В чем разница между безрамными двигателями с внутренним и внешним ротором? Конструкция, характеристики и применение

При проектировании приводных систем для такого оборудования, как роботы, коллаборативные роботизированные манипуляторы, гуманоидные роботы и экзоскелеты, бескорпусные двигатели привлекают всё больше внимания инженеров благодаря своей компактной конструкции и гибким возможностям интеграции.

При выборе бескорпусного двигателя инженерам необходимо учитывать не только его размеры, крутящий момент и скорость, но и важный вопрос: В чём разница между бескорпусным двигателем с внутренним ротором и бескорпусным двигателем с внешним ротором? Какой из них лучше подходит для конкретного робототехнического проекта?

Ключевое различие между этими двумя типами заключается во взаимном расположении ротора и статора. В конструкции с внутренним ротором ротор находится внутри статора, а в конструкции с внешним ротором — снаружи статора. Это конструктивное различие также влияет на выходной крутящий момент двигателя, момент инерции вращения, пространственную компоновку и интеграцию в систему.

Что такое бескорпусный двигатель?

Бескорпусный двигатель обычно поставляется в виде узла статора и узла ротора. В отличие от традиционных двигателей, оснащённых полноценным корпусом, выходным валом и отдельной опорной конструкцией, бескорпусный двигатель можно непосредственно интегрировать в собственную механическую конструкцию оборудования.

Такая конструкция позволяет инженерам проектировать крепление двигателя, соединительные элементы ротора, опоры подшипников и систему отвода тепла с учётом пространственной компоновки оборудования, требований к нагрузке и конструкции трансмиссии.

К основным преимуществам бескорпусных двигателей относятся:

• Гибкая механическая интеграция: двигатель можно непосредственно встроить в роботизированный шарнир или другую конструкцию оборудования, сокращая количество избыточных механических компонентов корпуса.

• Компактная конструкция системы: интеграция двигателя с механической конструкцией может помочь уменьшить общие размеры приводного узла.

• Индивидуальные конструкции передачи движения: редукторы, энкодеры, подшипники и другие механические компоненты можно комбинировать в соответствии с требованиями конкретного применения.

• Подходят для точного управления движением: при использовании с подходящими приводами, датчиками и алгоритмами управления бескорпусные двигатели могут применяться в системах, требующих плавного и точного движения.

Важно отметить, что бескорпусный двигатель не устраняет необходимость во внешней механической опоре. В реальных приложениях инженерам по-прежнему необходимо проектировать надёжные решения для фиксации ротора, крепления статора, поддержки подшипников, изоляции и отвода тепла.

Бескорпусные двигатели с внутренним и внешним ротором: в чём конструктивные различия?

Бескорпусные двигатели с внутренним и внешним ротором работают на схожих электромагнитных принципах, но имеют разное расположение ротора и статора.

1. Бескорпусный двигатель с внутренним ротором: ротор расположен внутри статора

В бескорпусном двигателе с внутренним ротором ротор расположен внутри статора. Обмотки статора закреплены на внешней опорной конструкции, а ротор вращается внутри статора.

Такая конструкция обычно имеет меньший радиус ротора. При прочих равных условиях меньший радиус ротора помогает снизить момент инерции вращения, что делает такую конструкцию подходящей для приложений с высокими требованиями к динамическому отклику, ускорению и замедлению, а также управлению движением.

Двигатели с внутренним ротором также допускают различные варианты внешнего монтажа и подходят для приводных систем, требующих точного управления, компактной компоновки или относительно высокой скорости вращения.

2. Бескорпусный двигатель с внешним ротором: ротор расположен снаружи статора

В бескорпусном двигателе с внешним ротором ротор находится снаружи статора и обычно вращается вокруг него, образуя кольцевую или чашеобразную конструкцию.

Поскольку область электромагнитного взаимодействия может располагаться на большем эффективном радиусе, конструкция с внешним ротором обычно обеспечивает более длинное плечо приложения силы. При сопоставимых объёме двигателя и условиях проектирования такая компоновка может способствовать получению более высокого выходного крутящего момента, особенно в приложениях, требующих высокого момента на низких скоростях.

Конструкция с внешним ротором также может использоваться в шарнирных узлах охватывающего типа, позволяя компактно интегрировать двигатель с корпусом шарнира и выходной конструкцией. Однако при механическом проектировании необходимо тщательно учитывать размеры и инерцию вращающихся внешних компонентов, а также меры защиты.

3. Основные различия между двумя конструкциями

Это распространённые конструктивные тенденции, и не каждая модель демонстрирует одинаковые характеристики. Фактические показатели по-прежнему зависят от электромагнитной конструкции, обмоток, размеров, материалов, рабочего тока и условий отвода тепла.

Сравнение характеристик бескорпусных двигателей с внутренним и внешним ротором

При выборе двигателя нельзя определить, какой тип работает лучше, только по тому, находится ли ротор внутри или снаружи. В робототехнических приложениях важнее проанализировать, как конструктивные различия влияют на реальные требования к работе системы.

1. Выходной крутящий момент: конструкции с внешним ротором обычно имеют преимущество за счёт радиуса

Крутящий момент двигателя связан с приложенной силой и плечом её действия. Для двигателя увеличение эффективного электромагнитного радиуса, как правило, способствует увеличению выходного крутящего момента при прочих равных условиях.

Ротор бескорпусного двигателя с внешним ротором расположен снаружи статора и обычно может использовать больший эффективный радиус. Поэтому такая конструкция имеет конструктивное преимущество при достижении относительно высокого выходного крутящего момента в компактном пространстве.

Для систем, несущих нагрузку, приводящих в движение роботизированные шарниры или вращающихся на низких скоростях, конструкцию с внешним ротором стоит рассмотреть особенно внимательно.

Однако это не означает, что двигатели с внешним ротором всегда обеспечивают более высокий крутящий момент. При выборе конкретной модели следует сравнивать непрерывный и пиковый крутящий момент, постоянную крутящего момента, допустимый ток и тепловые ограничения, а не полагаться только на тип конструкции.

2. Динамический отклик: учитывайте момент инерции ротора и нагрузки

При управлении движением робота двигателям часто требуется ускоряться, замедляться и менять направление вращения. Поэтому момент инерции вращения является важным проектным параметром.

Вращающиеся компоненты бескорпусного двигателя с внутренним ротором обычно сосредоточены в пределах меньшего радиуса, что помогает снизить момент инерции ротора. Это особенно важно для приложений, требующих быстрого отклика, частых запусков и остановок, а также точного управления движением.

В конструкции с внешним ротором вращающаяся масса распределена по большему радиусу, что может приводить к более высокому моменту инерции ротора. Для шарниров, требующих высокого динамического отклика, инженерам необходимо проверить, соответствует ли этот момент инерции требованиям системы.

Однако фактические характеристики отклика также тесно связаны с моментом инерции нагрузки, редуктором, полосой пропускания контроллера, характеристиками контура тока и алгоритмами управления. Скорость отклика всей приводной системы нельзя определить только по конструкции с внутренним или внешним ротором.

3. Скорость и крутящий момент: оценивайте их совместно по характеристикам двигателя

При одинаковом напряжении и прочих сопоставимых условиях скоростные возможности двигателя зависят от таких факторов, как постоянная противоэлектродвижущей силы, конструкция обмоток и возможности источника питания контроллера.

Двигатели с внутренним ротором часто используются в системах, требующих относительно высокой скорости или быстрого динамического отклика, тогда как двигатели с внешним ротором нередко применяются там, где необходимы больший эффективный радиус и более высокий выходной крутящий момент. Это распространённые конструктивные тенденции, а не абсолютные правила.

При выборе двигателя необходимо совместно оценить следующие параметры:

• Скорость холостого хода и номинальная рабочая скорость

• Непрерывный и пиковый крутящий момент

• Характеристика зависимости крутящего момента от скорости

• Постоянная противоэлектродвижущей силы и постоянная крутящего момента

• Напряжение питания привода, ток и диапазон регулирования скорости

Если приложению одновременно требуются высокая скорость и высокий крутящий момент, следует сосредоточиться на фактических возможностях двигателя в целевой рабочей точке, а не сравнивать максимальную скорость и пиковый крутящий момент по отдельности.

4. Отвод тепла и тепловой режим: зависят от общей механической конструкции

Бескорпусные двигатели обычно используют монтажную конструкцию для отвода тепла от статора. Площадь контакта между статором и корпусом, теплопроводность материала, монтажные допуски, температура окружающей среды и способ охлаждения — всё это влияет на способность двигателя обеспечивать непрерывную выходную мощность.

Сама по себе конструкция с внутренним или внешним ротором не определяет, какой вариант лучше отводит тепло. При практическом проектировании необходимо уделять внимание способу крепления статора, пути теплопередачи и повышению температуры при непрерывной работе.

В приложениях с ограниченным пространством, например в роботизированных шарнирах, даже если двигатель способен кратковременно обеспечивать высокий пиковый крутящий момент, необходимо проверить, может ли он непрерывно работать в соответствии с фактическим рабочим циклом.

Для каких применений подходят бескорпусные двигатели с внутренним и внешним ротором?

1. Гуманоидные роботы

К тазобедренным, коленным, плечевым и локтевым шарнирам гуманоидных роботов предъявляются различные требования по крутящему моменту приводной системы, массе, пространству и динамическому отклику.

Для лёгких шарниров, требующих быстрого отклика, можно рассмотреть конструкцию с внутренним ротором; для шарниров, которым необходим более высокий выходной крутящий момент и которые допускают охватывающую механическую компоновку, также стоит оценить конструкцию с внешним ротором.

При выборе необходимо учитывать пиковую нагрузку на шарнир, непрерывный рабочий цикл, конфигурацию редуктора и общую массу робота. Тип конструкции двигателя не следует выбирать исключительно на основании типа робота.

2. Коллаборативные роботизированные манипуляторы

Коллаборативные роботизированные манипуляторы обычно должны сочетать компактную конструкцию, плавность движения и высокую точность управления. Бескорпусные двигатели можно непосредственно интегрировать в шарнирные узлы, уменьшая пространство, занимаемое отдельным корпусом двигателя, и предоставляя разработчикам механических систем большую гибкость.

Для таких приложений, помимо сравнения конструкций с внутренним и внешним ротором, следует учитывать:

• Плавность движения на низких скоростях;

• Зубцовый момент;

• Момент инерции нагрузки и динамический отклик движения;

• Отвод тепла от статора и возможность непрерывной работы;

• Конфигурацию энкодера и характеристики системы управления.

3. Экзоскелеты и носимые роботы

Экзоскелеты должны обеспечивать необходимый вспомогательный крутящий момент при строгих ограничениях по пространству и массе, одновременно сводя к минимуму помехи естественным движениям пользователя.

Бескорпусные двигатели с внутренним ротором могут рассматриваться для лёгких приводных систем с высоким динамическим откликом. В реальных приложениях также необходимо учитывать пространство для установки шарниров, диапазон движений человека, эффективность передачи, шум и тепловой комфорт при длительной работе.

4. Прецизионные поворотные платформы и автоматизированное оборудование

В прецизионных поворотных платформах, инспекционном оборудовании и механизмах промышленной автоматизации конструкция двигателя влияет на способы монтажа, момент инерции вращения и компоновку системы передачи движения.

Если приложению необходим прямой привод или высокий крутящий момент на низкой скорости, можно оценить конструкцию с внешним ротором; если система в большей степени ориентирована на снижение инерции вращающихся компонентов и динамическое управление, можно рассмотреть и конструкцию с внутренним ротором. Окончательное решение следует принимать с учётом фактической нагрузки, точности и профиля движения.

Серии CubeMars RI и RO: знакомство с двумя типами бескорпусных двигателей

CubeMars предлагает серию RI — бескорпусные моментные двигатели с внутренним ротором — и серию RO — бескорпусные моментные двигатели с внешним ротором. Эти серии предоставляют варианты для различных механических конструкций и требований к роботизированным приводам.

1. Серия RI: бескорпусные моментные двигатели с внутренним ротором

CubeMars  серия RI использует конструкцию с внутренним ротором и включает такие модели, как RI20, RI30, RI50, RI60, RI70, RI80 V2.0 и RI100. Серия ориентирована на высокую плотность крутящего момента, низкий зубцовый момент и компактную конструкцию; для некоторых моделей датчики Холла доступны в качестве опции.

Серия RI подходит для задач, в которых необходимо сбалансировать требования к монтажному пространству, динамическому отклику и механической интеграции. Модели можно предварительно отбирать в соответствии с фактическими требованиями к крутящему моменту и размерам для лёгких роботизированных шарниров, коллаборативных манипуляторов, экзоскелетов и других прецизионных приводных систем.

При выборе модели обратите особое внимание на следующие параметры:

• Соответствуют ли внешний диаметр статора и осевая длина требованиям к монтажному пространству;

• Соответствуют ли непрерывный и пиковый крутящий момент требованиям нагрузки;

• Подходит ли момент инерции ротора для требуемого динамического отклика;

• Совместимы ли параметры обмоток с приводом;

• Обеспечивает ли конструкция крепления статора достаточный отвод тепла.

2. Серия RO: бескорпусные моментные двигатели с внешним ротором

Серия CubeMars RO использует конструкцию с внешним ротором и включает такие модели, как RO40 Lite, RO50 Lite, RO60, RO80 и RO100. Серия предназначена для робототехники и других приводных приложений, требующих гибкой интеграции; крутящий момент, размеры, масса и скоростные характеристики необходимо оценивать отдельно для каждой конкретной модели.

Конструкция с внешним ротором предоставляет ещё один вариант для поворотных приводов, которым требуется больший эффективный радиус. Серию RO стоит сравнить при выборе шарниров или приводных узлов, которым необходим выходной крутящий момент и пространственная компоновка которых допускает вращение внешнего ротора.

При выборе модели обратите особое внимание на следующие параметры:

• Не создают ли вращающиеся внешние компоненты помех окружающим конструкциям;

• Соответствуют ли внешний диаметр двигателя, осевая длина и монтажные интерфейсы требованиям;

• Соответствуют ли непрерывный и пиковый крутящий момент требованиям нагрузки;

• Соответствует ли момент инерции ротора требованиям системы к динамическому отклику;

• Подходят ли решения для фиксации ротора, механической защиты и отвода тепла.

3. Как выбрать между сериями RI и RO?

Не следует просто считать одну из этих серий лучше или хуже по характеристикам: выбор должен основываться на механической конструкции роботизированного шарнира и условиях его эксплуатации.

• Если в проекте приоритетными являются меньший момент инерции ротора, динамический отклик и конструкция с внутренним ротором, в первую очередь стоит рассмотреть серию RI.

• Если проект ориентирован на получение крутящего момента за счёт большего эффективного радиуса, а механическая конструкция подходит для компоновки с внешним ротором, в первую очередь стоит рассмотреть серию RO.

• Если проект одновременно требует высокого крутящего момента, быстрого отклика и компактных размеров, сравните непрерывный крутящий момент, момент инерции вращения, общие габариты, диапазон скоростей и данные о повышении температуры для конкретных моделей.

Окончательный выбор следует делать на основании официальных технических характеристик и фактических результатов испытаний соответствующей модели.

Какие параметры необходимо проверить при выборе бескорпусного двигателя?

Независимо от того, выбираете ли вы бескорпусный двигатель с внутренним или внешним ротором, рекомендуется определить следующие параметры на раннем этапе проектирования.

1. Непрерывный и пиковый крутящий момент

Непрерывный крутящий момент определяет способность двигателя работать в течение длительного времени при заданных тепловых условиях, тогда как пиковый крутящий момент обычно обозначает кратковременную выходную характеристику, ограниченную по времени. Рассчитайте оба значения с учётом профиля нагрузки и рабочего цикла.

2. Скорость и рабочая точка

Убедитесь, что двигатель способен обеспечивать необходимый крутящий момент на целевой скорости, и проверьте ограничения привода по напряжению, току и противоэлектродвижущей силе. Не следует считать скорость холостого хода рабочей скоростью под нагрузкой.

3. Момент инерции вращения и динамический отклик

Для систем с частыми запусками и остановками, быстрыми изменениями направления вращения или управлением с высокой полосой пропускания учитывайте при расчётах как момент инерции ротора двигателя, так и момент инерции нагрузки.

4. Монтажное пространство и механические интерфейсы

Помимо внешнего диаметра и осевой длины двигателя, предусмотрите пространство для вращения ротора, крепления статора, подшипников, кабелей и технического обслуживания. Особенно для конструкции с внешним ротором убедитесь, что вращающиеся внешние компоненты не будут задевать окружающие конструкции.

5. Отвод тепла и возможность непрерывной работы

Проверьте теплопроводность поверхности крепления статора, температуру окружающей среды, способ охлаждения и допустимое повышение температуры, чтобы убедиться, что двигатель соответствует требованиям фактического рабочего цикла.

6. Привод и обратная связь по положению

Убедитесь, что электрические параметры двигателя совместимы с приводом, и выберите подходящий энкодер или другое решение для обратной связи по положению в соответствии с требованиями управления. Для высокоточных роботизированных шарниров также проверьте общие характеристики контроллера, контура тока и контура положения.

Заключение

Бескорпусные двигатели с внутренним и внешним ротором имеют собственные особенности. Выбор конструкции зависит от конкретных требований роботизированной системы, а не от упрощённого суждения о том, какой тип обеспечивает более высокую производительность.

Бескорпусные двигатели с внутренним ротором размещают ротор внутри статора и в некоторых конструкциях позволяют контролировать размеры ротора и момент инерции вращения. Они подходят для приложений, в которых важны динамический отклик, управление движением и компактная конструктивная компоновка. Бескорпусные двигатели с внешним ротором размещают ротор снаружи статора и могут использовать больший эффективный радиус, что потенциально позволяет создавать более высокий крутящий момент при прочих сопоставимых условиях проектирования. Однако фактический выходной крутящий момент по-прежнему зависит от электромагнитной конструкции, размеров, параметров обмоток, рабочего тока и отвода тепла; оценивать характеристики только по конструкции ротора нельзя.

Для таких приложений, как гуманоидные роботы, коллаборативные роботы, экзоскелеты и прецизионное автоматизированное оборудование, преимущество бескорпусных двигателей заключается в возможности интеграции в собственную механическую конструкцию оборудования. Это обеспечивает более гибкие варианты интеграции для шарниров, вращающихся компонентов и компактных приводных систем. Однако при практическом выборе, помимо сравнения конструктивных различий между двигателями с внутренним и внешним ротором, необходимо также оценивать непрерывный и пиковый крутящий момент, целевую скорость, момент инерции вращения, монтажное пространство, тепловой режим, совместимость с приводом и требования к обратной связи по положению. Возможность непрерывной выдачи мощности двигателем и конструкция системы отвода тепла не менее важны, особенно при высоких нагрузках или длительной работе.

При выборе бескорпусных двигателей CubeMars серии RI с внутренним ротором и серии RO с внешним ротором можно использовать в качестве ориентиров для различных конструктивных решений. Рекомендуется сравнивать характеристики конкретных моделей с учётом механической компоновки оборудования, требований к динамическому отклику и целевой рабочей точки, а затем проверять их соответствие фактической нагрузке и условиям монтажа, вместо того чтобы принимать решение только по названию серии или одному показателю производительности.

В целом подходящий бескорпусный двигатель должен обеспечивать баланс между выходным крутящим моментом, динамикой движения, конструктивной интеграцией и тепловым режимом. Чёткое определение требований приложения и оценка полного набора характеристик двигателя в сочетании с решением для управления приводом и общей конструкцией системы помогут выбрать более подходящий привод для роботизированных шарниров и других систем точного управления движением.