內(nèi)容提要：無框電機在機器人領(lǐng)域的價值　　為什么選擇在機器人應(yīng)用中使用無框電機，其原因類似于在其他應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)伺服電機無法勝任的制約因素。最常見的因素是緊湊的尺寸或環(huán)境方面的特殊需求，同時要求實現(xiàn)高功率和高轉(zhuǎn)矩密度?！　∈褂脽o框電機設(shè)計還有其他優(yōu)勢，比如提高效率，提高系統(tǒng)帶寬，以及減少占地面積。當(dāng)應(yīng)用中需要尺寸小巧重量輕的伺服電機，并能夠輸出強大的功率和轉(zhuǎn)矩時，無框電機便是理想的選擇。　　在本白皮書中，我們將努力消除無框電機選型的障礙，并幫助機器人工程師制定自己的規(guī)格要求，以便他們在與無框電機廠商開始交流時，更高效地對話。　　例如，通過對尺寸、傳動、發(fā)熱和機械需求的全面了解，我們的團隊可以快速地為您介紹現(xiàn)有的選項，無論是我們已經(jīng)生產(chǎn)的電機，還是需要稍加調(diào)整的電機，或者可能是一個全新的設(shè)計?！　×私膺@些技術(shù)選項的經(jīng)濟因素也很關(guān)鍵，以便我們的工程師們幫助您找到節(jié)省成本的具體領(lǐng)域，并最大限度減少對您設(shè)計的影響?！?strong>　工程師：為何要閱讀本文？　　隨著更多的組織和企業(yè)實施精益制造，以及在日常運營中進行機器人關(guān)節(jié)設(shè)計，無框電機成為整個行業(yè)創(chuàng)新解決方案的核心?！　≡趹?yīng)用中集成無框電機有很多優(yōu)點，從更清潔的組件和更簡化的維護到更高的效率和更少的停機時間。此外，無框電機比人們想象的更容易安裝。 無論您是否擁有MathCAD或類似的工具來計算扭矩和速度需求，或者您在該領(lǐng)域需要一些支持，擁有豐富應(yīng)用經(jīng)驗和淵博知識的工程師都可以幫助您優(yōu)化除機械因素之外的因素，這對于獲得進展是非常寶貴的?！　∪缃瘢瑯訖C的快速研發(fā)通常是最重要的問題，因此與完全定制的設(shè)計相比，采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品方案可以讓您的時間軸縮短數(shù)周。理解時間與優(yōu)化之間，以及速度和轉(zhuǎn)矩與發(fā)熱因素之間的權(quán)衡，可以幫助您在最快的時間獲得最佳解決方案，并隨著您的應(yīng)用向前推進?！?strong>　無框電機的優(yōu)點　　選擇將直驅(qū)無框電機加入到您的設(shè)計中的原因有很多。直驅(qū)無框電機可以提供簡潔的機械裝配，并且比人們想象的更容易裝配。由于沒有需要張緊和調(diào)整的皮帶，更不必說傳動潤滑要求和整體磨損，因此直驅(qū)無框電機的部件更少、維護更少。這一切也意味著更少的停機時間。　　不僅如此，除了清潔性和維護方面的優(yōu)點之外，直驅(qū)無框電機提供的性能改善也不容忽視。直驅(qū)無框電機無需慣量匹配即可確保穩(wěn)定的性能?！　〈送?，無框電機的運行噪聲要比伺服電機的低，在6,000 rpm或更高轉(zhuǎn)速運行時，噪聲可以低至20分貝。因此，如果您擔(dān)心采用無框電機是否值得，那么答案將毫無疑問是肯定的。　　構(gòu)建電機規(guī)格　　從設(shè)計階段開始電機選型。當(dāng)您考慮機器人應(yīng)用將要執(zhí)行的工作時，您需要考慮實現(xiàn)應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和電壓。比如了解負(fù)載慣量，摩擦力，和加速度等因素，將有助于您確定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。然而，對于如何考慮電機的尺寸和規(guī)格以處理這些因素并保持穩(wěn)定高效的輸出功率，您可以有一些選擇?！　≡谝?guī)劃和設(shè)計您的項目時，不能低估外形因素的重要性。D2L 規(guī)則就是平衡考慮外形因素和影響整體性能的例子?！　2L規(guī)則簡單地說就是當(dāng)您將電機電樞的軸向長度加倍時，轉(zhuǎn)矩和功率也將增加。而且其增加量與電樞軸向長度的增加量成正比?；旧希绻验L度翻倍，連續(xù)轉(zhuǎn)矩也將翻倍。　　然而，如果不是將長度翻倍，而是將轉(zhuǎn)子力矩臂的直徑翻倍，轉(zhuǎn)矩將會成平方增加。您可以通過采用加倍的直徑來使連續(xù)轉(zhuǎn)矩容量提高四倍。
　　科爾摩根的性能曲線生成器可以幫助設(shè)計者優(yōu)化整體系統(tǒng)。
　　諸如D2L 規(guī)則等設(shè)計原則，正是要從設(shè)計早期階段開始電機選型的原因，可以幫助您盡早優(yōu)化電機的外形規(guī)格，實現(xiàn)更好的機器人設(shè)計?！　《嗄陙?，我們創(chuàng)建了獨特的工具來幫助客戶根據(jù)其需求快速優(yōu)化電機。例如，科爾摩根開發(fā)的 性能曲線生成器 可用來優(yōu)化整體系統(tǒng)，并試驗不同的母線電壓如何改變系統(tǒng)性能，或者理解不同的驅(qū)動器電流額定值如何影響電機性能。　　性能曲線生成器甚至可以讓設(shè)計工程師評估環(huán)境和最大電機繞組溫度選項。使用Liquid Cooling（液體冷卻）持續(xù)增強轉(zhuǎn)矩也是建?？捎眠x項的一部分?！　OTIonEERING 的工作過程首先是收集數(shù)據(jù)輸入，然后將結(jié)果與電機系統(tǒng)的產(chǎn)品目錄進行比較。如果您在填寫應(yīng)用配置文件問題時不確定您需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是多少，這個工具可以幫助您找到答案，然后您即可使用相關(guān)的3D模型來完成模型驗證　　許多客戶有自己的工具和流程以確定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求。即便如此，您可直接將數(shù)字輸入到這些工具中，以幫助選擇滿足您應(yīng)用需求的合適電機。　　無論這是您首次考慮電機和驅(qū)動器要求，還是您多年來一直從事這方面的工作，一份注意事項列表都會是一個有用的工具。在本文結(jié)尾，您將會找到一份應(yīng)用配置問題列表，您或您的團隊可以使用該列表來準(zhǔn)備與支持工程師進行對話　　您將會找到與機械外形、電機類型、工作與環(huán)境條件下的最低和最高溫度、最大轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、運行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以及占空比相關(guān)的重要問題。
　　后續(xù)工作都有什么？　　一旦您了解電機的性能需求，工程師和產(chǎn)品專家團隊即可開始工作。工程師有三種方式可以與您合作來確定針對每種應(yīng)用的完美無框電機?！　±?，在科爾摩根，工程師會首先將您的要求與可能正好滿足您需求的標(biāo)準(zhǔn)電機產(chǎn)品目錄進行匹配。如果標(biāo)準(zhǔn)選項并不完全適合，下一步是參看簡單的修改，比如更換繞組和進行其他機械定制?！　〈送?，如果您的應(yīng)用要求某些材料能夠承受惡劣的環(huán)境條件，則可以將材料更改合并到現(xiàn)有設(shè)計中。無論采用哪種方式，您都可以從多種定制服務(wù)進行選擇，包括更小或更大的直徑、更改繞組、更改疊片長度等。　　如果您的需求與標(biāo)準(zhǔn)選項不匹配，或者所需的修改超出了簡單修改，最后的選項就是從頭開始。即便如此，許多現(xiàn)有電機元件也可納入，而定制部件的設(shè)計旨在滿足獨特的外形規(guī)格或不尋常的環(huán)境條件?！　∪绻阎庑我?guī)格、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求，另外一個選項就是使用科爾摩根的其他在線工具：直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機選擇器。雖然許多客戶依賴產(chǎn)品目錄，但是這個在線工具的使用效果很好?！　∧梢詮霓D(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和母線電壓信息開始入手，將它們作為產(chǎn)品選擇的最初輸入，這將為您提供極具優(yōu)勢的起點。這實際上是返回性能曲線生成器的一個好時機，因為您可以用它來進一步優(yōu)化您的產(chǎn)品選擇?！　∫坏┠ㄟ^選型工具生成一系列符合的產(chǎn)品，這也是與經(jīng)驗豐富的應(yīng)用工程師互動的絕佳時機，他們可以指導(dǎo)您完成與使用性能曲線生成器相同的優(yōu)化步驟?！　∧€將受益于我們的專業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，高效地得到電機原型樣機，以幫助您快速推進樣機設(shè)計，該原型機可以提供應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)矩和速度，即便該電機沒有針對您的確切需求得到完全優(yōu)化?！　∵@些優(yōu)化解決方案會需要一定時間才能完成，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計可以在原型機上工作，以證明您的設(shè)計概念，同時保持性能需求的完整性。由于時間對于原型機在許多項目中的成功發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此通過隨時可用的部件來節(jié)省時間會至關(guān)重要?！　榱烁钊氲亓私膺@一過程如何運作，讓我們來看看科爾摩根產(chǎn)品如何對機器人應(yīng)用發(fā)揮作用，特別是無框電機在協(xié)作機器人關(guān)節(jié)上的應(yīng)用?！　￡P(guān)節(jié)設(shè)計需要考慮很多因素。針對本報告，讓我們更詳細地研究以下因素：有效載荷容量、轉(zhuǎn)速、發(fā)熱管理，以及減速機方面的注意事項。　　機器人關(guān)節(jié)應(yīng)用的有效載荷容量可通過系統(tǒng)性能設(shè)計來確定。通常，這種設(shè)計所反映的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷是在CAD中建模的，方便設(shè)計師更靈活地確定“假設(shè)”系統(tǒng)特性需如何反映電機要求。　　如果需要多協(xié)作機械臂，會有一個由行業(yè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的較小的有效載荷作為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)“機械臂”的長度和所需的運動動態(tài)，可以從此類CAD模型確定RMS和峰值電機轉(zhuǎn)矩?！　∮行лd荷的速度，或者它每秒鐘必須行進的距離，將由安全因素、控制器以及機械系統(tǒng)設(shè)計所決定。這些設(shè)計參數(shù)也將在基于CAD的模型中確定?！　⊥ǔ＃瑱C器人系統(tǒng)設(shè)計師有作為其“秘密配置”核心的獨特安全或控制設(shè)計要素，或許他們的優(yōu)勢不在設(shè)計的機電部分。這正是科爾摩根的專業(yè)知識可以幫助您減少設(shè)計時間和迭代次數(shù)的地方?！　≡O(shè)計對于發(fā)熱管理的考慮需求來自多個不同的注意事項。由于機器人在工作單元中與人類的距離很近，因此有必要讓機器人保持與人互動所需的“安全觸碰”的表面溫度?？梢詫峤^緣或隔層添加到機器人的設(shè)計中，但是重量和體積可能會限制其他性能或外觀因素?！　〈送?，其他系統(tǒng)器件附近的熱量也可能存在限制，比如減速機、反饋裝置和軸承。如果機器人設(shè)計師試圖從電機供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目錄中獲得其電機繞組的最大額定溫度值，他們會發(fā)現(xiàn)列表中寫著155°C ，因為這反映了采用傳統(tǒng)無框和有框伺服電機的行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣系統(tǒng)溫度?！　≡S多編碼器反饋設(shè)備希望將光電組件的最大溫度保持在100°C - 120°C，而大多數(shù)減速機解決方案可能有65°C的溫度限制。針對這種熱限制的可能解決方案包括：　　●增加散熱片，但需要權(quán)衡重量的增加會減少有效負(fù)載容量?！　　裨黾虞S承、編碼器或減速機裝置的軸向距離，這也需要增加權(quán)衡重量并減少載荷容量。　　●降低無框電機設(shè)計的最大繞組溫度限制，這也會降低電機的可用轉(zhuǎn)矩?！　∪绻褂玫臏p速機的最高溫度額定值為65°C，且附近電機最高繞組溫度僅能夠高15°C，這將要求80°C的最高繞組溫度。這些信息隨后將被用于電機選型過程，以便使用性能曲線生成器工具來評估實際電機能力。　　機器人設(shè)計工程師可以使用性能曲線生成器來觀察實際連續(xù)和峰值轉(zhuǎn)矩與速度能力。系統(tǒng)CAD設(shè)計的電機性能所需數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以輕松地與選定的電機進行比較。
　　科爾摩根的KBM系列無框電機以小尺寸提供高性能　　由于協(xié)作機器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速要求相對較低，只要系統(tǒng)背隙可以保持為零，減速裝置就非常實用。應(yīng)變波減速機上所觀察到的零背隙和中等剛性使得它們非常適合這些應(yīng)用?！　?quot;確保將不同的減速機扭矩傳遞效率（通常介于60% - 70%）納入設(shè)計考量。　　此外，請注意所使用的任何減速機類型所需的潤滑材料的溫度限制，因為齒輪與電機的相對距離較近，足以限制系統(tǒng)性能，將其保持在制造商建議的工作溫度范圍內(nèi)。"　　高傳動比（通常約為100：1）的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在可以提高輸出端的可用轉(zhuǎn)矩，還體現(xiàn)在可顯著降低電機的折算負(fù)載慣量。帶動最大負(fù)重而完全伸展的機械臂的負(fù)載慣量會非常可觀?！　鲃颖鹊钠椒綄档蛡鬟f到電機端的負(fù)載慣量值。如果傳動比為100:1，電機的折算慣量是負(fù)載慣量的1/10,000。機械效率、發(fā)熱因素以及系統(tǒng)預(yù)期壽命都反映了在機器人關(guān)節(jié)應(yīng)用中所選擇的減速機類型和減速比?！　∮捎谟斜姸嘁蛩貢绊憴C器人電機的運行和使用壽命，因此制造協(xié)作機器人的制造商需要靈活耐用的解決方案。TBM系列是科爾摩根提供的一款創(chuàng)新直驅(qū)無框電機技術(shù)。
　　TBM (Torquer 無刷電機) 系列專門用于大功率密度，傳動應(yīng)用要求高的領(lǐng)域，比如機器人關(guān)節(jié)，醫(yī)療機器人，以及傳感器萬向節(jié)?！　o框電機可以為機械和設(shè)備工程團隊提供廣泛的解決方案，用以實現(xiàn)擁有最佳靈活性、功率密度、動態(tài)性能和耐久性的應(yīng)用?！　〕怂峁┑募夹g(shù)優(yōu)勢外，科爾摩根的KBM 和TBM 平臺還包括17種機框尺寸和許多預(yù)先設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)選項。對于機器人公司來說，從初創(chuàng)公司到正在成長和擴展到新市場的公司，科爾摩根可以為其提供從標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品到聯(lián)合研發(fā)定制的多方位服務(wù)。　　應(yīng)用和驗證解決方案　　毋庸置疑的是，當(dāng)今市場的需求不會給錯誤留下很大的余地。無論您是否面臨時間限制、追求更好的性能，或者已經(jīng)在當(dāng)前設(shè)備的制造過程中考慮了下一代設(shè)備，各種創(chuàng)新運動解決方案都可能成為新的挑戰(zhàn)?！　∨鋫湟愿咝Ш透哔|(zhì)量的選型工具，工程師可以幫助您加速從設(shè)計到原型到批量生產(chǎn)，同時確保比如反饋、發(fā)熱、軸承和減速機等影響因素均被考慮在內(nèi)?！　≡谑褂昧怂泄ぞ卟⑶彝瓿?D模型并加以測試之后，剩下的就是安裝和驗證電機系統(tǒng)的實際工作。好消息是，當(dāng)您將高性能無框電機集成到您的機器設(shè)計中時，您無需擔(dān)憂。安裝相對簡單，因為與無框電機配合安裝的軸的加工公差將會保證電機輸出穩(wěn)健性能?！?strong>　結(jié)論　　正確規(guī)劃、選擇和安裝的無框電機可以為創(chuàng)新解決方案打開大門。雖然在您為應(yīng)用選擇和優(yōu)化無框電機時要比選擇標(biāo)準(zhǔn)伺服電機需要更多的工作量，但是結(jié)果非常值得?！　囊婚_始就與專業(yè)的工程師團隊合作，是防止出現(xiàn)問題和確保應(yīng)用的任何方面都未被忽視的最佳方式。無論您正在嘗試超越極限、嘗試一些以往從未做過的事情，還是您只是想確保您的應(yīng)用高效率運行，科爾摩根為您提供的工具和團隊將讓這一切成為可能。