Двигатель с внутренним ротором и двигатель с внешним ротором представляют собой две общие конструкции синхронных двигателей с постоянными магнитами. Основное различие между ними заключается в относительном положении вращающейся части (ротора) и неподвижной части (статора). Далее я подробно остановлюсь на различиях между ними с разных точек зрения.
Сравнительная таблица
|
Элемент |
двигатель с внутренним ротором |
внешний ротор |
|
базовая структура |
Ротор находится внутри, а статор окружает ротор снаружи. |
Ротор находится снаружи, а статор внутри. Корпус ротора закрывает статор. |
|
инерция вращения |
Малый (с малым радиусом ротора и сосредоточенной массой) |
Большой (радиус ротора большой, масса распределена по внешней кромке) |
|
Скорость |
Высокий |
Низкий |
|
крутящий момент |
относительно низкий |
относительно высокий |
|
Условия теплоотвода |
Хорошо (Статор расположен снаружи и непосредственно контактирует с корпусом, способствуя отводу тепла) |
Плохо (Статор расположен внутри, что затрудняет рассеивание тепла. Требуется специальная конструкция.) |
|
структурная прочность |
Вал ротора напрямую передает мощность, имея простую и прочную конструкцию. |
Корпус ротора требует высокой прочности и имеет сравнительно сложную конструкцию. |
|
сценарии применения |
Электромобили, промышленные сервоприводы, модели самолетов (высокоскоростные-), бытовая техника и т. д. |
Дроны, вентиляторы, дисковые двигатели, устройства с прямым приводом и т. д. |
1. Базовая структура
Двигатель с внутренним ротором:
Это самая распространенная и интуитивно понятная форма двигателя, которая у нас есть.
Ротор (часть постоянного магнита) расположен в центре двигателя, поддерживается подшипниками и прикреплен к валу двигателя.
Статор (сердечник с намотанными на него медными проводами) прикреплен к корпусу двигателя и окружает ротор.
Во время работы ротор центра вращается и передает мощность через вал.
Двигатель с внешним ротором:
Эту структуру можно понимать как «выворачивание наизнанку».
Статор закреплен на центральном неподвижном валу двигателя (и не вращается).
Ротор (обычно имеет форму оболочки и имеет постоянные магниты на внутренней стенке) окружает статор и поддерживается на неподвижном валу подшипниками.
Во время работы вращается весь корпус внешнего несущего винта, непосредственно приводя в движение внешнюю нагрузку (например, лопасти вентилятора или пропеллеры беспилотного самолета).
|
двигатель с внутренним ротором |
внешний ротор |
|
|
|
2. Сравнение характеристик производительности
Вращательная инерция и динамический отклик
Внутренний ротор: масса ротора сосредоточена в центре вращения, что приводит к низкому моменту инерции. Это означает, что он может очень быстро запускаться, останавливаться, ускоряться и замедляться с превосходной динамической реакцией. Он отлично подходит для применений, требующих быстрого и точного управления положением, таких как промышленные роботы и сервосистемы.
Внешний ротор: масса ротора распределяется по внешнему краю, что приводит к большому моменту инерции. Запуск и остановка требуют большего усилия, а реакция медленнее. Однако, как только он начинает вращаться, работа становится более стабильной, с большей инерцией, что помогает сглаживать колебания скорости.
Скорость и крутящий момент
Внутренний ротор: Ротор имеет меньший диаметр, что позволяет ему достигать более высокой скорости вращения при той же линейной скорости. Однако из-за короткого моментного рычага (радиуса) выходной крутящий момент относительно меньше при той же магнитной силе.
Внешний ротор: Ротор имеет большой диаметр, что соответствует дисковому двигателю с большим крутящим моментом. Длинный моментный рычаг позволяет создавать больший крутящий момент при относительно более низкой скорости вращения. Это очень подходит для приложений с прямым приводом, устраняя необходимость в редукторе.
Производительность рассеивания тепла
Внутренний ротор: имеет очевидные преимущества в рассеивании тепла. Обмотки статора, выделяющие тепло, непосредственно контактируют с внешним корпусом. Тепло легко рассеивается в окружающую среду через корпус и радиатор. Следовательно, он может выдерживать более высокую плотность мощности.
Внешний ротор: Отвод тепла является основной проблемой. Статор, выделяющий тепло, закрыт внутри, что затрудняет отвод тепла и потенциально может привести к перегреву двигателя. Обычно требуются специальные конструкции, например, создание охлаждающих каналов внутри внутреннего статора.
Конструкция и установка
Внутренний ротор: классическая конструкция, прочный выходной вал, простота установки.
Внешний ротор: Корпус внешнего ротора сам по себе служит основанием для установки нагрузки (например, крыльчатка вентилятора установлена непосредственно на корпусе ротора). Конструкция компактна и обеспечивает прямой привод. Однако механическая прочность и динамический баланс корпуса очень требовательны.
Краткое описание сценариев применения
Двигатели с внутренним ротором подходят для:
Приводной двигатель электромобиля: требует высокой скорости вращения и используется в сочетании с редуктором.
Промышленные роботы и станки с ЧПУ: требуют высокой динамической реакции и точного управления.
Высокоскоростные-модели самолетов: требуется чрезвычайно высокая скорость вращения без-нагрузки.
Бытовая техника (например, стиральные машины, пылесосы): традиционные и зрелые применения.
Двигатель с внешним ротором подходит для:
Беспилотный летательный аппарат (мульти-ротор). Низкая скорость вращения и высокий крутящий момент делают его очень подходящим для непосредственного привода винтов большого-размера. Он высокоэффективен, имеет простую конструкцию и не требует обслуживания.
Охлаждающий вентилятор/вентилятор: Лопасти установлены непосредственно на корпусе ротора, что обеспечивает очень компактную, эффективную и бесшумную конструкцию.
Стиральная машина с прямым-приводом: без традиционных ремней и редукторов она напрямую использует внешний ротор с низкой скоростью и высоким крутящим моментом для привода внутреннего барабана. Он имеет низкий уровень шума и низкую вибрацию.
Дисковые и ступичные двигатели: интеграция двигателя непосредственно в колесо является типичным применением конструкции с внешним ротором.