Frameloze servomotoren

Bereik ultieme bewegingsprecisie

Als u een motor met behuizing kunt vinden die goed bij uw toepassing past, is dat over het algemeen de beste keuze. Maar voor toepassingen met gespecialiseerde behoeften, zoals een ultracompact ontwerp, extreme precisie en reactievermogen van beweging, of de noodzaak om de motor te beschermen tegen zware, potentieel schadelijke omgevingsomstandigheden, is een frameloze motor vaak een betere oplossing.

In bijvoorbeeld een robot wil je een motor toepassen met zo min mogelijk massa, omdat door de massatraagheid de bewegingen immers minder snel en nauwkeurig worden. Bij een grote massa is de kans op overshoot groter en moet het regelmechanisme bijsturen om de robot op de juiste plaats te krijgen. Hoe minder massa, hoe minder de massatraagheid en hoe sneller de robot kan reageren.
Om de massa te verkleinen zonder de werking van de motor aan te passen, moeten we alle overtollige massa van de motor elimineren. Maar wat is overtollig? Rotor en stator zijn noodzakelijk en daar is geen winst te behalen. Waar we wel op kunnen bezuinigen is de behuizing van de motor. Staal vervangen door aluminium is daarvan een voorbeeld, maar nog meer kunnen we besparen door de gehele behuizing weg te laten. Maar kan dat?
Nu zult u zeggen dat het weglaten van de behuizing onmogelijk is. Hoe zet je de motor vast, hoe plaats je de aansluitingen en waar moeten de lagers komen? Vooral dat laatste is belangrijk. Het is de behuizing waarin de lagers gemonteerd zitten die er voor zorgen dat de rotor netjes in het midden van de stator rond kan draaien.
Een motor zonder behuizing lijkt onmogelijk, maar wie slim is kan probleemloos een behuizingsloze motor toepassen. Neem bijvoorbeeld een robotarm. Bij een robot waarin normale motoren toegepast worden, moet op elk draaipunt een stevige bevestigingsplaat gemaakt worden waarop de motor gemonteerd wordt. Alle krachten die in de arm optreden komen daarbij terecht op de bevestigingsbouten van de motor. Veelal zijn dat er slechts vier wat inhoudt dat dit vaak dikke, zware bouten moeten zijn. Hetzelfde geldt voor de bevestigingsplaat. Ook deze moet alle krachten op een goede manier weten op te vangen.

Geïntegreerd

Een motor zonder behuizing is technisch niet mogelijk. Er is altijd iets nodig om stator en lagers in te monteren. Is dit niet de behuizing van de motorfabrikant, dan moeten we dat zelf doen. En juist daar zitten de voordelen. De robotarm kunnen we immers zo ontwerpen dat daarin de motorbehuizing geïntegreerd is. We hebben dan veel meer grip op de mechanische constructie en kunnen zelf bepalen hoe deze eruit ziet. Ook het krachtenspel hebben we zelf in de hand en is niet meer afhankelijk van de eerder genoemde vier montagebouten.
Frameloze motorkits (afbeelding 1) bestaan uitsluitend uit een stator en rotor. Alle andere componenten die bij een traditionele motor horen, zoals de behuizing, lagers, uitgaande as en connectoren, zijn in plaats daarvan ontworpen in het toepassingsmechanisme zelf. Door een frameloze motor in dit mechanismeontwerp te integreren, kunt u de kleinst mogelijke voetafdruk bereiken zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
Omdat frameloze motoren direct in de toepassing worden geïntegreerd, kunnen ze door het ontwerp worden beschermd tegen omgevingsfactoren. In washdown-toepassingen kan een frameloze motor bijvoorbeeld worden ingebed, zodat vloeistoffen onder hoge druk hem nooit kunnen raken. Voor een diepzeevoortstuwingssysteem kan de motor worden afgedicht in een met olie gevulde, drukgecompenseerde behuizing. In omgevingen met hoog vacuüm en hoge straling kunnen gespecialiseerde materialen worden gebruikt om uitgassing of isolatiedegradatie te voorkomen.

Behuizing

De frameloze stator wordt doorgaans vastgelijmd in een bewerkt cilindrisch holtecomponent dat dient als motorbehuizing (afbeelding 2). Deze wordt in de machine geïntegreerd in de buurt van de aangedreven as, wat zorgt voor het meest compacte ontwerp. Frameloze motoren worden doorgaans geleverd met een gedetailleerde installatiehandleiding die bewerkingstoleranties, bindmiddelen, montagevolgordes en meer behandelt.

Om de structurele integriteit te garanderen en voldoende koellichaam te bieden, wordt de behuizing doorgaans vervaardigd van staal of aluminium met een minimale wanddikte van 4-6 mm. Het is belangrijk om een behuizingsmateriaal te gebruiken dat effectief warmte van de motor kan afvoeren, daarom hebben deze materialen de voorkeur. Houd er rekening mee dat roestvrij staal een slechte thermische geleidbaarheid heeft en moet worden vermeden.

Ontwerptools

Kolmorgen is één van de firma’s die frameloze motoren levert. Hun Curve Generator kunt u gebruiken om inzicht te krijgen in de details van motorsnelheid en koppel die beschikbaar zijn onder een breed scala aan gespecificeerde thermische omstandigheden. Dit stelt ingenieurs in staat om motoren voor elke toepassing op de juiste maat te maken, en het helpt ook bij het begrijpen van de ontwerpvereisten voor statorbehuizingsafmetingen en thermische overwegingen voor dicht op elkaar gemonteerde componenten zoals lagers, tandwielen en feedbacksensoren. Houd er ook rekening mee dat sommige frameloze motoren zijn ontworpen om goed te presteren bij een aanzienlijk lagere wikkelingstemperatuur dan hun maximale classificatie. De TBM2G-serie van Kolmorgen levert bijvoorbeeld uitzonderlijke prestaties zonder 85 °C te overschrijden, maar is ook in staat om volledige prestaties te leveren bij een wikkelingstemperatuur tot 155 °C op continue basis.