Cos'è il motore senza telaio

Molti responsabili degli acquisti e ingegneri tendono a confondere i motori senza telaio con i motori servotorque convenzionali , o addirittura presumono che un motore senza telaio sia semplicemente un motore standard con l'alloggiamento rimosso.

In effetti, un motore senza telaio non è un motore completo che può essere installato e azionato direttamente . Si tratta invece di un insieme di componenti principali del motore elettromagnetico costituito principalmente da uno statore e un rotore. Non include l'alloggiamento, i cuscinetti, l'albero di uscita, i coperchi terminali o altre strutture meccaniche. Gli ingegneri devono integrare il motore direttamente nell'apparecchiatura stessa.

Definizione di base e struttura centrale

Cos'è un motore senza telaio?

Un servomotore convenzionale è un motore completo e autonomo. L'alloggiamento, i cuscinetti, l'albero e gli avvolgimenti sono completamente integrati. Gli utenti devono semplicemente montare il motore e collegare il carico tramite un giunto prima dell'uso.

Un motore senza telaio, al contrario, viene fornito come due componenti principali:

Statore (nucleo laminato con avvolgimenti) + Rotore (con magneti permanenti)

Non include alloggiamento, cuscinetti, albero di uscita o coperchi terminali.

L'alloggiamento dell'attrezzatura funge da alloggiamento del motore, mentre i cuscinetti dell'attrezzatura supportano il rotore. L'albero principale della macchina passa direttamente attraverso il foro del rotore, consentendo al motore di diventare parte integrante della macchina completa.

Analisi dei due componenti principali

Statore:
Lo statore è costituito da fogli laminati di silicio-acciaio e avvolgimenti in rame. È montato saldamente all'interno dell'alloggiamento dell'apparecchiatura e genera un campo magnetico rotante quando energizzato.

Alcuni modelli includono sensori di temperatura integrati per la protezione dal surriscaldamento. Anche i sensori Hall e le basi di montaggio dell'encoder possono essere configurati in base alle esigenze del cliente.

Rotore:
il rotore contiene o è collegato a magneti permanenti ad alte prestazioni ed è montato direttamente sull'albero principale rotante della macchina, che ruota insieme al carico.

I motori senza telaio sono generalmente disponibili in due configurazioni strutturali: design con rotore interno e rotore esterno.

• I motori con rotore interno presentano un'inerzia inferiore e una risposta più rapida.

• I motori con rotore esterno hanno un diametro del rotore maggiore e forniscono una coppia più elevata a basse velocità, rendendoli adatti per applicazioni con giunti per carichi pesanti.

Come funziona un motore senza telaio?

Il principio di funzionamento è essenzialmente lo stesso di un servomotore brushless.

Il servoazionamento fornisce corrente trifase agli avvolgimenti dello statore, generando un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico fa ruotare il rotore del magnete permanente in modo sincrono.

Un encoder esterno viene generalmente utilizzato per ottenere il controllo ad anello chiuso di posizione, velocità e coppia.

La differenza fondamentale è che tutte le strutture di supporto meccanico sono fornite dalla macchina stessa , mentre i componenti del motore sono i principali responsabili della generazione della coppia e della velocità di rotazione.

Motore senza telaio e servomotore convenzionale chiuso

Vantaggi principali dei motori frameless

Densità di coppia estremamente elevata, dimensioni ridotte e peso inferiore

Eliminando l'alloggiamento del motore e le strutture meccaniche non necessarie, i motori senza telaio possono ridurre significativamente la lunghezza assiale mantenendo la stessa coppia erogata.

Il peso complessivo dell'apparecchiatura può essere ridotto di circa il 20-40% , rendendo i motori senza telaio particolarmente adatti per applicazioni con vincoli di spazio e sensibili al peso come giunti robotici, dispositivi medici portatili e apparecchiature aeree.

Elimina la trasmissione intermedia, gioco zero e maggiore precisione di posizionamento

Il rotore può essere montato direttamente sull'albero di carico, eliminando i componenti intermedi della trasmissione come giunti, cinghie di distribuzione e ingranaggi.

Ciò aiuta a eliminare il gioco della trasmissione, ad aumentare la rigidità del sistema, a migliorare la velocità di risposta e a ottenere una precisione di posizionamento ripetibile estremamente elevata.

Di conseguenza, i motori frameless sono particolarmente adatti per applicazioni di movimento di precisione.

Elevata integrazione e maggiore flessibilità di progettazione

Molti motori senza telaio presentano un design ad anello cavo di grandi dimensioni. Cavi, tubi e altri componenti possono passare direttamente attraverso il foro cavo centrale del motore.

Ciò semplifica notevolmente il passaggio interno dei cavi ed è particolarmente utile in applicazioni quali giunti robotici e tavole rotanti.

Gestione termica flessibile

Poiché lo statore può essere montato direttamente contro l'alloggiamento dell'apparecchiatura, l'alloggiamento della macchina stessa può fungere da base per la dissipazione del calore.

Il sistema può utilizzare il raffreddamento naturale o incorporare canali di raffreddamento ad acqua o olio, rendendo i motori senza telaio adatti al funzionamento continuo a coppia elevata.

Adatto per ambienti speciali e applicazioni di esportazione personalizzate

I componenti del motore possono essere protetti in modo speciale per ambienti operativi impegnativi, comprese applicazioni con vuoto, ad alta e bassa temperatura e ad alta umidità.

Ciò li rende adatti per apparecchiature mediche, sistemi aerospaziali, apparecchiature per semiconduttori e altre applicazioni che richiedono certificazioni internazionali per i mercati di esportazione.

Limitazioni intrinseche dei motori frameless

Requisiti ingegneristici più elevati a livello di sistema

Un motore senza telaio non è una soluzione plug-and-play. Il team di ingegneri delle apparecchiature deve gestire la progettazione della struttura meccanica, la selezione dei cuscinetti, la concentricità dello statore-rotore, l'integrazione dell'encoder e la gestione termica.

Il carico di lavoro di sviluppo è quindi significativamente più elevato rispetto a quello di un servomotore convenzionale, rendendo i motori frameless meno adatti a piccoli progetti o alla prototipazione rapida.

La gestione termica diventa responsabilità della progettazione delle apparecchiature

Un motore senza telaio non ha una propria struttura di raffreddamento integrata.

Se l'apparecchiatura non fornisce una sufficiente dissipazione del calore, il funzionamento continuo può facilmente provocare allarmi di surriscaldamento o smagnetizzazione del magnete permanente.

Questo è uno dei punti di fallimento più comuni nei progetti di apparecchiature all'estero.

Requisiti di assemblaggio rigorosi

Il traferro tra lo statore e il rotore è molto piccolo. Il disallineamento o il montaggio eccentrico possono causare corrente anomala, vibrazioni eccessive e sfregamento o danni al magnete permanente.

Pertanto, vengono imposti requisiti severi ai processi di assemblaggio, agli impianti e alle attrezzature di fabbrica.

Il costo totale potrebbe non essere inferiore per i progetti in piccoli lotti

Il kit motore stesso può offrire un vantaggio in termini di costi. Tuttavia, una volta inclusi lo sviluppo meccanico, le attrezzature, gli encoder, i cuscinetti e altri componenti, il costo totale di un progetto in piccoli lotti può effettivamente essere superiore rispetto all’acquisto di un servomotore completo.

I vantaggi in termini di costi dei motori frameless sono generalmente più evidenti nella produzione OEM di grandi volumi.

Quando dovresti scegliere un servomotore chiuso convenzionale?

Per linee di automazione standard, macchine utensili convenzionali, sistemi di trasporto, progetti con risorse ingegneristiche limitate, requisiti di implementazione rapida o prototipi in piccoli lotti, un servomotore completo è generalmente la scelta migliore.

Riduce la complessità dello sviluppo e il rischio complessivo del progetto.

Principali industrie di applicazione dei motori frameless

Robotica: il più grande mercato applicativo

I robot collaborativi, le articolazioni dei robot umanoidi, i robot quadrupedi e i robot esoscheletrici sono le principali aree di applicazione.

I motori senza telaio cavo sono diventati una soluzione tradizionale per i giunti robotici perché possono fornire una coppia elevata in uno spazio di installazione limitato fornendo al contempo un comodo passaggio dei cavi interno.

La domanda globale degli OEM continua a crescere.

Attrezzature mediche di precisione

Le applicazioni includono robot chirurgici, apparecchiature per la riabilitazione e tavole rotanti mediche.

Le apparecchiature mediche impongono severi requisiti in termini di dimensioni, peso, pulizia e sicurezza.

I motori senza telaio possono essere integrati direttamente nell'apparecchiatura, riducendo al minimo i componenti di trasmissione esposti e contribuendo a soddisfare i requisiti di certificazione delle apparecchiature mediche all'estero.

Semiconduttori e automazione di precisione

Le applicazioni includono stadi rotanti di wafer e meccanismi rotanti di ispezione di precisione.

Questi sistemi privilegiano il gioco zero e l'elevata rigidità. La guida diretta del carico riduce gli errori introdotti dai sistemi di trasmissione convenzionali.

Attrezzature aerospaziali e per usi speciali

Le applicazioni includono attuatori aerei e giunti cardanici elettro-ottici o per sensori.

Queste applicazioni richiedono un rigoroso controllo del peso e un funzionamento affidabile in condizioni impegnative di alta e bassa temperatura.

Macchine utensili di fascia alta e tavole rotanti ad azionamento diretto

I motori senza telaio possono essere integrati direttamente nelle tavole rotanti per fornire una rotazione ad azionamento diretto.

Ciò elimina i tradizionali meccanismi di trasmissione a vite senza fine e migliora la velocità di rotazione e la precisione di posizionamento.

Applicazioni non consigliate:
per le linee di produzione convenzionali, le apparecchiature di incisione standard e i meccanismi di trasmissione semplici, l'utilizzo di un motore senza telaio può solo aumentare la complessità dello sviluppo senza fornire vantaggi significativi in ​​termini di prestazioni.

Cinque punti chiave per la selezione e l'integrazione dei motori frameless

Distinguere la coppia continua dalla coppia di picco

La scelta del motore deve essere basata sulle effettive condizioni operative dell'apparecchiatura.

Gli ingegneri devono distinguere tra coppia RMS continua e coppia di picco a breve termine.

Molti clienti selezionano i motori solo in base alla coppia di picco, ignorando i requisiti di coppia continua durante il funzionamento a lungo termine. Ciò può causare surriscaldamento e guasti al motore.

Per le apparecchiature esportate in diversi mercati esteri e ambienti operativi, è sempre necessario riservare un margine di sicurezza di coppia sufficiente.

Struttura meccanica e controllo della concentricità

Lo statore deve essere fissato saldamente al telaio della macchina, mentre il rotore deve essere saldamente collegato all'albero principale.

Il traferro statore-rotore deve essere rigorosamente mantenuto.

Una concentricità non corretta può provocare vibrazioni, rumore e usura del magnete permanente.

Per le attrezzature destinate all'esportazione, si dovrebbero prendere in considerazione anche le vibrazioni durante il trasporto marittimo e dovrebbero essere implementati progetti strutturali anti-allentamento adeguati.

La gestione termica è fondamentale

I motori senza telaio non sono dotati di un sistema di raffreddamento integrato.

In condizioni continue di carico pesante, la dissipazione del calore si affida generalmente all'alloggiamento in alluminio o ad altre strutture della macchina. Se necessario, può essere necessario il raffreddamento ad acqua.

Un problema comune tra i clienti esteri è l'alimentazione diretta del motore a pieno carico senza progettare un percorso termico appropriato. Il motore potrebbe surriscaldarsi in un breve periodo di tempo.

Per le apparecchiature esportate nei mercati tropicali e ad alta temperatura, dovrebbe essere considerato un margine termico aggiuntivo.

Abbina l'encoder di feedback al servoazionamento

Un motore senza telaio normalmente non include un encoder.

Il produttore dell'apparecchiatura deve selezionare e integrare un encoder in base all'applicazione.

La precisione dell'encoder, il protocollo di comunicazione e le dimensioni di montaggio devono essere pienamente compatibili con il servoazionamento.

L'azionamento deve supportare il funzionamento del motore torque/servo senza spazzole . Un azionamento standard per uso generale potrebbe non essere in grado di sfruttare appieno le prestazioni del motore senza telaio.

Valutare le capacità ingegneristiche del cliente target

Se un cliente finale estero non dispone di sufficienti capacità di integrazione meccanica, generalmente non è consigliabile fornire un motore senza telaio come componenti sfusi.

Un montaggio errato può facilmente portare al guasto dell'apparecchiatura.

Per i clienti OEM esteri, HOLRY può fornire kit motore senza telaio standardizzati insieme a istruzioni di assemblaggio complete e documentazione tecnica , contribuendo a ridurre i rischi di integrazione per i clienti internazionali.

Malintesi comuni sui motori frameless

Idea sbagliata 1: un motore senza telaio è semplicemente un servomotore convenzionale senza alloggiamento

Un motore senza telaio è essenzialmente un gruppo motore elettromagnetico.

Cuscinetti, gestione termica, sistemi di feedback e strutture di supporto meccanico devono essere tutti progettati esternamente.

Non può semplicemente sostituire un servomotore completo. Una sostituzione diretta senza riprogettare il sistema meccanico creerà inevitabilmente problemi di integrazione.

Idea sbagliata 2: la selezione del motore dovrebbe basarsi solo sulla coppia di picco

La coppia di picco è disponibile solo per il funzionamento a breve termine.

Per il funzionamento a lungo termine, la coppia continua e la gestione termica sono molto più importanti.

Anche un motore ad alte prestazioni può surriscaldarsi e subire la smagnetizzazione del magnete permanente se il sistema di raffreddamento è inadeguato.

Idea sbagliata 3: i motori senza telaio riducono sempre i costi per i prototipi in piccoli lotti

Per progetti di piccole dimensioni, i costi di sviluppo, attrezzatura, codificatore, cuscinetti e altri costi di supporto possono aumentare significativamente l'investimento totale.

Tutti i vantaggi in termini di costi dei motori frameless si ottengono generalmente nella produzione OEM in grandi volumi.

Idea sbagliata 4: la concentricità non ha bisogno di essere strettamente controllata

Poiché il traferro statore-rotore è estremamente ridotto, il disallineamento del gruppo può causare contatto rotore-statore, danni al magnete permanente, vibrazioni eccessive e rumore anomalo.

Per le apparecchiature destinate all'estero, i costi di manutenzione e sostituzione in loco possono essere estremamente elevati.

Idea sbagliata 5: le attrezzature per l'esportazione possono utilizzare lo stesso design indipendentemente dall'ambiente

Le apparecchiature spedite in regioni con elevata temperatura, elevata umidità o elevati livelli di polvere richiedono un'ulteriore considerazione dell'isolamento degli avvolgimenti e della protezione dei magneti permanenti.

Per i mercati a bassa temperatura, è necessario valutare anche le prestazioni a bassa temperatura dei magneti permanenti.

I progetti di prototipi nazionali non dovrebbero essere semplicemente trasferiti sui mercati esteri senza adattamenti ambientali.

Domande frequenti

Q1: Posso utilizzare un motore senza telaio subito dopo averlo acquistato?

R: No.

Un motore senza telaio viene fornito come kit statore + rotore . La macchina completa deve fornire l'alloggiamento, i cuscinetti, l'albero principale, l'encoder e il servoazionamento.

L'assemblaggio meccanico e la messa in servizio elettrica devono essere completati prima che il motore possa funzionare correttamente.

D2: Qual è la relazione tra un motore senza telaio e un motore torque a trasmissione diretta?

R: Un motore senza telaio è una forma di motore torque a trasmissione diretta.

I motori ad azionamento diretto sono disponibili sia come motori completi con alloggiamento che come kit motore senza telaio.

La versione senza cornice richiede l'integrazione nell'attrezzatura del cliente.

Q3: Quali tipi di progetti sono adatti ai motori frameless?

R: I motori frameless sono particolarmente adatti per applicazioni che:

• Hanno rigidi vincoli di spazio

• Richiede un design leggero

• Richiede gioco zero ed elevata precisione di posizionamento

• Richiedono una produzione OEM in grandi volumi

• Disporre di team di ingegneri in grado di integrare meccanica e servoassistenza

Per progetti con risorse di ricerca e sviluppo limitate o prototipi in piccoli lotti, un servomotore completo è generalmente un'opzione migliore.

Q4: I motori senza telaio possono essere esportati? Quali componenti di supporto sono richiesti?

R: Sì.

I motori frameless HOLRY supportano i requisiti di esportazione come la certificazione CE.

Per i clienti esteri, i fornitori devono fornire manuali di assemblaggio, curve di coppia, parametri di protezione della temperatura e indicazioni tecniche per sistemi di raffreddamento, encoder e selezione dei cuscinetti.

D5: Quali sono le cause più comuni di guasto di un motore senza telaio?

R: Le cause comuni di errore includono:

• Gestione termica insufficiente con conseguente surriscaldamento e smagnetizzazione del magnete permanente

• Disallineamento statore-rotore che causa il contatto rotore-statore

• Incompatibilità tra encoder e servoazionamento

• Selezione errata del cuscinetto

• Calcoli del carico errati e margine di coppia insufficiente

Conclusione

Un motore senza telaio non è una 'versione con prestazioni più elevate di un servomotore completo convenzionale.'

Si tratta invece di un gruppo motore elettromagnetico centrale progettato per apparecchiature altamente integrate e personalizzate.

I suoi principali vantaggi derivano dall'elevato livello di integrazione, ma ciò crea anche requisiti più elevati per l'ingegneria meccanica ed elettrica a livello di sistema.

La scelta del motore non deve basarsi esclusivamente sulle specifiche di coppia e velocità elencate nel catalogo del prodotto.

Gli ingegneri dovrebbero considerare l'applicazione completa, incluso:

• Spazio di installazione disponibile

• Requisiti di riduzione del peso

• Volume di produzione

• Capacità di ricerca e sviluppo e di ingegneria

• Mercato di esportazione di destinazione

• Temperatura operativa e condizioni ambientali

• Requisiti di gestione termica

• Compatibilità con encoder e servoazionamenti

Per la giusta applicazione, un motore senza telaio può aiutare a ottenere apparecchiature di dimensioni più piccole, maggiore precisione, peso inferiore e una migliore integrazione del sistema.

Tuttavia, la scelta di un motore senza telaio senza una preparazione ingegneristica sufficiente può comportare ritardi nello sviluppo, tassi di guasto più elevati e un aumento significativo dei costi post-vendita all’estero.

HOLRY è specializzata nella ricerca e sviluppo e nella produzione di motori frameless e servomotori torque.

Con 15 anni di esperienza pratica nell'ingegneria del controllo del movimento e 10 anni di esperienza al servizio di progetti di commercio internazionale globale , HOLRY fornisce kit di motori senza telaio standardizzati supportando anche avvolgimenti personalizzati, dimensioni del foro cavo e sensori opzionali.

Queste soluzioni sono progettate per soddisfare i requisiti della robotica, delle apparecchiature mediche, dell'automazione di precisione e di altre applicazioni OEM di fascia alta.

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