В статье представлены миниатюрные электромоторы с высоким крутящим моментом BXT, созданные компанией FAULHABER («ФАУЛЬХАБЕР»). Такие двигатели востребованы во многих областях: робототехнике, медицинском оборудовании, насосах точной подачи и т.д. Рассказано об истории их изобретения, особенностях конструкции. Приведено описание параметров.
ООО «Микропривод», г. Москва
Сегодня всё в большем количестве областей применения (например, в робототехнике, в производстве моторизированных протезов, при автоматизации научных лабораторий, в медицинском оборудовании, насосах точной подачи, механических приводах в кабине самолетов и т.д.) требуется высокий крутящий момент при небольших габаритах электромотора. Типовые электромоторы постоянного (DC) или переменного тока (АC) по многим причинам не способны реализовать два столь противоположных требования одновременно, поэтому вполне очевиден переход на нестандартные, а иногда и вообще экзотические технические решения.
Одним из примеров таких, не совсем обычных, DC-моторов может послужить семейство BXT производства немецкой компании FAULHABER («ФАУЛЬХАБЕР»), которой удалось добиться принципиально нового соотношения крутящего момента к длине корпуса мотора постоянного тока. Это бесколлекторные (или бесщеточные, а точнее – без механической коммутации) электродвигатели с полым (внешним) ротором и щелевой конструкцией. За счет инновационной технологии обмотки и оптимизированной конструкции достигается крутящий момент до 134 мН•м при длине мотора 14, 16 и 21 мм (с диаметром соответственно 22, 32 и 42 мм). Все модели разработаны для непрерывного отбора выходной мощности до 100 Вт. Чуть позже мы вернемся к техническим особенностям серии BXT, но сначала хотели бы представить саму компанию FAULHABER.
Предприятие было основано в 1947 году в небольшом городе Шёнайх рядом со Штутгартом. До сих пор FAULHABER остается независимой компанией, которой управляет одна семья (Фаульхабер, как нетрудно догадаться), что значительно упрощает ведение бизнеса и достижение взаимовыгодных соглашений. В 1959 году д-р Фриц Фаульхабер – старший изобрел и получил патент на обмотку ротора мотора постоянного тока без сердечника / железных пластин (coreless или ironless) с последовательной коммутацией (progressive), самоподдерживающую (self-supporting, то есть без намотки на сердечник или монтажный каркас), с намоткой под углом к оси обмотки (skew-wound), что и стало основой всех прецизионных сервомоторов постоянного тока от FAULHABER, позволяя получить высокую мощность при хороших динамических характеристиках в небольших габаритных размерах. Такой ротор используется в бесколлекторных (brushless) моторах, в которых обмотка неподвижна и расположена в бесщелевом (slotless) статоре. На роторе, как и в остальных бесколлекторных (бесщеточных) электродвигателях, находится постоянный магнит, вращающийся в переменном магнитом поле вместе с ротором. На данный момент именно такая конструкция обеспечивает широкий спектр моделей, от максимальных (200 мН•м крутящего момента на валу) до микропривода с наружным диаметром 1,9 мм, причем компания FAULHABER заявляет о 25 млн различных комбинаций, комплектуемых согласно потребностям заказчиков.
FAULHABER уже давно стала материнской компанией для подразделений по производству и разработке в Швейцарии, США, Румынии и Венгрии. Немецкий производитель имеет бизнес-партнеров и отделы продаж более чем в 30 странах по всему миру, а штат группы компаний FAULHABER насчитывает более 1900 сотрудников.
Однако в целом успешная конструкция электромоторов FAULHABER имела и свой недостаток. Обычно они длинные и узкие (малого диаметра), поэтому для новых областей применения, которые мы перечислили в начале статьи, потребовалась принципиально иная компоновка. Так были разработаны плоские (широкие и короткие) бесколлекторные (Brushless Flat) двигатели, которые первоначально появились в маломощной, но ограниченной по длине серии FAULHABER B-Flat (непрерывно отбираемая выходная мощность от 1,5 до 9 Вт). Затем была добавлена серия FAULHABER BXT с непрерывно отбираемой выходной мощностью до 100 Вт, оборотами до 10 тыс. об/мин и номинальным напряжением 6...48 В. Сразу отметим, что все модели серии имеют два варианта исполнения: с наружным корпусом (вариант BXT H) и без него (вариант BXT R).
Конструкция серии FAULHABER BXT показана на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция плоских электромоторов серии FAULHABER BXT
Нетрудно заметить, что теперь обмотки имеют более привычную конструкцию с железным сердечником. Также нужно отметить цифровые датчики Холла в стандартной комплектации. Маркировка моделей: две первые цифры – диаметр мотора в мм; две следующие цифры – длина мотора в мм; буква – тип вала; три цифры – номинальное напряжение с ведущим нулем в вольтах; три буквы – серия и последняя буква – исполнение (с корпусом или без него). Например: 4221G024BXTR означает: диаметр 42 мм, длину 21 мм, вал G, напряжение 24 В, серию BXT и открытую конструкцию (R). Кстати, компания FAULHABER рекомендует версию без корпуса (R) для областей применения с управлением оборотами, поскольку обеспечивается оптимальное рассеивание тепла, а версии в корпусе можно применять, например, в технических решениях с точным позиционированием, где требуется согласовать плоский электромотор с различными оптическими или магнитными кодировщиками. Разумеется, корпус также защищает от прикосновений к токоведущим частям и от неблагоприятных условий внешней среды (грязь и влага).
Наиболее важными преимуществами серии BXT компания FAULHABER называет:
- мощность в малых габаритах: очень высокий крутящий момент относительно габаритных размеров и веса миниатюрного электромотора;
- специальную конструкцию для экономии места;
- превосходные свойства синхронизации за счет многополюсной конструкции;
- снижение до минимума так называемого момента от зубцовых гармонических помех поля (cogging torque);
- три цифровых датчика Холла в стандартной комплектации (фазовый сдвиг 120°);
- срок службы в несколько раз выше, чем у щеточных электродвигателей; поскольку коммутация электронная (а не механическая), срок службы в основном зависит от качества подшипников электромотора.
Для знакомства с техническими характеристиками серии возьмем две модели: одну – с наименьшими, другую – с самыми большими показателями отбираемой на валу мощности (на 6 и на 100 Вт). Учитывая отсутствие публикаций на русском языке, сохраним наименование параметров на английском, но приведем перевод и краткое описание (табл. 1). В таблице рассмотрены не все характеристики – полный перечень можно посмотреть в каталоге, опубликованном на английском языке по адресу: faulhaber.com/en/products/brushless-dc-motors/faulhaber-bxt.
Таблица 1. Параметры двух граничных моделей серии FAULHABER BXT
Описание параметров
- Номинальное напряжение (nominal voltage) прикладывается между двумя фазами мотора для измерения специфицированных характеристик. Допускается работа с меньшим или большим напряжением в установленных для этого границах.
- Межфазовое тепловое сопротивление (terminal resistance, phase to phase) измеряется без дополнительных кабелей и меняется вместе с температурой обмотки.
- Макс. КПД (efficiency, max.) определяет отношение приложенной электрической мощности к отбираемой механической мощности мотора.
- Обороты без нагрузки (no-load speed) измеряются в устойчивом состоянии работы при наружной температуре 22 °C, и, если не указано иное, допускается погрешность ±12 %.
- Типовой ток без нагрузки (no-load current, typ.) определяет потребляемый мотором ток в устойчивом состоянии работы при наружной температуре 22 °C. Зависит от оборотов и наружной температуры.
- Пусковой крутящий момент (starting torque) определяет кратковременную максимальную величину при комнатной температуре и номинальном напряжении.
- Угловое ускорение (angular acceleration) определяется из состояния покоя в условиях без нагрузки при номинальном напряжении.
- Диапазон рабочих температур мотора (operating temperature range, motor) задает границы допустимой температуры.
- Люфт вала радиальный (shaft play radial)измеряется между валом и подшипниками.
- Люфт вала угловой (shaft play axial) измеряется между валом и подшипниками.
- Масса (mass) указана для типовой комплектации мотора.
- Количество полюсных пар (number of pole pairs) указано для типовой комплектации мотора.
- Номинальный крутящий момент (rated torque) задает максимальную величину для непрерывного режима работы (S1) при номинальном напряжении в устойчивом состоянии, чтобы температура не выходила из рабочего диапазона, когда мотор установлен на алюминиевый фланец (Ø 70 мм × 3 мм), обеспечивающий необходимое охлаждение. Для прерывистого режима работы (например, S2) и/или применения дополнительного охлаждения допустимо увеличение крутящего момента выше номинального.
- Номинальный ток (rated current), как и крутящий момент, определяется температурными границами.
- Номинальные обороты (rated speed) в устойчивом состоянии при номинальном крутящем моменте.
Из описания параметров видна зависимость режима работы миниатюрных электромоторов FAULHABER BXT от нескольких параметров, поэтому типовая рабочая точка обычно определяется нелинейной кривой на графике. Типовой график примерно одинаков для всех электродвигателей серии и имеет вид, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Рекомендованные рабочие диапазоны (пример для номинального напряжения 24 В)
На вертикальной оси показаны обороты n (мин-1), а на горизонтальной – крутящий момент M (мН•м). Несколько наклонных кривых отмечают выходную (отбираемую) мощность в Ваттах для нескольких условий эксплуатации, отмеченных цветом: на пластиковом фланце, на металлическим фланце и для прерывистого режима работы. Белым цветом отмечена рабочая точка при номинальной величине.
Наклонная прямая номинального напряжения (UN) определяем максимально допустимую рабочую точку для этого параметра. Все точки на графике выше прямой UN потребуют повышения подаваемого на мотор напряжения.
В России плоские электромоторы BXT, а также другое оборудование производства FAULHABER представляет официальный дистрибьютор немецкого производителя компания «Микропривод».
Опубликовано в интернете
ООО «Микропривод», г. Москва,
тел.:+7 (495) 221‑4052,
e‑mail: info@microprivod.ru,
сайт: microprivod.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")