Бескаркасные моментные двигатели: от устранения зубцового момента до трех главных технологических прорывов 2026 года

Эта статья начинается с принципа момента зубцового сопротивления в бескаркасных двигателях, объясняет, как беззубцовая технология сердечника устраняет пульсации момента и вибрацию, и подчеркивает три основных прорыва, достигнутых бескаркасными моментными двигателями в 2025 году: увеличение крутящего момента на низких скоростях за счет конструкций с большим числом пар полюсов, превышающим 32 пары полюсов, применение полых бескаркасных конструкций для компактных и легких решений, а также использование высококачественных постоянных магнитов NdFeB для повышения плотности момента.

В статье также суммируются преимущества бескаркасных моментных двигателей, включая компактные размеры и высокую плотность момента, а также рассматриваются такие проблемы, как оптимизация магнитной цепи и тепловое управление. Наконец, приводятся практические рекомендации по выбору на основе принципа "момент прежде всего," а также ключевые инженерные соображения по монтажу и отводу тепла.

Понимание основ: что вызывает момент зубцового сопротивления?

Чтобы полностью понять работу двигателя, необходимо сначала понять три основных компонента сердечника двигателя.

Непрерывное кольцо, расположенное на самой внешней части статора, называется ярмом. Зубчатые выступы, идущие внутрь от ярма, называются зубцами. Пространства между соседними зубцами называются пазами, а отверстие в передней части каждого паза называется пазовым отверстием.

Чтобы двигатель мог работать, на зубцы наматываются проводящие медные обмотки. Поскольку зубцы обладают отличной магнитной проницаемостью, они помогают усиливать магнитное поле.

Когда ротор помещается внутрь статора и начинает вращаться, можно ощутить заметное периодическое сопротивление или ощущение "рывков". В моторостроении это явление называется моментом зубцового сопротивления.

Например, рассмотрим статор с шестью пазами и четырьмя полюсами, в сочетании с ротором с четырьмя полюсами. Поскольку число магнитных полюсов и пазов не может идеально совпасть, магнитное притяжение между магнитами ротора и зубцами статора периодически изменяется во время вращения. Каждый раз, когда ротор проходит положение паза, возникает возмущение момента, что приводит к вибрации и неравномерному движению.

Один из самых эффективных способов устранения момента зубцового сопротивления — использование беззубцовой конструкции сердечника.

Как следует из названия, в беззубцовом двигателе нет ни пазов, ни зубцов. Вместо этого медные обмотки непосредственно крепятся к гладкой внутренней поверхности железного сердечника. Без зубцов магнитное притяжение между магнитами ротора и статором остается постоянным во время вращения.

В результате беззубцовые двигатели полностью устраняют момент зубцового сопротивления, обеспечивая:

• Сверхплавную работу

• Отсутствие рывков и вибрации

• Чрезвычайно низкие пульсации момента

• Высокую точность позиционирования

Это одно из важнейших эксплуатационных преимуществ беззубцовой технологии двигателей.

Каких технологических прорывов достигли бескаркасные моментные двигатели в 2025 году?

Бескаркасные моментные двигатели — это многополюсные синхронные двигатели прямого привода с постоянными магнитами. В отличие от обычных двигателей, они исключают несущественные элементы, такие как корпуса, подшипники и выходные валы.

Их развитие сосредоточено на трех ключевых целях:

• Постоянный момент на низкой скорости

• Высокая плотность момента

• Низкие пульсации момента

В 2025 году были достигнуты крупные технологические достижения в области электромагнитного проектирования, структурных инноваций и развития материалов, что делает бескаркасные моментные двигатели идеально подходящими для компактных, гибких и высокоточных требований сочленений человекоподобных роботов.

1. Электромагнитное проектирование: решение проблемы вибрации на низкой скорости

Увеличение числа пар полюсов стало ключевым фактором, определяющим улучшение характеристик.

По сравнению с распространенными 12-полюсными конфигурациями, характерными для массового рынка пять лет назад, современные высококлассные бескаркасные моментные двигатели теперь имеют 32, 64 или даже больше пар полюсов.

Большее число полюсов позволяет двигателю выдавать стабильный номинальный момент даже при нулевой скорости или на сверхнизких скоростях до 0.1°/s, эффективно устраняя проблемы ползучести, залипания и вибрации, характерные для обычных двигателей.

В то же время отрасль широко применяет оптимизированные схемы концентрированной обмотки с дробным числом пазов, такие как 48 полюсов и 324 паза, снижая момент зубцового сопротивления до менее чем 1% от номинального момента.

Это обеспечивает исключительно плавное управление движением для требовательных применений, таких как:

• Хирургические роботы

• Сочленения человекоподобных роботов

• Полупроводниковое оборудование

• Системы точной автоматизации

2. Структурные инновации: компактная конструкция для человекоподобных роботов

Бескаркасные моментные двигатели стали предпочтительной моторной архитектурой для человекоподобных роботов.

В отличие от интегрированных каркасных двигателей DD (Direct Drive), бескаркасные двигатели имеют:

• Отсутствие внешнего корпуса

• Отсутствие подшипников

• Отсутствие выходного вала

Такая минималистичная архитектура дает значительные преимущества при интеграции.

Статор может быть непосредственно встроен в корпус робота, а ротор установлен прямо на вал нагрузки.

Ключевые преимущества включают:

Осевую длину, уменьшенную примерно до одной трети по сравнению с обычными приводными двигателями

Более чем 30% снижение общей массы

Значительно меньшие габариты сочленения

Внутреннее пространство для прокладки кабелей, датчиков и трубопроводов

Полая конструкция особенно хорошо подходит для компактных требований к установке в сочленениях человекоподобных роботов.

3. Достижения в материалах: стабильная высокомоментная работа в широком диапазоне температур

Высококлассные бескаркасные моментные двигатели обычно используют постоянные магниты NdFeB класса N52H и выше, обеспечивая значения остаточной индукции до 1.45 Tesla.

В сочетании с медными сплавами обмоток с высокой проводимостью эти материалы значительно повышают:

Электромагнитную эффективность преобразования

Плотность момента

Способность к непрерывной выдаче мощности

Полная система материалов поддерживает работу в широком диапазоне температур от -40°C до 125°C, обеспечивая стабильный выходной момент в сложных условиях, таких как:

• Высокотемпературные среды

• Низкотемпературные среды

• Частые циклы пуска-останова

• Умеренные перегрузочные условия

Такой подход обеспечивает баланс между производительностью и долгосрочной надежностью.

Преимущества и проблемы бескаркасных моментных двигателей

1. Основные преимущества

Компактные размеры

Полая конструкция минимизирует занимаемое пространство, упрощая прокладку кабелей и интеграцию системы в сочленениях робота.

Высокая плотность момента

Большой выходной момент может быть достигнут даже на низких скоростях вращения, что делает бескаркасные моментные двигатели идеальными для робототехнических применений с низкой скоростью и высокой нагрузкой.

Стабильная работа

Прямая интеграция в конструкции машин повышает устойчивость к:

• Высоким температурам

• Высокому напряжению

• Воздействию радиации

• Жестким промышленным условиям

• Отличные пусковые и холостые характеристики

• Низкое пусковое напряжение

• Низкий ток холостого хода

• Повышенную энергоэффективность

2. Технические проблемы

Оптимизация магнитной цепи

Инженеры должны тщательно оптимизировать магнитные материалы и схемы обмоток, чтобы максимизировать эффективность магнитной цепи и коэффициент заполнения пазов.

Тепловое управление

Низковольтные системы часто требуют работы на высоком токе, что приводит к значительному тепловыделению. Чрезмерный рост температуры может ускорить старение компонентов и сократить срок службы системы.

Требования к согласованности

Многосочлененные робототехнические системы требуют очень высокой согласованности характеристик двигателей во всех сочленениях. Различия увеличивают сложность наладки и негативно влияют на качество управления.

Снижение затрат

Локализация ключевых компонентов остается критически важной для снижения производственных затрат и обеспечения крупномасштабного коммерческого внедрения.

Как выбрать подходящий бескаркасный моментный двигатель？

1. Золотой принцип выбора

Самое важное правило:

Сначала момент, затем скорость

Человекоподобные роботы часто работают в режиме пуск-останов и сталкиваются с быстро меняющимися динамическими нагрузками.

Рекомендуемые запасы по проектированию включают:

• Непрерывный момент ≥ 1.2–1.5 × установившийся момент нагрузки

• Пиковый момент ≥ 2 × ударный момент нагрузки

Для робототехнических сочленений также необходимо тщательно контролировать согласование инерции.

Отношение инерции нагрузки к инерции двигателя должно оставаться:

≤ 5:1

чтобы предотвратить вибрацию, нестабильность и колебания.

Выбор энкодера

Для стандартных применений в человекоподобных роботах:

• 23-битный абсолютный энкодер

• Разрешение примерно 0.0001°

Для сверхвысокоточных применений, таких как:

• Медицинская робототехника

• Производство полупроводников

рекомендуется 29-битный энкодер сверхвысокого разрешения.

2. Критические аспекты интеграции

Контроль соосности

Чрезмерная ошибка соосности является одной из наиболее распространенных причин отказа бескаркасных двигателей.

Соосность между статором и ротором должна поддерживаться в пределах:

0.02 mm

Чрезмерное несоосное положение может привести к:

Увеличению пульсаций момента

Локальному перегреву

Отказу подшипников

Во время сборки следует использовать точные индикаторы часового типа для точной выверки.

Тепловое управление

Поскольку бескаркасные двигатели работают на низкой скорости и при высоком токе, тепловыделение может быть значительным.

В условиях, таких как:

• Непрерывный упор

• Работа на максимальной мощности

настойчиво рекомендуется принудительное воздушное охлаждение или системы жидкостного охлаждения.

Продвинутые конструкции сочленений могут использовать:

• Тепловые трубки, интегрированные в корпус сочленения

• Циркуляцию диэлектрического охлаждающего агента

чтобы увеличить плотность непрерывного момента до четырех раз.

Жесткость конструкции

Системы прямого привода не имеют демпфирования редуктора.

Недостаточная жесткость конструкции может привести к резонансу и вибрации.

Рекомендуемые решения включают:

Полые интегрированные конструкции сочленений

Усиленные чугунные опорные основания

Повышение жесткости системы

3. Наладка и оптимизация EMI

Во время наладки следует включить три ключевые функции:

• Компенсация момента зубцового сопротивления

• Подавление гармоник

• Компенсация по опережению трения

Полоса пропускания контура тока должна превышать:

• 2 kHz для стандартных применений

• 5 kHz для высококлассных прецизионных применений

Эти меры эффективно уменьшают пульсации момента и улучшают плавность движения.

Например, в применениях хирургической робототехники настройка ПИ-регулятора на:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

может обеспечить время отклика по току всего 0.5 ms.

Подавление EMI

Для устранения источников шума с фиксированной частотой, таких как помехи 1.2 MHz, рекомендуются следующие решения:

• Экранирование обмоток статора медной фольгой

• Слои магнитного экранирования из нанокристаллического материала

• Экранирование проводящей тканью

• Установка ферритовых сердечников на силовые кабели

Увеличение частоты PWM с 15 kHz до 18 kHz может немного увеличить потери на переключение, но помогает избежать механических резонансных частот и снизить пики электромагнитного шума примерно на 8 dB.

Свяжитесь с HONPINE

Свяжитесь с HONPINE сегодня, чтобы получить дополнительную информацию, технические характеристики и материалы по применению бескаркасных моментных двигателей.