內(nèi)容提要：無(wú)框電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域的價(jià)值　　為什么選擇在機(jī)器人應(yīng)用中使用無(wú)框電機(jī)，其原因類似于在其他應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)無(wú)法勝任的制約因素。最常見(jiàn)的因素是緊湊的尺寸或環(huán)境方面的特殊需求，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)高功率和高轉(zhuǎn)矩密度?！　∈褂脽o(wú)框電機(jī)設(shè)計(jì)還有其他優(yōu)勢(shì)，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(jī)，并能夠輸出強(qiáng)大的功率和轉(zhuǎn)矩時(shí)，無(wú)框電機(jī)便是理想的選擇。　　在本白皮書(shū)中，我們將努力消除無(wú)框電機(jī)選型的障礙，并幫助機(jī)器人工程師制定自己的規(guī)格要求，以便他們?cè)谂c無(wú)框電機(jī)廠商開(kāi)始交流時(shí)，更高效地對(duì)話。　　例如，通過(guò)對(duì)尺寸、傳動(dòng)、發(fā)熱和機(jī)械需求的全面了解，我們的團(tuán)隊(duì)可以快速地為您介紹現(xiàn)有的選項(xiàng)，無(wú)論是我們已經(jīng)生產(chǎn)的電機(jī)，還是需要稍加調(diào)整的電機(jī)，或者可能是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)?！　×私膺@些技術(shù)選項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)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(duì)您設(shè)計(jì)的影響。　　工程師：為何要閱讀本文？　　隨著更多的組織和企業(yè)實(shí)施精益制造，以及在日常運(yùn)營(yíng)中進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，無(wú)框電機(jī)成為整個(gè)行業(yè)創(chuàng)新解決方案的核心?！　≡趹?yīng)用中集成無(wú)框電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，從更清潔的組件和更簡(jiǎn)化的維護(hù)到更高的效率和更少的停機(jī)時(shí)間。此外，無(wú)框電機(jī)比人們想象的更容易安裝。 無(wú)論您是否擁有MathCAD或類似的工具來(lái)計(jì)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(yàn)和淵博知識(shí)的工程師都可以幫助您優(yōu)化除機(jī)械因素之外的因素，這對(duì)于獲得進(jìn)展是非常寶貴的?！　∪缃?，樣機(jī)的快速研發(fā)通常是最重要的問(wèn)題，因此與完全定制的設(shè)計(jì)相比，采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品方案可以讓您的時(shí)間軸縮短數(shù)周。理解時(shí)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(shí)間獲得最佳解決方案，并隨著您的應(yīng)用向前推進(jìn)?！?strong>　無(wú)框電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)　　選擇將直驅(qū)無(wú)框電機(jī)加入到您的設(shè)計(jì)中的原因有很多。直驅(qū)無(wú)框電機(jī)可以提供簡(jiǎn)潔的機(jī)械裝配，并且比人們想象的更容易裝配。由于沒(méi)有需要張緊和調(diào)整的皮帶，更不必說(shuō)傳動(dòng)潤(rùn)滑要求和整體磨損，因此直驅(qū)無(wú)框電機(jī)的部件更少、維護(hù)更少。這一切也意味著更少的停機(jī)時(shí)間。　　不僅如此，除了清潔性和維護(hù)方面的優(yōu)點(diǎn)之外，直驅(qū)無(wú)框電機(jī)提供的性能改善也不容忽視。直驅(qū)無(wú)框電機(jī)無(wú)需慣量匹配即可確保穩(wěn)定的性能。　　此外，無(wú)框電機(jī)的運(yùn)行噪聲要比伺服電機(jī)的低，在6,000 rpm或更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，噪聲可以低至20分貝。因此，如果您擔(dān)心采用無(wú)框電機(jī)是否值得，那么答案將毫無(wú)疑問(wèn)是肯定的。　　構(gòu)建電機(jī)規(guī)格　　從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始電機(jī)選型。當(dāng)您考慮機(jī)器人應(yīng)用將要執(zhí)行的工作時(shí)，您需要考慮實(shí)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(duì)于如何考慮電機(jī)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。　　在規(guī)劃和設(shè)計(jì)您的項(xiàng)目時(shí)，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(jiǎn)單地說(shuō)就是當(dāng)您將電機(jī)電樞的軸向長(zhǎng)度加倍時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率也將增加。而且其增加量與電樞軸向長(zhǎng)度的增加量成正比。基本上，如果您把長(zhǎng)度翻倍，連續(xù)轉(zhuǎn)矩也將翻倍?！　∪欢?，如果不是將長(zhǎng)度翻倍，而是將轉(zhuǎn)子力矩臂的直徑翻倍，轉(zhuǎn)矩將會(huì)成平方增加。您可以通過(guò)采用加倍的直徑來(lái)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(jì)者優(yōu)化整體系統(tǒng)。
　　諸如D2L 規(guī)則等設(shè)計(jì)原則，正是要從設(shè)計(jì)早期階段開(kāi)始電機(jī)選型的原因，可以幫助您盡早優(yōu)化電機(jī)的外形規(guī)格，實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)器人設(shè)計(jì)?！　《嗄陙?lái)，我們創(chuàng)建了獨(dú)特的工具來(lái)幫助客戶根據(jù)其需求快速優(yōu)化電機(jī)。例如，科爾摩根開(kāi)發(fā)的 性能曲線生成器 可用來(lái)優(yōu)化整體系統(tǒng)，并試驗(yàn)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(dòng)器電流額定值如何影響電機(jī)性能?！　⌒阅芮€生成器甚至可以讓設(shè)計(jì)工程師評(píng)估環(huán)境和最大電機(jī)繞組溫度選項(xiàng)。使用Liquid Cooling（液體冷卻）持續(xù)增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩也是建?？捎眠x項(xiàng)的一部分。　　MOTIonEERING 的工作過(guò)程首先是收集數(shù)據(jù)輸入，然后將結(jié)果與電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)品目錄進(jìn)行比較。如果您在填寫(xiě)應(yīng)用配置文件問(wèn)題時(shí)不確定您需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是多少，這個(gè)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(lái)完成模型驗(yàn)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(jī)?！　o(wú)論這是您首次考慮電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器要求，還是您多年來(lái)一直從事這方面的工作，一份注意事項(xiàng)列表都會(huì)是一個(gè)有用的工具。在本文結(jié)尾，您將會(huì)找到一份應(yīng)用配置問(wèn)題列表，您或您的團(tuán)隊(duì)可以使用該列表來(lái)準(zhǔn)備與支持工程師進(jìn)行對(duì)話　　您將會(huì)找到與機(jī)械外形、電機(jī)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(yùn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以及占空比相關(guān)的重要問(wèn)題。
　　后續(xù)工作都有什么？　　一旦您了解電機(jī)的性能需求，工程師和產(chǎn)品專家團(tuán)隊(duì)即可開(kāi)始工作。工程師有三種方式可以與您合作來(lái)確定針對(duì)每種應(yīng)用的完美無(wú)框電機(jī)?！　±?，在科爾摩根，工程師會(huì)首先將您的要求與可能正好滿足您需求的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)產(chǎn)品目錄進(jìn)行匹配。如果標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)并不完全適合，下一步是參看簡(jiǎn)單的修改，比如更換繞組和進(jìn)行其他機(jī)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(jì)中。無(wú)論采用哪種方式，您都可以從多種定制服務(wù)進(jìn)行選擇，包括更小或更大的直徑、更改繞組、更改疊片長(zhǎng)度等?！　∪绻男枨笈c標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)不匹配，或者所需的修改超出了簡(jiǎn)單修改，最后的選項(xiàng)就是從頭開(kāi)始。即便如此，許多現(xiàn)有電機(jī)元件也可納入，而定制部件的設(shè)計(jì)旨在滿足獨(dú)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(gè)選項(xiàng)就是使用科爾摩根的其他在線工具：直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇器。雖然許多客戶依賴產(chǎn)品目錄，但是這個(gè)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(kāi)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(shì)的起點(diǎn)。這實(shí)際上是返回性能曲線生成器的一個(gè)好時(shí)機(jī)，因?yàn)槟梢杂盟鼇?lái)進(jìn)一步優(yōu)化您的產(chǎn)品選擇。　　一旦您通過(guò)選型工具生成一系列符合的產(chǎn)品，這也是與經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程師互動(dòng)的絕佳時(shí)機(jī)，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(yàn)，高效地得到電機(jī)原型樣機(jī)，以幫助您快速推進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)，該原型機(jī)可以提供應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)矩和速度，即便該電機(jī)沒(méi)有針對(duì)您的確切需求得到完全優(yōu)化。　　這些優(yōu)化解決方案會(huì)需要一定時(shí)間才能完成，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以在原型機(jī)上工作，以證明您的設(shè)計(jì)概念，同時(shí)保持性能需求的完整性。由于時(shí)間對(duì)于原型機(jī)在許多項(xiàng)目中的成功發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此通過(guò)隨時(shí)可用的部件來(lái)節(jié)省時(shí)間會(huì)至關(guān)重要。　　為了更深入地了解這一過(guò)程如何運(yùn)作，讓我們來(lái)看看科爾摩根產(chǎn)品如何對(duì)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)揮作用，特別是無(wú)框電機(jī)在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)上的應(yīng)用?！　￡P(guān)節(jié)設(shè)計(jì)需要考慮很多因素。針對(duì)本報(bào)告，讓我們更詳細(xì)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(jī)方面的注意事項(xiàng)?！　C(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用的有效載荷容量可通過(guò)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)來(lái)確定。通常，這種設(shè)計(jì)所反映的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷是在CAD中建模的，方便設(shè)計(jì)師更靈活地確定“假設(shè)”系統(tǒng)特性需如何反映電機(jī)要求?！　∪绻枰鄥f(xié)作機(jī)械臂，會(huì)有一個(gè)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(jī)械臂”的長(zhǎng)度和所需的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)，可以從此類CAD模型確定RMS和峰值電機(jī)轉(zhuǎn)矩。　　有效載荷的速度，或者它每秒鐘必須行進(jìn)的距離，將由安全因素、控制器以及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定。這些設(shè)計(jì)參數(shù)也將在基于CAD的模型中確定?！　⊥ǔ?，機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有作為其“秘密配置”核心的獨(dú)特安全或控制設(shè)計(jì)要素，或許他們的優(yōu)勢(shì)不在設(shè)計(jì)的機(jī)電部分。這正是科爾摩根的專業(yè)知識(shí)可以幫助您減少設(shè)計(jì)時(shí)間和迭代次數(shù)的地方?！　≡O(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)熱管理的考慮需求來(lái)自多個(gè)不同的注意事項(xiàng)。由于機(jī)器人在工作單元中與人類的距離很近，因此有必要讓機(jī)器人保持與人互動(dòng)所需的“安全觸碰”的表面溫度?？梢詫峤^緣或隔層添加到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，但是重量和體積可能會(huì)限制其他性能或外觀因素?！　〈送猓渌到y(tǒng)器件附近的熱量也可能存在限制，比如減速機(jī)、反饋裝置和軸承。如果機(jī)器人設(shè)計(jì)師試圖從電機(jī)供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目錄中獲得其電機(jī)繞組的最大額定溫度值，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)列表中寫(xiě)著155°C ，因?yàn)檫@反映了采用傳統(tǒng)無(wú)框和有框伺服電機(jī)的行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣系統(tǒng)溫度。　　許多編碼器反饋設(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(jī)解決方案可能有65°C的溫度限制。針對(duì)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(huì)減少有效負(fù)載容量?！　　裨黾虞S承、編碼器或減速機(jī)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(wú)框電機(jī)設(shè)計(jì)的最大繞組溫度限制，這也會(huì)降低電機(jī)的可用轉(zhuǎn)矩。　　如果使用的減速機(jī)的最高溫度額定值為65°C，且附近電機(jī)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(jī)選型過(guò)程，以便使用性能曲線生成器工具來(lái)評(píng)估實(shí)際電機(jī)能力。　　機(jī)器人設(shè)計(jì)工程師可以使用性能曲線生成器來(lái)觀察實(shí)際連續(xù)和峰值轉(zhuǎn)矩與速度能力。系統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的電機(jī)性能所需數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以輕松地與選定的電機(jī)進(jìn)行比較。
　　科爾摩根的KBM系列無(wú)框電機(jī)以小尺寸提供高性能　　由于協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速要求相對(duì)較低，只要系統(tǒng)背隙可以保持為零，減速裝置就非常實(shí)用。應(yīng)變波減速機(jī)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。　　"確保將不同的減速機(jī)扭矩傳遞效率（通常介于60% - 70%）納入設(shè)計(jì)考量。　　此外，請(qǐng)注意所使用的任何減速機(jī)類型所需的潤(rùn)滑材料的溫度限制，因?yàn)辇X輪與電機(jī)的相對(duì)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(dòng)比（通常約為100：1）的優(yōu)勢(shì)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(jī)的折算負(fù)載慣量。帶動(dòng)最大負(fù)重而完全伸展的機(jī)械臂的負(fù)載慣量會(huì)非常可觀?！　鲃?dòng)比的平方將會(huì)降低傳遞到電機(jī)端的負(fù)載慣量值。如果傳動(dòng)比為100:1，電機(jī)的折算慣量是負(fù)載慣量的1/10,000。機(jī)械效率、發(fā)熱因素以及系統(tǒng)預(yù)期壽命都反映了在機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用中所選擇的減速機(jī)類型和減速比。　　由于有眾多因素會(huì)影響機(jī)器人電機(jī)的運(yùn)行和使用壽命，因此制造協(xié)作機(jī)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(wú)框電機(jī)技術(shù)。
　　TBM (Torquer 無(wú)刷電機(jī)) 系列專門用于大功率密度，傳動(dòng)應(yīng)用要求高的領(lǐng)域，比如機(jī)器人關(guān)節(jié)，醫(yī)療機(jī)器人，以及傳感器萬(wàn)向節(jié)。　　無(wú)框電機(jī)可以為機(jī)械和設(shè)備工程團(tuán)隊(duì)提供廣泛的解決方案，用以實(shí)現(xiàn)擁有最佳靈活性、功率密度、動(dòng)態(tài)性能和耐久性的應(yīng)用。　　除了所提供的技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，科爾摩根的KBM 和TBM 平臺(tái)還包括17種機(jī)框尺寸和許多預(yù)先設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。對(duì)于機(jī)器人公司來(lái)說(shuō)，從初創(chuàng)公司到正在成長(zhǎng)和擴(kuò)展到新市場(chǎng)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)?！　?strong>應(yīng)用和驗(yàn)證解決方案　　毋庸置疑的是，當(dāng)今市場(chǎng)的需求不會(huì)給錯(cuò)誤留下很大的余地。無(wú)論您是否面臨時(shí)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(guò)程中考慮了下一代設(shè)備，各種創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)解決方案都可能成為新的挑戰(zhàn)。　　配備以高效和高質(zhì)量的選型工具，工程師可以幫助您加速?gòu)脑O(shè)計(jì)到原型到批量生產(chǎn)，同時(shí)確保比如反饋、發(fā)熱、軸承和減速機(jī)等影響因素均被考慮在內(nèi)。　　在使用了所有工具并且完成3D模型并加以測(cè)試之后，剩下的就是安裝和驗(yàn)證電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際工作。好消息是，當(dāng)您將高性能無(wú)框電機(jī)集成到您的機(jī)器設(shè)計(jì)中時(shí)，您無(wú)需擔(dān)憂。安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)榕c無(wú)框電機(jī)配合安裝的軸的加工公差將會(huì)保證電機(jī)輸出穩(wěn)健性能?！?strong>　結(jié)論　　正確規(guī)劃、選擇和安裝的無(wú)框電機(jī)可以為創(chuàng)新解決方案打開(kāi)大門。雖然在您為應(yīng)用選擇和優(yōu)化無(wú)框電機(jī)時(shí)要比選擇標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)需要更多的工作量，但是結(jié)果非常值得?！　囊婚_(kāi)始就與專業(yè)的工程師團(tuán)隊(duì)合作，是防止出現(xiàn)問(wèn)題和確保應(yīng)用的任何方面都未被忽視的最佳方式。無(wú)論您正在嘗試超越極限、嘗試一些以往從未做過(guò)的事情，還是您只是想確保您的應(yīng)用高效率運(yùn)行，科爾摩根為您提供的工具和團(tuán)隊(duì)將讓這一切成為可能。