Wie wählt man einen BLDC-Motor aus? Ein vollständiger Auswahlleitfaden

 Warum ist die Auswahl eines BLDC-Motors so wichtig?

In Robotern, Roboterarmen, Automatisierungsanlagen, Drohnen und intelligenten Fertigungssystemen ist der Motor eine zentrale Komponente, die die Bewegungsleistung des Geräts bestimmt.

Viele Ingenieure stehen bei der Auswahl eines BLDC-Motors vor ähnlichen Fragen:

• Wie viel Drehmoment wird benötigt, um die Anforderungen der Last zu erfüllen?

• Wie sollte der KV-Wert ausgewählt werden?

• Erfüllt die Motordrehzahl die Anforderungen der Anwendung?

• Wird ein Getriebe benötigt?

• Ist die Genauigkeit des Encoders ausreichend?

• Wie lässt sich ein Gleichgewicht zwischen Gewicht, Größe und Leistung erreichen?

Die Auswahl eines geeigneten BLDC-Motors ist nicht einfach eine Frage des Vergleichs von Leistung oder maximaler Drehzahl. Stattdessen müssen die Anforderungen der Anwendung, die Lastbedingungen und die Anforderungen an die Systemsteuerung umfassend berücksichtigt werden.

Bei gewöhnlichen rotierenden Geräten können Drehzahl und Leistung die wichtigsten Kriterien sein. Bei Hochleistungs-Bewegungssystemen wie Roboterachsen, Roboterarmen und elektrischen Aktuatoren achten Ingenieure jedoch in der Regel stärker auf:

• Hohes Ausgangsdrehmoment

• Hohe Drehmomentdichte

• Schnelle dynamische Reaktion

• Präzise Positionsregelung

• Leichtbauweise

• Langfristig stabilen Betrieb

Daher ist die Auswahl des richtigen BLDC-Motors entscheidend, um die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Bewegungssystems sicherzustellen.

Was ist ein BLDC-Motor?

Ein BLDC-Motor, also ein bürstenloser Gleichstrommotor, ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor, der anstelle einer herkömmlichen mechanischen Kommutierung eine elektronische Kommutierung verwendet.

Herkömmliche Bürstenmotoren verwenden Bürsten und einen Kommutator zur Änderung der Stromrichtung, während BLDC-Motoren einen elektronischen Controller zur Steuerung der Stromumschaltung verwenden und dadurch eine präzise Bewegungssteuerung des Rotors ermöglichen.

Ein vollständiges BLDC-Motorsystem umfasst in der Regel:

• Motorkörper

• Permanentmagnet-Rotor

• Statorwicklungen

• Treiber

• Positionssensor oder Encoder

Da mechanische Bürsten entfallen, bieten BLDC-Motoren folgende Vorteile:

1. Höherer Wirkungsgrad

Durch die Reduzierung mechanischer Reibungsverluste wird die Energieumwandlungseffizienz verbessert, wodurch sich BLDC-Motoren für Geräte eignen, die über lange Zeiträume betrieben werden.

2. Längere Lebensdauer

Es gibt kein Problem mit Bürstenverschleiß, wodurch der Wartungsaufwand reduziert wird.

3. Höhere dynamische Leistung

BLDC-Motoren können einen schnellen Anlauf, eine schnelle Beschleunigung und eine präzise Bewegungssteuerung erreichen.

4. Besser für Robotikanwendungen geeignet

In Kombination mit einem Encoder, einem Getriebe und einem Steuerungssystem kann eine leistungsstarke Bewegungslösung gebildet werden.

Daher sind BLDC-Motoren zu einer wichtigen Antriebskomponente in modernen Robotik- und Automatisierungssystemen geworden.

Was ist die Drehmomentdichte eines BLDC-Motors?

Bei Robotern, Exoskeletten und humanoiden Robotern reicht es nicht aus, sich ausschließlich auf das maximale Drehmoment zu konzentrieren.

Dies liegt daran, dass Roboter typischerweise Folgendes benötigen:

• Geringeres Gewicht

• Weniger Einbauraum

• Höhere Ausgangsleistung

Daher ist die Drehmomentdichte zu einem wichtigen Kennwert für die Bewertung der Motorleistung geworden.

Berechnungsformel:

Drehmomentdichte = Ausgangsdrehmoment ÷ Motorgewicht

Einheit:

Nm/kg

Zum Beispiel:

Zwei Motoren können beide ein Drehmoment von 10 Nm liefern:

• Motor A wiegt 1 kg

Drehmomentdichte:

10 Nm/kg

• Motor B wiegt 0,5 kg

Drehmomentdichte:

20 Nm/kg

Für Roboterachsen bedeutet eine höhere Drehmomentdichte:

• Leichtere mechanische Strukturen

• Geringere Bewegungsinertie

• Schnellere dynamische Reaktion

• Höhere Energieeffizienz

Daher erhalten BLDC-Motoren mit hoher Drehmomentdichte im Bereich der Robotik zunehmend Aufmerksamkeit.

Welche Parameter sollten bei der Auswahl eines BLDC-Motors berücksichtigt werden?

Bei der Auswahl eines BLDC-Motors sollten die folgenden Kernparameter besonders beachtet werden:

Für Robotik- und Bewegungssteuerungsanwendungen gehören zu den wichtigsten Parametern in der Regel:

• Drehmoment

• Drehzahl

• KV-Wert

• Drehmomentdichte

• Encoder-Genauigkeit

• Thermische Leistung

Wie wählt man einen BLDC-Motor anhand der Anforderungen aus?

Nach Abschluss der Analyse der Anwendungsanforderungen besteht der nächste Schritt darin, die geeigneten BLDC-Motorparameter anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen auszuwählen.

Die wichtigsten Schritte im tatsächlichen Auswahlprozess umfassen:

1.Zunächst das erforderliche Drehmoment bestimmen

Das Drehmoment ist einer der wichtigsten Parameter bei der Auswahl eines BLDC-Motors.

Es bestimmt, ob der Motor die vorgesehene Last antreiben kann.

Die grundlegende Formel zur Berechnung des Drehmoments für ein rotierendes System lautet:

T = F × r

Dabei gilt:

• T: Erforderliches Drehmoment (Nm)

• F: Von der Last erzeugte Kraft (N)

• r: Rotationsradius (m)

Zum Beispiel:

Ein Roboterarm muss eine Last von 5 kg tragen, und die Länge des Roboterarms beträgt 0,3 m.

Von der Last erzeugte Gewichtskraft:

F = 5 × 9.81 ≈ 49N

Erforderliches statisches Drehmoment:

T = 49 × 0.3

≈ 14.7Nm

Bei realen Robotikanwendungen kann der Motor jedoch nicht direkt anhand dieses Wertes ausgewählt werden.

Dies liegt daran, dass das System außerdem beeinflusst wird durch:

• Beschleunigungsinertie

• Reibungswiderstand

• Laständerungen

• Äußere Einwirkungen

• Änderungen der Körperhaltung

und andere Faktoren während der Bewegung.

Daher ist bei der tatsächlichen Motorauswahl in der Regel eine Sicherheitsreserve erforderlich:

Nenndrehmoment des Motors ≥ Tatsächliches Lastdrehmoment × Sicherheitsfaktor

Der Sicherheitsfaktor wird normalerweise entsprechend den Anwendungsanforderungen bestimmt:

Bei Roboterachsen ist die dynamische Leistung normalerweise wichtiger als lediglich die Erfüllung der statischen Lastanforderung.

2. Was ist der Unterschied zwischen Dauer- und Spitzendrehmoment?

Dies ist ein Problem, das bei der Auswahl eines BLDC-Motors leicht übersehen wird.

Viele Ingenieure konzentrieren sich nur auf das für ein Produkt angegebene maximale Drehmoment, doch das Spitzendrehmoment stellt nicht die langfristige Ausgangsleistung des Motors dar.

Dauerdrehmoment

Das Dauerdrehmoment bezeichnet das Drehmoment, das der Motor über einen langen Zeitraum stabil liefern kann.

Geeignet für:

• Geräte, die über lange Zeiträume betrieben werden

• Mobile AGVs

• Automatisierungsanlagen

• Halten der Roboterposition

Zum Beispiel:

Ein Roboterarm muss über einen langen Zeitraum eine feste Position halten und ist dabei auf das Dauerdrehmoment angewiesen, um die Last zu halten.

Spitzendrehmoment

Das Spitzendrehmoment bezeichnet die maximale Ausgangsleistung, die der Motor innerhalb eines kurzen Zeitraums erreichen kann.

Geeignet für:

• Schnelle Beschleunigung

• Momentane Laständerungen

• Hochdynamische Roboterbewegungen

Zum Beispiel:

Roboterachse:

Das Halten einer normalen Last erfordert:

10Nm

Eine schnelle Bewegung kann erfordern:

20Nm

Daher muss der Motor beides erfüllen:

• Ausreichendes Dauerdrehmoment

• Ausreichendes Spitzendrehmoment

Daher darf man bei der Auswahl eines BLDC-Motors nicht nur auf das maximale Spitzendrehmoment achten. Zusätzlich müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Einschaltdauer

• Laständerungen

• Bewegungsgeschwindigkeit

• Wärmeableitungsbedingungen

für eine umfassende Bewertung.

3.  Wie bestimmt man die Drehzahl eines BLDC-Motors?

Nach der Bestimmung des Drehmoments muss die Motordrehzahl entsprechend den Bewegungsanforderungen des Geräts bestimmt werden.

Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Drehzahl (RPM):

Bei direktem Motorantrieb

Wenn der Motor direkt mit der Last verbunden ist, muss die Drehzahl entsprechend der gewünschten Bewegungsgeschwindigkeit berechnet werden.

Zum Beispiel:

Ein Drehmechanismus benötigt:

60 RPM

Dann muss die Ausgangsdrehzahl des Motors nahe bei:

60 RPM

Bei Verwendung eines Getriebes:

In Robotersystemen werden BLDC-Motoren normalerweise zusammen mit Getrieben eingesetzt.

Ein Getriebe reduziert die Ausgangsdrehzahl und erhöht gleichzeitig das Ausgangsdrehmoment.

Ausgangsdrehzahl = Motordrehzahl ÷ Übersetzungsverhältnis.

Zum Beispiel:

Ein Motor läuft mit 6000 RPM und das Übersetzungsverhältnis beträgt 30:1:

Ausgangsdrehzahl = 6000 ÷ 30

= 200 RPM

Ausgangsdrehmoment ≈ Motordrehmoment × Übersetzungsverhältnis × Wirkungsgrad.

Zum Beispiel:

Wenn das Motordrehmoment 1 Nm und das Übersetzungsverhältnis 30:1 beträgt:

Theoretisches Ausgangsdrehmoment = 1 × 30

= 30 Nm

Der tatsächliche Wert muss die Wirkungsgradverluste des Getriebes berücksichtigen.

Was bedeutet der KV-Wert eines BLDC-Motors?

KV ist ein wichtiger Parameter für die Motorauswahl.

Er bezeichnet die theoretische Erhöhung der Leerlaufdrehzahl pro 1 V und wird in RPM/V angegeben.

Theoretische Drehzahl ≈ KV × Spannung

Zum Beispiel:

Ein 100-KV-Motor bei 24 V:

100 × 24 = 2400 RPM

Die tatsächliche Drehzahl ist aufgrund von Faktoren wie Last, Wirkungsgrad, Spannungsabfall, Steuerungsmethode und Reibungsverlusten normalerweise niedriger.

Hoher KV-Wert vs. niedriger KV-Wert:

Hoher KV-Wert:

Höhere Drehzahl, geeignet für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, mit relativ geringerem Drehmoment; wird häufig in Drohnen, Hochgeschwindigkeitslüftern und Hochgeschwindigkeits-Drehgeräten eingesetzt.

Niedriger KV-Wert:

Niedrigere Drehzahl und höheres Drehmoment pro Stromeinheit, wodurch er besser für das Antreiben von Lasten geeignet ist; wird häufig in Roboterachsen, Gimbals, elektrischen Aktuatoren und Roboterarmen eingesetzt.

Bei Robotikanwendungen wird normalerweise stärker auf hohes Drehmoment, hohe Steuerungspräzision und geringe Trägheit geachtet. Daher eignen sich BLDC-Motoren mit niedrigem KV-Wert und hohem Drehmoment häufig besser für Robotikanwendungen.

Wie wählt man die Betriebsspannung eines BLDC-Motors aus?

Die Spannung muss zur Stromversorgung des Systems passen.

Zu den gängigen Spannungsoptionen gehören 12 V, 24 V, 36 V, 48 V und Lösungen mit höheren Spannungen.

Die Kompatibilität mit dem Stromversorgungssystem muss berücksichtigt werden.

Zum Beispiel:

Wenn ein Robotersystem eine 48-V-Batterie verwendet, müssen Motor, Treiber und Steuerungssystem den entsprechenden Spannungsbereich von 48 V unterstützen.

Der Strombedarf kann mit folgender Formel berechnet werden:

P = V × I

Dabei gilt:

• P: Leistung (W)

• V: Spannung (V)

• I: Strom (A)

Bei gleicher Leistung führt eine höhere Spannung zu einem niedrigeren Strom.

Zum Beispiel:

Ein 480-W-System:

Bei 24 V:

I = 480 ÷ 24 = 20 A

Bei 48 V:

I = 480 ÷ 48 = 10 A

Zu den Vorteilen einer höheren Spannung gehören:

• Geringere Leitungsverluste

• Geringere Wärmeentwicklung

• Höherer Wirkungsgrad

• Bessere Leistung im Langzeitbetrieb

Daher werden 24-V- und 48-V-Systeme in Robotern, AGVs und industriellen Automatisierungssystemen zunehmend eingesetzt.

Werden ein Getriebe und ein Encoder benötigt?

In vielen Robotik- und Automatisierungsanwendungen wird ein BLDC-Motor mit einem Getriebe, einem Encoder und einem Treiber kombiniert, um ein vollständiges Bewegungsaktor-System zu bilden.

Dies ist insbesondere bei Roboterachsen, Roboterarmen, Exoskelett-Robotern und humanoiden Robotern üblich.

Ein einzelner BLDC-Motor kann normalerweise nicht gleichzeitig alle folgenden Anforderungen erfüllen:

• Hohes Drehmoment

• Niedrige Drehzahl

• Hohe Präzision

• Kompakte Größe

Daher sind häufig ein Getriebe und ein Encoder erforderlich, um die gewünschte Bewegungsleistung zu erreichen.

Das Getriebe kann das Ausgangsdrehmoment erhöhen und die Ausgangsdrehzahl reduzieren, während der Encoder Positionsrückmeldungen für eine präzise Bewegungssteuerung liefert.

Diese Kombination ermöglicht den Einsatz von BLDC-Motoren in einem breiteren Spektrum von Hochleistungs-Bewegungsanwendungen.

• Hohes Drehmoment

• Niedrige Drehzahl

• Hochpräzise Steuerung

Daher müssen ein Getriebe und ein Rückmeldesystem zusätzlich konfiguriert werden.

1. Warum benötigt ein BLDC-Motor ein Getriebe?

BLDC-Motoren haben normalerweise eine relativ hohe Drehzahl, während tatsächliche Roboterachsen Folgendes erfordern:

• Bewegungen bei niedriger Drehzahl

• Hohes Ausgangsdrehmoment

• Präzise Steuerung

Zu den Hauptfunktionen eines Getriebes gehören:

1.  Ausgangsdrehzahl reduzieren

Zum Beispiel:

Motor:

6000 RPM

Übersetzungsverhältnis:

50:1

Ausgang:

Ungefähr 120 RPM

2.  Ausgangsdrehmoment erhöhen

Ein Getriebe kann einen Hochgeschwindigkeitsantrieb mit niedrigem Drehmoment in einen Niedriggeschwindigkeitsantrieb mit hohem Drehmoment umwandeln.

Zum Beispiel:

Motorausgang:

2Nm

Übersetzungsverhältnis:

50:1

Theoretischer Ausgang:

Ungefähr 100Nm

Der tatsächliche Wert muss Folgendes berücksichtigen:

• Getriebewirkungsgrad

• Reibungsverluste

• Betriebstemperaturanstieg

3.  Tragfähigkeit erhöhen

Bei Roboterachsen kann ein Getriebe dabei helfen, dass der Motor eine größere mechanische Last antreiben kann.

Typische Anwendungen:

• Industrieroboter

• Kollaborative Roboter

• Humanoide Roboter

• Exoskelett-Systeme

2. Warum benötigt ein BLDC-Motor einen Encoder?

Ein Encoder ist eine wichtige Rückmeldungskomponente in einem Bewegungssteuerungssystem.

Er kann Folgendes erfassen:

• Rotorposition des Motors

• Drehzahländerungen

• Ausgangswinkel

Durch Echtzeit-Rückmeldung kann der Controller die Motorbewegung präziser anpassen.

Zu den Hauptfunktionen eines Encoders gehören:

1.  Positionssteuerungsgenauigkeit verbessern

Zum Beispiel:

Ein Roboterarm muss sich präzise auf einen vorgegebenen Winkel bewegen.

Der Encoder kann Echtzeit-Rückmeldungen über die aktuelle Position liefern, sodass das Steuerungssystem eine Regelung im geschlossenen Regelkreis durchführen kann.

2.  Bewegungsstabilität verbessern

Ohne Encoder kann das System die tatsächliche Position des Motors nicht präzise bestimmen.

Die folgenden Probleme können auftreten:

• Positionsfehler

• Schrittverluste

• Instabile Steuerung

3.  Dynamische Reaktion verbessern

Bei Hochgeschwindigkeitsbewegungen sowie beim schnellen Starten und Stoppen kann die Encoder-Rückmeldung dem Steuerungssystem helfen, schnelle Anpassungen vorzunehmen.

Vollständiger Auswahlprozess für BLDC-Motoren

Ein sinnvoller Auswahlprozess für einen BLDC-Motor umfasst normalerweise:

Anwendungsanforderungen definieren

↓

Lastdrehmoment berechnen

↓

Zieldrehzahl bestimmen

↓

KV-Wert und Betriebsspannung auswählen

↓

Leistungsanforderungen bewerten

↓

Getriebe und Encoder abstimmen

↓

Größe, Gewicht und thermische Leistung überprüfen

Praktische Fälle zur BLDC-Motorauswahl von CubeMars

Die Auswahl eines BLDC-Motors muss letztendlich auf das tatsächliche Anwendungsszenario zurückgeführt werden. Unterschiedliche Roboterplattformen stellen unterschiedliche Anforderungen an Motoren: Roboterarme legen mehr Wert auf Positionsregelung und Kraftregelungsleistung, Laufroboter stärker auf dynamische Reaktion und Drehmomentdichte, während mobile Roboter wie Mars-Rover Ausgangsdrehmoment, Tragfähigkeit und stabilen Betrieb in komplexen Umgebungen ausbalancieren müssen.

3-Achs-Roboterarm — QDD-Aktuator und bilaterale Steuerung

In einem 3-Achs-Roboterarmprojekt führte der Entwickler praktische Tests mit dem CubeMars AK45 V3.0 QDD-Aktuator durch und entwickelte ein bilaterales Steuerungssystem unter Verwendung von AK45-10 V3.0 KV75 und AK45-36 V3.0 KV80

Der Schwerpunkt dieses Falls lag nicht einfach auf dem Vergleich des maximalen Drehmoments der Motoren, sondern auf der Prüfung der Rücktreibbarkeit, der Kraftregelungsfähigkeit, der Positionsrückmeldung und der dynamischen Reaktion des Aktuators in einer tatsächlichen Roboterachse.

Der CubeMars AK45 V3.0 verwendet ein Doppel-Encoder-Design, das gleichzeitig Positionsinformationen von der Motorseite und der Ausgangsseite erfassen kann. Der motorseitige Encoder wird für die Rückmeldung der Rotorposition verwendet, während der ausgangsseitige Encoder die Position der Ausgangswelle des Getriebes direkt erfasst und dadurch die Positionsrückmeldung der Roboterachse verbessert.

Im Test verwendet der AK45-10 V3.0 KV75 ein Übersetzungsverhältnis von 10:1, während der AK45-36 V3.0 KV80 ein Übersetzungsverhältnis von 36:1 verwendet. Das niedrigere Übersetzungsverhältnis verleiht dem AK45-10 eine bessere Rücktreibbarkeit und macht ihn besser für Roboteranwendungen geeignet, die nachgiebige Bewegungen und Kraftregelung erfordern; das höhere Übersetzungsverhältnis kann ein größeres Ausgangsdrehmoment bereitstellen und eignet sich daher besser für Anwendungen, bei denen Tragfähigkeit und Positionshaltung im Vordergrund stehen.

Dieser Fall demonstriert außerdem eine bilaterale 3-Achs-Steuerung. Der Bediener steuert die Slave-Seite des Roboters über das Gerät auf der Master-Seite und erhält eine Echtzeit-Kraftrückmeldung. Dies zeigt, dass bei Roboterarmen und Mensch-Roboter-Interaktionsrobotern bei der Motorauswahl nicht nur Drehmoment und Drehzahl berücksichtigt werden müssen, sondern auch:

• Rücktreibbarkeit

• Drehmomentregelungsfähigkeit

• Encoder-Rückmeldung

• Regelgeschwindigkeit

• Kommunikationslatenz

• Übersetzungsverhältnis

Auswahlhinweise: Unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für unterschiedliche Roboteranforderungen

Die Tests mit AK45-10 und AK45-36 zeigen, dass bei der Auswahl eines QDD-Aktuators nicht nur das Spitzendrehmoment berücksichtigt werden sollte. Ebenso wichtig sind die spezifischen Anforderungen des Robotergelenks, darunter Rücktreibbarkeit, Ausgangsdrehmoment, Bewegungsnachgiebigkeit und Positionsregelung.

Für Anwendungen, die eine natürliche Gelenkbewegung, eine hohe Rücktreibbarkeit, Kraftregelung und die Mensch-Roboter-Interaktion erfordern, kann ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis eine direktere Kraftübertragung und eine bessere Rücktreibbarkeit ermöglichen. Für Gelenke, bei denen ein höheres Ausgangsdrehmoment, eine größere Tragfähigkeit und eine stärkere Positionshaltefähigkeit gefragt sind, kann je nach Lastanforderungen ein höheres Übersetzungsverhältnis in Betracht gezogen werden.

Daher sollte bei der Auswahl eines BLDC-Motors oder QDD-Aktuators das Übersetzungsverhältnis nicht allein anhand des maximalen Drehmoments bestimmt werden. Stattdessen sollten Last, Betriebsgeschwindigkeit, Gelenknachgiebigkeit, Anforderungen an die Kraftregelung und Positionsgenauigkeit des Roboters ganzheitlich berücksichtigt werden.

DIY-Laufroboter — BLDC-Motorauswahl für dynamische Bewegungen

Im Vergleich zu fest installierten mechanischen Anlagen stellen Laufroboter komplexere Anforderungen an Motoren. Wenn der Roboter läuft, springt, sich dreht und seine Körperhaltung anpasst, beschleunigen, verzögern und ändern die Achsen kontinuierlich ihre Richtung. Daher muss der Motor nicht nur ein ausreichendes Drehmoment liefern, sondern auch eine gute dynamische Reaktionsfähigkeit aufweisen.

Bei Laufrobotern wird empfohlen, bei der Auswahl eines BLDC-Motors insbesondere auf die folgenden Faktoren zu achten:

• Spitzendrehmoment

• Dauerdrehmoment

• Drehmomentdichte

• Motorgewicht

• Rücktreibbarkeit

• Reaktionsgeschwindigkeit

• Abmessungen der Achse

Insbesondere beeinflusst das Eigengewicht des Motors direkt die gesamte Bewegungsinertie des Roboters. Daher reicht es nicht aus, einfach einen „Motor mit hohem Drehmoment“ auszuwählen; vielmehr muss ein Gleichgewicht zwischen Drehmoment und Gewicht erreicht werden.

CubeMars QDD-Aktuatoren verwenden ein relativ niedriges Übersetzungsverhältnis und schaffen dadurch ein Gleichgewicht zwischen Ausgangsleistung, dynamischer Reaktion und Rücktreibbarkeit, wodurch sie für Roboterplattformen geeignet sind, die schnelle Achsbewegungen erfordern. Auch die offiziellen Materialien von CubeMars positionieren QDD-Aktuatoren für hochdynamische Anwendungen wie Laufroboter.

Bei Laufrobotern unterscheiden sich die Belastungen der verschiedenen Achsen ebenfalls. Beispielsweise können Hüft-, Knie- und Sprunggelenke deutlich unterschiedliche Drehmomente und Bewegungsmuster aufweisen. Daher sollten bei der tatsächlichen Auswahl auch Berechnungen entsprechend der Position der Achse, der Bewegungsrichtung, der Last und der Bewegungshäufigkeit separat durchgeführt werden, anstatt im gesamten Roboter dieselbe Spezifikation zu verwenden.

Auswahlhinweis:

Bei Laufrobotern sollte die Auswahl von BLDC-Motoren eine hohe Drehmomentdichte, geringes Gewicht, schnelle Reaktion und gute Rücktreibbarkeit priorisieren. Die Motorspezifikationen sollten entsprechend der tatsächlichen Last jeder einzelnen Achse separat bestimmt werden.

Mars-Rover — Motorauswahl für komplexes Gelände

Das Mars-Rover-Projekt. Im Vergleich zu Roboterarmen und Laufrobotern ist ein Mars-Rover ein typischer mobiler Roboter, dessen Motoren während der tatsächlichen Bewegung eine kontinuierliche Leistungsabgabe liefern müssen.

Ein Mars-Rover muss möglicherweise mit Folgendem umgehen:

• Unebenes Gelände

• Steigungen

• Unterschiedlicher Fahrbahnwiderstand

• Häufiges Starten und Stoppen

• Langfristiger Betrieb

Daher müssen bei der Auswahl eines BLDC-Motors für diese Art von Anwendung insbesondere Ausgangsdrehmoment, Drehzahl, Dauerbetriebsfähigkeit, Systemeffizienz und Zuverlässigkeit berücksichtigt werden.

Bei mobilen Robotern sollte der Motor nicht einfach auf ein maximales Spitzendrehmoment ausgelegt werden. Noch wichtiger ist, dass sichergestellt wird, dass der Motor während des gesamten tatsächlichen Betriebszyklus kontinuierlich eine ausreichende Ausgangsleistung bereitstellen kann.

Daher kann bei der Auswahl eines Motors für einen Mars-Rover der folgende Ansatz verwendet werden:

Schritt 1: Die vom Fahrzeug benötigte Antriebskraft berechnen.

Die erforderliche Antriebskraft wird anhand des Gesamtgewichts des Fahrzeugs, des Radradius, der Steigung und des Fahrbahnwiderstands berechnet.

Schritt 2: Das von den Rädern benötigte Drehmoment berechnen.

Das erforderliche Drehmoment am Motorausgang wird anhand der Antriebskraft und des Radradius bestimmt.

Schritt 3: Die Zielgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmen.

Die Ausgangsdrehzahl wird anhand des Raddurchmessers und der gewünschten Fahrgeschwindigkeit bestimmt.

Schritt 4: Das Übersetzungsverhältnis bestimmen.

Wenn der BLDC-Motor selbst eine relativ hohe Drehzahl aufweist, kann ein Untersetzungsmechanismus verwendet werden, um die Ausgangsdrehzahl zu reduzieren und das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen.

Schritt 5: Die Dauerbetriebsfähigkeit überprüfen.

Neben dem Spitzendrehmoment müssen auch Dauerdrehmoment, Temperaturanstieg und Stabilität während des Langzeitbetriebs überprüft werden.

Die Anwendungen von CubeMars-Roboteraktuatoren umfassen auch Szenarien wie mobile Roboter und Mars-Rover. Laut den offiziellen Materialien von CubeMars musste ein Projekt von Toronto MetRobotics die Navigation über unebenes Gelände und Roboterarmoperationen in einer komplexen Mars-Simulationsumgebung durchführen, wodurch umfassende Anforderungen an die Genauigkeit der Aktuatorsteuerung, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Stabilität gestellt wurden.

Auswahlhinweis:

Bei mobilen Robotern wie Mars-Rovern sollte die Motorauswahl vom gesamten Fahrzeugsystem ausgehen und nicht nur einzelne Motorparameter betrachten. Last, Fahrzeuggeschwindigkeit, Radgröße, Übersetzungsverhältnis, kontinuierliche Betriebsdauer und Betriebsumgebung müssen umfassend berücksichtigt werden.

Wie wählt man einen BLDC-Motor für verschiedene Anwendungen aus?

Unterschiedliche Anwendungen setzen unterschiedliche Prioritäten bei den Parametern von BLDC-Motoren.

1.  Roboterachsen

Roboterachsen benötigen normalerweise:

• Hohes Drehmoment

• Hohe Drehmomentdichte

• Geringe Trägheit

• Hochpräzise Rückmeldung

• Schnelle Reaktion

Wichtige Überlegungen:

Empfohlene Richtung:

BLDC-Motor mit niedrigem KV-Wert und hohem Drehmoment + hochpräziser Encoder + Getriebe.

2.  Roboterarme

Roboterarme müssen Folgendes ausbalancieren:

• Tragfähigkeit

• Positioniergenauigkeit

• Dynamische Leistung

Wichtige Überlegungen:

• Dauerdrehmoment

• Spitzendrehmoment

• Genauigkeit der Positionsrückmeldung

• Gleichmäßigkeit der Bewegung

Bei kollaborativen Robotern müssen außerdem folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Geringes Geräusch

• Geringe Vibration

• Sicherheit

3.  Drohnen

Drohnenanwendungen konzentrieren sich normalerweise stärker auf:

• Gewicht

• Wirkungsgrad

• Drehzahl

Wichtige Parameter:

• Hoher KV-Wert

• Hoher Wirkungsgrad

• Leichtbauweise

Im Gegensatz zu Roboterachsen sind Drohnen stärker auf eine Hochgeschwindigkeits-Drehleistung angewiesen.

4.  Gimbals

Gimbals benötigen hauptsächlich:

• Stabilität

• Schnelle Reaktion

• Präzise Steuerung

Wichtige Überlegungen:

• Geringe Trägheit

• Geringes Rastmoment (Cogging Torque)

• Gleichmäßiger Betrieb

• Encoder-Genauigkeit

5.  Mobile AGV-Roboter

AGVs konzentrieren sich normalerweise auf:

• Ausgangsdrehmoment

• Betriebseffizienz

• Langfristige Zuverlässigkeit

Wichtige Parameter:

• Dauerdrehmoment

• Wärmeableitungsfähigkeit

• Lebensdauer des Motors

• Systemeffizienz

Häufige Fehler bei der Auswahl von BLDC-Motoren

Fehler 1: Nur auf das maximale Drehmoment achten

Viele Anwender stellen vor allem die Frage:

"Wie hoch ist das maximale Spitzendrehmoment?"

Das Spitzendrehmoment stellt jedoch nur die kurzfristige Ausgangsleistung dar.

Bei der tatsächlichen Auswahl müssen alle folgenden Faktoren berücksichtigt werden:

• Dauerdrehmoment

• Spitzendrehmoment

• Einschaltdauer

• Wärmeableitungsbedingungen

Fehler 2: Annehmen, dass ein höherer KV-Wert immer besser ist

Ein höherer KV-Wert bedeutet nicht, dass der Motor eine bessere Leistung aufweist.

Hoher KV-Wert:

Vorteile:

• Höhere Drehzahl

Nachteile:

• Relativ geringeres Drehmoment

Niedriger KV-Wert:

Vorteile:

• Höhere Drehmomentfähigkeit

• Besser für Lastanwendungen geeignet

Richtige Auswahlmethode:

Basierend auf:

• Drehzahlanforderungen

• Größe der Last

• Spannungsbedingungen

Eine umfassende Bewertung durchführen.

Fehler 3: Treiberkompatibilität ignorieren

Ein BLDC-Motor arbeitet nicht unabhängig.

Das vollständige System muss aufeinander abgestimmt sein:

• Motor

• Treiber

• Stromversorgung

• Steuerungssystem

Wenn die Antriebsleistung nicht ausreicht, kann selbst ein hervorragender Motor seine tatsächliche Leistung nicht entfalten.

Fehler 4: Thermisches Design ignorieren

Bei einem langfristigen Betrieb unter hoher Last beeinflusst der Temperaturanstieg Folgendes:

• Motoreffizienz

• Ausgangsleistung

• Lebensdauer

Daher müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Betriebszeit

• Umgebungstemperatur

• Lastgrad

• Wärmeableitungsstruktur

CubeMars BLDC-Motorlösungen

Für Hochleistungsanwendungen wie Roboter, Roboterarme und elektrische Aktuatoren bietet CubeMars Bewegungssteuerungslösungen für unterschiedliche Anforderungen.

Dazu gehören:

• Rahmenlose Drehmomentmotoren

• Integrierte Aktuatoren

• Hochpräzise Encoder-Lösungen

• Antriebssysteme für Roboterachsen

Bei Roboteranwendungen müssen Ingenieure nicht nur einen Motor, sondern ein vollständiges Bewegungssystem auswählen.

Eine hervorragende Antriebslösung für Roboter muss gleichzeitig Folgendes bieten:

• Hohe Drehmomentdichte

• Kompakte Größe

• Schnelle dynamische Reaktion

• Präzise Steuerung

• Langfristig zuverlässigen Betrieb

Zusammenfassung

Die Auswahl eines geeigneten BLDC-Motors besteht nicht einfach darin, das Modell mit der höchsten Leistung, höchsten Drehzahl oder dem höchsten Drehmoment zu finden. Stattdessen geht es darum, entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen das beste Gleichgewicht zwischen Leistung, Größe, Effizienz und Steuerungsgenauigkeit zu finden.

Während des tatsächlichen Auswahlprozesses müssen Ingenieure zunächst die Bewegungsanforderungen des Geräts definieren, einschließlich:

• Lastgröße

• Zieldrehzahl

• Betriebszeit

• Betriebsumgebung

• Einbauraum

• Anforderungen an die Steuerungsgenauigkeit

Anschließend werden die wichtigsten Motorparameter anhand dieser Bedingungen bestimmt:

Das Drehmoment bestimmt, ob der Motor die Last antreiben kann, die Drehzahl bestimmt die Bewegungseffizienz, der KV-Wert beeinflusst die Drehzahlcharakteristik des Motors, die Spannung bestimmt die Systemkompatibilität und die Leistung bestimmt die gesamte Ausgangsleistung.

Bei gewöhnlichen rotierenden Geräten kann die Auswahl eines geeigneten BLDC-Motors hauptsächlich die Berücksichtigung von Drehzahl und Leistung umfassen. Bei Hochleistungsanwendungen wie Robotern, Roboterarmen, Exoskeletten und intelligenten Aktuatoren reicht es jedoch nicht aus, sich nur auf diese Parameter zu konzentrieren.

Bei diesen Anwendungen müssen normalerweise zusätzlich folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Hohe Drehmomentdichte für eine stärkere Ausgangsleistung in einem kompakteren Gehäuse

• Trägheitsarmes Design für eine schnellere dynamische Reaktion

• Hochpräziser Encoder für eine genaue Positionsrückmeldung

• Geringes Geräusch und geringe Vibration für eine verbesserte Bewegungsstabilität

• Hervorragende Wärmeableitungsfähigkeit für einen langfristig zuverlässigen Betrieb

• Abstimmung von Motor, Getriebe und Treiber als Gesamtsystem

Insbesondere in der Robotik arbeiten BLDC-Motoren normalerweise nicht unabhängig, sondern dienen als Teil eines vollständigen Bewegungssystems, wobei ein Getriebe, ein Encoder und ein Controller gemeinsam einen Hochleistungsaktuator bilden. Daher muss bei der Auswahl eines Motors für einen Roboter das gesamte System bewertet werden, anstatt lediglich einzelne Motorparameter zu vergleichen.

Ein korrekter Auswahlprozess für einen BLDC-Motor sollte wie folgt aussehen:

Anwendungsanforderungen definieren → Lastdrehmoment berechnen → Betriebsgeschwindigkeit bestimmen → Spannung und KV-Wert auswählen → Leistungsanforderungen bewerten → Getriebe und Encoder abstimmen → Größe, Gewicht und Wärmeableitungsleistung überprüfen.

Durch eine wissenschaftliche Auswahlmethode können Probleme wie unzureichende Motorleistung, geringer Wirkungsgrad, übermäßiger Temperaturanstieg oder eine falsche Systemabstimmung vermieden und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Geräts verbessert werden.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Robotik- und Automatisierungstechnologien entwickeln sich BLDC-Motoren in Richtung höherer Leistungsdichte, kompakterer Bauweise, präziserer Steuerung und höherer Intelligenz. Für Robotersysteme der nächsten Generation bedeutet die Auswahl des richtigen BLDC-Motors nicht nur eine stabile und zuverlässige Leistungsabgabe, sondern bringt auch größere Flexibilität, schnellere Reaktionsgeschwindigkeit und ein höheres Anwendungspotenzial für das gesamte Bewegungssystem.

Daher sollte die Auswahl von BLDC-Motoren – unabhängig davon, ob es sich um Roboterachsen, Roboterarme, AGVs, elektrische Aktuatoren oder andere intelligente Geräte handelt – auf den tatsächlichen Anwendungsanforderungen basieren. Dabei sollten Drehmoment, Drehzahl, Effizienz, Steuerungsfähigkeit und Systemintegrationsfähigkeit umfassend bewertet werden, um die Motorlösung zu finden, die am besten zum jeweiligen Projekt passt.