Frameless vridmomentmotorer: Från eliminering av cogging moment till de tre stora tekniska genombrotten 2026

Denna artikel inleds med principen bakom cogging torque i ramlösa motorer, förklarar hur slotless core-teknik eliminerar vridmomentsrippel och vibration, och lyfter fram de tre stora genombrott som ramlösa momentmotorer uppnådde 2025: att öka låghastighetsvridmomentet genom höga polparsdesigner som överstiger 32 polpar, att anta ihåliga ramlösa strukturer för kompakta och lätta konstruktioner, samt att använda högklassiga NdFeB-permanentmagneter för att förbättra vridmomentsdensiteten.

Artikeln sammanfattar också fördelarna med ramlösa momentmotorer, inklusive kompakt storlek och hög vridmomentsdensitet, samtidigt som den diskuterar utmaningar såsom optimering av magnetkretsen och värmehantering. Slutligen ger den praktiska riktlinjer för val baserade på principen ”vridmoment först”, tillsammans med viktiga konstruktionsaspekter för installation och värmeavledning.

Förstå grunderna: Vad orsakar cogging torque?

För att fullt ut förstå motordrift är det först nödvändigt att förstå de tre grundläggande komponenterna i en motor-kärna.

Den kontinuerliga cirkulära ringen som är placerad på statorns yttersta del kallas oket. De tandformade utskjutningarna som sträcker sig inåt från oket kallas tänder. Utrymmena mellan intilliggande tänder kallas spår, medan öppningen framtill på varje spår kallas spåröppningen.

För att möjliggöra motordrift lindas ledande kopparlindningar runt tänderna. Eftersom tänderna har utmärkt magnetisk permeabilitet hjälper de till att förstärka magnetfältet.

När en rotor placeras inuti statorn och börjar rotera kan en märkbar periodisk resistans eller en ”ryckande” känsla upplevas. Inom motoringenjörskonst kallas detta fenomen cogging torque.

Till exempel, betrakta en stator med sex spår och fyra poler i kombination med en rotor med fyra poler. Eftersom antalet magnetpoler och spår inte kan linjera perfekt, varierar den magnetiska attraktionen mellan rotor-magneterna och statortänderna periodiskt under rotationen. Varje gång rotorn passerar ett spårläge uppstår en vridmomentsstörning, vilket leder till vibration och ojämn rörelse.

En av de mest effektiva metoderna för att eliminera cogging torque är användningen av en slotless core-struktur.

Som namnet antyder innehåller en slotless motor varken spår eller tänder. I stället fästs kopparlindningar direkt på järnkärnans släta inneryta. Utan tänder förblir den magnetiska attraktionen mellan rotor-magneterna och statorn konstant under rotationen.

Som ett resultat eliminerar slotless motorer cogging torque helt och ger:

• Ultramjuk drift

• Ingen ryckning eller vibration

• Extremt låg vridmomentsrippel

• Hög positioneringsnoggrannhet

Detta är en av de viktigaste prestandafördelarna med slotless motor-teknik.

Vilka tekniska genombrott har ramlösa momentmotorer uppnått 2025?

Ramlösa momentmotorer är flerpoliga permanentmagnet-synkrona direktdrivna motorer. Till skillnad från konventionella motorer eliminerar de icke-nödvändiga strukturer såsom höljen, lager och utgående axlar.

Deras utveckling fokuserar på tre nyckelmål:

• Konstant vridmoment vid låg hastighet

• Hög vridmomentsdensitet

• Låg vridmomentsrippel

År 2025 har stora tekniska framsteg uppnåtts inom elektromagnetisk design, strukturell innovation och materialutveckling, vilket gör ramlösa momentmotorer idealiska för de kompakta, flexibla och högprecisa kraven i humanoida robotleders konstruktion.

1. Elektromagnetisk design: Att lösa låg hastighetsvibration

Att öka antalet polpar har blivit den nyckelfaktor som driver prestandaförbättringar.

Jämfört med de vanliga 12-polpars-konfigurationer som var vanliga för fem år sedan har högklassiga ramlösa momentmotorer nu 32, 64 eller ännu fler polpar.

Det högre polantalet gör att motorn kan leverera stabil nominell vridmoment även vid noll hastighet eller ultralåga hastigheter ned till 0.1°/s, vilket effektivt eliminerar krypning, fastkörning och vibrationsproblem som är förknippade med konventionella motorer.

Samtidigt använder branschen i stor utsträckning optimerade fractional-slot concentrated winding-konfigurationer såsom 48 poler och 324 spår, vilket minskar cogging torque till mindre än 1% av nominellt vridmoment.

Detta möjliggör exceptionellt mjuk rörelsestyrning för krävande applikationer såsom:

• Kirurgiska robotar

• Ledleder för humanoida robotar

• Halvledarutrustning

• Precisionsautomationssystem

2. Strukturell innovation: Kompakt design för humanoida robotar

Ramlösa momentmotorer har blivit den föredragna motorarkitekturen för humanoida robotar.

Till skillnad från integrerade framed DD (Direct Drive)-motorer har ramlösa motorer:

• Inget yttre hölje

• Inga lager

• Ingen utgående axel

Denna minimalistiska arkitektur erbjuder betydande integrationsfördelar.

Statorn kan direkt bäddas in i robotens hölje, medan rotorn monteras direkt på lastaxeln.

Viktiga fördelar inkluderar:

Axial längd reducerad till ungefär en tredjedel av konventionella drivmotorer

Mer än 30% minskning av den totala vikten

Betydligt mindre ledmått

Internt utrymme för kabeldragning, sensorer och vätskeledningar

Den ihåliga strukturen är särskilt väl lämpad för de kompakta installationskraven i humanoida robotleder.

3. Materialframsteg: Stabil högmomentprestanda över vida temperaturer

Högklassiga ramlösa momentmotorer använder vanligtvis N52H-grad och högre NdFeB-permanentmagneter, med remanensvärden på upp till 1.45 Tesla.

I kombination med kopparlegeringslindningar med hög ledningsförmåga förbättrar dessa material avsevärt:

Elektromagnetisk omvandlingseffektivitet

Vridmomentsdensitet

Kontinuerlig uteffekt

Det fullständiga materialsystemet stöder drift över ett brett temperaturområde från -40°C till 125°C, vilket säkerställer stabilt vridmomentsuttag under krävande förhållanden såsom:

• Högtemperaturmiljöer

• Lågtemperaturmiljöer

• Täta start-stopp-cykler

• Milda överlastförhållanden

Detta tillvägagångssätt balanserar både prestanda och långsiktig tillförlitlighet.

Fördelar och utmaningar med ramlösa momentmotorer

1. Kärnfördelar

Kompakt storlek

Den ihåliga designen minimerar det upptagna utrymmet och förenklar kabeldragning och systemintegration i robotleder.

Hög vridmomentsdensitet

Stort vridmoment kan uppnås även vid låga rotationshastigheter, vilket gör ramlösa momentmotorer idealiska för lågvarviga, högbelastade robotapplikationer.

Stabil prestanda

Direkt integration i maskinstrukturer förbättrar motståndskraften mot:

• Höga temperaturer

• Höga spänningar

• Strålningsexponering

• Tuffa industriella miljöer

• Utmärkta start- och nolllastegenskaper

• Låg startspänning

• Låg tomgångsström

• Förbättrad energieffektivitet

2. Tekniska utmaningar

Optimering av magnetkretsen

Ingenjörer måste noggrant optimera magnetiska material och lindningskonfigurationer för att maximera magnetkretsens effektivitet och slot fill factor.

Värmehantering

Lågspänningssystem kräver ofta drift med hög ström, vilket genererar betydande värme. Överdriven temperaturökning kan påskynda komponentåldring och minska systemets livslängd.

Konsistenskrav

Flerledade robotsystem kräver mycket konsekvent motorprestanda över alla leder. Variationer ökar idrifttagningskomplexiteten och påverkar styrprestandan negativt.

Kostnadsreduktion

Lokalisering av nyckelkomponenter är fortfarande avgörande för att minska tillverkningskostnaderna och möjliggöra kommersiell implementering i stor skala.

Hur väljer man rätt ramlös momentmotor？

1. Gyllene urvalsprincip

Den viktigaste regeln är:

Vridmoment först, hastighet sedan

Humanoida robotar utsätts ofta för start-stopp-drift och snabbt föränderliga dynamiska belastningar.

Rekommenderade designmarginaler inkluderar:

• Kontinuerligt vridmoment ≥ 1.2–1.5 × stationärt belastningsvridmoment

• Topprvridmoment ≥ 2 × stötbelastningsvridmoment

För robotleder måste även tröghetsmatchning kontrolleras noggrant.

Förhållandet mellan lasttröghet och motortröghet bör förbli:

≤ 5:1

för att förhindra vibration, instabilitet och oscillation.

Val av encoder

För standardapplikationer för humanoida robotar:

• 23-bitars absolut encoder

• Upplösning cirka 0.0001°

För ultrahögprecisionsapplikationer såsom:

• Medicinsk robotik

• Halvledartillverkning

rekommenderas en 29-bitars ultrahögupplöst encoder.

2. Kritiska integrationsaspekter

Koaxialitetskontroll

För stort koaxialitetsfel är en av de vanligaste orsakerna till fel i ramlösa motorer.

Koncentriciteten mellan stator och rotor bör hållas inom:

0.02 mm

För stor felinriktning kan resultera i:

Ökad vridmomentsrippel

Lokal överhettning

Lagerfel

Precisionsmätur bör användas under montering för exakt inriktning.

Värmehantering

Eftersom ramlösa motorer arbetar vid låg hastighet och hög ström kan värmeutvecklingen vara betydande.

Under förhållanden såsom:

• Kontinuerligt stopp

• Drift vid maximal effekt

rekommenderas starkt forcerad luftkylning eller vätskekylningssystem.

Avancerade ledkonstruktioner kan använda:

• Värmerör integrerade i ledhöljet

• Cirkulation av dielektrisk kylvätska

för att öka kontinuerlig vridmomentsdensitet med upp till fyra gånger.

Strukturell styvhet

Direktdrivna system saknar växellådans dämpning.

Otillräcklig strukturell styvhet kan leda till resonans och vibration.

Rekommenderade lösningar inkluderar:

Håliga integrerade ledstrukturer

Förstärkta stödgrunder i gjutjärn

Ökad systemstyvhet

3. Idrifttagning och EMI-optimering

Under idrifttagning bör tre nyckelfunktioner aktiveras:

• Kompensation för cogging torque

• Harmonisk dämpning

• Framåtkopplad friktionskompensation

Strömloopens bandbredd bör överstiga:

• 2 kHz för standardapplikationer

• 5 kHz för högprecisionsapplikationer i premiumsegmentet

Dessa åtgärder minskar effektivt vridmomentsrippel och förbättrar rörelsens mjukhet.

Till exempel, i kirurgisk robotik kan justering av PI-regulatorn till:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

ge strömsvarstider så snabba som 0.5 ms.

EMI-undertryckning

För att hantera störningskällor med fast frekvens såsom 1.2 MHz-interferens rekommenderas följande lösningar:

• Koppartejpskärmning på statorlindningar

• Nanokristallina magnetiska skärmningslager

• Skärmning med ledande tyg

• Ferritkärnor installerade på strömkablar

Att öka PWM-frekvensen från 15 kHz till 18 kHz kan något öka kopplingsförlusterna men hjälper till att undvika mekaniska resonansfrekvenser och minska elektromagnetiska brus-toppar med cirka 8 dB.

Kontakta HONPINE

Kontakta HONPINE idag för att få mer information, tekniska specifikationer och applikationsmaterial om ramlösa momentmotorer.