Как китайский производитель статоров и роторов для электродвигателей, мы часто сталкиваемся с вопросом о том, какая топология бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC) — с внутренним или внешним ротором — обеспечивает лучшую производительность. Честный ответ: это зависит от ваших целевых показателей крутящего момента, скорости, габаритов и стоимости.
Что меняется, когда ротор перемещается наружу?
В двигателях с внутренним ротором (IR-двигатели) магниты ротора располагаются на центральной ступице, которая вращается внутри неподвижного статора — типичного двигателя с внутренним ротором. Статор и ротор бесщеточного двигателя постоянного токакомпоновка. Эти двигатели, как правило, работают на более высоких скоростях с меньшей инерцией, обладают превосходной динамической характеристикой и хорошо охлаждаются, поскольку статор (где происходят потери в меди) напрямую соединен с корпусом.
В двигателях с внешним ротором (ВРО) ротор представляет собой вращающийся «контейнер», окружающий статор, — еще один вариант конструкции статора и ротора для бесщеточных двигателей постоянного тока. Радиус воздушного зазора больше, поэтому при том же тангенциальном напряжении крутящий момент возрастает, что делает конструкции с ВРО привлекательными для высокомоментных, низкоскоростных и прямоприводных применений. Компромисс заключается в большей инерции ротора и ином характере охлаждения.
Геометрия, крутящий момент и инерция
Масштабирование крутящего момента в зависимости от радиуса:Электромагнитный крутящий момент приблизительно пропорционален касательному напряжению в воздушном зазоре, умноженному на площадь поверхности ротора и радиус. При схожих материалах крепления и плотности тока больший радиус воздушного зазора = больший крутящий момент. В этом отношении конструкции операционных роторов, естественно, выигрывают.
Компромисс инерции:Инерция ротора J возрастает пропорционально квадрату радиуса. Для тонкого кольца J ≈ m·r²; для сплошного цилиндра J ≈ ½·m·r². Внешние роторы ведут себя как кольца → большая инерция, что замедляет ускорение и снижает полосу пропускания системы управления, но обеспечивает плавность хода.
Тепловой путь:Двигатели с ИК-подсветкой быстро передают тепло от меди в корпус; двигатели с ОР-подсветкой также могут быть превосходными, если корпус вентилируется или статор залит теплоотводящим слоем из чугуна, но при этом требуется тщательная проработка конструкции.
Быстрое сравнение
| Атрибут | Внутренний ротор (IR) | Внешний ротор (OR) |
| Типичный диапазон скоростей | 3000–30000 об/мин | 100–3000 об/мин |
| Плотность крутящего момента (Нм/кг) | Средне-высокая температура (при хорошем охлаждении) | Высокая скорость на низких оборотах (больший радиус) |
| Плотность мощности (кВт/л) | Высокая скорость на высоких оборотах | Средний уровень; отлично работает на низких оборотах. |
| инерция ротора | Низкий–средний | Средне-высокий |
| Динамический отклик | Быстрый (сервоприводный) | Спокойный, менее «нервный» |
| Охлаждение меди | Прямое предоставление жилья; надежное | Хорошо подходит для посадки в горшки/укладки ребер; требует планирования. |
| Акустический шум (NVH) | Низкое качество с учетом перекоса и точности. | Очень низкий уровень на низких оборотах; может «поть», если перекос недостаточен. |
| Типичные области применения | Электроинструменты, насосы, компрессоры, сервоприводы, дроны | Втулки для электровелосипедов, вентиляторы, карданные подвесы, шарниры для робототехники, поворотные платформы. |
| Факторы затрат | Балансировка с малым воздушным зазором и высокой скоростью | Ламинированные пластины большего диаметра, корпус магнита, втулка |
Пример расчета мощности (класс 1–2 кВт)
Чтобы выявить компромисс в отношении геометрии, рассмотрим две целевые рабочие точки:
- Вариант А (высокая скорость): 1,0 кВт при 3000 об/мин → ω ≈ 314 рад/с, крутящий момент T ≈ 3,18 Н·м.
- Вариант B (прямой привод): 1,0 кВт при 500 об/мин → ω ≈ 52,36 рад/с, крутящий момент T ≈ 19,1 Н·м.
| Параметр | Внутренний ротор (корпус А) | Внешний ротор (случай B) |
| Радиус воздушного зазора (ориентировочный) | 22–28 мм | 45–60 мм |
| Длина стека (ориентировочная) | 35–55 мм | 20–40 мм |
| Полюс/паз (типовой) | 8P/12S, 10P/12S | 14P/12S, 16P/12S |
| Фазовый ток (среднеквадратичное значение) | 10-20А (48-72В) | 15–35 А (36–60 В) |
| Примерный коэффициент заполнения медью | 38–52% | 35–48% |
| Непрерывная эффективность | 90–95% | 88–93% |
| Инерция ротора (нормированная) | 1.0× | 1,8–2,5× |
| Результат | Компактный, с высокими оборотами | Меньшая осевая длина, больший крутящий момент на диаметр. |
Вопросы электромагнитной конструкции статорных и роторных блоков
Пластины сердечника статора
- Марки и толщина стали:Электротехническая сталь толщиной 0,20–0,50 мм. Более тонкие пластины уменьшают вихревые потери на высоких электрических частотах (наибольшую выгоду от этого получают высокоскоростные двигатели с инфракрасным излучением).
- Методы наложения:С помощью соединительных выступов, клеящего лака или сварки. Обычно мы достигаем коэффициента укладки 0,95–0,97 для склеенных стопок и 0,96–0,98 для стопок с соединительными выступами.
- Искажение:Эквивалентный шаг 1–2 паза уменьшает зубчатый момент и акустические гармоники. В импульсных регуляторах обычно используются меньшие углы наклона; ИЛИ же правильный угол наклона значительно помогает избежать «пения» на низких скоростях.
- Варианты пазов/стоек:В IR предпочтительны 8/12, 10/12 и т. д. ИЛИ часто используется большее количество полюсов (14–28 полюсов) для увеличения противо-ЭДС на низких скоростях и плавного крутящего момента.
Роторные пакеты и магнитные системы
Топология магнитов:Поверхностно-монтируемые (SPM) магниты широко распространены как в инфракрасных, так и в операционных установках. Для повышения удельной мощности в инфракрасных установках используются конструкции с внутренними постоянными магнитами (IPM), позволяющие ослаблять магнитный поток в широком диапазоне скоростей. В операционных установках преимущественно используются SPM (тонкие дуговые магниты).
Обложки и банки:ИК-диапазон: втулки из углеродного волокна или высокопрочной нержавеющей стали, работающие на очень высоких оборотах (для защиты от разрушения магнита). ИЛИ: роторный «корпус» (штампованная сталь или алюминий) с магнитным клеевым соединением; немагнитные втулки для поддержания магнитного потока в воздушном зазоре.
Клеи и фиксация:Эпоксидные смолы с высокой прочностью на сдвиг (80–150 МПа) с контролируемой толщиной клеевого шва (0,05–0,15 мм) и режимами отверждения; механические противоскользящие свойства для термоциклирования.
Производственные и допусковые данные
| Элемент | Внутренний ротор (типовой) | Внешний ротор (типовой) |
| Диапазон внешнего диаметра ламинирования | 20–200 мм | 40–260 мм |
| Допуск по внутреннему диаметру ламината | ±0,010–0,020 мм | ±0,010–0,025 мм |
| допуск по высоте стопки | ±0,05–0,20 мм | ±0,05–0,20 мм |
| Высота заусенца после удаления заусенца | ≤0,02 мм | ≤0,02 мм |
| Динамическое биение (ротора) | ≤0,02–0,03 мм | ≤0,03–0,05 мм |
| Воздушный зазор (малые двигатели) | 0,20–0,50 мм | 0,25–0,60 мм |
| Класс балансировки (ISO 21940) | G2.5–G6.3 | G2.5–G6.3 |
| Допуск на магнитную дугу | ±0,10 мм | ±0,10 мм |
| Коэффициент заполнения пазов (обмотанного статора) | 38–52% | 35–48% |
Тепловые характеристики и непрерывные параметры
И:Потери меди (I²R) отводятся непосредственно в корпус через зубья статора и ярмо. Благодаря алюминиевым корпусам и плотной посадке, двигатели IR выдерживают более высокую непрерывную плотность тока (например, 3–8 А/мм² в поперечном сечении медных пазов, в зависимости от охлаждения).
ИЛИ:Статор имеет внутреннюю структуру и может обеспечивать теплопроводность за счет задней части корпуса и заливки компаундом основания. Правильное заполнение смолой и наличие металлических тепловых путей имеют решающее значение. Ожидаемая непрерывная плотность тока составляет 2–6 А/мм², если не используется принудительная вентиляция или жидкостное охлаждение.
Регуляторы теплоотвода:Медный наполнитель, материалы облицовки пазов, качество пропитки, толщина ярма, ширина кончика зубца и теплораспределительные элементы, такие как ребра. Обычно мы стремимся к повышению температуры обмотки до ≤80–105 °C по сравнению с температурой окружающей среды при непрерывной работе с изоляцией класса F/H.
Эффективность и потери
- Потери меди:Зависимость от тока и конструкции паза. Конструкция IR позволяет использовать более высокую плотность тока (лучшее охлаждение), что обеспечивает компактность. Конструкция OR поддерживает умеренную плотность тока, используя радиус для создания крутящего момента.
- Основные потери:Увеличение происходит с частотой и плотностью потока. Высокоскоростные двигатели внутреннего сгорания выигрывают от использования пластин толщиной 0,20–0,27 мм и тщательной обработки формы потока на кончиках зубьев. Низкоскоростные двигатели внутреннего сгорания могут использовать пластины толщиной 0,35–0,50 мм без потери эффективности.
- Механические потери:Подшипники и сопротивление воздуха возникают при высоких оборотах; сопротивление воздуха при 20–30 тыс. об/мин требует использования уплотнений с низкими потерями и точной балансировки. Сопротивление воздуха обычно возникает при низких оборотах → умеренные механические потери.
- Ориентировочные пиковые значения эффективности:КПД: 90–95% в размерах 0,3–5 кВт при интенсивном охлаждении. КПД: 88–93% в размерах 100–1,5 кВт с прямым приводом, повышаясь при оптимизации корпуса и дуговых разрядов магнитов.
Динамика, управление и NVH
- Пропускная способность:Меньшая инерция ротора IR (и обычно меньшее количество полюсов) обеспечивает быструю передачу тока и скорости — идеально подходит для сервоприводов, шпинделей станков с ЧПУ и электроинструментов.
- Гладкость:Большее количество полюсов и инерция OR обеспечивают плавное движение на низких скоростях — идеально подходит для карданных подвесов, роботизированных суставов и вентиляторов.
- Заедание и пульсация:В обоих случаях решающее значение имеют косой скос, намотка с дробным числом пазов и форма зубьев. Для высокоточных применений мы часто стремимся к тому, чтобы зубья зацеплялись на ≤1–3% от номинального крутящего момента.
Надежность и безопасность
- Рукав:При очень высокой скорости вращения поверхности (скорости на конце лопасти) роторам ИК-двигателя могут потребоваться втулки из углеродного волокна; мы проводим анализ запаса прочности и испытания на вращение для проверки устойчивости.
- Старение клея:Для изготовления банок OR требуется тщательная подготовка поверхности (пескоструйная обработка + химическая очистка), контролируемая толщина слоя клея и циклические изменения влажности и температуры.
- Коррозия:Покрытия на ламинированиеИзоляция класса C5, магнитное покрытие (Ni, Ni-Cu-Ni) и корпуса из нержавеющей стали увеличивают срок службы в условиях повышенной влажности или воздействия солевого тумана.
сопоставление приложений
| Приложение | Предпочтительная топология | Почему |
| Велопарковка, скутеры | Внешний ротор | Высокий крутящий момент на колесах, тихая работа, прямая передача крутящего момента. |
| Вентиляторы для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и серверных вентиляторов | Внешний ротор | Большой диаметр, низкие обороты, превосходная плавность хода. |
| Подвесы и стабилизаторы для камер | Внешний ротор | Плавный крутящий момент на низких оборотах, большое количество полюсов. |
| Сочленения для совместной работы роботов | Внешний ротор | Крутящий момент прямого привода на малой осевой длине |
| Беспилотники (двигательная установка) | Внутреннероторный (или внешнероторный в любительском программировании) | Высокая удельная мощность; быстрая реакция на нажатие педали газа |
| Электроинструменты, шлифовальные машины | Внутренний ротор | Высокая скорость, быстрое ускорение |
| Насосы, компрессоры | Внутренний ротор | Охлаждение и эффективность при средних и высоких оборотах |
| Поворотные столы с прямым приводом | Внешний ротор | Высокая инерционная плавность хода, низкий уровень затухания |
| Промышленные сервоприводы | Внутренний ротор (IPM) | Широкий диапазон скоростей с постоянной мощностью, ослабление магнитного потока. |
Факторы, влияющие на себестоимость и цепочку поставок.
- Диаметр ламината:Диаметр сердечников OR больше; стоимость ламинирования одной детали выше, но высота стопки может быть меньше. Размер штамповочного комплекта и тоннаж пресса зависят от диаметра.
- Объем магнита:В OR часто используется большая общая длина дуги магнита для покрытия большей окружности; в IR можно выбирать между объемом магнита и скоростью вращения, а также ослаблением магнитного потока (IPM). Чувствительность к цене магнита выше для OR при использовании большого количества полюсов.
- Обложки и банки:Вставка может добавлять этапы изготовления (глубокая вытяжка, прокатка или механическая обработка кольца + сварка). Втулки IR являются специализированными, но используются в основном для высокоскоростных вариантов.
- Способ намотки:Концентрированная обмотка уменьшает количество медного лома и хорошо поддается автоматизации; распределенная обмотка улучшает качество формы сигнала за счет усложнения конструкции.
Пример описания характеристик
| Метрическая система | ИК-стержень, статор наружным диаметром 54 мм, 48 В | ИЛИ, роторный корпус диаметром 110 мм, 48 В |
| Номинальная скорость | 6000 об/мин | 600 об/мин |
| Номинальный крутящий момент | 3,5 Н·м | 18 Н·м |
| Максимальный крутящий момент (5–10 с) | 10–12 Н·м | 42–50 Н·м |
| Непрерывная плотность тока | 5,5 А/мм² | 3,8 А/мм² |
| КПД при номинальной мощности | 93% | 91% |
| Заедание (в процентах от номинального значения T) | 1,8% | 1,2% |
| инерция ротора | 2,1×10⁻⁴ кг·м² | 4,6×10⁻⁴ кг·м² |
| Воздушный зазор | 0,30 мм | 0,40 мм |
| Толщина ламинирования | 0,27 мм | 0,35 мм |
| Охлаждение | Корпус-проводник + вентилятор | Гнездование + консервные плавники |
| Балансировка степени | Г2.5 | Г2.5 |
Контрольный список проектирования (что нужно окончательно определить перед выбором между ИПР и ОР)
- Точка(и) зависимости крутящего момента от скорости и коэффициент заполнения:Постоянный и пиковый крутящий момент, время работы при каждом значении, допустимое повышение температуры.
- Ограничения по объему:Радиальное пространство против осевой длины. В операционной эффективность повышается при большем диаметре; в интервенционной радиологии — при большей длине.
- Требования к контролю:Требуемые параметры: ускорение/замедление, полоса пропускания по положению и пульсации. Если вам нужна высокая точность управления сервоприводом, лучше подойдут ИК-пульт или малоинерционный ИЛИ-пульт с меньшим количеством полюсов и легким корпусом.
- Акустические пределы:Максимальный уровень дБА на расстоянии, следует избегать доминирующих частот; следует учитывать асимметрию и выбор дробных пазов/полюсов.
- Вход и окружающая среда:Влажность, солевой туман, удары/вибрация. Определитесь с покрытиями, типами герметика и заливкой компаундом.
- Объемы производства и целевые показатели затрат:Стратегия выбора оснастки (прогрессивные штампы против лазерной обработки для прототипов), наличие магнитов соответствующего класса, процесс изготовления гильз/корпусов.
Как мы производим статорные и роторные пакеты
- Ламинирование с тиснением:Для серийного производства используется прогрессивная оснастка, для прототипирования — лазерная/гидроабразивная резка. Мы обеспечиваем плоскостность ≤0,03 мм на 100 мм и удаление заусенцев ≤0,02 мм после зачистки.
- Складывание и склеивание:Склеиваемые или соединенные между собой стопки с коэффициентом укладки ≥0,96. Контролируемое нанесение клея исключает осевые «мягкие зоны».
- Искажение:Сегментированные косые пакеты или косые схемы расположения пуансонов для снижения заедания.
- Механическая обработка и чистовая обработка внутренних и внешних поверхностей:Последующая шлифовка/проточка пакета для обеспечения соответствия допустимым диапазонам воздушного зазора.
- Роторный узел:Схема намагничивания (радиальная для SPM; адаптированная для IPM), контроль адгезии (шов соединения 0,05–0,15 мм), установка втулки/корпуса, отверждение и 100% динамическая балансировка.
- Изоляция и опоры для обмотки:Вкладыши для пазов (номекс/арамид), клинья и VPI для повышения виброустойчивости.
- Итоговые тесты:Противо-ЭДС постоянная (линейная), фазное сопротивление и индуктивность, ток холостого хода, график пульсации момента, биение, высоковольтное напряжение, импульсный перепад напряжения и тепловое воздействие.
Распространенные ошибки и как их избежать
| Ловушка | Почему это больно | Смягчение последствий |
| Спецификации чрезмерного воздушного зазора | Резко увеличивает затраты и количество отходов. | Оптимизируйте одновременно качество магнита, заполнение пазов и перекос; установите реалистичные параметры биения и зазора. |
| Игнорирование запаса прочности ротора (IR) | Риск отказа втулки при высокой скорости вращения наконечника | Втулки из углеродного волокна, проверка напряжений методом конечных элементов, испытания на вращение под давлением. |
| Слабоасимметричные схемы ОР | Низкоскоростное акустическое «пение» | Намотка с шагом 1–2 паза или с дробным числом пазов |
| Недостаточный тепловой след в операционной. | Дроссели непрерывного действия | Заливка смолой задней стенки чугуна, ребра радиатора, термопрокладки. |
| Чрезмерное количество столбов | Высокие потери в меди при высоких электрических частотах | Сбалансируйте опоры в зависимости от частоты; при необходимости используйте более тонкие пластины. |
| Недостаток магнитной адгезии | Ползучесть магнита при ударах/нагреве | Подготовка поверхности, контролируемая толщина склеивания, надлежащее отверждение. |
Выбор правильной топологии
| Требование | Лучший выбор | Примечания |
| Высокий крутящий момент на низких оборотах, прямой привод | Внешний ротор | Большой радиус воздушного зазора обеспечивает крутящий момент без коробки передач. |
| Четкая реакция сервопривода, быстрое ускорение/замедление | Внутренний ротор | Меньшая инерция, более лёгкое ослабление потока |
| Малый диаметр, большая осевая длина. | Внутренний ротор | Длина стека — эффективный рычаг. |
| Очень низкий уровень акустического шума на низких оборотах. | Внешний ротор | При правильном выборе угла наклона и полюса. |
| Максимально возможный непрерывный показатель на кг при высоких оборотах. | Внутренний ротор | Охлаждающий контур и тонкие пластины помогают |
| Минимальная осевая длина (форма «блинчика») | Внешний ротор | Короткий пакет статоров, больший диаметр. |
| Наименьшая масса магнита при заданной скорости и мощности | Внутренний ротор (часто) | Особенно в случае с IPM и ослаблением потока |
| Простейшая механическая интеграция | Зависит от | OR отлично интегрируется в качестве центрального узла; IR — в качестве картриджа. |
Мы можем предоставить данные, изготовленные на заказ, по запросу.
- Результаты электромагнитной модели:Кривая зависимости крутящего момента от скорости, постоянная противо-ЭДС, пульсация крутящего момента (% от номинального крутящего момента), прогнозируемая карта эффективности.
- Чертежи дымовых труб:Внешний/внутренний диаметр ламинированного слоя, геометрия зуба, угол перекоса.
- Краткое описание тепловой модели:Допустимый непрерывный ток, повышение температуры относительно окружающей среды, предлагаемые методы охлаждения.
- Варианты спецификации материалов с указанием стоимости:Марки магнитов (например, N35–N52 или феррит для экономии средств), материалы втулки/корпуса, способ намотки.
