Безрамный двигатель против бесщеточного двигателя

В связи с растущим глобальным спросом на оборудование для автоматизации, коллаборативных роботов и прецизионное оборудование, зарубежный спрос на бесщеточные и бескаркасные двигатели продолжает расти. Однако многие клиенты напрямую сравнивают характеристики готовых бесщеточных двигателей со характеристиками бескорпусных двигателей, упуская из виду существенные различия, вызванные различными методами интеграции.

В этой статье, основанной на практическом опыте ввода в эксплуатацию и обширном международном опыте OEM-проектов, объясняются принципы работы и структурные различия между бесщеточными и бескорпусными двигателями. Он обеспечивает многомерное сравнение их производительности, преимуществ, недостатков, областей применения, критериев выбора, проблем интеграции и ключевых моментов для международных проектов, помогая инженерам сделать правильный выбор двигателя.

Что такое бесщеточный двигатель?

Бесщеточный двигатель — это синхронный двигатель с постоянными магнитами без механических щеток постоянного тока. Он использует привод двигателя для подачи трехфазного переменного тока на обмотки статора, генерируя вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор с постоянными магнитами. Энкодер можно использовать для обеспечения управления с обратной связью, устраняя традиционную механическую структуру щетки и коммутатора.

Бесщеточные двигатели представляют собой широкую категорию двигателей, которую обычно можно разделить на два основных типа в зависимости от конфигурации продукта:

• Закрытые бесщеточные двигатели: это комплектные двигатели, оснащенные корпусом, подшипниками, выходным валом и торцевыми крышками. Некоторые модели также оснащены встроенным энкодером. Клиенты могут установить и использовать их сразу после покупки. Большинство обычных серводвигателей и стандартных двигателей BLDC попадают в эту категорию.

• Бескорпусные бесщеточные двигатели: они состоят только из узла обмотки статора и узла ротора с постоянными магнитами. Они не включают в себя корпус, подшипники или выходной вал и должны быть интегрированы непосредственно в оборудование заказчика. Эту конфигурацию обычно называют безрамным двигателем..

Проще говоря:

Все безрамные двигатели по сути являются бесщеточными, но не все бесщеточные двигатели являются безрамными.

Что такое безрамный двигатель?

Безрамный двигатель, также известный как бесрамный бесщеточный моментный двигатель , представляет собой специальную конфигурацию бесщеточного синхронного двигателя с постоянными магнитами. С завода поставляются только два основных электромагнитных компонента — статор и ротор.

• Статор: намотанный железный сердечник, закрепленный внутри корпуса оборудования.

• Ротор: Ротор с постоянными магнитами, который установлен непосредственно на главном валу оборудования.

Подшипники, выходной вал, корпус, торцевые крышки, датчик положения и система охлаждения должны быть спроектированы и установлены производителем оборудования.

Сам двигатель отвечает только за создание крутящего момента. Механическая поддержка полностью обеспечивается конструкцией оборудования. Безрамные двигатели в основном используются в высокотехнологичном оборудовании, требующем высокой степени интеграции, легкой конструкции и большого сквозного отверстия.

Безрамный двигатель невозможно эксплуатировать, просто подключив его к электросети . Без надлежащей механической поддержки и компонентов обратной связи прямое напряжение может вызвать контакт ротора со статором, широко известный как трение двигателя , что приведет к повреждению магнитов ротора или обмоток.

Ключевые структурные различия между безрамными и готовыми бесщеточными двигателями

Структура закрытого готового бесщеточного двигателя

Готовый закрытый бесщеточный двигатель обычно имеет:

• Металлический корпус для защиты и отвода тепла;

• Встроенные подшипники для поддержки вращения ротора;

• Встроенный выходной вал для подключения к внешней нагрузке через муфту;

• Встроенные энкодеры или датчики Холла;

• Полная сборка, динамическая балансировка и испытания на старение выполняются на заводе;

• Простая установка: установите двигатель, подключите проводку, подключите нагрузку и запустите систему в эксплуатацию.

Ключевым преимуществом является работа по принципу «подключи и работай» , без необходимости проведения обширных механических разработок.

Недостатком является то, что корпус и подшипниковая система занимают дополнительное пространство, что приводит к увеличению габаритов и массы.

Структура бескаркасного бесщеточного двигателя

Безрамный бесщеточный двигатель обычно имеет:

• Нет корпуса, подшипников или выходного вала;

• Заказчику поставляются отдельные статорные и роторные сборки;

• Дополнительные энкодеры и датчики температуры вместо стандартных компонентов;

• Сам корпус оборудования служит корпусом двигателя;

• Собственные подшипники оборудования поддерживают ротор;

• Главный вал проходит непосредственно через внутреннее отверстие ротора, позволяя нагрузке и ротору вращаться как единое целое;

• Заказчик несет ответственность за механическое проектирование, сборку, выравнивание соосности, проектирование охлаждения и электрическое согласование.

Основными преимуществами являются компактный размер, высокая плотность крутящего момента и поддержка больших сквозных отверстий для кабелей, трубок и других компонентов..

Основным недостатком является большая инженерная трудоемкость и жесткие требования к точности сборки.

Комплексное сравнение производительности, преимуществ и недостатков

Преимущества закрытых готовых бесщеточных двигателей

Готов к использованию с коротким циклом разработки

Двигатель полностью собирается и тестируется перед поставкой, что устраняет необходимость в сложном механическом проектировании и сокращает время разработки прототипа. Это делает его пригодным для быстрой проверки проекта.

Низкие требования к сборке и контролируемая надежность

Динамическая балансировка и испытания на старение выполняются на заводе, что снижает риск ошибок при сборке и снижает требования к машиностроению для последующих заказчиков.

Полные возможности защиты

Корпус двигателя может обеспечивать такие уровни защиты, как IP54 и IP65, что делает его пригодным для использования в пыльных, влажных и требовательных промышленных средах.

Продуманные вспомогательные компоненты и стабильные поставки

Приводы, коробки передач, муфты и другие компоненты широко стандартизированы, а запасные части легко доступны по всему миру. Это может значительно снизить послепродажное давление в международных проектах.

Ограничения

Корпус и подшипники занимают дополнительное осевое пространство, в результате чего двигатель становится больше и тяжелее при том же выходном крутящем моменте. Использование выходных валов и муфт также приводит к появлению промежуточных компонентов трансмиссии, которые могут создавать люфт. Кроме того, обычные закрытые двигатели обычно не могут обеспечить большое полое сквозное отверстие для внутренней прокладки кабеля.

Типичные применения

• Стандартные автоматизированные производственные линии

• Конвейерные системы

• гравировальное оборудование с ЧПУ

• Упаковочное оборудование

• Стандартные AGV

• Мелкосерийные прототипы

Преимущества бескаркасных бесщеточных двигателей

Более высокая плотность крутящего момента и легкая конструкция

За счет отказа от корпуса и ненужных механических компонентов безрамные двигатели могут иметь меньший размер и меньший вес при том же выходном крутящем моменте, что делает их идеальными для оборудования со строгими ограничениями по размеру и весу.

Прямой привод с нулевым люфтом передачи и высокой жесткостью.

Ротор устанавливается непосредственно на нагрузочный вал, что исключает необходимость использования муфт, шестерен и других промежуточных компонентов трансмиссии. Это устраняет люфт трансмиссии и может значительно улучшить точность позиционирования и скорость реакции.

Большая конструкция со сквозным отверстием

Кабели, маслопроводы и пневматические трубки могут проходить через центральное отверстие двигателя, что значительно упрощает внутреннюю компоновку роботизированных соединений, поворотных столов и других механизмов с полой осью.

Гибкие решения для охлаждения

Поскольку статор может быть непосредственно интегрирован с корпусом оборудования, в зависимости от требований применения может быть реализовано естественное, водяное или масляное охлаждение. Это делает безрамные двигатели пригодными для непрерывной работы с большими нагрузками.

Широкие возможности настройки механической конфигурации

Диаметр, толщина, параметры обмотки и другие характеристики двигателя могут быть настроены в соответствии с внутренним пространством оборудования, что делает бескаркасные двигатели пригодными для медицинского оборудования, полупроводникового оборудования, робототехники и других специализированных применений.

Ограничения

Более высокая стоимость разработки и более длительный цикл разработки

Команда инженеров-механиков должна спроектировать полость двигателя, подшипники, систему охлаждения и сборочную оснастку. Таким образом, безрамные двигатели, как правило, не являются самым экономичным выбором для мелкосерийных прототипов.

Строгие требования к сборке.

Воздушный зазор между статором и ротором очень мал. Плохая концентричность может привести к контакту ротор-статор, вибрации или повреждению постоянных магнитов. Поэтому крайне важны высокоточные процессы производства и сборки.

Защита зависит от общей конструкции оборудования.

Поскольку сам двигатель не имеет защитного корпуса, защиту от пыли и влаги должен обеспечивать корпус оборудования. Плохая герметизация или недостаточная защита могут привести к попаданию влаги в обмотки.

Более высокие инженерные требования для международных проектов

Если зарубежный заказчик не обладает достаточными возможностями интеграции и точной сборки, неправильная установка может легко привести к отказу двигателя и увеличению затрат на послепродажное обслуживание.

Типичные применения

• Совместные роботизированные суставы

• Гуманоидные роботы

• Медицинское хирургическое оборудование

• Поворотные столы с прямым приводом

• Полупроводниковые поворотные платформы

• Специализированные подвесы

• Крупносерийное OEM-оборудование

Пять ключевых факторов при выборе двигателя

Цикл разработки и объем добычи

Для прототипов и мелкосерийных проектов обычно предпочтительнее закрытые готовые бесщеточные двигатели , поскольку они уменьшают сложность разработки и позволяют ускорить внедрение.

Для крупносерийного OEM-производства, где приемлем более длительный цикл разработки, а миниатюризация оборудования и снижение веса являются приоритетами, можно рассмотреть возможность использования безрамных двигателей .

Требования к пространству для оборудования и структурным требованиям

Если оборудование имеет ограниченное внутреннее пространство, требует снижения веса, прокладки кабеля с полой осью или требует прямого привода с нулевым люфтом, бескаркасный двигатель обычно является лучшим выбором.

Если доступно достаточно места для установки и не требуется глубокая механическая интеграция, как правило, более практичным является закрытый готовый бесщеточный двигатель.

Технические возможности заказчика

Зарубежным малым и средним клиентам с ограниченными возможностями машиностроения и точной сборки обычно рекомендуется поставлять готовые бесщеточные двигатели напрямую. Это может снизить риск ошибок при установке и последующих проблем после продажи.

OEM-производителям и компаниям, занимающимся робототехникой, обладающим полными научно-исследовательскими и производственными возможностями, комплекты безрамных двигателей могут поставляться вместе с подробными инструкциями по сборке, кривыми крутящего момента и скорости и параметрами температурной защиты.

Охлаждение и условия эксплуатации

Для непрерывных применений с большими нагрузками закрытый бесщеточный двигатель может рассеивать тепло через собственный корпус.

Для бескорпусных двигателей вся система оборудования должна быть спроектирована с учетом соответствующего терморегулирования.

При поставке двигателей на тропические или высокотемпературные рынки следует учитывать достаточный тепловой запас и соответствующим образом увеличивать его.

Защита и рабочая среда

Для применений, связанных с высоким уровнем пыли, влажности или других суровых условий окружающей среды, обычно предпочтительны закрытые готовые бесщеточные двигатели.

Если используется бескорпусный двигатель, общий корпус оборудования должен обеспечивать достаточную герметизацию и защиту окружающей среды.

Распространенные ошибки при выборе двигателя

Заблуждение 1: безрамные и бесщеточные двигатели — две эквивалентные категории двигателей

Безрамный двигатель — это подкатегория бесщеточных двигателей . Их основные принципы работы по сути одинаковы. Основные различия заключаются в их физической конфигурации и методе интеграции.

Поэтому их не следует рассматривать как две совершенно отдельные технологии двигателей.

Заблуждение 2: Безрамные двигатели всегда работают лучше, чем готовые бесщеточные двигатели

При тех же электромагнитных расчетных условиях безрамный двигатель может обеспечить более высокую общую производительность системы. Однако это зависит от механической конструкции, подшипников, системы охлаждения и процесса сборки всей машины.

Если интеграционная конструкция неадекватна, фактическая производительность бескорпусного двигателя может быть значительно хуже, чем у стандартного готового бесщеточного двигателя.

Заблуждение 3: Безрамный двигатель может работать, просто подключив его к приводу

Бескаркасный двигатель состоит в основном из статора и ротора и не включает в себя подшипники, механическую опору или энкодер.

Поэтому он не может работать независимо и должен быть полностью интегрирован в оборудование.

Многие зарубежные клиенты ошибочно полагают, что бескорпусный двигатель можно подключать и эксплуатировать так же, как обычный двигатель BLDC, что может привести к серьезным механическим повреждениям во время первоначальной эксплуатации.

Заблуждение 4: двигатели можно напрямую заменить, если их номинальный крутящий момент одинаковый

Даже если номинальный и пиковый крутящий момент идентичны, закрытый бесщеточный двигатель включает в себя собственные подшипники и систему валов, тогда как бескорпусный двигатель зависит от конструкции оборудования.

Их инерция, температурные условия, ограничения при монтаже и требования к механической опоре могут быть совершенно разными.

Следовательно, два типа двигателей не могут быть заменены просто на основе характеристик крутящего момента.

Заблуждение 5: Безрамные двигатели снижают затраты на мелкосерийные прототипы

Хотя цена покупки комплекта безрамного двигателя может быть ниже, общая стоимость проекта может увеличиться после добавления затрат на разработку полости двигателя, сборочные инструменты, энкодеры, подшипники, системы охлаждения и прецизионную сборку.

Экономические преимущества бескорпусных двигателей, как правило, более очевидны при крупносерийном производстве..

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Может ли безрамный двигатель использовать стандартный бесщеточный привод?

О: Да, при условии, что привод поддерживает бесщеточный режим управления крутящим моментом. Однако параметры сопротивления и индуктивности двигателя должны быть правильно согласованы, а токовая петля должна быть настроена соответствующим образом.

Многие приводы бесщеточных двигателей общего назначения не могут в полной мере использовать крутящий момент бескорпусного моментного двигателя без надлежащей конфигурации и настройки.

Вопрос 2. Что следует выбрать для проекта с прямым приводом: безрамный двигатель или готовый бесщеточный моментный двигатель?

О: Если в оборудовании достаточно внутреннего пространства для установки двигателя, а приложение требует легкой конструкции с полой осью, а у клиента есть достаточные возможности для исследований и разработок, подходящим вариантом является бескаркасный двигатель.

Если заказчику требуется готовое к использованию решение, лучшим выбором будет готовый бесщеточный моментный двигатель закрытого типа.

В3: Какие технические документы необходимо предоставить для комплектов безрамных двигателей, экспортируемых за границу?

О: Рекомендуемая документация включает в себя:

• Инструкции по сборке статора и ротора;

• Требования к воздушному зазору;

• Кривые крутящего момента и скорости;

• Характеристики датчика температуры;

• Класс изоляции;

• Требования к подшипникам;

• Требования к кодировщику;

• Требования к охлаждению.

Клиенты также должны быть четко проинформированы о том, что для безрамного двигателя требуются соответствующие подшипники, энкодеры, механическая опора и система терморегулирования как часть всей системы.

Вопрос 4. Можно ли модифицировать стандартный бесщеточный двигатель для использования в бескаркасных двигателях?

О: Обычно это не рекомендуется..

Статор и ротор стандартного бесщеточного двигателя предназначены для работы вместе с оригинальным корпусом и системой подшипников. Снятие корпуса может поставить под угрозу удержание постоянного магнита и контроль воздушного зазора, что значительно увеличивает риск контакта ротор-статор и повреждения двигателя.

Вопрос 5. В каких случаях не рекомендуются безрамные двигатели?

О: Безрамные двигатели обычно не рекомендуются для:

• Мелкосерийные быстрые прототипы;

• Клиенты, не имеющие возможности точной механической интеграции;

• Пыльная, влажная или суровая среда без надлежащей защиты корпуса;

• Проекты с очень ограниченным бюджетом на разработку.

В таких случаях обычно более практичным выбором является закрытый готовый бесщеточный двигатель.

Заключение

Бесщеточный двигатель — это широкая категория двигателей с постоянными магнитами, а безрамный двигатель — это специализированная интегрированная конфигурация бесщеточного двигателя.

Хотя эти два продукта имеют один и тот же фундаментальный принцип работы, их реальные различия заключаются в конфигурации продукта, методе интеграции, технических требованиях и сложности разработки..

HOLRY обладает обширными возможностями в области исследований, разработок и производства как бесщеточных, так и безрамных моментных двигателей. Опираясь на 15-летний практический опыт инженеров по управлению движением и 10-летний опыт международных проектов OEM , HOLRY может предоставить как стандартизированные готовые бесщеточные двигатели, так и стандартные или индивидуальные комплекты бескаркасных двигателей.

Наши решения предназначены для удовлетворения потребностей в оборудовании автоматизации, робототехнике, медицинском оборудовании, точном оборудовании и других промышленных приложениях по всему миру.

Если вы не уверены, выбрать ли бесщеточный двигатель или бескаркасный двигатель, свяжитесь с технической командой HOLRY и сообщите свои условия нагрузки, доступное пространство для установки, объем производства и целевой экспортный рынок.

Наши инженеры могут предоставить бесплатный выбор двигателя и оценку применения, чтобы помочь вам найти наиболее подходящее решение.