Ein Leitfaden für Ingenieure zu rahmenlosen Motoren

Die Wahl eines rahmenlosen Motors für Ihr Motion-Control-Projekt kann Ihnen eine höhere Designflexibilität und ein leistungsfähigeres System bieten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren mit Gehäuse oder Rahmen sind rahmenlose Motoren so konzipiert, dass sie direkt in die Mechatronik der Maschine oder des Geräts integriert werden können, die sie antreiben. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, müssen Sie wissen, was rahmenlose Motoren sind, wann sie eingesetzt werden sollten und wie Sie den für Ihre Anforderungen am besten geeigneten Motor auswählen.

Was ist ein rahmenloser Motor?

Rahmenlose Motoren, auch Motorsätze oder Torquemotoren genannt, bestehen nur aus Rotor und Stator. Sie enthalten kein Gehäuse, keine Welle oder Lager. Dies ermöglicht es Ingenieuren, die Hostausrüstung als Gehäuse sowie die eigenen Wellen, Dichtungen und Lager des Hosts zu verwenden. Somit kann die Motorintegration im Hinblick auf Kosten, Gewicht, Wirkungsgrad, Größe oder Wärmeableitung besser optimiert werden. Bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen eignen sich rahmenlose Motoren besonders gut.

Wie funktionieren rahmenlose Motoren?

Ein rahmenloser Motor arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein gerahmter bürstenlose Motoren, indem elektrische Energie in mechanische Bewegung umgewandelt wird. Die Kupferwicklungen im Stator erzeugen ein Magnetfeld, das die Magnete am Rotor drückt oder anzieht und so eine Drehbewegung erzeugt. Ein Motortreiber steuert den in den Stator eingespeisten elektrischen Wechselstrom und erzeugt so eine genaue, präzise und effiziente Drehmoment- und Drehzahlabgabe.

Ein rahmenloser Motor ist so konzipiert, dass er in das mechanische System des Hosts integriert werden kann. Der Rotor typischerweise an einer Rotorwelle oder an dem beweglichen Teil des Systems befestigt ist, und Stator ist an einem Gehäuse oder dem statischen Teil der Konstruktion befestigt.

Eigenschaften von rahmenlosen Motoren

Rahmenlose Motoren bieten mehrere wichtige Funktionen, die sie für leistungsstarke Bewegungsanwendungen geeignet machen:

• Kompaktes Design: Die Integration des rahmenlosen Motors in das Bewegungssystem ermöglicht die Konstruktion eines kompakten Systems.
• Direkte Integration: Das Fehlen eines Rahmens ermöglicht eine direkte Integration in das mechanische System, wodurch die Komplexität der Montage reduziert und die Gesamteffizienz des Systems verbessert wird.
• Personalisierung: Diese Motoren können auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten werden, z. B. auf kundenspezifische Rotor- und Statorgrößen oder spezifische Wicklungskonfigurationen.
• Verbesserte Dynamik: Mit weniger Komponenten und optimierter Integration bieten rahmenlose Motoren in der Regel eine verbesserte Dynamik.
• Hohe Drehmomentdichte: Rahmenlose Motoren liefern ein hohes Drehmoment in einem kompakten Gehäuse, was für Anwendungen, die eine leistungsstarke und präzise Bewegung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
• Kosteneffizienz: Sie müssen nicht für unnötiges Motorgehäuse, Welle und Lager bezahlen.

Anwendungen von rahmenlosen Motoren

Rahmenlose Motoren werden in einer Vielzahl von Hochleistungs- und Spezialanwendungen eingesetzt, darunter:

• Robotik: In Roboterarmen sorgen rahmenlose Motoren in kompakter Form für die Präzision und das Drehmoment, die für komplexe Bewegungen erforderlich sind.
• Luft- und Raumfahrt, Boden- und Schifffahrt: Aufgrund ihrer leichten Bauweise werden rahmenlose Motoren in der Avionik, Drohnen, kardanische, und anderen Luft- und Raumfahrtsystemen sowie in Systemen auf Boden- und Seefahrzeugen.
• Medizinische Geräte: Rahmenlose Motoren eignen sich ideal für Operationsroboter und andere medizinische Geräte, bei denen der Platz begrenzt ist und Präzision von größter Bedeutung ist.
• Hochpräzise Mechatronik: Für Branchen wie Messtechnik, Werkzeugmaschinenbau, Materialbearbeitung und andere ermöglichen rahmenlose Motoren sehr kompakte Designs mit hoher Präzision.
• Industrielle Automatisierung: Rahmenlose Motoren eignen sich gut für den Antrieb von Direktantriebssystemen, die ein hohes Drehmoment und eine präzise Steuerung bei geringem Platzbedarf erfordern.
• Elektrofahrzeuge: Rahmenlose Motoren werden häufig in Radmotoren und anderen Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen Integration und Leistung unerlässlich sind.

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Hauptauswahlkriterien für rahmenlose Motoren

Bei der Auswahl eines rahmenlosen Motors für eine bestimmte Anwendung müssen Ingenieure mehrere Faktoren berücksichtigen:

• Erforderliches Drehmoment und Geschwindigkeit: Zu wissen, wie stark der Motor gedrückt und gezogen werden muss und bei welchen Geschwindigkeiten, ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl eines Motors.
• Wärmemanagement: Unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Temperatur und der Kühlbedingungen des Motors ist es wichtig zu wissen, wie viele Verluste der Motor an den angegebenen Betriebspunkten haben kann.
• Platzbeschränkungen: Der rahmenlose Motor kann direkt in das System integriert werden. Daher ist es wichtig, die maximale Größe zu kennen, die der Motor haben kann.
• Gewicht: Bei der Auswahl der richtigen Motortechnologie muss auch das Gesamtgewicht des Systems berücksichtigt werden. Es gibt auch Technologien zur Herstellung von gehäuselosen Motoren, die leichter als andere Motoren sind (z. B. geschlitzt oder schlitzlos).
• Versorgungsspannung und maximaler Eingangsstrom: Da es Teil eines Systems ist und eine Motorsteuerung verwendet, können einige Einschränkungen der Versorgungsspannung und des Eingangsstroms bereits festgelegt werden, bevor der rahmenlose Motor ausgewählt wird.
• Anforderungen an die Präzision: Wie präzise der Motor sein muss, um die vorgesehenen Aufgaben zu erfüllen. Vielleicht wird ein Motor benötigt, der nicht rastet.
• Andere Komponenten des Systems: Obwohl die Auswahl des Motors einer der wichtigsten Aspekte bei der Konstruktion des Bewegungssystems ist, müssen auch die übrigen Komponenten mit dem Motor zusammenarbeiten. Die Flexibilität der rahmenlosen Motortechnologie ermöglicht die Kompatibilität mit den meisten Komponenten, aus denen das Bewegungssystem besteht.

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Rahmenlose Motoren bieten eine hochflexible und leistungsstarke Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen. Wenn Ingenieure gehäuselose Motoren und die wichtigsten Auswahlfaktoren verstehen, können sie die optimale Lösung für ihr System entwickeln. Ganz gleich, ob es sich um Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte oder Robotik handelt, gehäuselose Motoren werden auch weiterhin eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Technologie spielen.

Was sind die Vorteile rahmenloser Motoren?

Rahmenlose Motoren bieten Ingenieuren mehr Gestaltungsfreiheit, da sie die Einschränkungen eines vordefinierten Gehäuses beseitigen. Dies öffnet die Tür zu kompakteren, leichteren Produkten, da der Motor vollständig in die umgebende Struktur integriert werden kann. Da Stator und Rotor als separate Komponenten geliefert werden, haben Sie die volle Kontrolle über das Lagersystem und können den Typ und die Qualität auswählen, die für Ihre Anwendung am besten geeignet sind. Das Motorgehäuse kann oft gleichzeitig als Teil der mechanischen Hauptbaugruppe verwendet werden, wodurch die Anzahl der Bauteile reduziert und das Gesamtsystem vereinfacht wird. Darüber hinaus bietet das Design mit offener Mitte wertvollen Platz für die Integration von Getrieben, Kabeln, Schleifringen oder anderen Komponenten, sodass gehäuselose Motoren die ideale Wahl für leistungsstarke, dicht gepackte Systeme sind.

Rahmenlose Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Motoren: Was ist der Unterschied?

Der Hauptunterschied zwischen rahmenlosen und herkömmlichen Motoren liegt in ihrem Integrationsgrad. Motoren ohne Rahmen bestehen ausschließlich aus Rotor und Stator sowie dem Funktionskern des Motors, sodass Ingenieure sie direkt in die mechanische Struktur eines Systems einbetten können. Herkömmliche Motoren, oft auch als Gehäuse-Motoren bezeichnet, BLDC-Motoren, oder Servomotoren, werden als komplette Einheiten mit eingebautem Gehäuse, Lagersystem und Welle geliefert. Dadurch sind sie sofort montier- und betriebsbereit, schränkt jedoch die Flexibilität in Bezug auf Größe, Gewicht und Anordnung der Komponenten ein. Motoren ohne Rahmen erfordern dagegen einen größeren Entwurfs- und Montageaufwand, ermöglichen jedoch hochoptimierte Lösungen: Sie wählen die Lager aus, definieren die mechanische Schnittstelle und können ein wesentlich kompakteres und integrierteres Endprodukt erzielen. Dies macht rahmenlose Motoren besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen Platz, Leistung und Gewicht entscheidend sind.

So integrieren Sie rahmenlose Motoren in Ihr System

Die Integration eines rahmenlosen Motors erfordert ein durchdachtes mechanisches Design, bietet aber im Gegenzug eine unübertroffene Flexibilität. Je nach Ihren Anforderungen an Leistung, Temperatur und Wartungsfreundlichkeit gibt es mehrere zuverlässige Methoden, um Stator und Rotor in Ihrer Baugruppe zu befestigen. Das Kleben, entweder mit kleinem oder einem großen Spalt, bietet eine einfache und effektive Lösung, insbesondere bei Konstruktionen mit begrenztem Platzangebot. Für Anwendungen, die eine einfache Montage und Demontage erfordern, bietet die axiale Klemmung eine nicht permanente und dennoch sichere Alternative. In Fällen, in denen eine starre Interferenzpassung gewünscht wird, kann eine Presspassung eine präzise Ausrichtung und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit gewährleisten. Jeder Ansatz hat seine eigenen Nachteile, aber alle ermöglichen es Ihnen, den Motor eng in Ihr mechanisches System zu integrieren, wodurch die Gesamtkompaktheit und Leistung verbessert werden.

Leistung und Effizienz von rahmenlosen Motoren erklärt

Motoren ohne Rahmen werden in der Regel für Anwendungen ausgewählt, bei denen das Ausgangsdrehmoment wichtiger ist als die Gesamtleistung. Da sie direkt in das mechanische System integriert sind, beginnt die Leistungsoptimierung mit der Motorkonstante (km). Durch Maximierung der Motorkonstante innerhalb bestimmter Massen- oder Platzbeschränkungen können Konstrukteure einen höheren Wirkungsgrad erzielen, Kupfer- und Kernverluste reduzieren, die Wärmeentwicklung minimieren und die Leistungsaufnahme für ein bestimmtes Drehmoment senken. Ziel ist es, das maximale Dauerdrehmoment zu erreichen und gleichzeitig das System kompakt, leicht und thermisch stabil zu halten. Dadurch eignen sich gehäuselose Motoren besonders gut für Hochleistungsanwendungen wie Robotik, medizinische Geräteund Luft- und Raumfahrtsysteme, bei denen es auf jedes Gramm und jedes Watt ankommt.

Tipps zur Optimierung der Leistung rahmenloser Motoren

Um das Beste aus einem rahmenlosen Motor herauszuholen, ist es wichtig, mit einem klaren Verständnis der Drehmoment- und Drehzahlanforderungen Ihrer Anwendung zu beginnen. Die genaue Definition dieser Parameter stellt sicher, dass der Motor die richtige Größe hat, und verhindert eine Überspezifikation, die zu unnötigem Volumen oder Ineffizienz führen kann. Achten Sie als Nächstes genau auf Drehmomentkonstante (Kt) - Wählen Sie einen Motor, dessen Kt mit Ihrer Zielgeschwindigkeit, Ihrem Drehmoment und Ihrer Eingangsspannung übereinstimmt. Im Allgemeinen bedeutet ein höheres Kt eine bessere Effizienz und Wärmeleistung. Es ist auch vorteilhaft, einen Motor mit der höchstmöglichen Motorkonstante (Km) innerhalb Ihrer mechanischen Einschränkungen auszuwählen, da sich dies direkt darauf auswirkt, wie effizient das Drehmoment erzeugt werden kann. Kombinieren Sie den Motor abschließend mit einem auf Ihre Anwendung zugeschnittenen Treiber, ganz gleich, ob es sich um eine Präzisionssteuerung für gleichmäßige, präzise Bewegungen oder um einen leistungsorientierten Antrieb für dynamische Systeme mit hohem Drehmoment handelt. Eine gut aufeinander abgestimmte Kombination aus Motor und Elektronik erschließt das volle Potenzial Ihrer rahmenlosen Motorintegration.

Nicolas Giraudo

Kaufmännischer Leiter

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