Роботтың жақтаусыз айналу моменті қозғалтқыштарының негізгі параметрлерінің егжей-тегжейлі түсіндірмесі: моменттің тығыздығын, айналу моментінің толқынын және қозғалтқыш тұрақтысын қалай бағалауға болады

Неліктен бұл үш параметр маңызды?

Гуманоид роботтар мен бірлескен роботтар зертханалардан өндірістік желілерге жылдам көшуде. Бірлескен іске қосудың негізгі құрамдас бөлігі ретінде қозғалтқышты дұрыс таңдау роботтың жүк көтергіштігін, қозғалыс дәлдігін және төзімділігін тікелей анықтайды. Көптеген мотор түрлерінің ішінде Жақтаусыз момент қозғалтқышы  ықшам құрылымы мен біріктірілген модульдерге тікелей кірістіру мүмкіндігіне байланысты негізгі таңдау болды - Tesla Optimus компаниясының барлық 28 бірлескен жетектері негізгі жетек қондырғылары ретінде жақтаусыз момент қозғалтқыштарын пайдаланады.

Дегенмен, өнімнің деректер парағының кең ауқымымен бетпе-бет келгенде, тек 'номиналды қуат' немесе 'номиналды жылдамдық' сияқты дәстүрлі сипаттамаларды қарау жеткіліксіз. Жақтаусыз айналу моменті қозғалтқышының роботтық қосылыстың жұмыс жағдайларын өңдей алатынын нақты анықтайтын үш тереңірек параметр:  моменттің тығыздығы, айналу моментінің толқыны және қозғалтқыш тұрақтысы (км)  . Олар үш негізгі сұраққа жауап береді: 'Ол жеткілікті күшті ме?', 'Ол жеткілікті тұрақты ма?', 'Ол өнімділікті сақтай ала ма?'. Бұл мақала инженерлер мен технология энтузиастарына деректер парағы нөмірлерінің артындағы шынайы мағынаны түсінуге көмектесу үшін әрбір параметрді бөледі.

I. Біріншіден, түсіну: жақтаусыз момент қозғалтқышы дегеніміз не?

Параметрлерді түсіну үшін алдымен осы 'негізгі компонент' қандай болатынын білу керек.

Жақтаусыз момент қозғалтқышы 'корпусынан ажыратылған' қозғалтқыш болып табылады - ол тек екі негізгі электромагниттік құрамдас бөліктен тұрады:  статор және ротор . Оның корпусы, мойынтіректері және шығыс білігі жоқ. Бұл оның кәдімгі қозғалтқыш сияқты тәуелсіз жұмыс істей алмайтынын білдіреді; оның орнына ол роботтың қосылыс құрылымына тікелей ендірілген болуы керек – статор қосылыс корпусына бекітілген, ал ротор жүк білігіне тікелей қосылған.

Бұл 'рамкасыз' дизайн үш негізгі артықшылықты ұсынады:  бірлік көлемге шаққандағы моменттің тығыздығы дәстүрлі қозғалтқыштарға қарағанда шамамен 30% жоғары, жетектегі кері кедергілер жойылады, нәтижесінде қаттылық шамамен 50% жоғары болады және қуыс құрылым робот сымдарының ішкі талаптарын қанағаттандырады.  Осы себептерге байланысты ол бірлескен және гуманоидты робот бірлескен модульдерінің негізгі қуат құрамдас бөлігі болды.

II. Моменттің тығыздығы – қозғалтқыш қаншалықты 'қуатты'

Моменттің тығыздығы дегеніміз не?

Крутящий моменттің тығыздығы , қарапайым сөзбен айтқанда, қозғалтқыштың бірлік көлеміне немесе бірлік салмағына қанша момент шығара алатындығы. Ол әдетте екі жолмен көрсетіледі: көлемдік моменттің тығыздығы (Нм/л) және гравиметриялық моменттің тығыздығы (Нм/кг).

Роботтың бірлескен кеңістігі өте шектеулі. Жоғары айналу моментін алу үшін қозғалтқыштың диаметрін шексіз ұлғайту мүмкін емес – бұл буынды көлемді және біріктіруді қиындатады. Демек, моменттің тығыздығы негізінен электромагниттік конструкцияның 'ықшамдылығын' өлшейді: берілген кеңістікте магнит өрісі күштірек және ток тиімділігі жоғары қозғалтқыш моментті көбірек шығара алады.

Бұл параметрді қалай бағалауға болады?

Қозғалтқышты таңдаған кезде,  шешіміңізді ең нашар жұмыс жағдайларындағы ең жоғары момент сұранысына негіздеу керек және 10%-20% қауіпсіздік маржасын сақтау керек.  Гуманоидты робот қосылыстары үшін ең жоғары момент сұранысы номиналды моменттен 5-10 есе жоғары болуы мүмкін. Мысалы, бір аяқ бүкіл дене салмағын көтеретін жүру циклі кезінде жамбас буынының қозғалтқышы тұрақты жылдамдықпен жүру үшін қажетті айналу моментін бірден бірнеше есе шығаруы керек.

Сондай-ақ, моменттің тығыздығы салқындату жағдайларымен тығыз байланысты екенін ескеріңіз. Жақтаусыз қозғалтқыш жылуды тарату үшін енгізілген механикалық құрылымға негізделгендіктен, тығыздалған қосылыс ішіндегі нақты үздіксіз қол жетімді момент тақтайша мәнінің тек 50%-70% ғана болуы мүмкін. Сондықтан, айналдыру моменті тығыздығының сипаттамаларын бағалау кезінде өнімнің деректер парағында берілген азайту қисығымен кеңесуді ұмытпаңыз.

Қазіргі уақытта Қытайдағы отандық қозғалтқыштардың айналу моменті тығыздығы қарқынды түрде жақсаруда. Мысалы, компанияның U-сериялы жақтаусыз айналу моменті қозғалтқыштары 16-дан 200 мм-ге дейінгі сыртқы диаметрлерді және 0,01-ден 65 Нм-ге дейінгі номиналды айналу моменттерін қамтиды, микро түйіспелерден ауыр жүкті қосылыстарға дейін әртүрлі талаптарға жауап береді.

III. Момент толқыны – қозғалтқыш қаншалықты 'тұрақты'

Torque Ripple дегеніміз не?

Қозғалтқышты идеалды тұрақты токпен қамтамасыз етсеңіз де, оның шығыс моменті мінсіз тегіс түзу болмайды; шағын мерзімдік ауытқулар болады – бұл  моментінің толқыны .әдетте номиналды моментке қатысты толқын амплитудасының пайызы ретінде көрсетілген айналу

Момент толқынының екі негізгі көзі бар:

• Тіс моменті:  статор тістері/саңылаулары мен ротордың тұрақты магниттері арасындағы магниттік тартылыстың өзгеруінен туындаған ауытқулар. Бұл айналу моментінің негізгі факторы және тұрақты магнитті қозғалтқыштарға тән қасиет.

• Гармоникалық момент:  ораманың синусоидалы үлгіге сәйкес келмейтін таралуы және магниттік тізбектің қанықтығы сияқты факторлардан туындаған электромагниттік гармоникалық компоненттер.

Роботтық қолданбалар үшін момент толқынының практикалық әсері өте маңызды. Шамадан тыс айналу моментінің толқындылығы төмен жылдамдықтағы буын жұмысы кезінде діріл және үзіліс ретінде көрінетін 'тіліске' әкеледі, дәлдікпен құрастыру және медициналық хирургия сияқты қолданбалардағы өнімділікке тікелей әсер етеді.

Бұл параметрді қалай бағалауға болады?

Өнеркәсіптегі жетекші деңгейлер әдетте  1% төмен айналу моментінің толқынын талап етеді.  Епті қолдар сияқты дәл операциялар үшін айналу моментінің толқынын тіпті 2% ішінде бақылау қажет болуы мүмкін.

Крутящий моменттің толқынын азайту қозғалтқыш дизайнындағы негізгі қиындықтардың бірі болып табылады. Жалпы инженерлік әдістерге мыналар жатады: полюс-слот комбинациясын оңтайландыру, қиғаш ұяшықтарды немесе қиғаш полюстерді пайдалану, тұрақты магнит енін және доға коэффициентін реттеу және тіс ұштарына қосалқы ұяларды қосу. Дегенмен, тісті айналу моментін азайту мен шығыс моментін ұлғайту арасында жиі айырбастау бар екенін ескеріңіз – тісті моментті басатын кейбір конструкциялар (мысалы, ауа саңылауының ұзындығын арттыру) шығыс моментін азайтуы мүмкін. Сонымен қатар, момент толқынының өте қатаң талаптары бар қолданбалар үшін өндірушілер ұсына алады  саңылаусыз (ауа-ядролы) жақтаусыз момент қозғалтқыштарын , бұл кейбір қуат тығыздығын жоғалту құнына тісті айналу моментін толығымен жояды.

Сондықтан, айналу моментінің толқындық сипаттамаларын бағалау кезінде әңгіме 'төменірек, соғұрлым жақсы' туралы емес, 'операциялық тегістік' мен 'моментті шығару мүмкіндігі' арасындағы оңтайлы тепе-теңдікті табу туралы болып табылады.

IV. Қозғалтқыш тұрақты км – қозғалтқыш 'өнімділігін сақтай алады ма'

Қозғалтқыш тұрақты км дегеніміз не?

Қозғалтқыш тұрақты Km үш параметрдің 'ең аз таныс' бірақ 'ең практикалық' болуы мүмкін. Көптеген өнім деректер парақтары тіпті бұл мәнді тікелей бермейді, бірақ оның қозғалтқышты таңдаудағы маңыздылығы момент пен жылдамдықтан кем емес.

Км анықтамасы:

Км = Кт / √R

Мұндағы Kt – тұрақты момент (ток бірлігіне өндірілетін момент), ал R – орама кедергісі. Оның физикалық мағынасы мынада:  1 Вт резистивті жоғалту қуатын тарату жағдайында қозғалтқыш қанша момент шығара алады?  Бірлік Нм/√Вт.

Неліктен бұл анықтама маңызды? Өйткені қозғалтқыш жұмыс істеген кезде орамның кедергісі жылуды тудырады. Жиналған жылу температураны көтереді, сайып келгенде қозғалтқыштың үздіксіз жұмыс істеу мүмкіндігін шектейді. Жоғары Km мәні өндірілген жылудың бірдей мөлшері үшін (бірдей резистивті қуат бөлінетін) қозғалтқыш көбірек момент шығара алатынын білдіреді. Басқаша айтқанда,  Km термиялық шектеулер кезінде қозғалтқыштың шынайы момент шығару мүмкіндігін өлшейді.

Аналогия жасау үшін: Егер моменттің тығыздығы қозғалтқыштың 'жарылыс қуатын' өлшесе, Km қозғалтқыштың 'шыдамдылығын' өлшейді. Қозғалтқыштың максималды айналу моменті өте жоғары болуы мүмкін, бірақ оның орамасының кедергісі де жоғары болса (жіңішке сым, көп айналымдар), тұрақты жоғары ток жұмысы кезінде ол тез қызады, және оның үздіксіз шығу мүмкіндігі бұл жағдайда жиі шектелмейді.

Бұл параметрді қалай бағалауға болады?

Әртүрлі өндірушілердің немесе әртүрлі модельдердің қозғалтқыштарын салыстыру кезінде Km жай ғана 'номиналды қуат' немесе 'ең жоғары айналу моментін' қараудан гөрі әділірек көрсеткіш болып табылады. Себептер:

• Бір көлемдегі екі қозғалтқыштың максималды айналу моменті ұқсас болуы мүмкін, бірақ біреуінің Km мәні айтарлықтай жоғары болса, бұл оның ұзақ мерзімді жұмыс кезінде тұрақты өнімділікті сақтай алатынын және қыздыруға байланысты төмендеу ықтималдығын көрсетеді.

• Роботтың үздіксіз жұмысы кезінде қозғалтқыштың өнімділігін неғұрлым шынайы бағалауды қамтамасыз ететін км термиялық шығындармен момент шығару мүмкіндігін қосады.

Практикалық таңдауда келесі әрекеттерді орындауға болады:

1. Қажетті минимум Км есептеңіз:  жүктеме моменті T және рұқсат етілген резистивті жоғалту P ескере отырып, Km_min = T / √P. Км мәні осы минимумнан жоғары үміткер қозғалтқышты таңдаңыз.

2. Сынақ температурасына назар аударыңыз:  Km және Kt үшін калибрлеу температурасы әдетте 20°C және 40°C арасында болады. Әртүрлі өндірушілер әртүрлі температурада калибрлеуі мүмкін; температура неғұрлым жоғары болса, соғұрлым Kt мәні төмен болады. Айқас салыстыру кезінде калибрлеу шарттарының сәйкестігіне көз жеткізіңіз.

3. Деректерді алдын ала сұрау:  Жоғарыда айтылғандай, көптеген деректер кестелері Km мәнін тікелей қамтамасыз етпейді. Таңдау процесінде бұл параметрді жеткізушіден белсенді түрде сұрау ұсынылады.

V. Қарым-қатынастар және үш параметрді бірлесіп қарастыру

Крутящий моменттің тығыздығы, айналу моментінің толқыны және қозғалтқыш тұрақтысы Km оқшауланған көрсеткіштер емес; оларда тән қарым-қатынастар және дизайн айырбастары бар.

Қозғалтқыш крутящий моменттің тығыздығын жақсартуға тырысқанда (мысалы, ауа саңылауының ағынының тығыздығын арттыру арқылы), бұл момент толқынының жоғарылауына әкелуі мүмкін. Керісінше, моменттің төмен толқынына шамадан тыс ұмтылу (мысалы, саңылаусыз құрылымды пайдалану) моменттің тығыздығын төмендетуі мүмкін. Сондықтан жақсы жақтаусыз момент қозғалтқышының дизайны  оңтайлы тепе-теңдік нүктесін табады. осы үш параметрдің арасында

Қорытынды: Таңдау – бұл сандар ойыны емес

Инженердің күнделікті жұмыс сценарийіне оралсақ, құрамдас бөліктерді таңдағанда 'үлкен параметрлер жақсырақ' деген ойға түсу оңай. Дегенмен, шын мәнінде жетілген таңдау стратегиясы негізделген айырбастарды анықтайды : нақты жұмыс жағдайларына  робот қосылымының

• Төменгі аяқтың ауыр буындары?  моменттің тығыздығына басымдық беріңіз . Жүктеме сыйымдылығы мен шамадан тыс жүктеме шегін қамтамасыз ету үшін

• Дәл епті қол немесе хирургиялық робот?  айналу моментінің толқынына басымдық беріңіз . Төмен жылдамдықтағы тегістікті қамтамасыз ету үшін

• Ұзақ уақыт бойы үздіксіз жұмыс істейтін өнеркәсіптік роботтар?  Km мәніне басымдық беріңіз . Термиялық тұрақтылық пен ұзақ мерзімді сенімділікті қамтамасыз ету үшін

Гуманоид роботтар өнеркәсібі 2026 жылы жаппай өндіріс ауқымын ұлғайтудың маңызды кезеңіне енгендіктен, Қытайдағы отандық өндірілген жақтаусыз момент қозғалтқыштары крутящий моменттің тығыздығы және айналу моментінің толқыны сияқты негізгі параметрлерде халықаралық деңгейлерге тез жетеді, бағасы салыстырмалы шетел өнімдерінің тек 50%-70% құрайды. Инженерлер үшін параметрлерді түсіну және деректер парағы нөмірлерінің артындағы физикалық мағынаны көру 'оны жұмыс істеуден' 'жақсы жұмыс істеуге' дейінгі негізгі қадам болып табылады.