无框电机为OEM厂商提供更多的设计选择

创新产品需要创新的解决方案。虽然标准化的车载电机在一个有吸引力的价位上提供了一系列的选择，但是它们也涉及制造商的选择所引起的约束。对于寻求最大性能的OEM来实现其愿景，无框电机提供更大程度的设计自由度。
图1：无框电机作为单独的转子和定子（左）出售，使其能够直接集成到设备中。 与内置马达（右下方）相比，无框马达明显更紧凑。 （由Allied Motion Technologies提供）容纳的电动机作为组装装置传送，通常按照国家电机协会（NEMA）和国际电工委员会（IEC）等组织规定的标准化框架尺寸。内置电机有轴和中空孔配置。两种类型通常都包括由制造商选择的轴承。外壳电机还需要对速度/位置控制的反馈，例如编码器或旋转变压器。
大量的电机可以作为商业现货（COTS）产品购买。根据请求的性质和所涉及的卷，OEM可以经常订购COTS设备的定制版本。然而，变化的水平通常是有限的。对于整体尺寸和性能进行更为重大的修改，无框电机可能是更好的选择。
顾名思义，无框电机是未安装的电机。它不是作为组装装置而是作为单独的转子和定子输送（见图1）。因此，无框电动机可以直接集成到机器的机械结构中。这些电机不需要齿轮箱，轴或联轴器，所有这些都可以引入顺应性和机械共振。因此，无框电机可以更精确地将负载运送到指定位置，同时具有较少的过冲或稳定时间。
也称为内置电机或套件电机，这些出货的设备不包括轴承，轴，编码器或传感器，尽管它们可以包括安装硬件（见图2）。所有这些元素都需要由设备制造商添加。重要的是，该设计使得OEM能够更好地控制电机和整个系统的参数和性能。

图2：定子和转子经常在每端具有法兰，具有定心面和螺纹孔，用于安装在机器中。 （由西门子工业公司提供）约瑟夫Profeta III说：“无框电机有一点更有韧性，我们可以专门为一个应用而设计，而不是具有NEMA尺寸和IEC尺寸的电机。控制系统集团总监; Aerotech（宾夕法尼亚州匹兹堡）。“对于未安装的电机，通常有更多关于定制长度或直径或孔径的讨论，以适应特定应用。这种精确的设计匹配通常允许在机器中有更高的动态性。“

无框电机是当需要最小化尺寸和重量时，或者当应用程序需要尽可能高的性能时（见图3），这是不错的选择。它们可以直接安装在机器人接头中，例如，可以实现更紧凑的几何形状。它们用于便携式电动工具和医疗设备。它们可以设计为提供非常高的扭矩，特别是在低速时。
该技术使原始设备制造商能够花更多的时间专注于对其应用贡献最大的设计方面。“如果有什么不喜欢电机制造商选择组件的方式，或者它不适合您的应用，那么您可以更改它，” Allied Motion Technologies业务开发经理（俄克拉荷马州塔尔萨）的Phillip Lucia说， 。“当您使用无框电机时，您将获得完全的设计自由。”
尽管术语无框电动机最常见于旋转设计，但重要的是要注意线性版本。事实上，线性电机通常作为独立的磁铁和磁铁轨道运输。
图3：无框电机有一系列尺寸。 （感谢Aerotech）无框电机的优点
多轴万向节显示无框电机的有效性。经常用于航空航天和国防应用的波束转向和卫星通信，多轴万向节需要处理重载荷，同时保持紧凑和轻便。在这里，正确的电机选择至关重要。例如，如果一个较小的轴上的电机过大，则它将不能像正常尺寸的电机那样有效地工作。而且，更重要的是，组件中的其他轴将需要更大的尺寸，以便处理超大型电机的额外质量，从而导致级联的较大的电机必须被使用。最终系统的成本和重量比基于适当尺寸的电机的成本和重量要高。
无框电机可以提供与外壳电机相同的力，同时保持较轻的亮度。“燃料和重量与航空航天车辆紧密相连，所以您可以消除的任何浪费都是您的利益，”Lucia说。“无框电机真的在这些应用中闪耀。”
索引表等工业用品也可以减轻重量。较低质量意味着较低的惯性，从而提高动态性能。这有助于使用更硬的控制回路。现在，索引表可以在较少的建立时间内进行更快的移动。无框电机的使用也减少了对齿轮箱和皮带的需求，减少了维护，故障点和机械误差。
配有正确的反馈，无框电机可为从机床到离心机等应用提供非常紧凑，精确的速度和位置控制。它们对于需要通孔的工艺对于梁，接线或管道通道（例如用于激光打标或半导体掩模版检查设备）提供清晰的轴上访问是非常有用的。因为无框电机不会产生间隙，因此它们对于任何类型的重复运动都是有利的。这包括半导体晶圆检查和拾取和放置操作。
该方法还使得更加复杂的热管理方法。在无框式无刷电机中，用导热材料灌封定子可以产生更有效的热路径。露西亚说：“我们可以在一个安装的马达上做到这一点，但是使用无框马达，你可以把它放在适当位置，这将成为一个理想的散热路径。“您将完全填写您的机器组件。灌封完全填充电机周围的整个腔是我们一些较先进的客户使用来获得顶级电机性能和效率的一种技术。“
轴承迄今为止是无刷电机的最大故障点。除非电动机被驱动过电流或在极端条件下运行，否则绕组和磁体通常不会失效。外壳电机中的轴承由制造商选择，不需要实际应用的要求。选择未安装电机中的轴承适合应用，并提供所需的精确性能。
Profeta说：“使用无框电机，承受磨损的部件正在被最终用户添加。“一生取决于它们使用的是什么样的轴承，系统设计如何最大限度地减轻应力和应变，是否正确安装等。机械轴承是可穿戴部件，因此还存在预防性维护是否正确的问题执行“。
无框电机的权衡
与任何技术一样，无框电机具有缺点以及优点。一般来说，他们往往比他们的同行更昂贵。通常，这不是无框架电机架构本身的一个功能，因为它是需要无框电机的应用类型的需求的结果。设计用于高扭矩密度的电机可能需要水冷却，例如，这增加了成本。
设计无齿轮电机也增加了成本。具有齿槽的无框电动机是可用的，但是倾向于非框架电机的适用类型通常需要无刷电动机来确保平稳运动和快速稳定。Profeta说：“有很多未动用的电机具有齿槽，而且价格便宜。“通常，通过高性能应用，OEM厂商正在寻找一种未安装的电机，因为它们需要更高的动力，其中一部分是不希望任何齿槽。这往往会带动价格上涨，而不是因为它们没有得到保障，而是因为它们是cogless。“
类似地，机器设计者可能需要具有大孔径的超大型电动机或电动机，这再次提高了电动机的价格。集成所需的附加组件，更不用说工程时间，也增加了总体成本。然而，它必须被纳入上下文。Profeta说：“最终客户将不得不购买所有其他零件和零件，并进行设计工作。” “这可能比购买电机更昂贵。有很多非经常性的工程费用可能包括在内，所以你应该分开这两个。
无论如何，价格上涨是有道理的，西门子工业（Norcross，Georgia）的运动控制电机产品营销公司Randy Summervill说。“我会说，前期的额外成本通常不会超过减少占地面积的优势，降低整个系统的维护成本，并延长系统的使用寿命。”
无框电机的集成和组装可能更加困难。例如维持转子与定子之间的气隙是至关重要的。气隙不正确时，气隙磁场随角度而变化，造成不一致和周期性的扭矩误差。在非同轴对准的极端情况下，转子和定子实际上可能相互碰撞，造成损坏。
在安装的电机中，保证适当的气隙。在无框电机中，设备制造商的责任在于。成功取决于适当的设计和规划。
露西亚说：“我们为[转子和定子损坏]获得了很多回报，因为有人试图组装电机，他们没有一个好的计划。“当你组装一个无框架的电机时，你提前想到的是，如何保持所有的公差和尺寸，以便安装电机元件而不会受到损害，这一点至关重要。”
从一开始就与一个综合设计团队合作，有助于防止出现问题。考虑确定电机引线定位的过程。机械工程师可能不一定注意这个看似小的问题。电气工程师知道，正确的位置可以在例如驱动器的短距离之间产生差异，并且必须将电线路线绕过机器的中途。一个不好的选择会影响材料成本，安装时间和可靠性。
通过筒仓方式，电气工程师别无选择，只能靠机械工程团队开发的安装。通过跨学科的方法，电气工程师可以提供输入，以优化引线放置，实现快速安装和理想的性能。

Lucia表示：“对于我们而言，这些都是非常容易的决定，也是一个很容易的改变，可以节省客户很多时间。” “因此，我们喜欢与跨职能团队合作。该组织帮助客户抓住自己的错误，帮助我们智能地对每个客户的个人挑战进行交流。“
正确指定和安装，无框电机可以帮助OEM实现新颖，高性能的解决方案。“是的，这是额外的工作，但是收益很大，您可以节省整个机器的占地面积，甚至在常规电机方面的性能要优于常规电机，”Summervill说。
成功从设计阶段与电机制造商紧密合作开始。了解所涉及的权衡，着重于最有可能提供应用程序要求的性能。“我是一个无框架的运动传道者，”卢西亚说。“如果你正在推着信封，试图制造一种从未做过或做过新事情的产品，那么你真的做得比拥有一种可以做到这一点的产品做得更好你想要的方式。“