Gehäuste oder gerahmte Torquemotoren und rahmenlose Motoren scheinen sich stark zu unterscheiden, aber sie sind sich tatsächlich ziemlich ähnlich. In diesem Artikel werden die Unterschiede und Gemeinsamkeiten behandelt, um Ingenieuren dabei zu helfen, die richtige Wahl für das Design ihrer Geräte und Systeme zu treffen.

Bevor wir zu tief in die technischen Einzelheiten eintauchen, beginnen wir mit einer Definition der einzelnen Motortypen.

Was ist ein rahmenloser Motor?

Ein rahmenloser Motor besteht nur aus aktiven Teilen – einem Stator und einem Rotor – und ermöglicht so eine direkte Integration in das Gehäuse einer Anwendung. Normalerweise sind rahmenlose Motoren Torquemotoren, was bedeutet, dass sie ein hohes Drehmoment bereitstellen und mit einer niedrigeren Drehzahl durchdrehen können als herkömmliche Brushless Direct Current (BLDC)-Motoren. Dies ist jedoch nicht immer der Fall und hängt von der Konstruktion des Motors und den Anforderungen des Systems ab, auf die an späterer Stelle noch eingegangen wird. Der rahmenlose Motor ist dann ein Bausatz, der aus einem Rotor und einem Stator besteht. Sobald er in den Antriebsmechanismus integriert ist und Welle, Lager usw. gemeinsam genutzt werden, entsteht ein kompakteres und leichteres Design. Motoren ohne Rahmen sind in der Regel außergewöhnlich leicht und haben eine hohe Leistungsdichte – insbesondere bei Motoren ohne Kern.

Was ist ein Torquemotor mit Gehäuse (Rahmen)

Motoren mit Rahmen oder Gehäuse können im Prinzip als alle Motoren definiert werden, die nicht rahmenlos sind. In diesem Artikel bezieht sich der Name gerahmter oder gehäuster Motor jedoch auf einen Torquemotor, der mit einem Gehäuse, Lagern, Encodern, manchmal auch Antrieben und Bremsen kombiniert wird, um eine Lösung zu erhalten, die bereits integriert und einsatzbereit ist. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Ausführung mit Gehäuse. Ein Torquemotor mit Rahmen hat kein Spiel, keine mechanische Reibung, kaum Nachgiebigkeit (sehr steif) und ein geringes Trägheitsmoment. Sie enthalten in der Regel einige Montagemuster, um die Montage zu erleichtern, und enthalten Empfehlungen für den ordnungsgemäßen Betrieb mit verschiedenen Automatisierungslösungen.

Anwendungen für gerahmte und rahmenlose Motoren

In diesem Abschnitt werden die häufigsten Anwendungen für beide Motortypen behandelt. Auch wenn Motoren mit Rahmen als einfache Möglichkeit angesehen werden können, kompatible Komponenten mit demselben Motor ohne Rahmen zu kombinieren und zu integrieren, unterscheiden sich die Spezifikationen beider Komponenten, da die Auswahl solcher Komponenten die Integrationsmöglichkeiten und das thermische Verhalten des Systems etwas einschränkt.

Rahmenlose Motoranwendungen

Auch wenn gehäuselose Motoren in allen Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen die Eigenschaften der Motoren den mechanischen und elektrischen Anforderungen des Systems entsprechen, gibt es bestimmte Anwendungen, bei denen das mechanische Konzept bei einer rahmenlosen Konstruktion besser geeignet ist. Einige dieser Anwendungen werden im Folgenden beschrieben.

Allen diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass ihr mechanisches Design leicht, kompakt und sicher sein muss, obwohl auch Aspekte im Zusammenhang mit Haltbarkeit und Zuverlässigkeit relevant sind.

• Robotergelenke: Genau wie im menschlichen Körper ist ein Robotergelenk die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Teilen des Roboters und ermöglicht deren Artikulation und Bewegung. Da die Gelenkgröße die Bewegung des betreffenden Arms oder Beins einschränkt, müssen diese so klein wie möglich bleiben. Da die Bewegung von Armen und Beinen in der Regel seriell gelöst wird, bei der jedes Gelenk die Last des nachfolgenden Gelenks bewegen muss, ist außerdem das Gewicht der gesamten Kette von Gelenken oder Aktuatoren und von jedem einzelnen von ihnen sehr wichtig. Daher werden gehäuselose Motoren für diese Anwendungen bevorzugt, da mit einem gehäuselosen Motor ein sehr kompaktes und integriertes Gelenk erreicht werden kann.
• Präzisions-Kardanringe: Präzisions-Kardanringe werden unter anderem in Nutzlasten für Optronik- und Messgeräte eingesetzt und müssen in der Regel so kompakt und leicht wie möglich sein. Dies gilt insbesondere für Anwendungen in der Luft. Ein gebräuchlicher Begriff zur Beschreibung dieser Eigenschaft ist SWAP, was für Größe, Gewicht und Leistung steht. Um all diese drei wichtigen Aspekte eines Präzisions-Gimbals zu optimieren, sind rahmenlose Motoren die richtige Wahl. Es stimmt auch, dass es sogenannte Gimbal-Motoren gibt, die gerahmt und in Gimbals verwendet werden. Diese erhöhen jedoch das Gewicht des Gehäuses und sind weniger integrierbar als rahmenlose Motoren, weshalb sie weniger beliebt sind, wenn die SWAP-Optimierung wirklich wichtig ist.
• Medizinische Geräte wie Exoskelette oder Bionik: Eine der wichtigsten Anwendungen für leichte und kompakte Mechatronik ist alles, was getragen werden muss. Die Mechatronik von Wearables wird auf dem medizinischen Markt zu einem Giganten, nicht nur, weil die mechatronischen Designs heute viel günstiger sind als in der Vergangenheit, sondern auch, weil sich die Technologie erheblich weiterentwickelt hat. Unter all den (vielen) Wearables, die für ihre Funktion Motoren benötigen, werden hier zwei erwähnt: Exoskelette und bionische Prothetik. Exoskelette und Bionik-Designer müssen ebenfalls für SWAP optimieren, da diese Geräte typischerweise mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen und die Nutzer nicht nur Wert auf ein komfortables Design legen, sondern auch auf ein möglichst unauffälliges Design Wert legen.

Anwendungen mit Rahmen für Torquemotoren

Die Anwendungsmöglichkeiten für Motoren mit Rahmen sind endlos. Sie werden seit Jahrzehnten verwendet, und die Hauptgründe für ihren Einsatz sind nicht nur Komfort und Sicherheit, sondern auch die Zeit bis zur Markteinführung und Wartung. Ein gerahmter Motor ist im Grunde derselbe rahmenlose Motor, der oben beschrieben wurde, nur mit mehreren Komponenten, die in den Motor integriert sind, darunter Lager, ein Gehäuse und häufig Encoder, Bremsen, Kabel, Stecker, Hallsensoren, Temperatursensoren usw. Der große Vorteil dieses Ansatzes ist die Zeit (schnellere Installation), da die Konstrukteure nicht alles oben Genannte herausfinden und nur die richtige Motorkonfiguration auswählen müssen, die für die Anwendung benötigt wird. Dies ist mit gewissen logischen Nachteilen verbunden, die mit Flexibilität, Kompaktheit, Gewicht und Kosten zusammenhängen, aber viele Vorteile bieten können, von der Lieferkette bis zum Design. Einige dieser endlosen Einsatzmöglichkeiten für Motoren mit Rahmen sind:

• Parallele Kinematik: Ein Beispiel für Parallelkinematik ist ein Delta-Roboter. Delta-Roboter werden in der Regel durch den herkömmlichen Antriebsstrang angetrieben, der aus einem BLDC-Motor und einem Getriebe besteht. In den letzten Jahren wurde auf dem Markt jedoch ein neuer Ansatz beobachtet, bei dem Direktantriebe (ein eingebauter Torquemotor) anstelle des langen Antriebsstrangs verwendet werden. Bei diesem Konzept wird in der Regel ein gerahmter Torquemotor verwendet, der eine Bremse und einen Encoder umfasst.
• Drehstufen: Drehstufen werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt und sind letztlich selbst ein gerahmter Motor. Der Unterschied zwischen einer Drehstufe und einem Motor mit Rahmen besteht im Grunde darin, dass es sich bei den Drehstufen eher um ein System als um einen Motor handelt. Sie sind in der Regel mit Präzisionslagern ausgestattet und verfügen über Elektronik oder zumindest eine entsprechende Empfehlung sowie messtechnische Werte für die von ihnen erreichte Präzision
• Verpackungsmaschinen: Motoren mit Rahmen werden in der Regel in Verpackungsmaschinen für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt, darunter Kartonverpackungen, Indexieren, Auf- und Abwickeln, Etikettieren usw. Da Verpackungsmaschinen ihren Betrieb nicht für längere Zeit unterbrechen können, ist der schnelle Austausch der Motoren im Fehlerfall von großer Bedeutung.

Technische Überlegungen

Überlegungen vor dem Kauf eines rahmenlosen Motors

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

• erforderliches Drehmoment und Geschwindigkeit
• Wärmemanagement
• Platzbeschränkungen
• Gewicht
• Versorgungsspannung und maximaler Eingangsstrom
• Anforderungen an die Präzision
• andere Komponenten im System

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Weitere Informationen zur Auswahl eines rahmenlosen Motors finden Sie in dem Artikel zu diesem speziellen Thema: https://www.alvaindustries.com/post/an-engineers-guide-to-frameless-motors.

Überlegungen vor dem Kauf eines gerahmten Motors

Bei der Wahl eines gerahmten Motors besteht der Unterschied hauptsächlich darin, dass die meisten Aspekte, die sich mit einem rahmenlosen Motor leicht ändern lassen, bereits eingestellt sind und nicht mehr geändert werden können oder einen gewissen Aufwand erfordern würden. Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören Gehäuse, Encoder, Stecker, Kabellänge, Bremse, Lager, Zertifizierungen, elektromagnetische Störungen usw. Alle anderen Überlegungen, die für den Motor ohne Rahmen erwähnt wurden, gelten auch für Motoren mit Rahmen. Hier werden einige der Besonderheiten von Motoren mit Rahmen erklärt:

• Encoder/Steuerung: Der Encoder im Motor ist nicht nur wichtig für die Positionierung und Präzision, sondern auch für die Geschwindigkeits- und Positionssteuerung des Motors (falls kein anderer Sensor eingebaut ist).
• Lager: Je nachdem, welche Art von Last mit dem Motor bewegt wird, wirken sich die Lager am Motor auf die Kapazität des Motors aus, nicht nur auf seine Drehmoment- und Drehzahlcharakteristik. Ebenso wird die Präzision der Bewegung auch von den ausgewählten Lagern beeinflusst.
• Bremse: Wenn der Motor eine Bremse enthält, stoppt er nicht nur den Motor ohne Last, sondern bremst auch die Last. Falls die Bremse nicht zuverlässig genug ist, könnte auch eine zweite Bremse eingebaut werden, aber das würde das System erheblich vergrößern.
• Wartungs- und Reparaturkosten: Einer der Hauptgründe für die Verwendung eines Motors mit Rahmen wie zuvor beschrieben ist, dass er einfach und schnell ausgetauscht werden kann. Einige Motoren erfordern jedoch ein gewisses Maß an Wartung, insbesondere beim Ölen und Reinigen der Lager. Wenn für den ausgewählten Motor ein gewisses Maß an Wartung erforderlich ist oder davon auszugehen ist, dass er vereinzelt repariert wird, ist es wichtig, die Auswirkungen einer solchen Wartung zu analysieren.
• Zertifizierungen: Da der Motor als eigenständiges System betrachtet werden kann, wäre es je nach Markt von Vorteil, auf Zertifizierungen zu zählen, die manchmal einfacher zu erhalten sind, wenn die Komponenten zertifiziert sind (CE, UL, ISO usw.).
• Steckverbinder: Motoren ohne Rahmen werden in der Regel mit umlaufenden Kabeln geliefert. Der Grund für diesen Ansatz ist, dass Kunden/Designer die Freiheit haben, den Stecker zu wählen, den sie bevorzugen. Motoren mit Rahmen hingegen versehen ihre Systeme in der Regel mit Steckverbindern. Das liegt daran, dass die Encoder ordnungsgemäß angeschlossen werden müssen. Davon profitieren auch andere Aspekte wie Zertifizierungen, EMI, Tests usw. Der richtige Anschluss am Motor hilft dabei, schnell das gewählte Laufwerk abzugleichen. Außerdem entfällt das lästige Suchen eines Adapters oder das Auswechseln des Steckers, wodurch die Garantie für die Komponente erlischt.
• Kabellängen: In Bezug auf das obige Thema wirkt sich die Tatsache, dass der Stecker bereits angebracht ist, darauf aus, wie lang das Kabel sein kann. Eine Verlängerung eines Kabels mit einer bestehenden Verbindung ist normalerweise schwieriger als eine mit umlaufenden Leitungen, da das Abschneiden des Kabels normalerweise entweder zum Erlöschen der Garantie führt oder EMI, die Leistung des Encoders usw. beeinträchtigt. Daher sollte die gewählte Kabellänge am Motor idealerweise der vom System benötigten Länge entsprechen.

Mechanische und elektrische Integration

Sobald der Motor für die Anwendung ausgewählt wurde, müssen Sie im nächsten Schritt sicherstellen, dass die Integration so reibungslos wie möglich verläuft. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten zu berücksichtigenden Punkte vorgestellt.

Integration eines rahmenlosen Motors

Ein rahmenloser Motor ist aus Sicht der Integration deutlich komplexer als ein gerahmter Motor. Bei der Erörterung der Integration eines Motorkits gibt es einige wichtige Themen, die nicht im Mittelpunkt dieses Artikels stehen. Alva hat jedoch eine Reihe von Videos und Artikeln zum Thema Integration veröffentlicht:

Integration eines gerahmten Motors

Ein gerahmter Motor ist einfacher zu integrieren und zu montieren als ein rahmenloser Motor. Es gibt jedoch einige Hindernisse, die bei der Ausführung der Arbeit vermieden werden müssen. Sobald der verfügbare Platz und die Größe des Motors berücksichtigt und die oben bei der Auswahl genannten Themen (Lager, Temperatur, Last, Encoder, Bremse, Kabel, EMI usw.) ordnungsgemäß behandelt wurden, sind dies einige der weiteren Aspekte, die bei der Montage zu berücksichtigen sind:

• Seitenlasten: Seitenlasten vermeiden, um die Lager nicht zu überlasten
• Ebenheit und Rundlauf: Analysieren Sie die Montageflächen gemäß den Anweisungen des Herstellers
• Konzentrizität und axiale Position: Verwenden Sie Abstandshalter oder vorgespannte Lager, um die Ausrichtung zu gewährleisten
• Befestigung (gegen Verdrehen): Schrauben mit der richtigen Länge mit Drehmoment verhindern, dass der Motor locker sitzt, was zu Kollisionen und Ausfällen führen kann.
• Kupplungen: Idealerweise werden keine verwendet, aber wenn sie verwendet werden müssen, müssen sie sehr steif und kurz sein.
• Trägheit und Steifigkeit: Um Tuning-Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, dass die Trägheit nicht mit der Last übereinstimmt
• Staub und Schmutz: Stellen Sie sicher, dass der Ort, an dem der Motor installiert wird, nicht zu viel Schmutz ausgesetzt ist. Wenn ja, schützt Sie den Motor, um die Lebensdauer des Systems zu verlängern und die Wartungshäufigkeit zu erhöhen.
• Wartungsfreundlichkeit: In Bezug auf das Thema Wartung ist es wichtig, den Motor an einem zugänglichen Ort aufzustellen, wenn die erwartete Wartungshäufigkeit hoch ist.
• Adapter und Zubehör: Schrauben, Bolzen, Klemmen, Klebstoff usw. Alle diese Zubehörteile sollten beim Hersteller überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie mindestens auf der Liste der bekannten Komponenten stehen, um spätere Überraschungen zu vermeiden.

Elektrische Integration

Die Überlegungen bei der Auswahl eines Motors aus elektrischer Sicht sind für rahmenlose und gerahmte Motoren ähnlich. Es gibt jedoch einige Unterschiede, die sich hauptsächlich auf die Komponenten beziehen, bei denen es sich nicht um den Motor selbst handelt. Bei diesen Komponenten handelt es sich um einen Encoder, einen Hallsensor, einen Temperatursensor, eine Bremse, einen Drehmomentsensor usw. Alle diese Komponenten müssen mit den für den Betrieb des Motors ausgewählten Antrieben kompatibel sein. Ist dies nicht der Fall, muss ein anderes Laufwerk ausgewählt werden, oder es wird ein Adapter benötigt.

Motorkonfigurationen: Sind alle gerahmten Motoren geschlitzte Motoren?

Die meisten gerahmten Torquemotoren basieren auf einer Statortechnologie namens „Slotted“. Der Unterschied zwischen geschlitzten und schlitzlosen Motoren wurde in einem anderen Artikel ausführlich erklärt: https://www.alvaindustries.com/post/slotless-motors-vs-slotted-motors

Der Grund für die Verbreitung von geschlitzen Motoren ist, dass bis vor Kurzem davon ausgegangen wurde, dass geschlitzte Motoren eine höhere Leistung (höhere Drehmomente) bieten als Motoren ohne Schlitze. Alvas Durchbruch am FiberPrinting™ hat diese Mauer durchbrochen, und zum ersten Mal überhaupt sind Motoren ohne Schlitze in ihrer Gesamtleistung wettbewerbsfähig mit geschlitzten Motoren und bieten gleichzeitig leichtere Lösungen.

Die Alva-Motoren zeichnen sich durch eine hohe Motorkonstante pro Masseneinheit aus und übertreffen in der Regel Schlitzmotoren mit demselben Durchmesser. Dank ihrer schlitzlosen Bauweise weisen Alva-Motoren praktisch kein Rastmoment auf und bieten eine hochlineare Drehmomentcharakteristik über das gesamte Lastspektrum.

Darüber hinaus ermöglicht die dünne, schlitzlose Topologie mit großem Innendurchmesser die Integration von Getrieben, Encodern, Sensoren und anderen Komponenten in der Mitte – ein besonders attraktives Merkmal bei der Konstruktion kompakter Systeme.

Gerahmte Motoren von Alva

Motoren mit Rahmen gehören derzeit noch nicht zur Standardausstattung von Alva Industries AS. Alva bietet jedoch Entwicklungskits an, wie in Abbildung 6 dargestellt, die einen schnellen Test der Technologie für diejenigen ermöglichen, die noch nicht mit rahmenlosen Motoren gearbeitet haben oder nicht die Zeit haben, das richtige Tischprüfgerät zu entwickeln.

Gerahmte Motoren von Alva von Drittanbietern

Die Tatsache, dass Alva rahmenlose Motoren anbietet, hat es anderen Herstellern ermöglicht, gerahmte Motoren zu entwickeln, die auf dem Design von Alva basieren. Wenn Sie nach einem gerahmten Design suchen oder daran interessiert sind, eines im Handel erhältlich zu machen, wenden Sie sich an sales@alvaindustries.com.

Hybride zwischen rahmenlosen und gerahmten Motoren

Mit den SlimTorq™-Motoren von Alva ist ein dritter Ansatz möglich. Da der Stator von FiberPrinted™-Motoren in einen Ring eingegossen werden muss, um eine solide Struktur zu erhalten, kann es sich bei diesem Ring entweder um einen Ring handeln, der von Alva entworfen wurde, oder um ein anderes Design, das besser zur Wahl des Designers passt. Diese kundenspezifische Rahmenkonstruktion ist eine Alternative zu Motoren ohne Rahmen und mit Rahmen. Sie bietet immer noch die Flexibilität und Kompaktheit von rahmenlosen Motoren, bietet jedoch die einfache Montage von gerahmten Lösungen. Abbildung 7 ist ein Beispiel dafür. Um mehr darüber zu erfahren, wenden Sie sich an sales@alvaindustries.com.