Zalety pustych silników bezramowych

W zaawansowanej robotyce i precyzyjnej automatyce fizyczne ograniczenia tradycyjnych komponentów układu napędowego w coraz większym stopniu ograniczają wydajność systemu i miniaturyzację projektu. Silniki w standardowej obudowie w połączeniu z przekładniami mechanicznymi wprowadzają luzy, zwiększają powierzchnię, zwiększają wagę i komplikują prowadzenie niezbędnych mediów systemowych. Linie energetyczne, kable do transmisji danych, płyny i elementy optyczne muszą często przebiegać w niewygodny sposób wokół nieporęcznych skrzyń biegów i obudów silników, tworząc punkty awarii i ograniczając zakres ruchu. Silniki bezramowe z wydrążoną ramą stanowią alternatywę dla napędu bezpośredniego, która eliminuje podatność mechaniczną i integruje się bezpośrednio ze strukturą maszyny. W tym przewodniku omówiono zalety techniczne i kompromisy w zakresie integracji związane z określaniem architektur bezramowych dla aplikacji o wysokiej wydajności. Zbadamy wydajność przestrzenną, prowadzenie mediów, wydajność dynamiczną i możliwości projektowania mechanicznego wymagane do zarządzania wąskimi tolerancjami, utrzymywania szczeliny powietrznej wirnik-stojan i opracowywania niestandardowych rozwiązań w zakresie zarządzania temperaturą dla następnej konstrukcji maszyny.

• Zoptymalizowana wydajność przestrzenna: Eliminując dzwony końcowe, łożyska i obudowy zewnętrzne, silniki bezramowe zmniejszają całkowitą masę i powierzchnię, umożliwiając tworzenie bardzo kompaktowych konstrukcji połączeń.

• Uproszczone prowadzenie mediów: Duża średnica wewnętrzna (pusty otwór) umożliwia swobodne prowadzenie kabli, wiązek laserowych lub przewodów cieczy bezpośrednio przez oś obrotu, redukując zewnętrzne zużycie kabli i ryzyko zaczepienia.

• Doskonała wydajność dynamiczna: Bezpośrednie połączenie z obciążeniem eliminuje luz skrzyni biegów i elastyczność mechaniczną, co skutkuje wyższą sztywnością serwomechanizmu, krótszym czasem ustalania położenia i doskonałą dokładnością pozycjonowania.

• Złożoność integracji: Realizacja tych zalet wymaga rygorystycznych, wewnętrznych możliwości projektowania mechanicznego, aby zarządzać wąskimi tolerancjami, utrzymywać szczelinę powietrzną wirnik-stojan, projektować specjalistyczne oprzyrządowanie montażowe i opracowywać niestandardowe rozwiązania w zakresie zarządzania temperaturą.

Co to jest pusty silnik bezramowy i jak działa?

Silnik bezramowy reprezentuje najczystszą formę wytwarzania energii elektromagnetycznej. Usuwa wszelkie opakowania zewnętrzne. Otrzymujesz tylko niezbędne aktywne komponenty wymagane do wygenerowania momentu obrotowego. Ta dwuczęściowa konstrukcja składa się wyłącznie z oddzielnego wirnika magnetycznego i uzwojonego stojana. Fabryka nie instaluje łożysk, wałów ani urządzeń sprzężenia zwrotnego. Konstruktor maszyny musi zintegrować te elementy w końcowym zespole. Bierzesz na siebie odpowiedzialność za ustawienie komponentów i podparcie obracającej się masy.

Wirniki są zazwyczaj wyposażone w wysokoenergetyczne magnesy trwałe neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB). Konstrukcje stojanów różnią się w zależności od wymagań wydajnościowych. Musisz wybierać pomiędzy skoncentrowanymi i rozproszonymi uzwojeniami stojana. Skoncentrowane uzwojenia zapewniają krótsze zwoje końcowe i wyższe współczynniki wypełnienia szczelin. Rozproszone uzwojenia zapewniają gładsze przebiegi wstecznego pola elektromagnetycznego. Konfiguracje wirników również się różnią. Konstrukcje z magnesami trwałymi powierzchniowymi (SPM) montują magnesy na zewnątrz wirnika. Konstrukcje z wewnętrznymi magnesami trwałymi (IPM) osadzają magnesy w stosie laminacji wirnika, zapewniając wyższą integralność strukturalną w przypadku pracy z dużymi prędkościami.

Stojan składa się z ułożonych w stos blach stalowych. Laminacje te zmniejszają straty prądu wirowego. Drut miedziany jest nawinięty przez szczeliny w stosie laminacji. Wzór uzwojenia określa charakterystykę elektryczną silnika. Inżynierowie otaczają uzwojenia żywicą wysokotemperaturową. Ten proces zalewania poprawia przewodność cieplną i chroni przewody przed szkodami środowiskowymi. Wirnik składa się ze stalowej piasty z magnesami trwałymi przymocowanymi do jego powierzchni lub osadzonymi w środku. Tuleja ustalająca często owija się wokół magnesów montowanych powierzchniowo. Tuleja ta zapobiega odłączaniu się magnesów przy dużych prędkościach obrotowych.

Zasada napędu bezpośredniego określa sposób działania tych silników. Wirnik łączy się bezpośrednio z napędzanym obciążeniem. Nie istnieje pośrednia przekładnia mechaniczna. Eliminujesz paski, koła pasowe i skrzynie biegów. Stanowi to podstawę wysokiej wydajności do sterowania ruchem. Określenie tej technologii wymaga spełnienia określonych kryteriów sukcesu. Jeśli zastosowanie wymaga dużej gęstości momentu obrotowego przy niskich prędkościach, należy rozważyć konstrukcje bezramowe. Ekstremalne wymagania dotyczące precyzji i poważne ograniczenia przestrzenne również uzasadniają wysiłek integracyjny.

Kluczowe zalety pustych silników bezramowych

Zaleta pustego otworu: scentralizowane wyznaczanie tras mediów

Cechą charakterystyczną tych silników jest duża średnica wewnętrzna. Ten pusty otwór umożliwia scentralizowane prowadzenie mediów. Zarządzanie kablami staje się znacznie łatwiejsze w systemach wieloosiowych, takich jak ramiona robotyczne. Prowadzenie kabli zasilających, enkodera i przewodów pneumatycznych przez środkowy otwór zapobiega zmęczeniu kabla. Eliminuje ryzyko skręcenia i zewnętrznego zaczepienia. Twoja maszyna zachowuje czysty profil zewnętrzny.

Rozważmy sześcioosiowe ramię robota. Tradycyjne konstrukcje prowadzą kable wzdłuż zewnętrznej strony ramienia. Kable te wyginają się i wyginają przy każdym ruchu. Z biegiem czasu wewnętrzne przewody pękają. Pusty otwór umożliwia poprowadzenie kabli wewnętrznie, bezpośrednio przez środek każdego złącza. Kable ulegają minimalnemu zginaniu. To drastycznie poprawia średni czas między awariami wiązki przewodów. Spędzasz mniej czasu na wymianie uszkodzonych kabli, a więcej na prowadzeniu produkcji.

Wiele zaawansowanych zastosowań wymaga niezakłóconych osi centralnych. Systemy LiDAR przepuszczają wiązki lasera bezpośrednio przez środek silnika. Głowice do obróbki laserowej kierują optykę przez otwór. Sprzęt do obrazowania medycznego i przetwarzania chemicznego przepuszcza linie płynu przez oś obrotu. Pusta konstrukcja doskonale spełnia te wymagania. Upraszcza to również integrację pierścienia ślizgowego. Wewnątrz wirnika można z łatwością zamontować pierścienie ślizgowe z otworem przelotowym. Pozwala to na ciągły obrót o 360 stopni bez wiązania i skręcania kabla.

Doskonały współczynnik kształtu i redukcja masy

Silniki bezramowe optymalizują wagę, wykorzystując istniejącą konstrukcję maszyny. Rama maszyny pełni rolę obudowy silnika. Eliminujesz zbędne obudowy mechaniczne, dzwony końcowe i ciężkie wały wyjściowe. Ta redukcja masy ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach mobilnych i robotycznych. Obniżenie ciężaru dystalnego w połączeniach robotycznych poprawia środek ciężkości. Mniejsza bezwładność oznacza, że ​​do przyspieszania i zwalniania układu potrzebny jest mniejszy moment obrotowy.

Inżynierowie zyskują ogromną elastyczność w określaniu niestandardowych współczynników kształtu. Można wybrać profile naleśnikowe o dużych średnicach i krótkich długościach osiowych. Te płaskie konstrukcje mieszczą się w ciasnych przestrzeniach, w których zawodzą tradycyjne silniki cylindryczne. Kształt dostosowuje się do maszyny, zamiast zmuszać maszynę do dostosowania się do silnika. Na przykład w mechanizmie przegubu obrotowo-uchylnego silnik naleśnikowy pozwala utrzymać ładunek optyczny blisko osi obrotu. Minimalizuje to objętość obrotu gimbala i zmniejsza moment obrotowy wymagany do stabilizacji kamery.

Wysoka sztywność serwa i zerowy luz

Usunięcie podatności mechanicznej zmienia wydajność systemu. Przekładnie, paski i sprzęgła wprowadzają histerezę skrętną. Uginają się pod obciążeniem. Napęd bezpośredni eliminuje te zgodne elementy. Obciążenie jest sztywno połączone z wirnikiem. Skutkuje to wyjątkową sztywnością serwomechanizmu. Pętla sterowania może działać przy znacznie wyższych wzmocnieniach bez niestabilności.

Dynamiczna reakcja znacznie się poprawia. Osiągasz większą przepustowość, krótsze czasy ustalania i doskonałą dokładność śledzenia. System natychmiast reaguje na zmiany poleceń. Nowoczesne konstrukcje bezramowe optymalizują również konfiguracje gniazd i słupków. Wykorzystują skośne laminowanie, aby zminimalizować tętnienie momentu obrotowego i zazębienie. Zapewnia to wyjątkowo płynną pracę przy bardzo niskich prędkościach. Ponadto wyeliminowanie zazębienia przekładni zmniejsza słyszalny hałas i wibracje mechaniczne. W zastosowaniach związanych z obróbką precyzyjną brak wibracji przekłada się bezpośrednio na doskonałe wykończenie powierzchni produkowanych części.

Silnik bezramowy z pustą ramą a silnik w obudowie: kluczowe różnice

Porównanie wskaźników wydajności

Ocena wydajności wymaga sprawdzenia gęstości momentu obrotowego i charakterystyki prędkości. Silniki bezramowe zapewniają wyjątkowy ciągły i szczytowy moment obrotowy w stosunku do ich aktywnej objętości elektromagnetycznej. Doskonale sprawdzają się w warunkach niskich prędkości i wysokiego momentu obrotowego. Silniki w obudowach zazwyczaj wymagają redukcji biegów, aby osiągnąć podobny moment obrotowy przy niskich prędkościach. Bezpośrednie połączenie oznacza, że ​​nie tracisz mocy z powodu nieefektywności mechanicznej.

Systemowe stałe czasowe również się różnią. Elektryczna i mechaniczna stała czasowa określają szybkość reakcji silnika. Bezramowe konstrukcje z napędem bezpośrednim często charakteryzują się lepszymi mechanicznymi stałymi czasowymi w porównaniu z motoreduktorami w obudowie. Wydajność poprawia się, ponieważ eliminuje się tarcie w skrzyni biegów i straty tłumienia lepkościowego charakterystyczne dla skrzyń biegów. Przekształcasz więcej energii elektrycznej bezpośrednio w użyteczną pracę mechaniczną.

Metodologia doboru i doboru silnika

Dobór silnika bezramowego wymaga dokładnej analizy cyklu pracy. Nie można polegać na arbitralnych wskaźnikach mocy. Oblicz równoważny termicznie moment RMS w całym profilu ruchu. Dzięki temu silnik nie przegrzeje się podczas ciągłej pracy. Wymagania dotyczące szczytowego momentu obrotowego określają maksymalny prąd, jaki przemiennik musi dostarczać podczas przyspieszania.

Dobór silnika z napędem bezpośrednim obejmuje kilka kluczowych etapów:

1. Zdefiniuj profil ruchu: Zaplanuj wymagane fazy przyspieszania, stałej prędkości i zwalniania.

2. Oblicz bezwładność obciążenia: Określ dokładny moment bezwładności wszystkich ruchomych części przymocowanych do wirnika.

3. Określ szczytowy moment obrotowy: Oblicz moment obrotowy wymagany do przyspieszenia bezwładności obciążenia z żądaną szybkością.

4. Oblicz moment RMS: Określ średni kwadrat momentu obrotowego w całym cyklu pracy, aby ocenić wymagania termiczne.

5. Wybierz silnik: Wybierz silnik o ciągłym momencie obrotowym wyższym niż obliczony moment RMS i szczytowym momencie obrotowym wyższym niż obliczony szczytowy moment obrotowy.

Aplikacje z napędem bezpośrednim zmieniają zasady dopasowania bezwładności. Systemy przekładniowe tradycyjnie wymagają dla stabilności stosunku bezwładności obciążenia do wirnika wynoszącego 1:1. Połączenie bezpośrednie omija to ograniczenie. Można z powodzeniem pracować przy stosunku bezwładności obciążenia do wirnika wynoszącym 100:1 lub wyższym. Umożliwia to sztywne połączenie mechaniczne i zaawansowane algorytmy sterowania. Pozwala to na napędzanie ogromnych obciążeń przy użyciu stosunkowo małych silników, pod warunkiem, że silnik może generować wystarczający moment obrotowy.

Typowe zagrożenia i rozwiązania związane z integracją pustych bezramowych silników

Integracja mechaniczna i układanie tolerancji

Integracja bezramowa wymaga rygorystycznej konstrukcji mechanicznej. Utrzymanie dokładnej koncentryczności i szczeliny powietrznej pomiędzy nieosłoniętym wirnikiem a stojanem jest kluczowym wyzwaniem inżynieryjnym. Ta szczelina powietrzna często mierzy co do dziesiątych części milimetra. Nakładanie się tolerancji w obrabianych częściach może łatwo zniszczyć tę szczelinę, prowadząc do katastrofalnego kontaktu wirnik-stojan. Należy obrobić obudowę stojana i wał wirnika z zachowaniem dokładnych tolerancji. Bicie należy ograniczyć do absolutnego minimum.

Siły przyciągania magnetycznego stwarzają poważne zagrożenia montażowe. Promieniowe przyciąganie magnetyczne pomiędzy wirnikiem a stojanem jest ogromne. Należy stosować niemagnetyczne uchwyty montażowe i prowadnice. Próba montażu bez odpowiedniego oprzyrządowania grozi uszkodzeniem podzespołów i poważnymi obrażeniami operatora. Zazwyczaj projektujemy niestandardowe narzędzia wtykowe z aluminium lub stali nierdzewnej serii 300. Narzędzia te wprowadzają wirnik do stojana, stawiając opór promieniowemu naciągowi.

Wybór łożyska również należy do projektanta systemu. Należy określić łożyska, które wytrzymują obciążenie, a jednocześnie stawiają opór magnetycznym siłom promieniowym. Muszą zachować sztywne profile bicia osiowego i promieniowego we wszystkich warunkach pracy. Łożyska poprzeczne są popularnym wyborem w przypadku bezramowych przegubów silnika. Obsługują jednocześnie obciążenia promieniowe, osiowe i momentowe w ramach bardzo kompaktowego śladu osiowego.

Montaż urządzenia sprzężenia zwrotnego (enkodera).

Napęd bezpośredni wymaga sprzężenia zwrotnego o wysokiej rozdzielczości. Montaż optycznych lub magnetycznych enkoderów pierścieniowych bezpośrednio na wale drążonym powoduje trudności związane z osiowaniem. Głowica odczytowa enkodera musi utrzymywać dokładną odległość i orientację względem skali. Każde bicie na wale bezpośrednio pogarsza dokładność pozycjonowania. Powierzchnie montażowe enkodera należy obrobić z taką samą precyzją jak czopy łożysk.

Wyrównanie komutacji lub fazowanie stanowi kolejny krok. Należy określić dokładny kąt przesunięcia pomiędzy pozycją zerową enkodera a biegunami magnetycznymi wirnika. Serwonapęd potrzebuje tych informacji do prawidłowej komutacji sinusoidalnej. Nieprawidłowe ustawienie faz prowadzi do nieefektywnej pracy lub braku obrotu. Wiele nowoczesnych napędów wykorzystuje algorytmy wybudzania i wstrząśnięcia, aby automatycznie określić to przesunięcie po włączeniu zasilania. Alternatywnie można użyć czujników efektu Halla do wstępnej komutacji przed przełączeniem na enkoder o wysokiej rozdzielczości.

Strategie łagodzenia termicznego

Odpowiedzialność za zarządzanie ciepłem zostaje całkowicie przeniesiona na integratora systemu. Rama maszyny pełni rolę głównego radiatora. Należy zaprojektować odpowiednie ścieżki termiczne, aby rozproszyć ciepło wytwarzane przez uzwojenia stojana. Słabe odprowadzanie ciepła prowadzi do podwyższonych temperatur uzwojeń. Należy zapewnić ścisłe pasowanie z wciskiem lub zastosować żywice epoksydowe przewodzące ciepło pomiędzy stojanem a obudową, aby zminimalizować opór cieplny.

Nadmierne ciepło stwarza poważne ryzyko rozmagnesowania. Wysokie temperatury mogą nieodwracalnie rozmagnesować magnesy wirnika NdFeB. Czujniki temperatury, takie jak termistory PTC, termistory NTC lub czujniki RTD, należy osadzić bezpośrednio w uzwojeniach stojana. Czujniki te umożliwiają przemiennikowi monitorowanie temperatury i zapobieganie uszkodzeniom. Metody chłodzenia różnią się w zależności od cyklu pracy. Pasywne przewodzenie przez ramę maszyny sprawdza się w wielu zastosowaniach. Zastosowania o wysokim ciągłym momencie obrotowym mogą wymagać aktywnego chłodzenia, takiego jak niestandardowe płaszcze cieczowe lub wymuszony obieg powietrza. Projektując płaszcz chłodzący ciecz, należy zapewnić ścisłe pasowanie między stojanem a tuleją chłodzącą, aby zmaksymalizować wymianę ciepła.

Najlepsze zastosowania dla pustych silników bezramowych

Robotyka chirurgiczna i urządzenia medyczne

Sprzęt medyczny w dużej mierze opiera się na technologii bezramowej. Silniki te wykorzystują maszyny MRI, skanery CT i stawy robotów chirurgicznych. Istnieją odmiany niemagnetyczne dla wrażliwych środowisk obrazowania. Wydrążony otwór umożliwia przechodzenie elementów obrazu i kabli przez oś obrotu. Płynny ruch bez zębów umożliwia precyzyjną manipulację wymaganą w zabiegach chirurgicznych. W robocie chirurgicznym chirurg opiera się na informacjach dotykowych. Jakiekolwiek tarcie lub luz w przegubach zniekształca to sprzężenie zwrotne. Bezramowe silniki z napędem bezpośrednim zapewniają przezroczystość wymaganą do dokładnego renderowania dotykowego.

Systemy lotnicze i obronne

Aplikacje lotnicze wymagają ekstremalnej optymalizacji. Systemy kardanowe, kapsuły celownicze i anteny do komunikacji satelitarnej wykorzystują silniki bezramowe. Podstawowym czynnikiem wartościującym jest optymalizacja SWaP-C (rozmiar, waga, moc i koszt). Te układy napędu bezpośredniego zapewniają wyjątkową niezawodność w trudnych warunkach o wysokich wibracjach, w których skrzynie biegów ulegają awariom. W mechanizmie wskazującym anteny satelitarnej silnik musi pracować w próżni. Eliminuje to chłodzenie konwekcyjne. System musi całkowicie opierać się na przewodzącym przenoszeniu ciepła przez konstrukcję przegubu Cardana.

Automatyka przemysłowa i coboty

Nowoczesna automatyzacja fabryki opiera się na kompaktowej mocy. Współpracujące przeguby robotów (cobotów), obrotowe stoły indeksujące i sprzęt do produkcji półprzewodników wykorzystują konstrukcje bezramowe. Oferują wysoką gęstość momentu obrotowego w kompaktowym pakiecie przegubów. Napęd bezpośredni umożliwia bezpieczne i przewidywalne sprzężenie zwrotne siły, zwane propriocepcją. Dzięki temu coboty mogą wykrywać kolizje i bezpiecznie działać obok ludzi. Przy transporcie płytek półprzewodnikowych silniki muszą pracować w pomieszczeniach czystych. Silniki bezramowe eliminują generację cząstek stałych związaną ze zużyciem zębów przekładni i degradacją smarów.

Wniosek

Silnik bezramowy z wydrążoną ramą to idealne rozwiązanie dla maszyn wymagających kompaktowej integracji, zerowego luzu, dużej sztywności serwomechanizmu, precyzyjnego pozycjonowania i scentralizowanego prowadzenia mediów. Jednakże pomyślne wdrożenie zależy od dokładnego doboru silnika, dokładnego ustawienia wirnika i stojana, odpowiedniego doboru łożyska i enkodera, specjalistycznego oprzyrządowania montażowego i skutecznego zarządzania temperaturą.

Technologia sterowania ruchem Shenzhen Tiger zapewnia rozwiązania w zakresie sterowania ruchem dla zaawansowanych zastosowań automatyki i sprzętu precyzyjnego. Jego wsparcie techniczne pomaga konstruktorom maszyn w doborze silników, integracji mechanicznej, wydajności sterowania i wymaganiach dotyczących niezawodności systemu.

• Rozpocznij kompleksowy przegląd projektu z inżynierem zajmującym się sterowaniem ruchem, aby ocenić wykonalność aplikacji.

• Poproś producenta o modele 3D CAD w celu weryfikacji obwiedni przestrzennych i punktów integracji.

• Projektuj i wytwarzaj specjalistyczne, niemagnetyczne narzędzia montażowe przed zamówieniem jednostek produkcyjnych.

• Zamów prototypowy zestaw ewaluacyjny w celu sprawdzenia wydajności termicznej i sztywności pętli sterującej.

Często zadawane pytania

P: Jaka jest różnica między silnikiem bezramowym a silnikiem w obudowie?

Odp.: Silnik bezramowy jest dostarczany jako oddzielne elementy wirnika i stojana, bez łożysk, dzwonów końcowych ani wału. Konstruktor maszyn integruje te aktywne części elektromagnetyczne bezpośrednio z ich własną strukturą mechaniczną. Silnik w obudowie to kompletny, fabrycznie zmontowany zespół, gotowy do przykręcenia do maszyny.

P: Jak zamontować pusty silnik bezramowy?

Odp.: Zazwyczaj stosuje się wciskanie, łączenie za pomocą klejów strukturalnych lub mechaniczne mocowanie stojana do ramy maszyny. Wirnik mocowany jest do wału napędzanego za pomocą klejów, pasowań termokurczliwych lub mechanicznych pierścieni zaciskowych, co zapewnia precyzyjną koncentryczność.

P: Jakie są zagrożenia montażowe związane z pustymi w środku silnikami bezramowymi?

Odp.: Magnesy trwałe wytwarzają ekstremalne promieniowe siły ciągnące. Jeśli wirnik zostanie włożony niecentrycznie, gwałtownie uderzy w stojan, miażdżąc palce i rozbijając magnesy. Podczas montażu należy stosować specjalistyczne, niemagnetyczne uchwyty wyrównujące.

P: Czy puste w środku silniki bezramowe wymagają skrzyń biegów?

Odp.: Nie, są przeznaczone do konfiguracji z napędem bezpośrednim i sprzęganiem bezpośrednio z obciążeniem w celu wyeliminowania luzów. Jednakże w zastosowaniach wymagających ekstremalnego zwielokrotnienia momentu obrotowego na małej przestrzeni można je połączyć z przekładniami falowymi z wałem drążonym.

P: Jak zarządzane jest ciepło w silniku bezramowym?

Odp.: Ciepło rozprasza się poprzez przewodzenie ze stojana do struktury maszyny głównej. W przypadku zastosowań wymagających dużej mocy integratorzy wycinają niestandardowe kanały chłodzenia cieczą w otaczającej obudowie. Wbudowane czujniki termiczne monitorują temperaturę uzwojenia, aby zapobiec rozmagnesowaniu magnesu.

P: Jaki typ enkodera jest najlepszy dla pustego silnika bezramowego?

Odp.: Idealne są optyczne lub magnetyczne enkodery pierścieniowe o dużej średnicy. Pasują do profilu pustego otworu silnika, umożliwiając całkowite przejście kabli i mediów przez środek silnika i urządzenia sprzężenia zwrotnego.