Roboti raamita pöördemomendi mootorite põhiparameetrite üksikasjalik selgitus: pöördemomendi tiheduse, pöördemomendi pulsatsiooni ja mootori konstanti hindamine

Miks need kolm parameetrit on olulised?

Humanoidrobotid ja koostöörobotid liiguvad kiiresti laboritest tootmisliinidele. Liigese käivitamise põhikomponendina määrab mootori õige valik otseselt roboti kandevõime, liikumise täpsuse ja vastupidavuse. Paljude mootoritüüpide hulgas on Raamita pöördemomendimootor  on muutunud populaarseks valikuks tänu oma kompaktsele struktuurile ja võimalusele manustada otse ühendusmoodulitesse – kõik 28 Tesla Optimuse ühendusajamit kasutavad põhiajamina raamita pöördemomendi mootoreid.

Kui aga silmitsi seisate paljude tooteandmete lehtedega, ei piisa ainult traditsiooniliste spetsifikatsioonide (nt 'nimivõimsus' või 'nimikiirus') vaatamisest. Kolm sügavamat parameetrit, mis määravad tõeliselt, kas raamita pöördemomendi mootor suudab hakkama saada roboti liigeste töötingimustega, on järgmised:  pöördemomendi tihedus, pöördemomendi pulsatsioon ja mootori konstant (Km)  . Nad vastavad kolmele põhiküsimusele: 'Kas see on piisavalt tugev?', 'Kas see on piisavalt stabiilne?' ja 'Kas see suudab jõudlust säilitada?'. See artikkel jaotab kõik parameetrid, et aidata inseneridel ja tehnikahuvilistel mõista andmelehe numbrite tegelikku tähendust.

I. Esiteks, mõistke: mis on raamita pöördemomendi mootor?

Parameetrite mõistmiseks peate esmalt teadma, kuidas see 'põhikomponent' välja näeb.

Raamita pöördemomendi mootor on mootor, mis on 'korpusest eemaldatud' – see koosneb ainult kahest põhilisest elektromagnetilisest komponendist: staatorist  ja rootorist . Sellel pole korpust, laagreid ega väljundvõlli. See tähendab, et see ei saa töötada iseseisvalt nagu tavaline mootor; selle asemel tuleb see põimida otse roboti ühenduskonstruktsiooni – staator on kinnitatud liigendi korpuse külge ja rootor on ühendatud otse koormusvõlliga.

Sellel 'raamita' konstruktsioonil on kolm peamist eelist:  pöördemomendi tihedus mahuühiku kohta on ligikaudu 30% kõrgem kui traditsioonilistel mootoritel, ajami lõtkud on elimineeritud, mille tulemuseks on ligikaudu 50% suurem jäikus ja õõnes struktuur vastab roboti sisemistele juhtmestiku nõuetele.  Nendel põhjustel on sellest saanud koostöö- ja humanoidrobotite ühismoodulite põhitoitekomponent.

II. Pöördemomendi tihedus – kui 'võimas' mootor on

Mis on pöördemomendi tihedus?

Lihtsamalt öeldes on pöördemomendi tihedus , kui palju pöördemomenti mootor mahu- või kaaluühiku kohta suudab väljastada. Seda väljendatakse tavaliselt kahel viisil: mahuline pöördemomendi tihedus (Nm/L) ja gravimeetriline pöördemomendi tihedus (Nm/kg).

Roboti liigeste ruum on äärmiselt piiratud. Suurema pöördemomendi saamiseks ei saa mootori läbimõõtu lõputult suurendada – see muudaks vuugi mahukaks ja raskesti integreeritavaks. Seetõttu mõõdab pöördemomendi tihedus põhiliselt elektromagnetilise disaini 'kompaktsust': antud ruumis suudab tugevama magnetvälja ja suurema voolutõhususega mootor väljastada rohkem pöördemomenti.

Kuidas seda parameetrit hinnata?

Mootori valimisel peaksite  lähtuma suurimast pöördemomendi vajadusest halvimatel töötingimustel ja jätma 10–20% ohutusvaru.  Humanoidrobotite liigendite puhul võib tipppöördemomendi nõudlus olla 5–10 korda suurem kui nimimoment. Näiteks kõnnitsükli ajal, kui üks jalg toetab kogu keharaskust, peab puusaliigese mootor andma hetkega mitu korda suurema pöördemomendi, mis on vajalik konstantsel kiirusel kõndimiseks.

Pange tähele ka seda, et pöördemomendi tihedus on tihedalt seotud jahutustingimustega. Kuna raamita mootor toetub soojuse hajutamiseks mehaanilisele konstruktsioonile, millesse see on paigaldatud, võib tegelik pidevalt saadaolev pöördemoment suletud liite sees olla vaid 50–70% tüübisildi väärtusest. Seetõttu vaadake pöördemomendi tiheduse spetsifikatsioonide hindamisel kindlasti toote andmelehel toodud alandamiskõverat.

Praegu paraneb Hiinas kodumaiste mootorite pöördemomendi tihedus kiiresti. Näiteks ettevõtte U-seeria raamita pöördemomendi mootorid katavad välisläbimõõtu 16–200 mm ja nimipöördemomente 0,01–65 Nm, mis vastavad erinevatele nõuetele alates mikroliidetest kuni raskeveokite liigenditeni.

III. Pöördemomendi pulsatsioon – kui 'stabiilne' mootor on

Mis on Torque Ripple?

Isegi kui toidate mootorit ideaalse konstantse vooluga, ei ole selle väljundmoment täiesti ühtlane sirgjoon; esinevad väikesed perioodilised kõikumised – see on  pöördemomendi pulsatsioon , mida tavaliselt väljendatakse pulsatsiooni amplituudi protsendina nimipöördemomendi suhtes.

Pöördemomendi pulsatsioonil on kaks peamist allikat:

• Hammustusmoment:  kõikumised, mis on põhjustatud muutustest staatori hammaste/pilude ja rootori püsimagnetite vahel. See on peamine pöördemomendi pulsatsiooni põhjustaja ja püsimagnetmootoritele omane omadus.

• Harmooniline pöördemoment:  elektromagnetilised harmoonilised komponendid, mis on põhjustatud sellistest teguritest nagu mähise jaotus, mis ei järgi siinusmustrit ja magnetahela küllastus.

Robotrakenduste puhul on pöördemomendi pulsatsiooni praktiline mõju ülioluline. Liigne pöördemomendi pulsatsioon põhjustab 'hambumist', mis väljendub värisemisena ja katkestusena väikese kiirusega liigendi töötamise ajal, mõjutades otseselt jõudlust sellistes rakendustes nagu täppismonteerimine ja meditsiiniline kirurgia.

Kuidas seda parameetrit hinnata?

Valdkonna juhtivatel tasemetel on tavaliselt vaja  pöördemomendi pulsatsiooni alla 1%.  Täppistoimingute (nt osavad käed) puhul võib pöördemomendi pulsatsiooni olla vaja isegi 2% piires kontrollida.

Pöördemomendi pulsatsiooni vähendamine on mootoridisaini üks peamisi väljakutseid. Levinud insenerimeetodid hõlmavad järgmist: pooluse-pilu kombinatsiooni optimeerimine, viltu olevate pilude või pooluste kasutamine, püsimagneti laiuse ja kaarekoefitsiendi reguleerimine ning abipilude lisamine hambaotstele. Kuid pange tähele, et tõmbepöördemomendi vähendamise ja väljundpöördemomendi suurendamise vahel on sageli kompromiss – mõned konstruktsioonid, mis vähendavad hammustusmomenti (nt õhupilu pikkuse suurendamine), võivad vähendada väljundmomenti. Lisaks võivad tootjad pakkuda äärmiselt rangete pöördemomendi pulsatsiooninõuetega rakenduste jaoks  piludeta (õhksüdamikuga) raamita pöördemomendi mootoreid , mis kõrvaldavad täielikult pöördemomendi teatud võimsustiheduse ohverdamise hinnaga.

Seetõttu ei ole pöördemomendi pulsatsiooni spetsifikatsioonide hindamisel eesmärk 'mida madalam, seda parem', vaid optimaalse tasakaalu leidmine 'töö sujuvuse' ja 'pöördemomendi väljundvõimsuse' vahel.

IV. Mootori konstantne km – kas mootor 'suuab säilitada jõudlust'

Mis on mootori konstant Km?

Mootori konstant Km on võib-olla kolmest parameetrist 'kõige vähem tuttav', kuid 'kõige praktilisem'. Paljud toote andmelehed ei anna seda väärtust isegi otseselt, kuid selle tähtsus mootori valikul ei ole väiksem kui pöördemomendil ja kiirusel.

Km määratlus on järgmine:

Km = Kt / √R

Kus Kt on pöördemomendi konstant (vooluühiku kohta toodetud pöördemoment) ja R on mähise takistus. Selle füüsiline tähendus on järgmine:  kui palju pöördemomenti suudab mootor väljastada, kui hajutab 1 vatti takistusliku kadu võimsust?  Ühik on Nm/√W.

Miks on see määratlus oluline? Sest kui mootor töötab, tekitab mähise takistus soojust. Kogunenud soojus tõstab temperatuuri, piirates lõpuks mootori pidevat töövõimet. Kõrgem Km väärtus tähendab, et sama tekitatud soojushulga korral (sama hajutatud takistusvõimsus) suudab mootor väljastada rohkem pöördemomenti. Teisisõnu  mõõdab Km mootori tegelikku pöördemomendi väljundvõimsust termiliste piirangute korral.

Toon analoogia: Kui pöördemomendi tihedus mõõdab mootori 'plahvatuslikku võimsust', siis Km mõõdab mootori 'vastupidavust'. Mootori tippmoment võib olla väga kõrge, kuid kui ka selle mähise takistus on suur (õhuke traat, palju pööreid), kuumeneb see pideva suure vooluga töötamise ajal kiiresti ja selle pidev väljundvõimsus pole sageli piiratud – selle pideva võimsusega K ei ole sageli piiratud.

Kuidas seda parameetrit hinnata?

Erinevate tootjate või mudelite mootorite võrdlemisel on Km õiglasem mõõdik kui lihtsalt 'nimivõimsus' või 'tipppöördemoment' vaatamine. Põhjused:

• Kahel sama mahuga mootoril võib olla sarnane tipppöördemoment, kuid kui ühel on Km väärtus oluliselt kõrgem, näitab see, et see suudab pikaajalisel tööl säilitada stabiilsemat jõudlust ja on vähem tõenäoline, et see väheneb kuumenemise tõttu.

• Km seob pöördemomendi väljundvõimsuse soojuskadudega, pakkudes realistlikumat hinnangut mootori jõudlusele pideva roboti töötamise ajal.

Praktilisel valikul saate toimida järgmiselt.

1. Arvutage nõutav minimaalne Km:  Arvestades koormusmomenti T ja lubatud takistuskadu P, siis Km_min = T / √P. Valige kandidaatmootor, mille Km väärtus on suurem kui see miinimum.

2. Pöörake tähelepanu katsetemperatuurile:  Km ja Kt kalibreerimistemperatuur on tavaliselt vahemikus 20 °C kuni 40 °C. Erinevad tootjad võivad kalibreerida erinevatel temperatuuridel; mida kõrgem on temperatuur, seda väiksem on Kt väärtus. Ristvõrdluste tegemisel veenduge, et kalibreerimistingimused oleksid järjepidevad.

3. Andmete ennetav taotlemine:  nagu varem mainitud, ei anna paljud andmelehed otseselt Km väärtust. Soovitatav on tarnijalt seda parameetrit valikuprotsessi ajal ennetavalt küsida.

V. Kolme parameetri suhted ja koostöö

Pöördemomendi tihedus, pöördemomendi pulsatsioon ja mootori konstant Km ei ole isoleeritud näitajad; neil on omased suhted ja disainilahendused.

Kui mootor püüab pöördemomendi tihedust parandada (nt suurendades õhupilu voo tihedust), võib see kaasa tuua suurenenud pöördemomendi pulsatsiooni. Seevastu liigne püüdlus madala pöördemomendi pulsatsiooni poole (nt piludeta konstruktsiooni kasutamine) võib vähendada pöördemomendi tihedust. Seetõttu leiab hea raamita pöördemomendi mootori disain  optimaalse tasakaalupunkti . nende kolme parameetri vahel

Järeldus: valik ei ole numbrimäng

Tulles tagasi inseneri igapäevatöö stsenaariumi juurde, siis komponentide valikul on lihtne langeda mõtteviisi 'parem on suuremad parameetrid'. Tõeliselt küps valikustrateegia määrab aga kompromissid, mis põhinevad  tegelikel töötingimustel : roboti liigendi

• Tugevad alajäsemete liigesed?  seadke esikohale pöördemomendi tihedus . Kandevõime ja ülekoormusvaru tagamiseks

• Täpne osav käsi või kirurgiline robot?  seadke esikohale pöördemomendi pulsatsioon . Madala kiiruse sujuvuse tagamiseks

• Tööstusrobotid, mis töötavad pidevalt pikka aega?  Eelistage Km väärtust  , et tagada termiline stabiilsus ja pikaajaline töökindlus.

Kuna humanoidrobotitööstus jõuab 2026. aastal masstootmise suurendamise kriitilisse faasi, jõuavad Hiinas toodetud raamita pöördemomendimootorid kiiresti rahvusvahelistele tasemele selliste peamiste parameetrite osas nagu pöördemomendi tihedus ja pöördemomendi pulsatsioon, hinnad vaid 50–70% võrreldavatest välismaistest toodetest. Inseneride jaoks on parameetrite mõistmine ja andmelehe numbrite taga oleva füüsilise tähenduse läbi nägemine oluline samm 'töötama panemisest' kuni 'hästi töötamiseni'.