Quelle est la différence entre les moteurs frameless à rotor interne et externe ? Structure, performances et applications

Dans la conception des systèmes d’entraînement d’équipements tels que les robots, les bras robotiques collaboratifs, les robots humanoïdes et les exosquelettes, les moteurs sans carcasse attirent de plus en plus l’attention des ingénieurs grâce à leur structure compacte et à leur intégration flexible.

Lors du choix d’un moteur sans carcasse, outre la taille du moteur, le couple et la vitesse, les ingénieurs doivent également se poser une question importante :Quelle est la différence entre un moteur sans carcasse à rotor interne et un moteur sans carcasse à rotor externe ? Lequel convient le mieux à un projet robotique donné ?

La différence essentielle entre les deux réside dans la position relative du rotor et du stator. Dans une structure à rotor interne, le rotor se trouve à l’intérieur du stator, tandis que dans une structure à rotor externe, le rotor se trouve à l’extérieur du stator. Cette différence structurelle influe également sur le couple de sortie du moteur, son inertie de rotation, son agencement spatial et son intégration au système.

Qu’est-ce qu’un moteur sans carcasse ?

Un moteur sans carcasse est généralement fourni principalement sous la forme d’un ensemble stator et d’un ensemble rotor. Contrairement aux moteurs conventionnels dotés d’un carter complet, d’un arbre de sortie et d’une structure de support indépendante, un moteur sans carcasse peut être intégré directement à la structure mécanique propre de l’équipement.

Cette conception permet aux ingénieurs de concevoir le support du moteur, les accouplements du rotor, les supports de roulements et la structure de dissipation thermique en fonction de l’agencement spatial de l’équipement, des exigences de charge et de la structure de transmission.

Les principaux avantages des moteurs sans carcasse comprennent :

• Intégration mécanique flexible : le moteur peut être intégré directement dans une articulation de robot ou dans la structure d’un autre équipement, ce qui réduit les éléments mécaniques d’habillage superflus.

• Conception compacte du système : l’intégration du moteur à la structure mécanique peut contribuer à réduire la taille globale de l’ensemble d’entraînement.

• Structures de transmission personnalisées : les réducteurs, les codeurs, les roulements et d’autres composants mécaniques peuvent être combinés selon les exigences de l’application.

• Adaptés à la commande de mouvement de précision : associés à des variateurs, des capteurs et des algorithmes de commande appropriés, les moteurs sans carcasse peuvent être utilisés dans des systèmes nécessitant un mouvement fluide et précis.

Il est important de noter qu’un moteur sans carcasse ne supprime pas le besoin d’un support mécanique externe. Dans les applications pratiques, les ingénieurs doivent toujours concevoir des solutions fiables de retenue du rotor, de fixation du stator, de support des roulements, d’isolation et de dissipation thermique.

Moteurs sans carcasse à rotor interne ou externe : quelles différences structurelles ?

Les moteurs sans carcasse à rotor interne et à rotor externe reposent sur des principes électromagnétiques similaires, mais disposent le rotor et le stator différemment.

1. Moteur sans carcasse à rotor interne : rotor situé à l’intérieur du stator

Dans un moteur sans carcasse à rotor interne, le rotor se trouve à l’intérieur du stator. Les enroulements du stator sont fixés à une structure de support externe, tandis que le rotor tourne à l’intérieur du stator.

Cette structure présente généralement un rayon de rotor plus faible. Dans des conditions par ailleurs similaires, un rayon de rotor plus petit contribue à réduire l’inertie de rotation, ce qui convient aux applications exigeant une réponse dynamique, des accélérations et décélérations ainsi qu’une commande du mouvement performantes.

Les moteurs à rotor interne permettent également différentes structures de montage externe et conviennent aux systèmes d’entraînement nécessitant une commande précise, une disposition compacte ou des vitesses relativement élevées.

2. Moteur sans carcasse à rotor externe : rotor situé à l’extérieur du stator

Dans un moteur sans carcasse à rotor externe, le rotor se trouve à l’extérieur du stator et tourne généralement autour de celui-ci dans une structure annulaire ou en forme de cloche.

Comme la zone d’interaction électromagnétique peut être située à un rayon effectif plus important, une structure à rotor externe offre généralement un bras de levier plus long. À volume moteur et conditions de conception similaires, cette disposition peut permettre d’obtenir un couple de sortie plus élevé, notamment dans les applications exigeant un couple important à basse vitesse.

Une structure à rotor externe peut également être utilisée dans des conceptions d’articulations enveloppantes, permettant une intégration compacte du moteur avec le carter de l’articulation et la structure de sortie. Toutefois, la taille et l’inertie des composants externes en rotation, ainsi que les mesures de protection, doivent être soigneusement prises en compte lors de la conception mécanique.

3. Principales différences entre les deux structures

Il s’agit de tendances structurelles courantes, et tous les modèles ne suivent pas exactement les mêmes profils de performance. Les performances réelles dépendent toujours de la conception électromagnétique, des enroulements, des dimensions, des matériaux, du courant de fonctionnement et des conditions de dissipation thermique.

Comparaison des performances des moteurs sans carcasse à rotor interne et à rotor externe

Lors du choix d’un moteur, il n’est pas possible de déterminer quel type est le plus performant uniquement en fonction de la position interne ou externe du rotor. Pour les applications robotiques, il est plus important d’analyser la manière dont les différences structurelles influent sur les exigences réelles de fonctionnement.

1. Couple de sortie : les structures à rotor externe bénéficient généralement d’un avantage lié au rayon

Le couple moteur est lié à la force appliquée et à son bras de levier. Pour un moteur, l’augmentation du rayon électromagnétique effectif contribue généralement à accroître le couple de sortie lorsque les autres conditions sont similaires.

Le rotor d’un moteur sans carcasse à rotor externe se trouve à l’extérieur du stator et peut généralement utiliser un rayon effectif plus important. Il présente donc un avantage structurel pour obtenir un couple de sortie relativement élevé dans un espace compact.

Pour les systèmes qui supportent des charges, entraînent des articulations robotiques ou tournent à basse vitesse, une structure à rotor externe mérite d’être étudiée attentivement.

Toutefois, cela ne signifie pas que les moteurs à rotor externe fournissent toujours un couple plus élevé. Pour le choix réel, il faut comparer le couple continu, le couple de pointe, la constante de couple, le courant admissible et les limites thermiques, plutôt que de se fier uniquement au type de structure.

2. Réponse dynamique : tenir compte de l’inertie du rotor et de celle de la charge

Dans la commande du mouvement des robots, les moteurs doivent souvent accélérer, décélérer et changer de sens de rotation. L’inertie de rotation constitue donc un paramètre de conception important.

Les composants rotatifs d’un moteur sans carcasse à rotor interne sont généralement concentrés dans un rayon plus faible, ce qui contribue à réduire l’inertie du rotor. Cela est particulièrement important pour les applications exigeant une réponse rapide, des démarrages et arrêts fréquents ainsi qu’une commande précise du mouvement.

Dans une structure à rotor externe, la masse en rotation est répartie sur un rayon plus important, ce qui peut entraîner une inertie du rotor plus élevée. Pour les articulations nécessitant une réponse dynamique élevée, les ingénieurs doivent vérifier que cette inertie respecte les exigences du système.

Toutefois, les performances réelles de réponse sont également étroitement liées à l’inertie de la charge, au réducteur, à la bande passante du contrôleur, aux performances de la boucle de courant et aux algorithmes de commande. La vitesse de réponse de l’ensemble du système d’entraînement ne peut pas être déterminée uniquement à partir de la structure à rotor interne ou externe.

3. Vitesse et couple : les évaluer conjointement à l’aide des courbes du moteur

À tension identique et dans des conditions par ailleurs similaires, la capacité de vitesse d’un moteur dépend de facteurs tels que sa constante de force contre-électromotrice, la conception de ses enroulements et la capacité d’alimentation du variateur.

Les moteurs à rotor interne sont souvent utilisés dans les systèmes nécessitant des vitesses relativement élevées ou une réponse dynamique rapide, tandis que les moteurs à rotor externe sont souvent utilisés lorsqu’un rayon effectif plus important et un couple de sortie supérieur sont recherchés. Il s’agit de tendances de conception courantes, et non de règles absolues.

Lors du choix d’un moteur, examinez conjointement les éléments suivants :

• Vitesse à vide et vitesse de fonctionnement nominale

• Couple continu et couple de pointe

• Courbe couple-vitesse

• Constante de force contre-électromotrice et constante de couple

• Tension d’alimentation, courant et plage de régulation de vitesse

Si une application nécessite simultanément une vitesse élevée et un couple élevé, concentrez-vous sur les capacités réelles du moteur au point de fonctionnement visé, plutôt que de comparer séparément la vitesse maximale et le couple de pointe.

4. Dissipation thermique et gestion thermique : elles dépendent de la conception mécanique globale

Les moteurs sans carcasse s’appuient généralement sur leur structure de montage pour évacuer la chaleur du stator. La surface de contact entre le stator et le carter, la conductivité thermique des matériaux, les tolérances de montage, la température ambiante et la méthode de refroidissement influent toutes sur la capacité de sortie continue du moteur.

La structure à rotor interne ou externe ne détermine pas à elle seule quelle conception dissipe le mieux la chaleur. Dans la conception pratique, il faut se concentrer sur la manière dont le stator est fixé, le chemin de conduction thermique et l’élévation de température pendant le fonctionnement continu.

Dans les applications où l’espace est limité, comme les articulations robotiques, même si un moteur peut fournir un couple de pointe élevé pendant une courte période, il est nécessaire de vérifier s’il peut fonctionner en continu pendant le cycle de service réel.

Quelles applications conviennent aux moteurs sans carcasse à rotor interne et à rotor externe ?

1. Robots humanoïdes

Les articulations de la hanche, du genou, de l’épaule et du coude des robots humanoïdes présentent des exigences différentes en matière de couple du système d’entraînement, de poids, d’espace et de réponse dynamique.

Pour les articulations légères nécessitant une réponse rapide, une conception à rotor interne peut être envisagée ; pour les articulations nécessitant un couple de sortie plus élevé et adaptées à une disposition mécanique enveloppante, une conception à rotor externe mérite également d’être évaluée.

Le choix doit tenir compte de la charge maximale de l’articulation, du cycle de service continu, de la configuration du réducteur et du poids total du robot. La structure du moteur ne doit pas être choisie uniquement en fonction du type de robot.

2. Bras robotiques collaboratifs

Les bras robotiques collaboratifs doivent généralement concilier compacité, fluidité du mouvement et précision de commande. Les moteurs sans carcasse peuvent être intégrés directement dans les structures des articulations, ce qui réduit l’espace occupé par un carter moteur séparé et offre davantage de flexibilité aux concepteurs mécaniques.

Pour ces applications, outre la comparaison des structures à rotor interne et externe, il faut tenir compte des éléments suivants :

• Fluidité à basse vitesse ;

• Couple de détente ;

• Inertie de la charge et réponse du mouvement ;

• Dissipation thermique du stator et capacité de fonctionnement continu ;

• Configuration du codeur et performances du système de commande.

3. Exosquelettes et robots portables

Les exosquelettes doivent fournir un couple d’assistance approprié dans des limites strictes d’espace et de poids, tout en réduisant au minimum les interférences avec les mouvements de l’utilisateur.

Les moteurs sans carcasse à rotor interne peuvent être envisagés pour les systèmes d’entraînement légers nécessitant une réponse dynamique élevée. Les applications pratiques doivent également tenir compte de l’espace de montage des articulations, de l’amplitude des mouvements humains, du rendement de la transmission, du bruit et du confort thermique pendant une utilisation prolongée.

4. Plateformes rotatives de précision et équipements d’automatisation

Dans les plateformes rotatives de précision, les équipements d’inspection et les mécanismes d’automatisation industrielle, la structure du moteur influe sur les méthodes de montage, l’inertie de rotation et la disposition du système de transmission.

Si une application nécessite un entraînement direct ou un couple élevé à basse vitesse, une conception à rotor externe peut être évaluée ; si le système accorde davantage d’importance à l’inertie des composants rotatifs et à la commande dynamique, une conception à rotor interne peut également être envisagée. La décision finale doit reposer sur la charge réelle, la précision requise et le profil de mouvement.

Séries CubeMars RI et RO : comprendre les deux types de moteurs sans carcasse

CubeMars propose la série RI de moteurs couple sans carcasse à rotor interne et la série RO de moteurs couple sans carcasse à rotor externe, offrant des options adaptées à différentes structures mécaniques et exigences d’entraînement robotique.

1. Série RI : moteurs couple sans carcasse à rotor interne

CubeMars  série RI utilise une structure à rotor interne et comprend des modèles tels que RI20, RI30, RI50, RI60, RI70, RI80 V2.0 et RI100. Cette série met l’accent sur une densité de couple élevée, un faible couple de détente et une conception compacte ; des capteurs Hall sont disponibles en option sur certains modèles.

La série RI convient aux applications qui nécessitent de concilier espace de conception, réponse du mouvement et intégration mécanique. Les modèles peuvent être présélectionnés en fonction des exigences réelles de couple et de dimensions pour les articulations légères de robots, les bras robotiques collaboratifs, les exosquelettes et d’autres systèmes d’entraînement de précision.

Lors du choix d’un modèle, prêtez une attention particulière aux points suivants :

• Le diamètre extérieur du stator et la longueur axiale répondent-ils aux exigences d’espace de montage ;

• Le couple continu et le couple de pointe répondent-ils aux exigences de charge ;

• L’inertie du rotor convient-elle à la réponse dynamique visée ;

• Les paramètres des enroulements sont-ils compatibles avec le variateur ;

• La structure de montage du stator assure-t-elle une dissipation thermique suffisante.

2. Série RO : moteurs couple sans carcasse à rotor externe

La série CubeMars RO utilise une structure à rotor externe et comprend des modèles tels que RO40 Lite, RO50 Lite, RO60, RO80 et RO100. Cette série est destinée à la robotique et à d’autres applications d’entraînement nécessitant une intégration flexible ; le couple, les dimensions, le poids et les performances en vitesse doivent être évalués pour chaque modèle spécifique.

La structure à rotor externe offre une autre option pour les conceptions d’entraînement rotatif nécessitant un rayon effectif plus important. Il est pertinent de comparer la série RO pour les articulations ou ensembles d’entraînement qui nécessitent un couple de sortie et dont la disposition spatiale permet la rotation du rotor externe.

Lors du choix d’un modèle, prêtez une attention particulière aux points suivants :

• Les composants externes en rotation risquent-ils d’interférer avec les structures environnantes ;

• Le diamètre extérieur du moteur, sa longueur axiale et ses interfaces de montage répondent-ils aux exigences ;

• Le couple continu et le couple de pointe répondent-ils aux exigences de charge ;

• L’inertie du rotor répond-elle aux exigences de réponse dynamique du système ;

• Les solutions de retenue du rotor, de protection mécanique et de dissipation thermique sont-elles adaptées.

3. Comment choisir entre les séries RI et RO ?

Il ne faut pas simplement considérer l’une des deux séries comme plus performante que l’autre ; le choix doit reposer sur la structure mécanique et les conditions de fonctionnement de l’articulation robotique.

• Si un projet privilégie une faible inertie du rotor, la réponse dynamique et une structure à rotor interne, il convient d’évaluer en premier lieu la série RI.

• Si un projet privilégie le couple de sortie grâce à un rayon effectif plus important et que sa structure mécanique convient à une configuration à rotor externe, il convient d’évaluer en premier lieu la série RO.

• Si un projet exige simultanément un couple élevé, une réponse rapide et un format compact, comparez le couple continu, l’inertie de rotation, les dimensions globales, la plage de vitesse et les données d’élévation de température des modèles concernés.

Le choix final doit se fonder sur les spécifications techniques officielles et les résultats d’essais réels du modèle concerné.

Quels paramètres vérifier lors du choix d’un moteur sans carcasse ?

Que vous choisissiez un moteur sans carcasse à rotor interne ou externe, il est recommandé de définir les paramètres suivants dès les premières étapes de la conception.

1. Couple continu et couple de pointe

Le couple continu détermine la capacité du moteur à fonctionner sur une longue durée dans les conditions thermiques spécifiées, tandis que le couple de pointe désigne généralement une puissance de sortie de courte durée soumise à des limites temporelles. Calculez chacun en fonction du profil de charge et du cycle de service.

2. Vitesse et point de fonctionnement

Vérifiez que le moteur peut fournir le couple requis à la vitesse cible et contrôlez les limites de tension d’alimentation, de courant et de force contre-électromotrice. Ne considérez pas la vitesse à vide comme la vitesse de fonctionnement en charge.

3. Inertie de rotation et réponse dynamique

Pour les systèmes soumis à des démarrages et arrêts fréquents, à des inversions rapides ou à une commande à large bande passante, incluez dans les calculs l’inertie du rotor du moteur ainsi que celle de la charge.

4. Espace de montage et interfaces mécaniques

Outre le diamètre extérieur et la longueur axiale du moteur, prévoyez de l’espace pour la rotation du rotor, le montage du stator, les roulements, les câbles et la maintenance. Pour une conception à rotor externe en particulier, vérifiez que les composants externes en rotation n’interfèrent pas avec les structures environnantes.

5. Dissipation thermique et capacité de fonctionnement continu

Vérifiez la conductivité thermique de la surface de montage du stator, la température ambiante, la méthode de refroidissement et l’élévation de température admissible afin de vous assurer que le moteur répond aux exigences du cycle de service réel.

6. Variateur et retour de position

Vérifiez que les paramètres électriques du moteur sont compatibles avec le variateur et choisissez un codeur adapté ou une autre solution de retour de position selon les exigences de commande. Pour les articulations robotiques de haute précision, vérifiez également les performances globales du contrôleur, de la boucle de courant et de la boucle de position.

Conclusion

Les moteurs sans carcasse à rotor interne et à rotor externe possèdent chacun leurs propres caractéristiques. Le choix de la structure dépend des exigences spécifiques du système robotique, et non d’un jugement simpliste sur le type le plus performant.

Les moteurs sans carcasse à rotor interne placent le rotor à l’intérieur du stator et, dans certaines conceptions, permettent de maîtriser la taille du rotor et son inertie de rotation. Ils conviennent aux applications où la réponse dynamique, la commande du mouvement et une disposition structurelle compacte sont importantes.Les moteurs sans carcasse à rotor externe placent le rotor à l’extérieur du stator et peuvent exploiter un rayon effectif plus important, ce qui leur permet potentiellement de produire un couple supérieur dans des conditions de conception par ailleurs similaires. Toutefois, le couple réel dépend toujours de la conception électromagnétique, des dimensions, des paramètres des enroulements, du courant de fonctionnement et de la dissipation thermique ; les performances ne peuvent pas être évaluées uniquement à partir de la structure du rotor.

Pour des applications telles que les robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les exosquelettes et les équipements d’automatisation de précision, l’avantage des moteurs sans carcasse est qu’ils peuvent être intégrés à la structure mécanique propre de l’équipement, offrant des options d’intégration plus flexibles pour les articulations, les composants rotatifs et les systèmes d’entraînement compacts. Toutefois, lors du choix réel, outre la comparaison des différences structurelles entre les moteurs à rotor interne et externe, il est également nécessaire d’évaluerle couple continu et le couple de pointe, la vitesse cible, l’inertie de rotation, l’espace de montage, la gestion thermique, la compatibilité avec le variateur et les exigences de retour de position. La capacité de sortie continue du moteur et sa conception de dissipation thermique sont tout aussi importantes, en particulier sous des charges élevées ou lors d’un fonctionnement prolongé.

Lors du choix de moteurs sans carcasse CubeMars, la série RI à rotor interne et la série RO à rotor externe peuvent servir de références pour différentes approches structurelles. Il est recommandé de comparer les spécifications des modèles concernés en fonction de la disposition mécanique de l’équipement, des exigences de réponse du mouvement et du point de fonctionnement visé, puis de les valider en fonction de la charge réelle et des conditions de montage plutôt que de prendre une décision uniquement sur la base du nom de la série ou d’un seul indicateur de performance.

Dans l’ensemble, un moteur sans carcasse adapté doit trouver un équilibre entre le couple de sortie, la réponse du mouvement, l’intégration structurelle et la gestion thermique. Définir clairement les exigences de l’application et évaluer les spécifications complètes du moteur avec la solution de commande de l’entraînement et la conception du système aidera à identifier une solution d’entraînement mieux adaptée aux articulations robotiques et aux autres systèmes de mouvement de précision.