¿Cuál es la diferencia entre los motores frameless de rotor interno y externo? Estructura, rendimiento y aplicaciones

En el diseño de sistemas de accionamiento para equipos como robots, brazos robóticos colaborativos, robots humanoides y exoesqueletos, los motores sin carcasa están atrayendo cada vez más la atención de los ingenieros gracias a su estructura compacta y su integración flexible.

Al seleccionar un motor sin carcasa, además del tamaño del motor, el par y la velocidad, los ingenieros también deben considerar una pregunta importante:¿Cuál es la diferencia entre un motor sin carcasa de rotor interno y uno de rotor externo? ¿Cuál es más adecuado para un proyecto robótico determinado?

La diferencia clave entre ambos radica en las posiciones relativas del rotor y el estator. En una estructura de rotor interno, el rotor está dentro del estator, mientras que en una estructura de rotor externo, el rotor está fuera del estator. Esta diferencia estructural también afecta al par de salida del motor, la inercia rotacional, la disposición espacial y la integración del sistema.

¿Qué es un motor sin carcasa?

Un motor sin carcasa suele suministrarse principalmente como un conjunto de estator y un conjunto de rotor. A diferencia de los motores convencionales que cuentan con una carcasa completa, un eje de salida y una estructura de soporte independiente, un motor sin carcasa puede integrarse directamente en la propia estructura mecánica del equipo.

Este diseño permite a los ingenieros diseñar el soporte del motor, los acoplamientos del rotor, los soportes de los rodamientos y la estructura de disipación térmica según la disposición espacial, los requisitos de carga y la estructura de transmisión del equipo.

Las principales ventajas de los motores sin carcasa incluyen:

• Integración mecánica flexible: el motor puede incorporarse directamente a una articulación robótica o a la estructura de otro equipo, reduciendo el encapsulado mecánico redundante.

• Diseño compacto del sistema: integrar el motor con la estructura mecánica puede ayudar a reducir el tamaño total del conjunto de accionamiento.

• Estructuras de transmisión personalizadas: las cajas reductoras, los encoders, los rodamientos y otros componentes mecánicos pueden combinarse según los requisitos de la aplicación.

• Adecuados para el control de movimiento de precisión: cuando se combinan con accionamientos, sensores y algoritmos de control apropiados, los motores sin carcasa pueden utilizarse en sistemas que requieren movimientos suaves y precisos.

Es importante señalar que un motor sin carcasa no elimina la necesidad de soporte mecánico externo. En aplicaciones prácticas, los ingenieros siguen teniendo que diseñar soluciones fiables para la retención del rotor, el montaje del estator, el soporte de los rodamientos, el aislamiento y la disipación térmica.

Motores sin carcasa de rotor interno frente a los de rotor externo: ¿cuáles son las diferencias estructurales?

Los motores sin carcasa de rotor interno y de rotor externo utilizan principios de funcionamiento electromagnético similares, pero disponen el rotor y el estator de manera diferente.

1. Motor sin carcasa de rotor interno: el rotor está situado dentro del estator

En un motor sin carcasa de rotor interno, el rotor está situado dentro del estator. Los devanados del estator se fijan a una estructura de soporte externa, mientras que el rotor gira dentro del estator.

Esta estructura suele tener un radio de rotor menor. En condiciones similares, un radio de rotor más pequeño ayuda a reducir la inercia rotacional, por lo que resulta adecuada para aplicaciones con requisitos exigentes de respuesta dinámica, aceleración y desaceleración, y control del movimiento.

Los motores de rotor interno también permiten diversas estructuras de montaje externas y son adecuados para sistemas de accionamiento que requieren control de precisión, diseños compactos o velocidades relativamente altas.

2. Motor sin carcasa de rotor externo: el rotor está situado fuera del estator

En un motor sin carcasa de rotor externo, el rotor está fuera del estator y normalmente gira a su alrededor en una estructura con forma de anillo o de copa.

Como el área de interacción electromagnética puede situarse a un radio efectivo mayor, una estructura de rotor externo suele proporcionar un brazo de palanca más largo. Con un volumen de motor y unas condiciones de diseño similares, esta disposición puede ayudar a conseguir un par de salida más elevado, especialmente en aplicaciones que requieren un par alto a bajas velocidades.

Una estructura de rotor externo también puede utilizarse en diseños de articulaciones envolventes, lo que permite integrar de forma compacta el motor con la carcasa de la articulación y la estructura de salida. Sin embargo, durante el diseño mecánico deben considerarse cuidadosamente el tamaño y la inercia de los componentes exteriores giratorios, así como las medidas de protección.

3. Diferencias clave entre ambas estructuras

Estas son tendencias estructurales habituales, y no todos los modelos siguen exactamente los mismos patrones de rendimiento. El rendimiento real sigue dependiendo del diseño electromagnético, los devanados, las dimensiones, los materiales, la corriente de funcionamiento y las condiciones de disipación térmica.

Comparación del rendimiento de los motores sin carcasa de rotor interno y rotor externo

Al seleccionar un motor, no es posible determinar qué tipo ofrece un mejor rendimiento únicamente por si el rotor está dentro o fuera. En aplicaciones robóticas, es más importante analizar cómo afectan las diferencias estructurales a los requisitos reales de funcionamiento.

1. Par de salida: las estructuras de rotor externo suelen tener una ventaja de radio

El par del motor está relacionado con la fuerza aplicada y su brazo de palanca. En un motor, aumentar el radio electromagnético efectivo generalmente ayuda a incrementar el par de salida cuando las demás condiciones son similares.

El rotor de un motor sin carcasa de rotor externo está fuera del estator y normalmente puede utilizar un radio efectivo mayor. Por ello, ofrece una ventaja estructural para conseguir un par de salida relativamente alto en un espacio compacto.

En sistemas que soportan cargas, accionan articulaciones robóticas o giran a bajas velocidades, merece la pena evaluar detenidamente una estructura de rotor externo.

Sin embargo, esto no significa que los motores de rotor externo siempre proporcionen un par mayor. La selección real debe comparar el par continuo, el par máximo, la constante de par, la corriente admisible y los límites térmicos, en lugar de basarse únicamente en el tipo de estructura.

2. Respuesta dinámica: tenga en cuenta la inercia del rotor y la inercia de la carga

En el control del movimiento robótico, los motores suelen tener que acelerar, desacelerar y cambiar de dirección. Por ello, la inercia rotacional es un parámetro de diseño importante.

Los componentes giratorios de un motor sin carcasa de rotor interno suelen concentrarse en un radio menor, lo que ayuda a reducir la inercia del rotor. Esto es especialmente importante para aplicaciones que requieren una respuesta rápida, arranques y paradas frecuentes y un control preciso del movimiento.

En una estructura de rotor externo, la masa giratoria se distribuye a lo largo de un radio mayor, lo que puede dar lugar a una inercia del rotor más elevada. En articulaciones que requieren una respuesta dinámica alta, los ingenieros deben verificar que esta inercia cumpla los requisitos del sistema.

Sin embargo, el rendimiento real de respuesta también está estrechamente relacionado con la inercia de la carga, la caja reductora, el ancho de banda del controlador, el rendimiento del lazo de corriente y los algoritmos de control. La velocidad de respuesta de todo un sistema de accionamiento no puede determinarse únicamente por la estructura de rotor interno o externo.

3. Velocidad y par: evalúelos conjuntamente mediante las curvas del motor

Con la misma tensión y en condiciones similares, la capacidad de velocidad de un motor depende de factores como su constante de fuerza contraelectromotriz, el diseño de los devanados y la capacidad de alimentación del controlador.

Los motores de rotor interno se utilizan a menudo en sistemas que requieren velocidades relativamente altas o una respuesta dinámica rápida, mientras que los motores de rotor externo se utilizan con frecuencia cuando se desea un radio efectivo mayor y un par de salida más alto. Estas son tendencias de diseño habituales, no reglas absolutas.

Al seleccionar un motor, revise conjuntamente los siguientes aspectos:

• Velocidad sin carga y velocidad nominal de funcionamiento

• Par continuo y par máximo

• Curva par-velocidad

• Constante de fuerza contraelectromotriz y constante de par

• Tensión de accionamiento, corriente y rango de control de velocidad

Si una aplicación requiere simultáneamente una velocidad alta y un par elevado, concéntrese en la capacidad real del motor en el punto de funcionamiento objetivo, en lugar de comparar por separado la velocidad máxima y el par máximo.

4. Disipación térmica y gestión térmica: dependen del diseño mecánico general

Los motores sin carcasa suelen depender de su estructura de montaje para conducir el calor fuera del estator. El área de contacto entre el estator y la carcasa, la conductividad térmica del material, las tolerancias de montaje, la temperatura ambiente y el método de refrigeración afectan a la capacidad de salida continua del motor.

La estructura de rotor interno o externo por sí sola no determina qué diseño disipa mejor el calor. En el diseño práctico, hay que centrarse en cómo se fija el estator, la trayectoria de conducción térmica y el aumento de temperatura durante el funcionamiento continuo.

En aplicaciones con espacio limitado, como las articulaciones robóticas, aunque un motor pueda proporcionar un par máximo elevado durante un periodo breve, es necesario verificar si puede funcionar de forma continua durante el ciclo de trabajo real.

¿Qué aplicaciones son adecuadas para los motores sin carcasa de rotor interno y rotor externo?

1. Robots humanoides

Las articulaciones de cadera, rodilla, hombro y codo de los robots humanoides tienen diferentes requisitos en cuanto al par del sistema de accionamiento, el peso, el espacio y la respuesta dinámica.

Para articulaciones ligeras que requieren una respuesta rápida, puede considerarse un diseño de rotor interno; para articulaciones que necesitan un par de salida mayor y son adecuadas para una disposición mecánica envolvente, también merece la pena evaluar un diseño de rotor externo.

La selección debe tener en cuenta la carga máxima de la articulación, el ciclo de trabajo continuo, la configuración de la caja reductora y el peso total del robot. La estructura del motor no debe elegirse únicamente en función del tipo de robot.

2. Brazos robóticos colaborativos

Los brazos robóticos colaborativos generalmente necesitan equilibrar una construcción compacta, un movimiento suave y una precisión de control elevada. Los motores sin carcasa pueden integrarse directamente en las estructuras de las articulaciones, reduciendo el espacio ocupado por una carcasa de motor independiente y ofreciendo mayor flexibilidad a los diseñadores mecánicos.

Para estas aplicaciones, además de comparar las estructuras de rotor interno y externo, tenga en cuenta:

• Suavidad a bajas velocidades;

• Par de cogging;

• Inercia de la carga y respuesta del movimiento;

• Disipación térmica del estator y capacidad de funcionamiento continuo;

• Configuración del encoder y rendimiento del sistema de control.

3. Exoesqueletos y robots portátiles

Los exoesqueletos deben proporcionar un par de asistencia adecuado dentro de límites estrictos de espacio y peso, al tiempo que minimizan las interferencias con el movimiento del usuario.

Los motores sin carcasa de rotor interno pueden ser candidatos para sistemas de accionamiento ligeros con una respuesta dinámica elevada. Las aplicaciones prácticas también deben tener en cuenta el espacio de instalación de las articulaciones, el rango de movimiento humano, la eficiencia de transmisión, el ruido y el confort térmico durante un funcionamiento prolongado.

4. Plataformas rotativas de precisión y equipos de automatización

En plataformas rotativas de precisión, equipos de inspección y mecanismos de automatización industrial, la estructura del motor afecta a los métodos de montaje, la inercia rotacional y la disposición del sistema de transmisión.

Si una aplicación requiere accionamiento directo o un par elevado a baja velocidad, puede evaluarse un diseño de rotor externo; si el sistema da mayor importancia a la inercia de los componentes giratorios y al control dinámico, también puede considerarse un diseño de rotor interno. La decisión final debe basarse en la carga real, la precisión y el perfil de movimiento.

Series RI y RO de CubeMars: conocer los dos tipos de motores sin carcasa

CubeMars ofrece la serie RI de motores de par sin carcasa de rotor interno y la serie RO de motores de par sin carcasa de rotor externo, proporcionando opciones para diferentes estructuras mecánicas y requisitos de accionamiento robótico.

1. Serie RI: motores de par sin carcasa de rotor interno

CubeMars  serie RI utiliza una estructura de rotor interno e incluye modelos como RI20, RI30, RI50, RI60, RI70, RI80 V2.0 y RI100. La serie destaca por su alta densidad de par, bajo par de cogging y diseño compacto; en algunos modelos, los sensores Hall son opcionales.

La serie RI es adecuada para equilibrar el espacio de diseño, la respuesta del movimiento y la integración mecánica. Los modelos pueden preseleccionarse según los requisitos reales de par y tamaño para articulaciones robóticas ligeras, brazos robóticos colaborativos, exoesqueletos y otros sistemas de accionamiento de precisión.

Al seleccionar un modelo, preste especial atención a:

• Si el diámetro exterior del estator y la longitud axial cumplen los requisitos de espacio de instalación;

• Si el par continuo y el par máximo cumplen los requisitos de carga;

• Si la inercia del rotor es adecuada para la respuesta dinámica deseada;

• Si los parámetros de los devanados son compatibles con el accionamiento;

• Si la estructura de montaje del estator proporciona una disipación térmica adecuada.

2. Serie RO: motores de par sin carcasa de rotor externo

La serie RO de CubeMars utiliza una estructura de rotor externo e incluye modelos como RO40 Lite, RO50 Lite, RO60, RO80 y RO100. La serie está destinada a la robótica y a otras aplicaciones de accionamiento que requieren una integración flexible; el par, las dimensiones, el peso y el rendimiento de velocidad deben evaluarse para cada modelo específico.

La estructura de rotor externo ofrece otra opción para diseños de accionamiento rotativo que requieren un radio efectivo mayor. Merece la pena comparar la serie RO para articulaciones o conjuntos de accionamiento que necesitan par de salida y cuya disposición espacial permite que gire el rotor exterior.

Al seleccionar un modelo, preste especial atención a:

• Si los componentes exteriores giratorios interfieren con las estructuras circundantes;

• Si el diámetro exterior del motor, la longitud axial y las interfaces de montaje cumplen los requisitos;

• Si el par continuo y el par máximo cumplen los requisitos de carga;

• Si la inercia del rotor cumple los requisitos de respuesta dinámica del sistema;

• Si las soluciones de retención del rotor, protección mecánica y disipación térmica son adecuadas.

3. ¿Cómo elegir entre las series RI y RO?

Las dos series no deben considerarse simplemente mejores o peores en cuanto a rendimiento; la elección debe basarse en la estructura mecánica y las condiciones de funcionamiento de la articulación robótica.

• Si un proyecto prioriza una menor inercia del rotor, la respuesta dinámica y una estructura de rotor interno, considere evaluar primero la serie RI.

• Si un proyecto prioriza el par de salida gracias a un radio efectivo mayor y su estructura mecánica se adapta a una disposición de rotor externo, considere evaluar primero la serie RO.

• Si un proyecto requiere simultáneamente un par elevado, una respuesta rápida y un tamaño compacto, compare el par continuo, la inercia rotacional, las dimensiones generales, el rango de velocidad y los datos de aumento de temperatura de los modelos específicos.

La elección final debe basarse en las especificaciones técnicas oficiales y los resultados de pruebas reales del modelo correspondiente.

¿Qué parámetros deben comprobarse al seleccionar un motor sin carcasa?

Tanto si se selecciona un motor sin carcasa de rotor interno como uno de rotor externo, se recomienda definir los siguientes parámetros al principio del proceso de diseño.

1. Par continuo y par máximo

El par continuo determina la capacidad del motor para funcionar durante periodos prolongados en condiciones térmicas especificadas, mientras que el par máximo suele referirse a una salida de corta duración sujeta a límites de tiempo. Calcule ambos según el perfil de carga y el ciclo de trabajo.

2. Velocidad y punto de funcionamiento

Confirme que el motor puede proporcionar el par requerido a la velocidad objetivo y compruebe los límites de tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz del accionamiento. No considere la velocidad sin carga como la velocidad de funcionamiento bajo carga.

3. Inercia rotacional y respuesta dinámica

En sistemas con arranques y paradas frecuentes, inversiones rápidas del sentido de giro o control de gran ancho de banda, incluya en los cálculos tanto la inercia del rotor del motor como la inercia de la carga.

4. Espacio de instalación e interfaces mecánicas

Además del diámetro exterior y la longitud axial del motor, reserve espacio para la rotación del rotor, el montaje del estator, los rodamientos, los cables y el mantenimiento. Especialmente en un diseño de rotor externo, confirme que los componentes exteriores giratorios no interfieran con las estructuras circundantes.

5. Disipación térmica y capacidad de funcionamiento continuo

Compruebe la conductividad térmica de la superficie de montaje del estator, la temperatura ambiente, el método de refrigeración y el aumento de temperatura permitido para garantizar que el motor cumpla los requisitos del ciclo de trabajo real.

6. Accionamiento y realimentación de posición

Confirme que los parámetros eléctricos del motor sean compatibles con el accionamiento y seleccione un encoder adecuado u otra solución de realimentación de posición según los requisitos de control. Para articulaciones robóticas de alta precisión, verifique también el rendimiento general del controlador, el lazo de corriente y el lazo de posición.

Conclusión

Los motores sin carcasa de rotor interno y de rotor externo tienen características propias. La elección de la estructura depende de los requisitos específicos del sistema robótico, y no de un juicio simplista sobre qué tipo ofrece un mejor rendimiento.

Motores sin carcasa de rotor interno sitúan el rotor dentro del estator y, en algunos diseños, ayudan a controlar el tamaño del rotor y la inercia rotacional. Son adecuados para aplicaciones en las que son importantes la respuesta dinámica, el control del movimiento y una disposición estructural compacta.Motores sin carcasa de rotor externo sitúan el rotor fuera del estator y pueden utilizar un radio efectivo mayor, lo que les permite generar un par más elevado en condiciones de diseño similares. Sin embargo, el par de salida real sigue dependiendo del diseño electromagnético, las dimensiones, los parámetros de los devanados, la corriente de funcionamiento y la disipación térmica; el rendimiento no puede juzgarse únicamente por la estructura del rotor.

En aplicaciones como robots humanoides, robots colaborativos, exoesqueletos y equipos de automatización de precisión, la ventaja de los motores sin carcasa es que pueden integrarse en la propia estructura mecánica del equipo, ofreciendo opciones de integración más flexibles para articulaciones, componentes giratorios y sistemas de accionamiento compactos. Sin embargo, en la selección real, además de comparar las diferencias estructurales entre los motores de rotor interno y externo, también es necesario evaluarel par continuo y máximo, la velocidad objetivo, la inercia rotacional, el espacio de instalación, la gestión térmica, la compatibilidad con el accionamiento y los requisitos de realimentación de posición. La capacidad de salida continua del motor y el diseño de disipación térmica son igualmente importantes, especialmente con cargas elevadas o durante un funcionamiento prolongado.

Al elegir motores sin carcasa de CubeMars, las series RI de rotor interno y RO de rotor externo pueden servir como referencia para distintos enfoques estructurales. Se recomienda comparar las especificaciones de modelos concretos según la disposición mecánica del equipo, los requisitos de respuesta de movimiento y el punto de funcionamiento objetivo, y después validarlas frente a la carga real y las condiciones de instalación, en lugar de decidir únicamente por el nombre de la serie o por una sola métrica de rendimiento.

En general, un motor sin carcasa adecuado debe equilibrar el par de salida, la respuesta de movimiento, la integración estructural y la gestión térmica. Definir claramente los requisitos de la aplicación y evaluar las especificaciones completas del motor junto con la solución de accionamiento y control y el diseño del sistema ayudará a identificar una solución de accionamiento más adecuada para articulaciones robóticas y otros sistemas de movimiento de precisión.