Motor de torque sem carcaça de alto torque: de onde vem o torque

Um motor de torque sem carcaça de alto torque não é uma classe separada de máquina. É o mesmo kit de estator e rotor de qualquer outro motor BLDC sem carcaça, dimensionado até que o valor de torque publicado seja grande o suficiente para carregar uma articulação de trabalho em vez de uma ponta de dedo. O que muda conforme o tamanho cresce é o preço atrelado a esse valor: a corrente que o drive precisa entregar, o calor que essa corrente deposita no enrolamento, a massa que a articulação então precisa acelerar, e o diâmetro que a estrutura ao redor precisa acomodar. Este guia segue essa cadeia pelo registro publicado de seis dos kits atualmente listados na categoria Motores de torque sem carcaça, do RO60 KV115 de 248 g ao RO100 KV55 de 710 g.

Resposta rápida

Um motor de torque sem carcaça de alto torque é identificado por três valores publicados lidos em conjunto, e não por um único número. O torque nominal é o valor contínuo que uma articulação pode sustentar sem que o enrolamento atinja seu limite térmico. O torque de pico é uma excursão curta que o drive pode comandar, mas que o enrolamento não consegue sustentar. A razão máxima entre torque e massa publicada para estes kits então os separa de forma mais acentuada do que o torque isolado, indo de 9.3 Nm/kg no RI80 V2.0 KV75 a 16.9 Nm/kg no RO100 KV55. Os seis kits desta comparação vão de 0.8 Nm a 4 Nm nominais e de 2.4 Nm a 12 Nm de pico, entre 248 g e 710 g, com correntes nominais de 7.1 A a 20 A. O torque, portanto, chega com uma conta de corrente, uma conta de calor e uma conta de massa, e a questão prática é qual das três a articulação consegue pagar.

O que "alto torque" significa em um kit sem carcaça

A expressão descreve uma posição dentro de uma faixa publicada, e não uma tecnologia. Em toda esta categoria, o torque nominal publicado vai de 0.024 Nm a 4 Nm, e os seis kits aqui reunidos ocupam a parte superior dessa distribuição. Lê-los corretamente depende de manter dois valores de torque separados e de notar que uma quarta grandeza - a massa - se move independentemente de ambos.

O torque nominal é o valor que uma articulação pode sustentar o dia inteiro

O torque nominal é o maior torque que o fabricante publica para operação contínua. Na linha RO, o fabricante o declara diretamente como torque contínuo: 0.8 Nm para o RO60 KV115, 1.3 Nm para o RO80 KV105 e 4 Nm para o RO100 KV55. A linha RI publica a mesma grandeza sob o título de torque nominal, em 0.94 Nm para o RI70 KV95, 1.45 Nm para o RI80 V2.0 KV75 e 1.76 Nm para o RI100 KV105. Uma articulação que mantém uma pose, resiste à gravidade ou carrega uma carga permanente está gastando torque nominal, e o calor de enrolamento que vem com ele é gerado enquanto a pose for mantida. Este é o valor que dimensiona o enrolamento e, no fim, o motor.

O torque de pico é uma excursão curta, não um ponto de trabalho

O torque de pico é o que o kit consegue entregar por um breve intervalo, e a razão entre os dois valores é o aviso mais claro que o registro contém. O RI80 V2.0 KV75 publica 1.45 Nm nominais contra 4.1 Nm de pico, um fator de cerca de 2.8. O RO100 KV55 publica 4 Nm nominais contra 12 Nm de pico, um fator de 3. Uma articulação que passa sua vida útil perto do valor de pico está gastando um número que o enrolamento não foi projetado para sustentar. O torque de pico é o valor certo para uma resposta ao degrau, uma parada de queda ou uma elevação momentânea; o torque nominal é o valor certo para tudo o que acontece depois que o transitório se dissipa.

Dois kits de massa semelhante podem ficar um degrau inteiro distantes

O RO60 KV115 e o RI70 KV95 têm massas próximas, 248 g e 270.4 g, mas publicam valores contínuos diferentes, 0.8 Nm e 0.94 Nm, a partir de arranjos diferentes e em tensões de barramento diferentes. A razão máxima entre torque e massa publicada mostra o mesmo ponto de forma mais compacta: 9.68 Nm/kg para o RO60 KV115 contra 9.91 Nm/kg para o RI70 KV95, e 11.36 Nm/kg para o RO80 KV105 contra 9.3 Nm/kg para o RI80 V2.0 KV75. A massa isolada não identifica o kit de maior torque, e o diâmetro também não. O valor que o faz é o que o fabricante publica para o enrolamento e o regime de trabalho.

De onde vem o torque

O torque em um motor BLDC de ímãs permanentes é produzido no entreferro, entre os ímãs do rotor e a corrente nas ranhuras do estator. Tudo o que o registro publica sobre um motor de torque sem carcaça de alto torque é consequência de quanto material ativo o fabricante colocou nesse entreferro e de como o enrolamento está disposto.

Ímã e cobre, dimensionados pelo diâmetro do estator

Mais torque exige mais ímã e mais cobre atuando em um raio maior, e o raio é o braço de alavanca na relação entre a força no entreferro e o torque no eixo. É por isso que o maior kit deste grupo é também o mais largo: o RO100 KV55 publica 4 Nm nominais a partir de um diâmetro externo de 113.5 mm e 710 g, enquanto o RO60 KV115 publica 0.8 Nm nominais a partir de 73.8 mm e 248 g. A linha RI segue a mesma regra dentro de seu próprio arranjo, subindo de 0.94 Nm nominais a 76 mm no RI70 KV95 para 1.76 Nm nominais a 104 mm no RI100 KV105. Um kit sem carcaça não tem invólucro para inflar esse diâmetro; o envelope publicado é o envelope de estator e rotor que a estrutura precisa acomodar.

O Kt é publicado, e ele é o sinal de um kit de baixa rotação

O fabricante publica uma constante de torque, Kt, em Nm/A para cada um destes kits: 0.130 para o RI70 KV95, 0.155 para o RI80 V2.0 KV75, 0.129 para o RI100 KV105, 0.094 para o RO60 KV115, 0.087 para o RO80 KV105 e 0.2 para o RO100 KV55. O Kt indica quanto torque o kit produz por ampère de corrente de fase, e é o número mais útil para ler um kit de alto torque, porque converte diretamente um requisito de torque em um requisito de corrente para o drive. A tendência ao longo do grupo é também a tendência ao longo da tecnologia: quanto menor o Kt, mais corrente é necessária para um dado torque, e maior a corrente contínua que o drive e o enrolamento precisam suportar. Um motor de torque sem carcaça de alto torque é, nesse sentido, uma máquina de Kt alto solicitada a operar em uma corrente que o enrolamento consegue sustentar.

Os pares de polos e o que eles mudam em baixa velocidade

O número de pares de polos é publicado para cada kit aqui: 8 no RI80 V2.0 KV75, 14 no RI70 KV95, no RI100 KV105 e no RO60 KV115, e 21 no RO80 KV105 e no RO100 KV55. Mais pares de polos significam mais ciclos de comutação por rotação e um torque mais suave em velocidade muito baixa, que é o que uma articulação que se desloca lentamente por um pequeno ângulo sob carga precisa. Também eleva a frequência elétrica que o drive precisa suportar em uma dada velocidade mecânica, o que se torna uma restrição apenas no topo da faixa de velocidade. Para uma aplicação de alto torque, a suavidade em baixa velocidade é, normalmente, a propriedade que se está comprando.

O preço em corrente e em calor do torque

O torque não é gratuito nos terminais. Cada newton metro é pago em corrente de fase, e cada ampère é pago em calor dentro do enrolamento. O registro publicado mostra quanto isso custa ao longo deste grupo.

A tensão de barramento define a velocidade, não o torque

A tensão de barramento determina a que velocidade o kit pode girar antes que a força contraeletromotriz suba até encontrar a alimentação, e isso é visível nas colunas de velocidade publicadas. Os kits RI oferecem três pontos de operação porque aceitam 24 V, 36 V ou 48 V: o RI80 V2.0 KV75 publica 1135, 1785 e 2430 rpm de velocidade nominal e 1480, 2220 e 2960 rpm de velocidade a vazio nesses barramentos. Os kits RO publicam um ponto cada um em seus 48 V nominais, de 3600 rpm no RO80 KV105 a 2000 rpm no RO100 KV55. O torque, por contraste, é definido pela corrente e pelo Kt, e é por isso que uma articulação que precisa de mais torque em uma dada velocidade é uma questão de enrolamento e corrente, e não de tensão.

A perda no cobre cresce com o quadrado da corrente

O calor desenvolvido no enrolamento é proporcional ao quadrado da corrente que o atravessa, de modo que um kit solicitado a entregar torque com uma corrente para a qual não foi bobinado aquece desproporcionalmente mais rápido. As correntes de pico publicadas neste grupo são substanciais: 21 A no RI70 KV95, 27.6 A no RI80 V2.0 KV75, 38.6 A no RI100 KV105, 40 A no RO60 KV115, 50 A no RO80 KV105 e 62 A no RO100 KV55. Nenhuma delas é um valor contínuo. São excursões curtas, e a diferença entre uma corrente nominal de 7.1 A e uma corrente de pico de 21 A no RI70 KV95 é a margem térmica que o enrolamento possui, e não uma janela de trabalho.

O que o valor contínuo publicado cobre

Um valor de torque contínuo ou nominal é uma afirmação térmica, e é feita em relação a uma temperatura ambiente e uma condição de montagem declaradas. Os kits RI publicam uma temperatura ambiente de operação de -20 °C a 50 °C, e os kits RO publicam a mesma faixa. O que o registro não traz é a resistência térmica entre o enrolamento e a face de montagem, que é a grandeza que decide quanto da classificação sobrevive depois que o kit é parafusado em uma estrutura que conduz calor de forma diferente do dispositivo de fixação do fabricante. Essa é uma questão para o fabricante, e é a primeira a se fazer quando se espera que uma articulação sustente um alto torque de forma contínua, e não ocasional.

Dimensionamento: envelope, furo e massa do rotor

Aumentar o torque altera três outras grandezas publicadas ao mesmo tempo, e em um kit sem carcaça cada uma delas recai sobre o integrador, e não sobre o fabricante.

O diâmetro externo cresce mais rápido que o torque de pico

Dentro deste grupo, o diâmetro externo sobe de 73.8 mm no RO60 KV115 para 113.5 mm no RO100 KV55, um fator de cerca de 1.54, enquanto o torque de pico publicado sobe de 2.4 Nm para 12 Nm, um fator de 5. A comparação não é uma substituição direta entre arranjos, e a linha RI mostra o efeito em ritmo diferente, passando de 2.68 Nm de pico a 76 mm no RI70 KV95 para 4.95 Nm de pico a 104 mm no RI100 KV105. A leitura continua útil: um degrau a mais de torque é comprado, em grande parte, com um degrau a mais de diâmetro, e a estrutura ao redor precisa encontrar esse espaço. Onde a articulação não pode crescer radialmente, a alavanca publicada alternativa é o enrolamento e a corrente, e não um motor menor com o mesmo torque.

O furo vazado e por onde passam os cabos

Todo kit aqui é construído em torno de um centro vazado, e o furo publicado é uma restrição de projeto tanto quanto o diâmetro externo. O RI80 V2.0 KV75 publica um furo passante de 40.5 mm e o RI100 KV105 publica 45 mm, enquanto o RI70 KV95 publica um diâmetro de eixo oco de 38 mm. Um furo desse tamanho deixa passar condutores de sinal e de potência, um eixo de acionamento, ou o corpo de um redutor harmônico direto pelo meio da articulação. Escolher um kit é, portanto, também escolher o encaminhamento que precisa conviver dentro do conjunto móvel durante toda a vida da máquina, e um furo maior é uma das poucas formas de comprar vida útil do chicote sem comprar uma articulação maior.

A massa do rotor é a massa que a articulação precisa mover

Um kit sem carcaça é publicado como duas peças, e a linha RO registra suas massas separadamente: 105 g de rotor e 143 g de estator no RO60 KV115, 148 g de rotor e 204 g de estator no RO80 KV105, e 324 g de rotor e 356 g de estator no RO100 KV55. O rotor é a metade que gira, de modo que é a sua massa, e não o total, que a articulação precisa acelerar e cuja inércia contribui para a malha que o drive precisa estabilizar. O fabricante publica essa inércia também, em 1161 gcm² no RO60 KV115, 2612 gcm² no RO80 KV105 e 8700 gcm² no RO100 KV55. Para uma articulação que precisa inverter rapidamente, um rotor mais leve com o mesmo torque vale mais do que um total mais leve.

Caminho de carga mecânica e integração

Um kit sem carcaça chega sem as peças que normalmente absorvem e transmitem carga, e em uma articulação de alto torque são essas peças onde mora o trabalho de projeto.

O rolamento é uma decisão do integrador

Nenhum destes kits traz seu próprio conjunto de rolamentos. O estator precisa ser fixado em uma estrutura que também conduza seu calor para fora, e o rotor precisa ser montado no que gira, com um arranjo de rolamentos escolhido para as cargas radial e axial que a articulação realmente verá. Nos torques publicados neste grupo, essas cargas deixam de ser incidentais, e a escolha do rolamento, sua pré-carga e sua própria rigidez pertencem à máquina, e não ao motor. As provisões de montagem publicadas são o ponto de partida: os kits RO são fornecidos com um pino de posicionamento e um conjunto de parafusos de fixação no pacote de acessórios, em M4 no RO80 KV105 e M5 no RO100 KV55.

A carga radial passa pela articulação

Como o kit não tem invólucro nem eixo próprio, a carga radial de uma correia, de uma engrenagem ou de uma carga útil deslocada não passa pelo motor. Ela passa pelo rolamento que o integrador fornece, e o rotor do motor vê apenas o torque que a articulação resiste. Essa é uma das vantagens do arranjo, e é também uma exigência sobre o projeto ao redor: a estrutura precisa manter o rotor e o estator concêntricos em toda a faixa de carga, porque o entreferro publicado é uma folga de funcionamento, e não uma tolerância. Onde se pede que a articulação carregue uma pessoa ou um braço pesado, a deflexão da estrutura de sustentação sob carga passa a fazer parte da condição de operação do motor.

Feedback em repouso

Os kits RO são publicados como fornecidos com sensores Hall e um sensor de temperatura, e os kits RI são publicados com sensores Hall como opção. Uma articulação que mantém a posição sob carga precisa de informação de posição enquanto não está se movendo, e é aí que a estimativa sem sensor se torna menos confiável. A escolha entre um kit com feedback e um sem é, portanto, uma decisão sobre o que se espera que o drive faça em velocidade zero, e o registro declara isso por kit: o RO60 KV115 Standard, o RO80 KV105 Standard e o RO100 KV55 Standard trazem ambos os sensores, enquanto as versões Lite das mesmas estruturas são publicadas sem eles.

A extremidade de alto torque da faixa

A tabela abaixo reúne os seis kits discutidos aqui nas colunas que decidem uma articulação de alto torque. Cada valor é o número que o fabricante publica para esse kit.

Torque nominal, torque de pico, corrente nominal, velocidade nominal, massa e diâmetro conforme publicados pelo fabricante (CubeMars). Onde uma entrada de velocidade traz três valores, eles são os pontos de operação de 24 V, 36 V e 48 V nessa ordem; os kits RO publicam um único ponto em seus 48 V nominais. O torque nominal é o valor contínuo e o torque de pico é um valor de curta duração. Dados de enrolamento, térmicos e de montagem de cada kit estão em sua página de produto do fabricante.

Leia de cima para baixo a coluna de torque nominal e o grupo se divide em três pares. Dois kits publicam abaixo de 1 Nm, dois publicam entre 1.3 Nm e 1.45 Nm, e um publica 4 Nm, três vezes o valor abaixo dele. Essa última lacuna é o ponto da tabela: um salto de 1.76 Nm para 4 Nm nominais não é um refinamento do mesmo projeto, é uma classe diferente de articulação, e as colunas de massa, diâmetro e corrente se movem junto com ela. Leia na horizontal, em vez disso, e a coluna de corrente explica por que os maiores kits não são simplesmente os mais fortes. O RO100 KV55 pede 20 A continuamente para sustentar seus 4 Nm, contra 8.5 A do RO60 KV115 para sustentar 0.8 Nm, e um drive dimensionado para um não serve para o outro.

RI80 V2.0 KV75 e RI100 KV105: o par de rotor interno

Os dois maiores kits RI deste grupo são ambos construídos em um barramento de 24 V, 36 V ou 48 V, e ambos publicam três pontos de operação em vez de um. O RI80 V2.0 KV75 publica 1.45 Nm nominais e 4.1 Nm de pico a partir de 411 g e um diâmetro de 85 mm, com um furo passante de 40.5 mm e uma razão máxima entre torque e massa de 9.3 Nm/kg. O RI100 KV105 publica 1.76 Nm nominais e 4.95 Nm de pico a partir de 500 g e 104 mm, com um furo de 45 mm e uma razão de 9.9 Nm/kg. Entre eles, a massa sobe cerca de 22 por cento para cerca de 21 por cento mais de torque nominal, e o diâmetro precisa crescer de 85 mm para 104 mm para esse salto. A escolha entre eles é, em grande parte, uma questão de saber se a articulação tem espaço radial para a estrutura maior.

RO80 KV105 e RO100 KV55: o par de outrunner

Os dois maiores kits RO publicam um único ponto de operação em 48 V e são fornecidos com sensores Hall e de temperatura de série. O RO80 KV105 publica 1.3 Nm contínuos e 4 Nm de pico a partir de 352 g e 92.6 mm, com um torque de cogging de 24 N.mm e uma razão de 11.36 Nm/kg. O RO100 KV55 publica 4 Nm contínuos e 12 Nm de pico a partir de 710 g e 113.5 mm, com um torque de cogging de 55 N.mm e uma razão de 16.9 Nm/kg, a mais alta deste grupo. O RO100 KV55 é o kit que alcança o topo da faixa nominal publicada para esta categoria, e seus 16.9 Nm/kg registram que ele o faz com menos massa por newton metro do que qualquer outro kit aqui.

RI70 KV95 e RO60 KV115: o degrau abaixo

O RI70 KV95 publica 0.94 Nm nominais e 2.68 Nm de pico a partir de 270.4 g e 76 mm, com um eixo oco de 38 mm e uma razão de 9.91 Nm/kg. O RO60 KV115 publica 0.8 Nm contínuos e 2.4 Nm de pico a partir de 248 g e 73.8 mm, com um torque de cogging de 15 N.mm e uma razão de 9.68 Nm/kg. Ambos ficam próximos de 1 Nm contínuo, e ambos são o ponto de partida natural para uma articulação que precise carregar uma carga de trabalho sem a massa e o diâmetro das maiores estruturas. Eles também diferem na forma como seu barramento se comporta: o RI70 KV95 aceita 24 V a 48 V, enquanto o RO60 KV115 é publicado em 48 V.

Casar o torque com o regime de uma articulação

Os valores publicados só se tornam uma decisão depois que o próprio regime da articulação é escrito primeiro. Três grandezas, nesta ordem, fazem a maior parte do trabalho.

Comece pela sustentação de pior caso, não pelo cruzeiro

O valor que dimensiona o kit é o maior torque que a articulação precisa sustentar ou mover repetidamente, junto com quanto tempo ele é mantido. Uma articulação que sustenta uma carga estática, resiste à gravidade em um braço erguido ou mantém uma posição contra uma mola está gastando torque contínuo por toda a duração, e a coluna nominal é a que se deve ler. A coluna de pico entra apenas para transitórios: uma aceleração, uma captura, um comando em degrau. Anotar os dois separadamente, com uma duração contra cada um, é o que transforma a classificação publicada em um requisito, e não em uma comparação.

Depois, a velocidade nesse torque

Torque e velocidade não são independentes, e o registro publicado está organizado em torno disso. Os kits RI publicam uma velocidade nominal e uma velocidade a vazio para cada um de três barramentos, de 1135 rpm nominais a 24 V a 2430 rpm nominais a 48 V no RI80 V2.0 KV75, e os kits RO publicam um par cada um em 48 V. Uma articulação que precisa de seu torque de trabalho em uma velocidade mais alta está pedindo que o kit opere mais alto na faixa de velocidade, onde o torque disponível já começou a cair a partir de seu máximo. Fixar a velocidade exigida no torque exigido, em vez do máximo de cada um, é o que mantém a seleção honesta.

Depois, o ciclo de trabalho térmico

O último passo é o que o registro responde de forma menos completa. As classificações contínuas são publicadas em relação a uma temperatura ambiente e uma condição de montagem declaradas, e uma articulação que sustenta um alto torque por uma grande fração de seu ciclo ficará mais próxima do limite térmico do que uma que passa a maior parte do tempo em repouso. O torque de cogging e a corrente nominal publicados são aproximações úteis para quanto calor o enrolamento produzirá em um dado regime, mas a resistência térmica entre o enrolamento e a face de montagem é a grandeza que decide o resultado, e ela não está no registro. É o primeiro valor a se solicitar ao fabricante antes de comprometer uma articulação de alto torque com um regime contínuo.

Lista de verificação de seleção

O envelope mecânico

• Anote o torque contínuo exigido e o torque de pico exigido separadamente, com uma duração contra cada um.
• Verifique o diâmetro externo e o comprimento publicados em relação ao espaço que a articulação realmente tem, antes de olhar a massa.
• Verifique o furo passante publicado em relação aos condutores, ao eixo ou ao redutor que precisa passar por ele.
• Anote a massa e a inércia do rotor publicadas, e não apenas o total, se a articulação precisar inverter rapidamente.

O orçamento elétrico

• Converta o requisito de torque em um requisito de corrente com o Kt publicado para o kit considerado.
• Compare essa corrente com a corrente nominal publicada, e não com a corrente de pico.
• Fixe a tensão de barramento a partir da velocidade exigida no torque exigido, usando as colunas de velocidade publicadas.
• Confirme a classificação contínua em relação ao ciclo de trabalho da articulação, e solicite ao fabricante a resistência térmica que o registro omite.

Integração e feedback

• Decida se o kit é fornecido com sensores Hall ou sem eles, e o que o drive precisa em velocidade zero.
• Dimensione o arranjo de rolamentos para as cargas que a articulação verá, já que o kit não traz nenhum.
• Planeje o caminho do calor do estator para a estrutura, porque a montagem é a interface térmica.
• Confirme as provisões de montagem e as fixações publicadas para a estrutura específica considerada.

Perguntas frequentes

Recursos oficiais

A CubeMars documenta a linha sem carcaça em seu próprio site, e cada kit desta comparação tem uma página oficial com sua especificação completa, dados de enrolamento e desenho de montagem. A linha de produtos do fabricante é o ponto de entrada, e os dois extremos desta comparação estão documentados individualmente - o RO60 KV115 na extremidade leve e o RO100 KV55 na extremidade pesada. A documentação de produtos das categorias da plataforma está reunida em Recursos. O fabricante permanece a fonte da verdade para opções de enrolamento, classificações térmicas e consultas de furo personalizado; a ToBMS mantém a camada de descoberta e comparação, e cada valor usado neste guia é um valor publicado mantido nos registros de produto da plataforma.

Para onde ir a seguir

O companheiro mais próximo deste guia é Motores de torque sem carcaça: escolha do kit estator-rotor para juntas, que lê um kit sem carcaça de dentro para fora - o estator, o rotor, os dois arranjos e o que cada coluna de especificação promete. Motores de torque sem carcaça: 12 modelos comparados, da entrada à faixa de alto desempenho coloca a faixa completa lado a lado por banda de desempenho, e Motores BLDC para exoesqueleto: motor de torque sem carcaça vs atuador integrado aborda a escolha entre um kit nu e um módulo montado para uma articulação vestível. Este guia fica entre eles, seguindo o valor de torque do enrolamento até a articulação.

Para montar uma lista curta em vez de pesquisar, comece pela categoria completa Motores de torque sem carcaça, filtre candidatos por torque, tensão e massa em Seleção, e depois coloque-os frente a frente em Comparar produtos. Onde a articulação deve chegar como um módulo selado com o redutor e o drive já combinados, a categoria Atuadores robóticos é a próxima parada natural.