Как выбрать двигатель BLDC: полное руководство по выбору

 Почему так важно правильно выбрать двигатель BLDC?

В роботах, роботизированных манипуляторах, автоматизированном оборудовании, дронах и системах интеллектуального производства двигатель является ключевым компонентом, определяющим характеристики движения оборудования.

При выборе двигателя BLDC многие инженеры сталкиваются с похожими вопросами:

• Какой крутящий момент необходим для удовлетворения требований к нагрузке?

• Как выбрать значение KV?

• Соответствует ли скорость двигателя требованиям применения?

• Требуется ли редуктор?

• Достаточна ли точность энкодера?

• Как найти баланс между массой, размером и производительностью?

Выбор подходящего двигателя BLDC — это не просто сравнение мощности или максимальной скорости. Вместо этого необходимо комплексно учитывать требования конкретного применения, условия нагрузки и требования системы управления.

Для обычного вращающегося оборудования основными параметрами могут быть скорость и мощность; однако для высокопроизводительных систем движения, таких как роботизированные суставы, роботизированные манипуляторы и электроприводы, инженеры обычно уделяют больше внимания следующим характеристикам:

• Высокий выходной крутящий момент

• Высокая удельная плотность крутящего момента

• Быстрый динамический отклик

• Точное управление положением

• Малая масса конструкции

• Стабильная работа в течение длительного времени

Поэтому правильный выбор двигателя BLDC имеет решающее значение для обеспечения производительности и надежности всей системы движения.

Что такое двигатель BLDC?

BLDC, или бесщёточный двигатель постоянного тока, представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами, в котором вместо традиционной механической коммутации используется электронная коммутация.

В традиционных щёточных двигателях для изменения направления тока используются щётки и коллектор, тогда как в двигателях BLDC электронный контроллер управляет переключением тока и обеспечивает точное управление движением ротора.

Полная система двигателя BLDC обычно включает:

• Корпус двигателя

• Ротор с постоянными магнитами

• Обмотки статора

• Драйвер

• Датчик положения или энкодер

Благодаря отсутствию механических щёток двигатели BLDC обладают следующими преимуществами:

1. Более высокий КПД

Снижение потерь на механическое трение повышает эффективность преобразования энергии, благодаря чему двигатели BLDC подходят для оборудования, работающего в течение длительного времени.

2. Более длительный срок службы

Отсутствие износа щёток снижает требования к техническому обслуживанию.

3. Более высокая динамическая производительность

Двигатели BLDC способны обеспечивать быстрый запуск, ускорение и точное управление движением.

4. Лучше подходят для робототехнических применений

В сочетании с энкодером, редуктором и системой управления двигатель может стать частью высокопроизводительного решения для управления движением.

Поэтому двигатели BLDC стали важным силовым компонентом современных робототехнических и автоматизированных систем.

Что такое плотность крутящего момента двигателя BLDC?

Для роботов, экзоскелетов и гуманоидных роботов недостаточно ориентироваться только на максимальный крутящий момент.

Это связано с тем, что роботам обычно требуются:

• Меньшая масса

• Меньшее монтажное пространство

• Более высокая выходная способность

Поэтому плотность крутящего момента стала важным показателем для оценки характеристик двигателя.

Формула расчёта:

Плотность крутящего момента = Выходной крутящий момент ÷ Масса двигателя

Единица измерения:

Н·м/кг

Например:

Два двигателя могут обеспечивать крутящий момент 10 Н·м:

• Двигатель A весит 1 кг

Плотность крутящего момента:

10 Н·м/кг

• Двигатель B весит 0,5 кг

Плотность крутящего момента:

20 Н·м/кг

Для роботизированных суставов более высокая плотность крутящего момента означает:

• Более лёгкие механические конструкции

• Меньшую инерцию движения

• Более быстрый динамический отклик

• Более высокую энергоэффективность

Поэтому двигатели BLDC с высокой плотностью крутящего момента получают всё большее внимание в области робототехники.

Какие параметры следует учитывать при выборе двигателя BLDC?

При выборе двигателя BLDC особое внимание следует уделить следующим ключевым параметрам:

Для робототехнических применений и систем управления движением наиболее важными параметрами обычно являются:

• Крутящий момент

• Скорость

• Значение KV

• Плотность крутящего момента

• Точность энкодера

• Тепловые характеристики

Как выбрать двигатель BLDC исходя из требований?

После анализа требований к применению следующим шагом является выбор соответствующих параметров двигателя BLDC с учётом фактических условий эксплуатации.

Наиболее важные этапы практического процесса выбора включают:

1. Сначала определите необходимый крутящий момент

Крутящий момент является одним из наиболее важных параметров при выборе двигателя BLDC.

Он определяет, сможет ли двигатель приводить целевую нагрузку.

Основная формула расчёта крутящего момента для вращательной системы:

T = F × r

Где:

• T: Требуемый крутящий момент (Н·м)

• F: Сила, создаваемая нагрузкой (Н)

• r: Радиус вращения (м)

Например:

Роботизированный манипулятор должен перемещать нагрузку массой 5 кг, а длина роботизированного манипулятора составляет 0,3 м.

Гравитационная сила, создаваемая нагрузкой:

F = 5 × 9,81 ≈ 49 Н

Требуемый статический крутящий момент:

T = 49 × 0,3

≈ 14,7 Н·м

Однако в реальных робототехнических применениях двигатель нельзя выбирать непосредственно на основе этого значения.

Это связано с тем, что на систему также влияют:

• Инерция при ускорении

• Сопротивление трению

• Изменения нагрузки

• Внешние воздействия

• Изменения положения

и другие факторы во время движения.

Поэтому при фактическом выборе двигателя обычно требуется запас по мощности:

Номинальный крутящий момент двигателя ≥ Фактический крутящий момент нагрузки × Коэффициент запаса

Коэффициент запаса обычно определяется в соответствии с требованиями применения:

Для роботизированных суставов динамические характеристики обычно важнее, чем простое соответствие требованиям статической нагрузки.

2. В чём разница между непрерывным и пиковым крутящим моментом?

Это проблема, которую легко упустить при выборе двигателя BLDC.

Многие инженеры обращают внимание только на максимальный крутящий момент, заявленный для продукта, однако пиковый крутящий момент не отражает способность двигателя обеспечивать длительную выходную мощность.

Непрерывный крутящий момент

Непрерывный крутящий момент — это крутящий момент, который двигатель способен стабильно выдавать в течение длительного времени.

Подходит для:

• Оборудования, работающего в течение длительного времени

• Мобильных роботов AGV

• Автоматизированного оборудования

• Удержания положения робота

Например:

Роботизированному манипулятору необходимо длительное время удерживать фиксированное положение и поддерживать нагрузку за счёт непрерывного крутящего момента.

Пиковый крутящий момент

Пиковый крутящий момент — это максимальная выходная способность, которой двигатель может достичь в течение короткого периода времени.

Подходит для:

• Быстрого ускорения

• Мгновенных изменений нагрузки

• Высокодинамичных движений робота

Например:

Роботизированный сустав:

Для удержания нормальной нагрузки требуется:

10 Н·м

Для быстрого движения может потребоваться:

20 Н·м

Поэтому двигатель должен обеспечивать одновременно:

• Достаточный непрерывный крутящий момент

• Достаточный пиковый крутящий момент

Поэтому при выборе двигателя BLDC нельзя смотреть только на максимальный пиковый крутящий момент. Также необходимо учитывать:

• Рабочий цикл

• Изменения нагрузки

• Скорость движения

• Условия отвода тепла

для комплексной оценки.

3.  Как определить скорость двигателя BLDC?

После определения крутящего момента необходимо определить скорость двигателя в соответствии с требованиями к движению оборудования.

Разные применения предъявляют разные требования к RPM (скорости):

В случае прямого привода от двигателя

Если двигатель напрямую соединён с нагрузкой, RPM необходимо рассчитать в соответствии с целевой скоростью движения.

Например:

Вращательному механизму требуется:

60 об/мин

Тогда выходная скорость двигателя должна быть близка к:

60 об/мин

При использовании редуктора:

В робототехнических системах двигатели BLDC обычно используются вместе с редукторами.

Редуктор снижает выходную скорость и одновременно увеличивает выходной крутящий момент.

Выходная скорость = Скорость двигателя ÷ Передаточное число.

Например:

Двигатель работает со скоростью 6000 об/мин, а передаточное число составляет 30:1:

Выходная скорость = 6000 ÷ 30

= 200 об/мин

Выходной крутящий момент ≈ Крутящий момент двигателя × Передаточное число × КПД.

Например:

Если крутящий момент двигателя составляет 1 Н·м, а передаточное число — 30:1:

Теоретический выходной крутящий момент = 1 × 30

= 30 Н·м

Фактическое значение должно учитывать потери КПД редуктора.

Что означает значение KV двигателя BLDC?

KV является важным параметром при выборе двигателя.

Оно обозначает теоретическое увеличение скорости холостого хода на каждый 1 В и выражается в об/мин/В.

Теоретическая скорость ≈ KV × Напряжение

Например:

Двигатель 100 KV при напряжении 24 В:

100 × 24 = 2400 об/мин

Фактическая скорость обычно ниже из-за таких факторов, как нагрузка, КПД, падение напряжения, способ управления и потери на трение.

Высокое KV и низкое KV:

Высокое KV:

Более высокая скорость, подходит для высокоскоростных применений, при относительно меньшем крутящем моменте; обычно используется в дронах, высокоскоростных вентиляторах и высокоскоростном вращающемся оборудовании.

Низкое KV:

Более низкая скорость и более высокий крутящий момент на единицу тока, что делает такой двигатель более подходящим для привода нагрузок; обычно используется в роботизированных суставах, стабилизаторах, электроприводах и роботизированных манипуляторах.

Для робототехнических применений обычно больше внимания уделяется высокому крутящему моменту, высокой точности управления и низкой инерции. Поэтому двигатели BLDC с низким KV и высоким крутящим моментом часто лучше подходят для робототехнических применений.

Как выбрать рабочее напряжение двигателя BLDC?

Напряжение должно соответствовать системе электропитания.

Распространённые варианты напряжения включают 12 В, 24 В, 36 В, 48 В и решения с более высоким напряжением.

Необходимо учитывать совместимость с системой электропитания.

Например:

Если робототехническая система использует аккумулятор 48 В, двигатель, драйвер и система управления должны поддерживать соответствующий диапазон напряжения 48 В.

Потребляемый ток можно рассчитать по формуле:

P = V × I

Где:

• P: Мощность (Вт)

• V: Напряжение (В)

• I: Ток (А)

При одинаковом уровне мощности более высокое напряжение приводит к меньшему току.

Например:

Система мощностью 480 Вт:

При 24 В:

I = 480 ÷ 24 = 20 А

При 48 В:

I = 480 ÷ 48 = 10 А

Преимущества более высокого напряжения включают:

• Меньшие потери в проводах

• Меньшее тепловыделение

• Более высокий КПД

• Более высокая производительность при длительной работе

Поэтому системы 24 В и 48 В становятся всё более распространёнными в роботах, AGV и промышленной автоматизации.

Требуются ли редуктор и энкодер?

Во многих робототехнических и автоматизированных применениях двигатель BLDC объединяется с редуктором, энкодером и драйвером для формирования полной системы привода движения.

Это особенно распространено в роботизированных суставах, роботизированных манипуляторах, экзоскелетах и гуманоидных роботах.

Один двигатель BLDC обычно не может одновременно удовлетворять всем следующим требованиям:

• Высокий крутящий момент

• Низкая скорость

• Высокая точность

• Компактный размер

Поэтому для достижения требуемых характеристик движения часто необходимы редуктор и энкодер.

Редуктор может увеличить выходной крутящий момент и снизить выходную скорость, а энкодер обеспечивает обратную связь по положению для точного управления движением.

Такое сочетание позволяет использовать двигатели BLDC в более широком спектре высокопроизводительных применений управления движением.

• Высокий крутящий момент

• Низкая скорость

• Высокоточное управление

Поэтому необходимо дополнительно настроить редуктор и систему обратной связи.

1. Зачем двигателю BLDC нужен редуктор?

Двигатели BLDC обычно имеют относительно высокую скорость, тогда как реальные роботизированные суставы требуют:

• Движения с низкой скоростью

• Высокого выходного крутящего момента

• Точного управления

Основные функции редуктора включают:

1.  Снижение выходной скорости

Например:

Двигатель:

6000 об/мин

Передаточное число:

50:1

Выход:

Примерно 120 об/мин

2.  Увеличение выходного крутящего момента

Редуктор может преобразовать высокоскоростной вход с низким крутящим моментом в низкоскоростной выход с высоким крутящим моментом.

Например:

Выходной крутящий момент двигателя:

2 Н·м

Передаточное число:

50:1

Теоретический выход:

Примерно 100 Н·м

Фактическое значение должно учитывать:

• КПД редуктора

• Потери на трение

• Повышение рабочей температуры

3.  Увеличение грузоподъёмности

Для роботизированных суставов редуктор может помочь двигателю приводить большую механическую нагрузку.

Распространённые применения:

• Промышленные роботы

• Коллаборативные роботы

• Гуманоидные роботы

• Экзоскелетное оборудование

2. Зачем двигателю BLDC нужен энкодер?

Энкодер является важным компонентом обратной связи в системе управления движением.

Он может определять:

• Положение ротора двигателя

• Изменения скорости

• Выходной угол

Благодаря обратной связи в реальном времени контроллер может более точно корректировать движение двигателя.

Основные функции энкодера включают:

1.  Повышение точности управления положением

Например:

Роботизированному манипулятору необходимо точно переместиться на заданный угол.

Энкодер может обеспечивать обратную связь в реальном времени о текущем положении, позволяя системе управления выполнять управление с обратной связью.

2.  Повышение стабильности движения

Без энкодера система не может точно определить фактическое положение двигателя.

Могут возникнуть следующие проблемы:

• Ошибки положения

• Пропуск шагов

• Нестабильное управление

3.  Улучшение динамического отклика

Во время высокоскоростного движения, а также быстрого запуска и остановки обратная связь энкодера помогает системе управления быстро выполнять корректировки.

Полный процесс выбора двигателя BLDC

Разумный процесс выбора двигателя BLDC обычно включает:

Определить требования к применению

↓

Рассчитать крутящий момент нагрузки

↓

Определить целевую скорость

↓

Выбрать значение KV и рабочее напряжение

↓

Оценить требования к мощности

↓

Подобрать редуктор и энкодер

↓

Проверить размер, массу и тепловые характеристики

Практические примеры выбора двигателей BLDC от CubeMars

В конечном итоге выбор двигателя BLDC должен основываться на реальном сценарии применения. Разные робототехнические платформы предъявляют разные требования к двигателям: роботизированные манипуляторы больше ориентированы на характеристики управления положением и усилием, шагающие роботы — на динамический отклик и плотность крутящего момента, тогда как мобильные роботы, такие как марсоходы, должны одновременно учитывать выходной крутящий момент, грузоподъёмность и стабильную работу в сложных условиях.

3-осевой роботизированный манипулятор — привод QDD и двустороннее управление

В проекте 3-осевого роботизированного манипулятора разработчик провёл практические испытания привода CubeMars AK45 V3.0 QDD и построил систему двустороннего управления с использованием AK45-10 V3.0 KV75 и AK45-36 V3.0 KV80

Основное внимание в этом случае уделялось не простому сравнению максимального крутящего момента двигателей, а испытанию обратной приводимости привода, возможностей управления усилием, обратной связи по положению и динамического отклика в реальном роботизированном суставе.

CubeMars AK45 V3.0 использует конструкцию с двумя энкодерами, которая позволяет одновременно получать информацию о положении со стороны двигателя и со стороны выхода. Энкодер со стороны двигателя используется для обратной связи по положению ротора, тогда как энкодер со стороны выхода непосредственно определяет положение выходного вала редуктора, тем самым повышая возможности обратной связи по положению роботизированного сустава.

В испытании AK45-10 V3.0 KV75 использует передаточное число 10:1, тогда как AK45-36 V3.0 KV80 использует передаточное число 36:1. Более низкое передаточное число обеспечивает AK45-10 лучшую обратную приводимость, благодаря чему он больше подходит для робототехнических применений, требующих податливого движения и управления усилием; более высокое передаточное число может обеспечивать больший выходной крутящий момент, поэтому оно больше подходит для применений, в которых приоритетом являются грузоподъёмность и удержание положения.

Этот пример также демонстрирует 3-осевое двустороннее управление. Оператор управляет ведомой стороной робота с помощью устройства на ведущей стороне и получает обратную связь по усилию в реальном времени. Это показывает, что в роботизированных манипуляторах и роботах для взаимодействия человека и робота при выборе двигателя необходимо учитывать не только крутящий момент и скорость, но и:

• Обратную приводимость

• Возможности управления крутящим моментом

• Обратную связь энкодера

• Скорость отклика системы управления

• Задержку связи

• Передаточное число

Рекомендации по выбору: разные передаточные числа для разных требований к роботизированным суставам

Результаты испытаний AK45-10 и AK45-36 показывают, что при выборе QDD-актуатора не следует ориентироваться только на пиковый крутящий момент. Также необходимо учитывать конкретные требования роботизированного сустава, включая обратную приводимость, выходной крутящий момент, плавность движения и управление положением.

Для приложений, требующих более естественного движения суставов, высокой обратной приводимости, силового управления и взаимодействия человека с роботом, более низкое передаточное число может обеспечить более прямую передачу усилия и улучшенную обратную приводимость. В то же время для суставов, которым требуются более высокий выходной крутящий момент, большая грузоподъёмность и более стабильное удержание положения, в зависимости от требований к нагрузке можно рассмотреть более высокое передаточное число.

Таким образом, при выборе BLDC-мотора или QDD-актуатора передаточное число не следует определять исключительно на основе максимального крутящего момента. Необходимо комплексно учитывать нагрузку, рабочую скорость, податливость сустава, требования к силовому управлению и точность позиционирования робота, чтобы определить подходящее передаточное число.

DIY шагающий робот — выбор двигателя BLDC для динамического движения

По сравнению с оборудованием с фиксированной механикой шагающие роботы предъявляют более сложные требования к двигателям. Когда робот идёт, прыгает, поворачивает и корректирует своё положение, суставы постоянно ускоряются, замедляются и меняют направление. Поэтому двигатель должен не только обеспечивать достаточный крутящий момент, но и обладать хорошей способностью к динамическому отклику.

Для шагающих роботов при выборе двигателя BLDC рекомендуется уделять особое внимание следующим факторам:

• Пиковый крутящий момент

• Непрерывный крутящий момент

• Плотность крутящего момента

• Масса двигателя

• Обратная приводимость

• Скорость отклика

• Размеры сустава

В частности, масса самого двигателя непосредственно влияет на общую инерцию движения робота. Поэтому недостаточно просто выбрать «двигатель с высоким крутящим моментом»; необходимо найти баланс между крутящим моментом и массой.

Приводы CubeMars QDD используют конструкцию с относительно низким передаточным числом, обеспечивая баланс между выходными характеристиками, динамическим откликом и обратной приводимостью, что делает их подходящими для робототехнических платформ, требующих быстрого движения суставов. В официальных материалах CubeMars приводы QDD также позиционируются для высокодинамичных применений, таких как шагающие роботы.

Для шагающих роботов нагрузки на разные суставы также различаются. Например, тазобедренные, коленные и голеностопные суставы могут испытывать значительно разные крутящие моменты и режимы движения. Поэтому при фактическом выборе расчёты также должны выполняться отдельно с учётом положения сустава, направления движения, нагрузки и частоты движения, а не с использованием одной и той же спецификации для всего робота.

Вывод для выбора:

Для шагающих роботов при выборе двигателя BLDC следует отдавать приоритет высокой плотности крутящего момента, малой массе, быстрому отклику и хорошей обратной приводимости, а характеристики двигателя следует определять отдельно в соответствии с фактической нагрузкой каждого сустава.

Марсоход — выбор двигателя для сложного рельефа

Проект марсохода. По сравнению с роботизированными манипуляторами и шагающими роботами марсоход является типичным мобильным роботом, и его двигатели должны обеспечивать непрерывную выходную мощность во время фактического движения.

Марсоходу может потребоваться работать с:

• Неровным рельефом

• Склонами

• Разным сопротивлением поверхности дороги

• Частыми запусками и остановками

• Длительной эксплуатацией

Поэтому при выборе двигателя BLDC для такого типа применения особое внимание необходимо уделять выходному крутящему моменту, скорости, возможности непрерывной работы, эффективности системы и надёжности.

Для мобильных роботов не следует просто стремиться к максимальному пиковому крутящему моменту. Что более важно, необходимо обеспечить способность двигателя непрерывно обеспечивать достаточную выходную мощность на протяжении всего фактического рабочего цикла.

Поэтому при выборе двигателя для марсохода можно использовать следующий подход:

Шаг 1: Рассчитать тяговое усилие, необходимое транспортному средству.

Рассчитать необходимое тяговое усилие с учётом общей массы транспортного средства, радиуса колеса, уклона и сопротивления поверхности дороги.

Шаг 2: Рассчитать крутящий момент, необходимый колёсам.

Определить необходимый крутящий момент на выходе двигателя на основе тягового усилия и радиуса колеса.

Шаг 3: Определить целевую скорость транспортного средства.

Определить выходную скорость на основе диаметра колеса и целевой скорости движения.

Шаг 4: Определить передаточное число.

Если сам двигатель BLDC имеет относительно высокую скорость, можно использовать редукционный механизм для снижения выходной скорости и увеличения выходного крутящего момента.

Шаг 5: Проверить возможность непрерывной работы.

Помимо пикового крутящего момента, необходимо также проверить непрерывный крутящий момент, повышение температуры и стабильность при длительной работе.

Применения роботизированных приводов CubeMars также охватывают такие сценарии, как мобильные роботы и марсоходы. Согласно официальным материалам CubeMars, проект Toronto MetRobotics требовал выполнения навигации по неровной местности и операций роботизированного манипулятора в сложной среде, имитирующей поверхность Марса, что предъявляло комплексные требования к точности управления приводом, скорости отклика и стабильности.

Вывод для выбора:

Для мобильных роботов, таких как марсоходы, выбор двигателя следует начинать со всей системы транспортного средства, а не сосредотачиваться только на отдельных параметрах двигателя. Необходимо комплексно учитывать нагрузку, скорость транспортного средства, размер колеса, передаточное число, продолжительность непрерывной работы и условия эксплуатации.

Как выбрать двигатель BLDC для различных применений?

Разные применения имеют разные приоритеты в отношении параметров двигателей BLDC.

1.  Роботизированные суставы

Для роботизированных суставов обычно требуются:

• Высокий крутящий момент

• Высокая плотность крутящего момента

• Низкая инерция

• Высокоточная обратная связь

• Быстрый отклик

Ключевые параметры:

Рекомендуемое направление:

Двигатель BLDC с низким KV и высоким крутящим моментом + высокоточный энкодер + редуктор.

2.  Роботизированные манипуляторы

Роботизированным манипуляторам необходимо обеспечить баланс между:

• Грузоподъёмностью

• Точностью позиционирования

• Динамическими характеристиками

Ключевые параметры:

• Непрерывный крутящий момент

• Пиковый крутящий момент

• Точность обратной связи по положению

• Плавность движения

Для коллаборативных роботов также необходимо учитывать следующие факторы:

• Низкий уровень шума

• Низкий уровень вибрации

• Безопасность

3.  Дроны

Для применения в дронах обычно основное внимание уделяется:

• Массе

• КПД

• Скорости

Ключевые параметры:

• Высокое KV

• Высокий КПД

• Малая масса конструкции

В отличие от роботизированных суставов, дроны в большей степени зависят от высокоскоростных характеристик вращения.

4.  Стабилизаторы

Для стабилизаторов в основном требуются:

• Стабильность

• Быстрый отклик

• Точное управление

Ключевые параметры:

• Низкая инерция

• Низкий зубцовый момент (Cogging Torque)

• Плавная работа

• Точность энкодера

5.  Мобильные роботы AGV

Для AGV обычно основное внимание уделяется:

• Выходному крутящему моменту

• Эффективности работы

• Долговременной надёжности

Ключевые параметры:

• Непрерывный крутящий момент

• Возможности отвода тепла

• Срок службы двигателя

• Эффективность системы

Распространённые ошибки при выборе двигателя BLDC

Ошибка 1: Ориентироваться только на максимальный крутящий момент

Многие пользователи в первую очередь задаются вопросом:

"Какой максимальный пиковый крутящий момент?"

Однако пиковый крутящий момент отражает только кратковременную выходную способность.

При фактическом выборе необходимо учитывать все следующие параметры:

• Непрерывный крутящий момент

• Пиковый крутящий момент

• Рабочий цикл

• Условия отвода тепла

Ошибка 2: Предполагать, что более высокое значение KV всегда лучше

Более высокое значение KV не означает, что двигатель обладает лучшими характеристиками.

Высокое KV:

Преимущества:

• Более высокая скорость

Недостатки:

• Относительно меньший крутящий момент

Низкое KV:

Преимущества:

• Более высокая способность создавать крутящий момент

• Больше подходит для нагрузочных применений

Правильный способ выбора:

Основываться на:

• Требованиях к скорости

• Размере нагрузки

• Условиях напряжения

и проводить комплексную оценку.

Ошибка 3: Игнорировать совместимость с драйвером

Двигатель BLDC не работает независимо.

Полная система должна обеспечивать совместимость между:

• Двигателем

• Драйвером

• Источником питания

• Системой управления

Если возможности драйвера недостаточны, даже отличный двигатель не сможет реализовать свои фактические характеристики.

Ошибка 4: Игнорировать тепловое проектирование

При длительной работе под высокой нагрузкой повышение температуры влияет на:

• КПД двигателя

• Выходные возможности

• Срок службы

Поэтому необходимо учитывать следующие факторы:

• Продолжительность работы

• Температуру окружающей среды

• Коэффициент нагрузки

• Конструкцию системы отвода тепла

Решения CubeMars на базе двигателей BLDC

Для высокопроизводительных применений, таких как роботы, роботизированные манипуляторы и электроприводы, CubeMars предлагает решения для управления движением, охватывающие различные требования.

К ним относятся:

• Безрамные моментные двигатели

• Интегрированные приводы

• Высокоточные решения с энкодерами

• Силовые системы для роботизированных суставов

В робототехнических применениях инженерам необходимо выбирать не только двигатель, но и полную систему управления движением.

Отличное силовое решение для робота должно одновременно обеспечивать:

• Высокую плотность крутящего момента

• Компактный размер

• Быстрый динамический отклик

• Точное управление

• Длительную надёжную работу

Итоги

Выбор подходящего двигателя BLDC — это не просто поиск модели с самой высокой мощностью, самой высокой скоростью или самым высоким крутящим моментом. Вместо этого необходимо найти оптимальный баланс между производительностью, размером, эффективностью и точностью управления в соответствии с конкретными требованиями применения.

В процессе фактического выбора инженерам сначала необходимо определить требования оборудования к движению, включая:

• Размер нагрузки

• Целевую скорость

• Продолжительность работы

• Условия эксплуатации

• Монтажное пространство

• Требования к точности управления

Затем на основе этих условий необходимо определить ключевые параметры двигателя:

Крутящий момент определяет, сможет ли двигатель приводить нагрузку, скорость определяет эффективность движения, значение KV влияет на характеристики скорости двигателя, напряжение определяет совместимость системы, а мощность определяет общую выходную способность.

Для обычного вращающегося оборудования выбор подходящего двигателя BLDC может в основном включать рассмотрение скорости и мощности; однако для высокопроизводительных применений, таких как роботы, роботизированные манипуляторы, экзоскелеты и интеллектуальные приводы, недостаточно сосредотачиваться только на этих параметрах.

В этих применениях также обычно необходимо учитывать:

• Высокую плотность крутящего момента для обеспечения более высокой выходной мощности в компактном корпусе

• Конструкцию с низкой инерцией для более быстрого динамического отклика

• Высокоточный энкодер для точной обратной связи по положению

• Низкий уровень шума и вибрации для повышения стабильности движения

• Отличные возможности отвода тепла для длительной надёжной работы

• Общее соответствие между двигателем, редуктором и драйвером

Особенно в робототехнике двигатели BLDC обычно не работают независимо, а являются частью полной системы движения, где редуктор, энкодер и контроллер вместе формируют высокопроизводительный привод. Поэтому при выборе двигателя для робота необходимо оценивать всю систему, а не просто сравнивать отдельные параметры двигателя.

Правильный процесс выбора двигателя BLDC должен выглядеть следующим образом:

Определить требования к применению → Рассчитать крутящий момент нагрузки → Определить рабочую скорость → Выбрать напряжение и значение KV → Оценить требования к мощности → Подобрать редуктор и энкодер → Проверить размер, массу и характеристики отвода тепла.

Благодаря научно обоснованному методу выбора можно избежать таких проблем, как недостаточная производительность двигателя, низкий КПД, чрезмерное повышение температуры или неправильное согласование системы, а также повысить надёжность и срок службы оборудования.

По мере дальнейшего развития робототехники и технологий автоматизации двигатели BLDC движутся в направлении более высокой удельной мощности, меньших размеров, более точного управления и большей интеллектуальности. Для робототехнических систем следующего поколения правильный выбор двигателя BLDC означает не только получение стабильной и надёжной выходной мощности, но и обеспечивает всей системе движения большую гибкость, более высокую скорость отклика и более широкий потенциал применения.

Поэтому независимо от того, идёт ли речь о роботизированных суставах, роботизированных манипуляторах, AGV, электроприводах или других интеллектуальных устройствах, выбор двигателя BLDC должен основываться на фактических требованиях применения с комплексной оценкой крутящего момента, скорости, эффективности, возможностей управления и возможностей системной интеграции, чтобы найти решение с двигателем, которое наилучшим образом соответствует конкретному проекту.