgehäuses 1 und die Kurve d den Drehmomentenverlauf des Stators 3.
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Beim erfindungsgemäßen Antrieb gemäß 10 hat das Motorgehäuse 1 das Drehmoment MMotorgehäuse. Aufgrund der in Umfangsrichtung wirksamen Federung und Dämpfung ergibt sich ein Drehmoment MStator,geglättet, das gleich groß ist wie das Drehmoment MMotorgehäuse. Der Drehmoment-Zeit-Verlauf zeigt, dass zwar das Drehmoment des Stators 3 (Kurve d) gleich ist wie beim herkömmlichen Antrieb, dass jedoch aufgrund der in Umfangsrichtung wirkenden Federung und Dämpfung das Drehmoment des Motorgehäuses 1 einen anderen Verlauf hat (Kurve c). Die rotatorische Steifigkeit und rotatorische Dämpfung führen zu einem wesentlich flacheren Kurvenverlauf. Dies hat zur Folge, dass die Maschinenstruktur nicht oder nur sehr wenig angeregt wird.
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Der Antrieb hat die beiden Messeinheiten 11 und 17. Die Messeinheit 11 erfasst die Winkellage φ zwischen dem Motorgehäuse 1 und dem Läufer 6. die zweite Messeinheit 17 erfasst die Lage φ zwischen dem Stator 3 und dem Läufer 6. Die zweite Messeinheit 17 wird bei einem elektronisch kommutierten Elektromotor als Antrieb für die Kommutierung benötigt. Die Kommutierung kann beispielsweise mit Hilfe von Hall-Sensoren in bekannter Weise gewährleistet werden.
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Der Antrieb kann als Austauschmotor eingesetzt werden, da die äußeren mechanischen und die elektrischen Schnittstellen nicht verändert sind. Dadurch ist ein einfacher Austausch eines herkömmlichen Antriebes gegen den neuen Antrieb problemlos möglich.
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Da die Maschinenstruktur 2 in der beschriebenen Weise nur sehr wenig angeregt wird, kann die Dynamik der Regelung des Antriebes in vorteilhafter Weise erhöht werden.
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Aufgrund der teilweisen Entkoppelung von Stator 3 und Rotor 5 rückt der Stator 3 bei einem angreifenden Läufermoment relativ zum Motorgehäuse 1 aus, was durch die Kurve IV in 11 ersichtlich ist. Infolge der geringen rotatorischen Steifigkeit crot und der rotatorischen Dämpfung crot zwischen dem Stator 3 und dem Motorgehäuse 1 bewegt sich der Stator 3 nach kurzer Zeit wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Auch die Schwingungen des Motorgehäuses 1 sind, wie die Kurve II zeigt, wesentlich geringer als bei den herkömmlichen rotatorischen Antrieben. Durch die Lagemessung zwischen dem Motorgehäuse 1 und dem Rotor 5 erhält man nur sehr geringe Einbußen in der Lageregelung, was durch die Kurve V veranschaulicht wird. Der Rotor 5 selbst zeigt nur noch sehr geringe Schwingungen (Kurve III), so dass diese Ist-Bewegung des Rotors 5 nahezu der durch die Kurve I gekennzeichneten Soll-Bewegung entspricht.
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Wird der Antrieb bei handgeführten Geräten eingesetzt, kann infolge der geringen Anregung der unterlagerten Maschinenstruktur die Ergonomie und die Sicherheit verbessert werden.
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Da die beschriebenen Antriebe rotatorische Antriebe sind, sind keine Führungen erforderlich, wie sie bei Linearantrieben notwendig sind.
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Die Antriebe, die vorteilhaft elektrische Antriebe sind, können Innen- oder Außenläufermotoren sein. Die Innenläufermotoren, bei denen der Läufer 6 drehbar angetrieben wird, eignen sich aufgrund ihres geringen Trägheitsmomentes besonders für hochdynamische Anwendungen. Der Außenläufermotor (8) zeichnet sich durch ein vergleichsweise hohes Drehmoment aus, wobei sich der Rotor 5 um den feststehenden Stator 3 dreht, der die Wicklungen trägt. Die Permanentmagnete des Rotors 5 liegen bei einem Außenläufermotor auf einem größeren Durchmesser und umfassen somit ein höheres Magnetvolumen. Zusammen mit dem größeren Luftspaltdurchmesser ergeben sich bei gleicher elektromotorischer Kraft höhere Drehmomente als bei den Innenläufermotoren. Die erhöhte Masse des Außenläufermotors führt jedoch zu einem höheren Trägheitsmoment, so dass die dynamischen Eigenschaften von Außenläufermotoren geringer sind als bei Innenläufermotoren. Da die rotatorische Steifigkeit und die rotatorische Dämpfung bei beiden Arten von Motoren eingesetzt werden können, kann der jeweilige Antrieb entsprechend dem vorgesehenen Einsatzfall angewendet werden.
