Bei optoelektronischen Stabilisierungskardangelenken, Roboter-Universalgelenken, Flugerkennungsgeräten und tragbaren Exoskeletten erfordern die Geräte häufig Antriebseinheiten, die sich in mehreren Winkeln bewegen lassen, eine hohle Kabelführung, ein extrem leichtes Design und einen reibungslosen, vibrationsfreien Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Viele ausländische Forschungs- und Entwicklungsingenieure verwechseln häufig herkömmliche rahmenlose Robotergelenkmotoren mit kardanisch rahmenlosen Motoren . Allerdings sind diese beiden Motortypen für sehr unterschiedliche Betriebsbedingungen optimiert.
Was ist ein kardanisch rahmenloser Motor?
Grundlegende Definition
Ein kardanischer rahmenloser Motor, auch bekannt als kardanischer rahmenloser Torquemotor , ist ein spezieller Typ eines bürstenlosen rahmenlosen Permanentmagnetmotors, der speziell für kardanische Stabilisierungsplattformen und mehrachsige Universalgelenke entwickelt wurde.
Wie standardmäßige rahmenlose Motoren wird der Motor nur als Statorwicklungsbaugruppe + Permanentmagnetrotor geliefert . Es enthält kein Gehäuse, keine Lager und keine Abtriebswelle. Er kann nicht als eigenständiger Motor betrieben werden und muss direkt in die mechanische Struktur des Gimbals integriert werden.
Der größte Unterschied zwischen einem kardanisch rahmenlosen Motor und einem herkömmlichen rahmenlosen Robotermotor mit Robotergelenk ist sein dünnes, flaches Magnetkreisdesign , das für ein Haltemoment bei niedrigen Drehzahlen und ein extrem niedriges Rastmoment optimiert ist.
Das primäre Ziel ist nicht die Hochgeschwindigkeitsrotation, sondern:
Hin- und Herbewegung mit kleinem Winkel
Präzise Haltungshaltung
Reibungslose Positionierung bei niedriger Geschwindigkeit
Vibrationsunterdrückung
Stabiler Betrieb in kardanischen Mechanismen
Der Stator ist am Basisgehäuse des Gimbals befestigt, während der Rotor direkt an der Hauptdrehwelle des Gimbals montiert ist. Für die Rotationsunterstützung sorgen Kreuzrollenlager oder Präzisions-Miniaturlager des Gimbals.
Eine große zentrale Hohlbohrung ist für Signal- und Stromkabel reserviert und verhindert wiederholtes Biegen und Verschleiß der Kabel bei Bewegungen in mehreren Winkeln.
Encoder, Temperatursensoren, Bremsen und Motortreiber sind normalerweise nicht im Motor selbst enthalten . Diese Komponenten werden vom Systemhersteller entsprechend den Anforderungen der Gesamtausrüstung ausgewählt und integriert.
Zwei Hauptstrukturtypen von kardanisch rahmenlosen Motoren
Rahmenloser Motor mit kardanischem Außenrotor
Der Rotor umgibt die Außenseite des Stators und ist damit die am weitesten verbreitete Konfiguration für kardanische Stabilisierungssysteme.
Seine flache, pfannkuchenartige Struktur sorgt für ein höheres Haltemoment bei gleichem Außendurchmesser und sorgt gleichzeitig für eine moderate Rotorträgheit und eine gleichmäßige Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit.
Es ist geeignet für:
Kamerastabilisierungskardanringe
Optoelektronische Erkennungsplattformen
Kleine Roboter-Universalgelenke
Kompakte Stabilisierungssysteme
Die meisten kardanischen Motorserien von HOLRY verwenden eine Außenrotorkonfiguration.
Rahmenloser Motor mit kardanischem Innenrotor
Bei einer Innenrotorkonfiguration ist der Rotor im Stator positioniert.
Dieses Design bietet:
Es wird häufig verwendet in:
Miniatur-Kardanmechanismen
Geschickte Roboterhandgelenke
Kleine Flugausrüstung
Kompakte Präzisionsbewegungssysteme
Kardanische rahmenlose Motoren im Vergleich zu herkömmlichen rahmenlosen Roboter-Gelenkmotoren
Viele Ingenieure versuchen, herkömmliche rahmenlose Robotermotoren in kardanischen Plattformen zu verwenden. Dies kann oft zu Vibrationen bei niedriger Geschwindigkeit und einer instabilen Positionierung führen.
Der Hauptgrund dafür ist, dass die beiden Motortypen für unterschiedliche Magnetkreis- und Betriebsanforderungen optimiert sind.
Konventionelle rahmenlose Gelenkmotoren für Roboter
Konstruktionsziel: Hohes Dauerdrehmoment, kontinuierliche Drehung mit großem Winkel und Betrieb bei mittlerer Drehzahl.
Rastmoment: Die Anforderungen an das Rastmoment sind relativ gering, da der Motor in erster Linie für eine kontinuierliche Roboterrotation ausgelegt ist.
Formfaktor: Im Allgemeinen dicker, mit starkem Fokus auf eine hohe Drehmomentabgabe.
Betriebsbedingungen: Kontinuierliche Hin- und Herbewegung oder große Drehung mit trägheitsdominierten Lasten.
Typische Anwendungen: Einachsige Schulter-, Ellenbogen-, Hüft- und Kniegelenke in humanoiden Robotern.
Kardanisch rahmenlose Motoren
Konstruktionsziel: Kleinwinkelbewegung bei niedriger Geschwindigkeit, Haltungshaltung, Störungsunterdrückung und Vibrationsunterdrückung.
Optimierung des Magnetkreises: Schräge Magnete und Teilschlitzwicklungen werden verwendet, um das Rastmoment zu minimieren und eine reibungslose Mikrowinkelbewegung sicherzustellen.
Formfaktor: Die flache und dünne Konstruktion reduziert die Gesamtgröße und das Gewicht des Gimbals.
Betriebsbedingungen: Häufige Hin- und Herbewegung mit kleinem Winkel und statische Positionshaltung gegen äußere Störungen. Eine hohe Drehzahl ist im Allgemeinen nicht erforderlich.
Typische Anwendungen: Optoelektronische Kardangelenke, Robotergelenke, Erkennungs- und Scanmechanismen und tragbare Exoskelettgelenke.
Rahmenlose Kardanmotoren im Vergleich zu herkömmlichen, vollständig geschlossenen Kardanmotoren
Viele handelsübliche Kardanmotoren werden als komplette Einheiten mit Gehäuse und Lagern geliefert.
Ihr Hauptvorteil ist der Plug-and-Play-Komfort . Allerdings können ihre festen Gehäuseabmessungen und -dicken die tiefe Integration in Gerätehohlräume einschränken. Ihre Hohlbohrungsgröße kann ebenfalls eingeschränkt sein, was eine umfassende Anpassung auf Systemebene erschwert.
Ein kardanisch rahmenloser Motor hingegen ist direkt in die mechanische Struktur des Endgeräts integriert.
Dies bietet eine größere Designflexibilität und macht rahmenlose Motoren besonders für OEM-Anpassungs- und Massenproduktionsprojekte geeignet.
Hauptvorteile kardanisch rahmenloser Motoren
Extrem niedriges Rastmoment für sanfte, vibrationsfreie Bewegungen bei niedriger Geschwindigkeit
Eine der größten Herausforderungen bei kardanischen Plattformen sind Vibrationen bei niedriger Geschwindigkeit und plötzliche Lageänderungen.
Kardanisch rahmenlose Motoren nutzen Technologien wie schräge Permanentmagnete und Teilschlitzwicklungen, um das Rastmoment deutlich zu reduzieren.
Dies ermöglicht:
Sanfte Mikrowinkelbewegung
Stabile Haltung
Bessere Beständigkeit gegen äußere Vibrationen
Stabile optische Bildgebung und Erkennung
Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für optoelektronische Stabilisierungssysteme, bei denen bereits kleine motorbedingte Störungen die Bildqualität beeinträchtigen können.
Flaches und dünnes Design für leichte, kompakte Geräte
Durch den Verzicht auf unnötige Komponenten wie Gehäuse und Endabdeckungen verfügt der Motor über eine kompakte Pancake-Struktur, die die axiale Dicke deutlich reduziert.
Im Vergleich zu vollständig geschlossenen Kardanmotoren mit ähnlichem Drehmoment können rahmenlose Motoren ein wesentlich geringeres Gewicht erreichen.
Dadurch eignen sie sich besonders für platzbeschränkte Anwendungen wie:
Große Hohlbohrung für zuverlässige interne Kabelführung
Eine große zentrale Hohlbohrung ermöglicht die direkte Durchführung von Signal- und Stromkabeln durch den Motor.
Während der Bewegung des Gimbals in mehreren Winkeln können die Kabel durch die Mitte geführt bleiben, anstatt sich wiederholt um den Mechanismus zu biegen.
Das hilft:
Reduzieren Sie die Kabelermüdung
Minimieren Sie Kabelschäden
Vereinfachen Sie die Systemverkabelung
Verbessern Sie die langfristige Gerätezuverlässigkeit
Direktantrieb ohne Spiel für hochpräzise Positionierung
Der Rotor ist direkt an der Hauptdrehwelle des Kardanrings montiert, wodurch Kupplungen und Untersetzungsgetriebe entfallen.
Dadurch wird das Getriebespiel beseitigt und Folgendes ermöglicht:
Diese Eigenschaften sind besonders wertvoll bei Präzisionsdetektions- und optischen Verfolgungsgeräten.
Flexibles Wärmemanagement für statische Halteanwendungen
Kardanische Mechanismen bleiben häufig längere Zeit in einem statischen Positionshaltezustand. Während dieser Zeit können die Wicklungen kontinuierlich unter Spannung stehen und Wärme erzeugen.
Da der Stator eines rahmenlosen Motors direkt auf der kardanischen Basis aus Aluminiumlegierung montiert werden kann, kann die Wärme direkt in das Gehäuse übertragen werden.
Abhängig von der Betriebsumgebung können auch Verguss und thermische Kapselung zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingesetzt werden.
Dadurch wird eine Überhitzung bei längerem Halten der Fluglage verhindert.
Hohe Individualisierung für globale OEM-Projekte
Die rahmenlosen kardanischen HOLRY-Motoren unterstützen die individuelle Anpassung von:
Die Motoren können für 24-V-/48-V-Niederspannungs-Gleichstromsysteme konfiguriert und an anspruchsvolle Überseeumgebungen, einschließlich Bedingungen mit hohen, niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit, angepasst werden.
HOLRY kann auch umfassende technische Dokumentation in englischer Sprache zur Unterstützung internationaler OEM-Projekte bereitstellen.
Einschränkungen kardanisch rahmenloser Motoren
Trotz ihrer Vorteile weisen kardanisch rahmenlose Motoren auch einige inhärente Einschränkungen auf.
1. Höhere Integrationsanforderungen
Da der Motor weder über Lager noch über ein Gehäuse verfügt, muss das Systemtechnikteam den mechanischen Hohlraum entwerfen, Präzisions-Miniaturlager auswählen, Montagewerkzeuge entwickeln und den Encoder anpassen.
Daher sind diese Motoren nicht ideal für Kunden ohne ausreichende elektromechanische Integrationsfähigkeiten.
2. Sehr empfindlich gegenüber Montagekonzentrizität
Kardanische Mechanismen sind oft kompakt und weisen sehr kleine Rotor-Stator-Luftspalte auf.
Eine Fehlausrichtung der Baugruppe kann zu einem Kontakt zwischen Rotor und Stator, erhöhten Vibrationen und sogar einem Motorausfall führen.
Für ausländische Kunden ohne Präzisionsmontagekapazitäten kann das Ausfallrisiko erheblich steigen.
3. Nicht für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet
Der Motor ist in erster Linie für langsame Bewegungen und Haltemomente optimiert und nicht für kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsrotationen.
Hauptanwendungen von kardanisch rahmenlosen Motoren
Optoelektronische Detektionskardanringe
Typische Anwendungen sind:
Luftgestützte Kardanringe
Bodengestützte Überwachungsstabilisierungsplattformen
Laserscanner-Kardanmechanismen
Diese Systeme müssen externen Vibrationen standhalten und eine stabile optische Ausrichtung aufrechterhalten.
Die dünne Motorstruktur spart wertvollen Installationsraum, während die Hohlbohrung die Verlegung von optischen, Signal- und Stromkabeln vereinfacht.
Roboter-Universalgelenke
Gimbal-rahmenlose Motoren können verwendet werden in:
Sie bieten Bewegungsfreiheit mit mehreren Freiheitsgraden, reduzieren gleichzeitig das Gewicht des Endeffektors und ermöglichen eine reibungslose Mikroeinstellung beim Greifen und Manipulieren.
Tragbare Exoskelette und Rehabilitationsgeräte
Zu den Anwendungen gehören:
Tragbare Exoskelettgelenke
Mechanismen des Rehabilitationstrainings
Kompakte unterstützende Bewegungssysteme
Das Gewicht ist ein entscheidender Faktor bei tragbaren Geräten. Das leichte Design der rahmenlosen Motoren trägt in Kombination mit der sanften Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit dazu bei, den Benutzerkomfort und die Sicherheit zu verbessern.
Spezialisierte kardanische Präzisionsmechanismen für Industrie und Medizin
Mögliche Anwendungen sind:
Rotationsmodule für medizinische Bildgebung
Präzisionspositionierungsplattformen für das Labor
Spezialisierte Inspektionsausrüstung
Präzisionserkennungssysteme
Diese Anwendungen erfordern normalerweise:
Nicht empfohlene Anwendungen: Hochgeschwindigkeits-Kontinuierliche Rotationsmechanismen, schnelle Prototypen ohne ausreichende mechanische Integrationsfähigkeiten und einfache einachsige Anwendungen mit hohem Drehmoment. Herkömmliche rahmenlose Gelenkmotoren sind für diese Anwendungen in der Regel besser geeignet.
Fünf Schlüsselfaktoren bei der Auswahl eines kardanisch rahmenlosen Motors
Viele Kunden in Übersee wählen Motoren in erster Linie nach Drehmomentwerten aus und übersehen dabei kardanspezifische Parameter wie Rastmoment, Haltemoment, Motordicke und Rotorträgheit.
Dies kann zu Schwierigkeiten bei der Systemintegration und Inbetriebnahme führen.
Unterscheiden Sie das Haltedrehmoment vom Spitzendrehmoment
Bei den meisten kardanischen Anwendungen handelt es sich um eine statische Haltungshaltung und eine Hin- und Herbewegung in kleinem Winkel.
Der Schlüsselparameter ist daher das kontinuierliche Haltemoment , das die Widerstandsfähigkeit des Motors gegen äußere Störungen bestimmt.
Das Spitzendrehmoment ist hauptsächlich für kurzzeitige Beschleunigungen und schnelle Bewegungen relevant.
Für Hochtemperaturumgebungen in Übersee wird empfohlen, eine Drehmoment-Sicherheitsmarge von 20–30 % beizubehalten , anstatt einen Motor ausschließlich auf der Grundlage seines Spitzendrehmoments auszuwählen.
Achten Sie genau auf das Rastmoment
Das Rastmoment ist einer der wichtigsten Parameter für Kardanmotoren, da es sich direkt auf die Laufruhe und Vibrationen bei niedrigen Drehzahlen auswirkt.
Für optoelektronische und präzisionskardanische Anwendungen wird empfohlen, Motoren zu priorisieren mit:
Rastmoment ≤ 2 % des Nenndrehmoments
Herkömmliche rahmenlose Robotermotoren haben im Allgemeinen weniger strenge Anforderungen an das Rastmoment. Der direkte Einsatz in kardanischen Plattformen kann leicht zu Vibrationen und Positionierungsabweichungen führen.
Überprüfen Sie die Motordicke, den Außendurchmesser und die Hohlbohrung
Der Innenraum kardanischer Mechanismen ist oft äußerst begrenzt.
Die axiale Dicke ist daher eine entscheidende Designbeschränkung.
Auch der Durchmesser der Hohlbohrung muss überprüft werden, um ausreichend Platz für Signal- und Stromkabel zu gewährleisten.
HOLRY unterstützt maßgeschneiderte flache und dünne Motordesigns für kompakte mechanische Hohlräume.
Passen Sie die Rotorträgheit an
Gimbal-Systeme müssen schnell auf äußere Störungen reagieren.
Daher sollte die Rotorträgheit sorgfältig auf das mechanische System abgestimmt werden.
Wenn die Trägheit zu hoch oder schlecht angepasst ist, kann die Plattform schwingen und die PID-Abstimmung kann schwierig werden.
Bei der Auswahl eines Motors sollte der Lieferant den Trägheitswert des Rotors angeben , damit der Systemhersteller dynamische Simulationen und Berechnungen zur Bewegungssteuerung durchführen kann.
Berücksichtigen Sie die Umwelt- und Elektroanforderungen im Ausland
In Hochtemperaturregionen kann zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ein Wicklungsverguss erforderlich sein.
Für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen sollten tieftemperaturbeständige Magnete ausgewählt werden, um das Risiko einer Entmagnetisierung zu verringern.
Außerdem muss die Busspannung des Motors mit der Systemstromversorgung kompatibel sein.
Für internationale OEM-Projekte sollten Lieferanten idealerweise Folgendes bereitstellen:
Häufige Integrationsfehler
Fehler 1: Ersetzen eines kardanischen rahmenlosen Motors durch einen herkömmlichen rahmenlosen Robotermotor
Herkömmliche rahmenlose Motoren sind im Allgemeinen für große Drehwinkel optimiert.
Ihr Rastmoment ist möglicherweise zu hoch für kardanische Bewegungen in kleinen Winkeln, was zu kontinuierlichen Vibrationen und einer instabilen Haltung der Lage führt.
Auch wenn der Drehmomentwert übereinzustimmen scheint, wird ein direkter Austausch im Allgemeinen nicht empfohlen.
Fehler 2: Behandeln Sie es wie einen kompletten Gimbal-Motor
Ein kardanisch rahmenloser Motor besteht normalerweise nur aus Stator und Rotor.
Die für ein komplettes Kardansystem erforderlichen Lager, mechanische Unterstützung oder Encoder sind nicht im Lieferumfang enthalten.
Es kann nicht einfach als eigenständiger, fertiger Gimbal-Motor betrieben werden.
Eine direkte Bestromung ohne ordnungsgemäße mechanische Integration kann zu Rotor-Stator-Kontakten und Schäden am Permanentmagneten führen.
Fehler 3: Konzentrizitäts- und Luftspaltanforderungen ignorieren
Kardanische Mechanismen sind kompakt und haben oft sehr kleine Rotor-Stator-Luftspalte.
Eine schlechte Rundlaufgenauigkeit kann zu Folgendem führen:
Vibration
Lärm
Rotor-Stator-Kontakt
Erhöhter Verschleiß
Motorschaden
Der Lieferant sollte eine klare englische Montagedokumentation vorlegen, in der die erforderlichen Luftspalt- und Konzentrizitätstoleranzen angegeben sind.
Fehler 4: Konzentrieren Sie sich nur auf das Drehmoment und ignorieren Sie das Rastmoment
Ein Motor kann ein ausreichendes Drehmoment liefern und dennoch ein übermäßiges Rastmoment aufweisen.
Dies kann zu Vibrationen bei niedriger Geschwindigkeit, instabilen Gimbal-Bewegungen und Bildverwacklungen in optischen Systemen führen.
Beim Kauf eines kardanisch rahmenlosen Motors sollten Käufer tatsächliche Testdaten zum Rastmoment anfordern. vom Lieferanten
Fehler 5: Ignorieren des Wärmemanagements beim statischen Halten
Gimbal-Systeme können über längere Zeiträume in einer bestimmten Position fixiert bleiben, wodurch die Wicklungen weiterhin unter Strom stehen und Wärme erzeugen.
Da der rahmenlose Motor nicht über eine eigene vollständige Kühlstruktur verfügt, muss die Wärmeableitung stark vom kardanischen Gehäuse abhängen.
Bei Anwendungen in heißen Klimazonen sollte das thermische Design zu Beginn des Projekts evaluiert werden.
Andernfalls kann es zu Überhitzung und Entmagnetisierung des Permanentmagneten kommen.
FAQ
F1: Benötigt ein kardanisch rahmenloser Motor ein Getriebe?
A: Die meisten kardanischen Plattformen verwenden eine Direktantriebskonfiguration und benötigen kein Getriebe.
Ein Miniatur-Präzisionsgetriebe ist möglicherweise nur für schwere oder hochbelastete Kardanmechanismen erforderlich.
F2: Enthält ein kardanisch rahmenloser Motor einen Encoder und eine Bremse?
A: Standardprodukte enthalten im Allgemeinen keinen Encoder und keine Bremse.
Hierbei handelt es sich um Komponenten auf Systemebene, die entsprechend den Anforderungen der gesamten Ausrüstung ausgewählt werden.
HOLRY kann Sensormontageschnittstellen reservieren, um die Encoder-Integration durch den Gerätehersteller zu erleichtern.
F3: Welche technischen Dokumente sollten ausländische Käufer vom Lieferanten anfordern?
A: Die empfohlene Dokumentation umfasst:
Motordatenblatt
Drehmoment- und Haltemomentkurven
Testbericht zum Rastmoment
Daten zur Rotorträgheit
Anforderungen an den Rotor-Stator-Luftspalt
Rundlauf- und Montagetoleranzen
Wicklungswiderstands- und Induktivitätsparameter
Englische Montageanleitung
Relevante Export- und Zertifizierungsdokumente
F4: Wie sollte ich zwischen einem kardanischen und rahmenlosen Motor mit Außenrotor und Innenrotor wählen?
A: Für Anwendungen, die ein höheres Haltemoment und eine flache, dünne Kardanstruktur erfordern, Außenrotorkonstruktion bevorzugt. wird im Allgemeinen eine
Für Miniaturmechanismen, bei denen extrem niedrige Trägheit und schnelle dynamische Reaktion im Vordergrund stehen, ist ein Innenrotordesign möglicherweise besser geeignet.
F5: Was sind die häufigsten Fehlerursachen bei kardanisch rahmenlosen Motoren?
A: Zu den häufigsten Fehlerursachen gehören:
Übermäßiges Rastmoment verursacht Vibrationen
Schlechte Konzentrizität der Baugruppe verursacht Rotor-Stator-Kontakt
Unzureichendes Wärmemanagement beim statischen Halten
Überhitzung und Entmagnetisierung des Permanentmagneten
Falsche Motor-Treiber-Parameteranpassung
Falsche Steuerparameter führen zu Lageschwankungen
Abschluss
HOLRY ist auf die Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung von kardanischen, rahmenlosen Motoren und rahmenlosen Torquemotoren spezialisiert.
HOLRY bietet sowohl standardmäßige als auch kundenspezifische kardanisch rahmenlose Motoren an, einschließlich Innenrotor- und Außenrotor-Flachmotorserien , für Anwendungen wie optoelektronische Kardangelenke, Roboterhandgelenke, tragbare Exoskelette und Präzisionsstabilisierungsgeräte.
Mit umfassender englischsprachiger technischer Dokumentation und OEM-Engineering-Unterstützung unterstützt HOLRY globale Kunden während des gesamten Produktlebenszyklus, von der Prototypenentwicklung bis zur Massenproduktion.
Wenn Sie derzeit einen Motor für ein kardanisches Antriebssystem auswählen, wenden Sie sich technische Team von HOLRY, um eine unter Angabe Ihrer Lastbedingungen, des verfügbaren Installationsraums und des Zielexportmarkts an das kostenlose Bewertung der Motorauswahl zu erhalten.
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