Motore coppia frameless ad alta coppia: da dove viene la coppia

Un motore coppia frameless ad alta coppia non è una classe di macchina a sé. È lo stesso kit statore-e-rotore di qualunque altro motore BLDC frameless, dimensionato finché il valore di coppia pubblicato è abbastanza grande da muovere un giunto di lavoro anziché un polpastrello. Ciò che cambia man mano che la taglia sale è il prezzo legato a quel valore: la corrente che l'azionamento deve erogare, il calore che quella corrente immette nell'avvolgimento, la massa che il giunto deve poi accelerare e il diametro che la struttura circostante deve accogliere. Questa guida segue quella catena attraverso il registro pubblicato per sei dei kit elencati nella categoria Motori frameless, dal RO60 KV115 da 248 g al RO100 KV55 da 710 g.

Risposta rapida

Un motore coppia frameless ad alta coppia si identifica leggendo insieme tre valori pubblicati, non un solo numero. La coppia nominale è il valore continuo che un giunto può mantenere senza che l'avvolgimento raggiunga il proprio limite termico. La coppia di picco è una breve escursione che l'azionamento può comandare ma che l'avvolgimento non può sostenere. Il rapporto massimo coppia-peso pubblicato per questi kit li separa poi con più nettezza della sola coppia, andando da 9.3 Nm/kg sull'RI80 V2.0 KV75 a 16.9 Nm/kg sull'RO100 KV55. I sei kit di questo confronto coprono da 0.8 Nm a 4 Nm nominali e da 2.4 Nm a 12 Nm di picco, tra 248 g e 710 g, con correnti nominali da 7.1 A a 20 A. La coppia arriva quindi con una bolletta di corrente, una di calore e una di massa, e la domanda pratica è quale delle tre il giunto possa pagare.

Che cosa significa «alta coppia» su un kit frameless

L'espressione descrive una posizione all'interno di una gamma pubblicata, non una tecnologia. In questa categoria la coppia nominale pubblicata va da 0.024 Nm a 4 Nm, e i sei kit qui raccolti occupano la parte alta di quell'intervallo. Leggerli correttamente richiede di tenere distinti due valori di coppia e di notare che una quarta grandezza - la massa - si muove indipendentemente da entrambi.

La coppia nominale è il valore che un giunto può mantenere tutto il giorno

La coppia nominale è la coppia più alta che il produttore pubblica per il funzionamento continuo. Sulla serie RO il produttore la dichiara direttamente come coppia continua: 0.8 Nm per l'RO60 KV115, 1.3 Nm per l'RO80 KV105 e 4 Nm per l'RO100 KV55. La serie RI pubblica la stessa grandezza sotto la voce coppia nominale, a 0.94 Nm per l'RI70 KV95, 1.45 Nm per l'RI80 V2.0 KV75 e 1.76 Nm per l'RI100 KV105. Un giunto che mantiene una posa, contrasta la gravità o porta un carico statico spende coppia nominale, e il calore dell'avvolgimento che ne deriva viene generato per tutto il tempo in cui la posa è mantenuta. È questo il valore che dimensiona l'avvolgimento e, in definitiva, il motore.

La coppia di picco è una breve escursione, non un punto di lavoro

La coppia di picco è ciò che il kit può erogare per un breve intervallo, e il rapporto tra i due valori è l'avvertimento più chiaro che il registro contenga. L'RI80 V2.0 KV75 pubblica 1.45 Nm nominali contro 4.1 Nm di picco, un fattore di circa 2.8. L'RO100 KV55 pubblica 4 Nm nominali contro 12 Nm di picco, un fattore di 3. Un giunto che trascorre la sua vita lavorativa vicino al valore di picco sta spendendo un numero che l'avvolgimento non è stato progettato per sostenere. La coppia di picco è il valore giusto per una risposta a gradino, un arresto di caduta o un sollevamento momentaneo; la coppia nominale è il valore giusto per tutto ciò che accade dopo che il transitorio si è esaurito.

Due kit di massa simile possono stare a un intero gradino di distanza

L'RO60 KV115 e l'RI70 KV95 sono vicini in massa, 248 g e 270.4 g, eppure pubblicano valori continui diversi, 0.8 Nm e 0.94 Nm, da disposizioni diverse e a tensioni di bus diverse. Il rapporto massimo coppia-peso pubblicato esprime lo stesso concetto in modo più compatto: 9.68 Nm/kg per l'RO60 KV115 contro 9.91 Nm/kg per l'RI70 KV95, e 11.36 Nm/kg per l'RO80 KV105 contro 9.3 Nm/kg per l'RI80 V2.0 KV75. La sola massa non identifica il kit a coppia più alta, e nemmeno il diametro lo fa. Il valore che lo fa è quello che il produttore pubblica per l'avvolgimento e per l'impiego.

Da dove viene la coppia

In un motore BLDC a magneti permanenti la coppia nasce nel traferro tra i magneti sul rotore e la corrente nelle cave dello statore. Tutto ciò che il registro pubblica su un motore coppia frameless ad alta coppia è una conseguenza di quanto materiale attivo il produttore ha collocato in quel traferro e di come è disposto l'avvolgimento.

Magneti e rame, dimensionati dal diametro dello statore

Più coppia richiede più magnete e più rame che agiscono a un raggio maggiore, e il raggio è il braccio di leva nella relazione tra la forza al traferro e la coppia all'asse. È per questo che il kit più grande di questo gruppo è anche il più largo: l'RO100 KV55 pubblica 4 Nm nominali da un diametro esterno di 113.5 mm e 710 g, mentre l'RO60 KV115 pubblica 0.8 Nm nominali da 73.8 mm e 248 g. La serie RI segue la stessa regola all'interno della propria disposizione, salendo da 0.94 Nm nominali a 76 mm sull'RI70 KV95 a 1.76 Nm nominali a 104 mm sull'RI100 KV105. Un kit frameless non ha involucro che possa gonfiare quel diametro; l'ingombro pubblicato è quello di statore e rotore che la struttura deve accogliere.

Il Kt è pubblicato, ed è il segno di un kit a bassa velocità

Il produttore pubblica una costante di coppia, Kt, in Nm/A per ciascuno di questi kit: 0.130 per l'RI70 KV95, 0.155 per l'RI80 V2.0 KV75, 0.129 per l'RI100 KV105, 0.094 per l'RO60 KV115, 0.087 per l'RO80 KV105 e 0.2 per l'RO100 KV55. Il Kt indica quanta coppia produce il kit per ampere di corrente di fase, ed è il singolo numero più utile per leggere un kit ad alta coppia, perché trasforma direttamente un requisito di coppia in un requisito di corrente per l'azionamento. La tendenza del gruppo è anche la tendenza della tecnologia: più basso è il Kt, più corrente serve per una data coppia, e più alta è la corrente continua che l'azionamento e l'avvolgimento devono sopportare. Un motore coppia frameless ad alta coppia è, in questo senso, una macchina ad alto Kt a cui si chiede di girare a una corrente che l'avvolgimento può tenere.

Le coppie polari e ciò che cambiano a bassa velocità

Il numero di coppie polari è pubblicato per ogni kit qui: 8 sull'RI80 V2.0 KV75, 14 sull'RI70 KV95, sull'RI100 KV105 e sull'RO60 KV115, e 21 sull'RO80 KV105 e sull'RO100 KV55. Più coppie polari significano più cicli di commutazione per giro e una coppia più fluida a bassissima velocità, che è ciò di cui ha bisogno un giunto che avanza lentamente di un piccolo angolo sotto carico. Aumentano anche la frequenza elettrica che l'azionamento deve gestire a una data velocità meccanica, il che diventa un vincolo solo in cima all'intervallo di velocità. Per un'applicazione ad alta coppia la fluidità a bassa velocità è di solito la proprietà che si acquista.

Il prezzo di corrente e di calore della coppia

La coppia non è gratuita ai morsetti. Ogni newton metro si paga in corrente di fase, e ogni ampere si paga in calore dentro l'avvolgimento. Il registro pubblicato mostra quanto costa tutto questo nel gruppo.

La tensione di bus fissa la velocità, non la coppia

La tensione di bus determina quanto velocemente il kit può girare prima che la forza controelettromotrice (back-EMF) salga fino a uguagliare l'alimentazione, e ciò è visibile nelle colonne di velocità pubblicate. I kit RI offrono tre punti di lavoro perché accettano 24 V, 36 V o 48 V: l'RI80 V2.0 KV75 pubblica 1135, 1785 e 2430 rpm di velocità nominale e 1480, 2220 e 2960 rpm di velocità a vuoto su quei bus. I kit RO pubblicano un solo punto ciascuno alla loro tensione nominale di 48 V, da 3600 rpm sull'RO80 KV105 a 2000 rpm sull'RO100 KV55. La coppia, al contrario, è fissata dalla corrente e dal Kt, ed è per questo che un giunto che ha bisogno di più coppia a una data velocità è una questione di avvolgimento e di corrente, non di tensione.

Le perdite nel rame crescono con il quadrato della corrente

Il calore sviluppato nell'avvolgimento è proporzionale al quadrato della corrente che lo attraversa, quindi un kit a cui si chiede di erogare coppia a una corrente per cui non è avvolto si riscalda in modo sproporzionatamente più rapido. Le correnti di picco pubblicate in questo gruppo sono sostanziali: 21 A sull'RI70 KV95, 27.6 A sull'RI80 V2.0 KV75, 38.6 A sull'RI100 KV105, 40 A sull'RO60 KV115, 50 A sull'RO80 KV105 e 62 A sull'RO100 KV55. Nessuna di queste è un valore continuo. Sono brevi escursioni, e il divario tra una corrente nominale di 7.1 A e una corrente di picco di 21 A sull'RI70 KV95 è il margine termico dell'avvolgimento, non una finestra di lavoro.

Che cosa copre il valore continuo pubblicato

Un valore di coppia continuo o nominale è un'affermazione termica, ed è riferito a una temperatura ambiente e a una condizione di montaggio dichiarate. I kit RI pubblicano una temperatura ambiente di funzionamento da -20 °C a 50 °C, e i kit RO pubblicano la stessa finestra. Ciò che il registro non riporta è la resistenza termica tra l'avvolgimento e la superficie di montaggio, la grandezza che decide quanta parte della prestazione sopravvive una volta che il kit è imbullonato in una struttura che conduce il calore diversamente dal supporto del produttore. È una domanda per il produttore, ed è la prima da porre quando si prevede che un giunto mantenga un'alta coppia in modo continuo anziché occasionale.

Dimensionare: ingombro, alesatura e massa del rotore

Aumentare la coppia cambia contemporaneamente altre tre grandezze pubblicate e, in un kit frameless, ciascuna di esse ricade sull'integratore anziché sul produttore.

Il diametro esterno cresce più in fretta della coppia di picco

All'interno di questo gruppo il diametro esterno sale da 73.8 mm sull'RO60 KV115 a 113.5 mm sull'RO100 KV55, un fattore di circa 1.54, mentre la coppia di picco pubblicata sale da 2.4 Nm a 12 Nm, un fattore di 5. Il confronto non è una sostituzione a parità di condizioni tra disposizioni diverse, e la serie RI mostra l'effetto con un ritmo diverso, passando da 2.68 Nm di picco a 76 mm sull'RI70 KV95 a 4.95 Nm di picco a 104 mm sull'RI100 KV105. La lettura resta utile: un aumento di coppia si paga in gran parte con un aumento di diametro, e la struttura circostante deve trovare quello spazio. Dove il giunto non può crescere in senso radiale, la leva pubblicata alternativa è l'avvolgimento e la corrente, non un motore più piccolo della stessa coppia.

Il foro passante e dove passano i cavi

Ogni kit qui è costruito attorno a un centro cavo, e il foro passante pubblicato è un vincolo di progetto tanto quanto il diametro esterno. L'RI80 V2.0 KV75 pubblica un foro passante di 40.5 mm e l'RI100 KV105 ne pubblica 45 mm, mentre l'RI70 KV95 pubblica un diametro dell'albero cavo di 38 mm. Un foro passante di quella dimensione lascia passare conduttori di segnale e di potenza, un albero di trasmissione o il corpo di un riduttore armonico dritto attraverso il centro del giunto. Scegliere un kit significa quindi anche scegliere il passaggio dei cavi che dovrà convivere dentro l'assieme mobile per tutta la vita della macchina, e un foro passante più grande è uno dei pochi modi per comprare vita utile del cablaggio senza comprare un giunto più grande.

La massa del rotore è la massa che il giunto deve muovere

Un kit frameless è pubblicato come due parti, e la serie RO ne registra le masse separatamente: 105 g di rotore e 143 g di statore sull'RO60 KV115, 148 g di rotore e 204 g di statore sull'RO80 KV105, e 324 g di rotore e 356 g di statore sull'RO100 KV55. Il rotore è la metà che gira, quindi è la sua massa, non quella totale, che il giunto deve accelerare e la cui inerzia contribuisce all'anello che l'azionamento deve stabilizzare. Il produttore pubblica anche quell'inerzia, a 1161 gcm² sull'RO60 KV115, 2612 gcm² sull'RO80 KV105 e 8700 gcm² sull'RO100 KV55. Per un giunto che deve invertire rapidamente, un rotore più leggero a parità di coppia vale più di un totale più leggero.

Percorso dei carichi meccanici e integrazione

Un kit frameless arriva senza le parti che di solito assorbono e trasmettono il carico, e in un giunto ad alta coppia è su quelle parti che si concentra il lavoro di progetto.

Il cuscinetto è una decisione dell'integratore

Nessuno di questi kit porta con sé il proprio gruppo di cuscinetti. Lo statore deve essere bloccato in una struttura che ne conduca via anche il calore, e il rotore deve essere montato su ciò che ruota, con una disposizione dei cuscinetti scelta per i carichi radiali e assiali che il giunto vedrà realmente. Alle coppie pubblicate in questo gruppo quei carichi non sono più marginali, e la scelta del cuscinetto, il suo precarico e la sua rigidezza appartengono alla macchina anziché al motore. Gli accorgimenti di montaggio pubblicati sono il punto di partenza: i kit RO sono forniti con un perno di posizionamento e un set di viti di fissaggio nella confezione degli accessori, M4 sull'RO80 KV105 e M5 sull'RO100 KV55.

Il carico radiale passa attraverso il giunto

Poiché il kit non ha involucro né un proprio albero, il carico radiale di una cinghia, di un ingranaggio o di un carico utile disassato non passa attraverso il motore. Passa attraverso il cuscinetto che fornisce l'integratore, e il rotore del motore vede solo la coppia che il giunto contrasta. È uno dei vantaggi di questa disposizione, ed è anche un requisito per il progetto circostante: la struttura deve mantenere rotore e statore concentrici su tutto l'intervallo di carico, perché il traferro pubblicato è una luce di funzionamento, non una tolleranza. Dove al giunto si chiede di portare una persona o un braccio pesante, la flessione della struttura di supporto sotto carico diventa parte delle condizioni di funzionamento del motore.

Il feedback da fermo

I kit RO sono pubblicati come forniti con sensori Hall e un sensore di temperatura, e i kit RI sono pubblicati con sensori Hall come opzione. Un giunto che mantiene la posizione sotto carico ha bisogno di informazioni di posizione mentre è fermo, ed è proprio il punto in cui la stima sensorless diventa meno affidabile. La scelta tra un kit con feedback e uno senza è quindi una decisione su ciò che l'azionamento deve fare a velocità zero, e il registro la dichiara per ogni kit: l'RO60 KV115 Standard, l'RO80 KV105 Standard e l'RO100 KV55 Standard portano entrambi i sensori, mentre le versioni Lite delle stesse strutture sono pubblicate senza.

L'estremità ad alta coppia della gamma

La tabella seguente raccoglie i sei kit qui discussi sulle colonne che decidono un giunto ad alta coppia. Ogni valore è il dato che il produttore pubblica per quel kit.

Coppia nominale, coppia di picco, corrente nominale, velocità nominale, massa e diametro come pubblicati dal produttore (CubeMars). Dove una voce di velocità porta tre valori, essi sono i punti di lavoro a 24 V, 36 V e 48 V in quest'ordine; i kit RO pubblicano un solo punto alla loro tensione nominale di 48 V. La coppia nominale è il valore continuo e la coppia di picco è un valore a breve durata. I dati di avvolgimento, termici e di montaggio di ciascun kit sono sulla sua pagina prodotto del produttore.

Scorrendo verso il basso la colonna della coppia nominale, il gruppo si divide in tre coppie. Due kit pubblicano sotto 1 Nm, due pubblicano tra 1.3 Nm e 1.45 Nm e uno pubblica 4 Nm, tre volte il valore sotto di esso. Quest'ultimo salto è il senso della tabella: un passo da 1.76 Nm a 4 Nm nominali non è un affinamento dello stesso progetto, è una classe diversa di giunto, e le colonne di massa, diametro e corrente si muovono insieme ad esso. Scorrendo invece in orizzontale, la colonna della corrente spiega perché i kit più grandi non sono semplicemente i più forti. L'RO100 KV55 richiede 20 A in continuo per mantenere i suoi 4 Nm, contro 8.5 A per l'RO60 KV115 per mantenerne 0.8, e un azionamento dimensionato per uno non è dimensionato per l'altro.

RI80 V2.0 KV75 e RI100 KV105: la coppia di inrunner

I due kit RI più grandi di questo gruppo sono entrambi costruiti su un bus da 24 V, 36 V o 48 V, e pubblicano entrambi tre punti di lavoro anziché uno. L'RI80 V2.0 KV75 pubblica 1.45 Nm nominali e 4.1 Nm di picco da 411 g e un diametro di 85 mm, con un foro passante di 40.5 mm e un rapporto massimo coppia-peso di 9.3 Nm/kg. L'RI100 KV105 pubblica 1.76 Nm nominali e 4.95 Nm di picco da 500 g e 104 mm, con un foro passante di 45 mm e un rapporto di 9.9 Nm/kg. Tra i due la massa cresce di circa il 22 percento per circa il 21 percento in più di coppia nominale, e per quel passo il diametro deve crescere da 85 mm a 104 mm. La scelta tra i due è in gran parte una questione di spazio radiale per la struttura più grande.

RO80 KV105 e RO100 KV55: la coppia di outrunner

I due kit RO più grandi pubblicano un unico punto di funzionamento a 48 V e sono forniti di serie con sensori Hall e di temperatura. L'RO80 KV105 pubblica 1.3 Nm continui e 4 Nm di picco da 352 g e 92.6 mm, con una coppia di dentellatura di 24 N.mm e un rapporto di 11.36 Nm/kg. L'RO100 KV55 pubblica 4 Nm continui e 12 Nm di picco da 710 g e 113.5 mm, con una coppia di dentellatura di 55 N.mm e un rapporto di 16.9 Nm/kg, il più alto di questo gruppo. L'RO100 KV55 è il kit che raggiunge la cima della gamma nominale pubblicata per questa categoria, e il suo 16.9 Nm/kg registra che ci arriva con meno massa per newton metro di qualunque altro kit qui.

RI70 KV95 e RO60 KV115: il gradino inferiore

L'RI70 KV95 pubblica 0.94 Nm nominali e 2.68 Nm di picco da 270.4 g e 76 mm, con un albero cavo di 38 mm e un rapporto di 9.91 Nm/kg. L'RO60 KV115 pubblica 0.8 Nm continui e 2.4 Nm di picco da 248 g e 73.8 mm, con una coppia di dentellatura di 15 N.mm e un rapporto di 9.68 Nm/kg. Entrambi stanno vicini a 1 Nm continuo, ed entrambi sono il punto di partenza naturale per un giunto che deve portare un carico di lavoro senza la massa e il diametro delle strutture più grandi. Differiscono anche nel modo in cui si comporta il loro bus: l'RI70 KV95 accetta da 24 V a 48 V, mentre l'RO60 KV115 è pubblicato a 48 V.

Abbinare la coppia all'impiego di un giunto

I valori pubblicati diventano una decisione solo quando l'impiego del giunto stesso viene prima messo per iscritto. Tre grandezze, in quest'ordine, fanno la maggior parte del lavoro.

Partire dal mantenimento nel caso peggiore, non dalla crociera

Il valore che dimensiona il kit è la coppia più alta che il giunto deve mantenere o muovere ripetutamente, insieme a quanto a lungo la mantiene. Un giunto che sostiene un carico statico, contrasta la gravità su un braccio sollevato o mantiene una posizione contro una molla spende coppia continua per tutta la durata, e la colonna da leggere è quella nominale. La colonna di picco entra solo per i transitori: un'accelerazione, una presa, un comando a gradino. Annotare separatamente i due valori, con una durata accanto a ciascuno, è ciò che trasforma la prestazione pubblicata in un requisito anziché in un confronto.

Poi la velocità a quella coppia

Coppia e velocità non sono indipendenti, e il registro pubblicato è organizzato attorno a questo. I kit RI pubblicano una velocità nominale e una velocità a vuoto per ciascuno di tre bus, da 1135 rpm nominali a 24 V a 2430 rpm nominali a 48 V sull'RI80 V2.0 KV75, e i kit RO pubblicano un paio di valori ciascuno a 48 V. Un giunto che ha bisogno della sua coppia di lavoro a una velocità più alta chiede al kit di girare più in alto nell'intervallo di velocità, dove la coppia disponibile ha già iniziato a calare dal suo massimo. Fissare la velocità richiesta alla coppia richiesta, anziché il massimo di ciascuna, è ciò che mantiene onesta la selezione.

Poi il ciclo di lavoro termico

L'ultimo passo è quello a cui il registro risponde in modo meno completo. I valori continui sono pubblicati rispetto a una temperatura ambiente e a una condizione di montaggio dichiarate, e un giunto che mantiene un'alta coppia per una frazione ampia del suo ciclo starà più vicino al limite termico di uno che passa la maggior parte del tempo a riposo. La coppia di dentellatura e la corrente nominale pubblicate sono buoni indicatori di quanto calore produrrà l'avvolgimento a un dato impiego, ma la resistenza termica tra l'avvolgimento e la superficie di montaggio è la grandezza che decide l'esito, e non è nel registro. È il primo dato da chiedere al produttore prima di impegnare un giunto ad alta coppia in un impiego continuo.

Lista di controllo per la selezione

L'ingombro meccanico

• Scrivere separatamente la coppia continua richiesta e la coppia di picco richiesta, con una durata accanto a ciascuna.
• Verificare il diametro esterno e la lunghezza pubblicati rispetto allo spazio di cui il giunto dispone realmente, prima di guardare la massa.
• Verificare il foro passante pubblicato rispetto ai conduttori, all'albero o al riduttore che deve attraversarlo.
• Annotare la massa e l'inerzia del rotore pubblicate, non solo il totale, se il giunto deve invertire rapidamente.

Il budget elettrico

• Convertire il requisito di coppia in un requisito di corrente con il Kt pubblicato per il kit considerato.
• Confrontare quella corrente con la corrente nominale pubblicata, non con la corrente di picco.
• Fissare la tensione di bus dalla velocità richiesta alla coppia richiesta, usando le colonne di velocità pubblicate.
• Confermare il valore continuo rispetto al ciclo di lavoro del giunto e chiedere al produttore la resistenza termica che il registro omette.

Integrazione e feedback

• Decidere se il kit è fornito con o senza sensori Hall, e di che cosa ha bisogno l'azionamento a velocità zero.
• Dimensionare la disposizione dei cuscinetti per i carichi che il giunto vedrà, poiché il kit non ne porta alcuno.
• Pianificare il percorso del calore dallo statore alla struttura, perché il montaggio è l'interfaccia termica.
• Confermare gli accorgimenti di montaggio e i fissaggi pubblicati per la specifica struttura considerata.

Domande frequenti

Risorse ufficiali

CubeMars documenta la gamma frameless sul proprio sito, e ciascun kit di questo confronto ha una pagina ufficiale che riporta la sua specifica completa, i dati di avvolgimento e il disegno di montaggio. La gamma di prodotto del produttore è il punto di ingresso, e i due estremi di questo confronto sono documentati singolarmente - l'RO60 KV115 all'estremità leggera e l'RO100 KV55 all'estremità pesante. La documentazione di prodotto delle categorie della piattaforma è raccolta in Risorse. Il produttore resta la fonte autorevole per le opzioni di avvolgimento, i valori termici e le richieste di alesatura personalizzata; ToBMS mantiene il livello di scoperta e confronto, e ogni valore usato in questa guida è un valore pubblicato e conservato nei record di prodotto della piattaforma.

Dove andare dopo

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Per fare una rosa anziché ricerca, partire dalla categoria completa Motori frameless, filtrare i candidati per coppia, tensione e massa in Selezione, poi metterli a confronto tra loro in Confronto prodotti. Dove il giunto deve arrivare come modulo sigillato con riduttore e azionamento già abbinati, la categoria Attuatori robotici è la prossima tappa naturale.