Ak ste sa niekedy zaoberali robotickým projektom, nositeľnou zdravotníckou pomôckou alebo malým automatizovaným domácim zariadením, je pravdepodobné, že ste narazili na frustrujúcu poruchu malého jednosmerného prevodového motora – najmä to nepríjemné vlnenie krútiaceho momentu. Pre tých z nás, ktorí strávili roky ako malý dodávateľ jednosmerných prevodových motorov, som túto sťažnosť počul stokrát: motor, ktorý je nekonzistentný, trhavý alebo sa spomaľuje a neočakávane sa zrýchľuje, keď by mal byť hladký, stabilný a spoľahlivý. Zvlnenie krútiaceho momentu, periodické kolísanie výstupného krútiaceho momentu, ku ktorému dochádza pri každom otočení hriadeľa motora, nezničí len výkon; môže znížiť presnosť citlivých zariadení, rýchlejšie vybiť batériu a dokonca časom spôsobiť mechanické opotrebovanie. Po testovaní tisícok motorov a spolupráci priamo s inžiniermi a fanúšikmi na vyriešení ich problémov s krútiacim momentom som zostavil praktické, vedecky podložené stratégie na zníženie tohto vlnenia – plus ako naša radaMalý jednosmerný prevodový motorprodukty sú prispôsobené tak, aby pomohli tímom vyhnúť sa týmto bežným bolestivým bodom od začiatku.
Najprv si rozoberme, prečo dochádza k zvlneniu krútiaceho momentu v malých jednosmerných prevodových motoroch, pretože nemôžete vyriešiť problém, ktorému úplne nerozumiete. Na rozdiel od ideálnych motorov, ktoré produkujú konštantný krútiaci moment pri danom napätí, majú reálne malé jednosmerné prevodové motory vo svojej konštrukcii medzery, ktoré spôsobujú výkyvy. Pre jednosmerné motory s kefou – najbežnejší typ v motoroch s malými prevodmi – zvlnenie krútiaceho momentu pochádza z dvoch hlavných zdrojov: komutačné zvlnenie a zvlnenie ozubenia. Komutačné zvlnenie nastáva, keď sa kefy (malé vodivé časti, ktoré prenášajú prúd do kotvy) prepínajú medzi vodivými segmentmi kotvy. Každý spínač vytvára malé kolísanie prúdu, čo sa premieta do kolísania krútiaceho momentu. Ozubené zvlnenie na druhej strane pochádza z interakcie medzi železným jadrom kotvy a permanentnými magnetmi v statore. Jadro má malé zúbky, ktoré sa ťahajú smerom k magnetom statora a vytvárajú odpor pri špecifických uhloch rotácie - ako magnet, ktorý sa snaží prilepiť na kovovú skrutku a potom sa pri otáčaní uvoľní.
Keď k jednosmernému motoru pridáte ozubené koleso, zvlnenie nezostane len malé – znásobí sa. Ozubené kolesá prenášajú krútiaci moment motora na výstupný hriadeľ, takže akákoľvek nekonzistentnosť vo vstupnom krútiacom momente motora je zosilnená prevodovým pomerom. Napríklad pomer 10:1 znamená, že 1% kolísanie krútiaceho momentu na hriadeli motora sa zmení na 10% kolísanie na výstupe, čo je obrovský problém pre zariadenia, ktoré vyžadujú presnosť. To je dôvod, prečo výber správneho motora pre vašu aplikáciu nie je len o veľkosti alebo výkone – ide o navrhnutie zvlnenia pri zdroji aMikro kovový prevodový motorlinka je postavená špeciálne na riešenie týchto základných príčin.
Teraz prejdime k akčným stratégiám, počnúc úpravami konštrukcie motora, ktoré predstavujú najväčší rozdiel pre malé jednosmerné prevodové motory. Prvou a najpôsobivejšou opravou je optimalizácia konštrukcie armatúry, aby sa znížilo zvlnenie. Tradičné kotvy malých motorov majú 2 až 4 zuby, ktoré sú zoradené s pólmi statora spôsobom, ktorý vytvára silné ozubenie v predvídateľných uhloch. Zväčšením počtu štrbín armatúry a zošikmením štrbín (miernym pootočením namiesto toho, aby sme ich obložili rovno pozdĺž hriadeľa), môžeme rozložiť túto magnetickú príťažlivosť do viacerých uhlov, čím sa zníži efekt „stick-slip“. Pre naše malé jednosmerné prevodové motory používame šikmé kotvy s 12 drážkami namiesto štandardných 6, čo pri našom testovaní znižuje zvlnenie ozubenia až o 40 %. Upravujeme tiež tvar statorových magnetov – pomocou neodýmových magnetov s mierne zakriveným okrajom namiesto ostrých pravouhlých hrán – takže magnetické pole interaguje so zubami kotvy postupne, a nie s náhlymi skokmi, ktoré spôsobujú výkyvy krútiaceho momentu.
Ďalej, dizajn kefy a komutácie zohráva obrovskú úlohu pri znižovaní zvlnenia komutácie. Kefy sú opotrebiteľnou súčasťou, takže mnoho lacných motorov používa uhlíkové kefky, ktoré sú tuhé a časom sa opotrebúvajú nerovnomerne, čím vytvárajú nekonzistentný kontakt so segmentmi kotvy. nášMikro kovový prevodový motorlinka používa presne opracované kov-grafitové kefy, ktoré sú odpružené, aby sa udržal konzistentný tlak na kotvu. To zaisťuje hladký tok prúdu počas komutácie bez náhlych poklesov alebo špičiek. Tiež priraďujeme počet segmentov kotvy k počtu statorových pólov a zubov ozubených kolies, čo je dizajnový trik nazývaný „ko-primárne párovanie“. Napríklad motor s 12 segmentmi kotvy, 4 pólmi statora a ozubeným prevodom s 25 zubami znamená, že komutačné cykly nie sú v súlade s prirodzenými bodmi otáčania ozubeného kolesa, čo by spôsobilo väčšie, periodické kolísanie krútiaceho momentu. Tým, že tieto čísla nastavíte ako hlavné (žiadne zdieľané faktory), rozšírime zvlnenie tak, aby bolo pre koncové zariadenie menej viditeľné.
Okrem konštrukcie motora sú pre malé jednosmerné prevodové motory rozhodujúce úpravy ozubeného súkolesia, pretože ozubené súkolesie je zodpovedné za zosilnenie zvlnenia. Najčastejšou chybou je použitie plastových ozubených kolies, ktoré sú lacné, ale flexibilné a náchylné na vôľu - malá medzera medzi zubami ozubených kolies, ktorá spôsobuje trhanie ozubených kolies pri zmene smeru, čím sa zosilňuje zvlnenie krútiaceho momentu. nášMalý prevodový motorlinka používa precízne opracované kovové prevody (zvyčajne oceľové alebo mosadzné pre malé 12mm motory) s úzkymi toleranciami (menej ako 0,02 mm vôle medzi zubami). Ozubené kolesá sú tiež skrutkovité, nie rovno rezané, čo znamená, že zuby zaberajú postupne namiesto toho, aby do seba narazili náhlym „cvaknutím“. Toto postupné zaraďovanie vyhladzuje prenos krútiaceho momentu a znižuje zvlnenie elimináciou ostrých špičiek krútiaceho momentu, ktoré prichádzajú so záberom ozubených kolies s priamym rezom. Pridávame tiež malý trecí tlmič medzi posledný prevod vo vlaku a výstupný hriadeľ – tenký silikónový krúžok s nízkym trením, ktorý absorbuje malé výkyvy krútiaceho momentu predtým, ako sa dostanú do aplikácie. V prípade zariadení, ako sú perové plotre alebo malé dopravné pásy, tento jednoduchý doplnok našim zákazníkom znížil zvlnenie pri používaní o ďalších 25 %.
Po optimalizácii motora a prevodov je ďalším krokom vyladenie napájacieho a riadiaceho systému – dve oblasti, ktoré sú často prehliadané, ale môžu znamenať obrovský rozdiel pri znižovaní zvyškového zvlnenia krútiaceho momentu. Pri malých jednosmerných prevodových motoroch je hlavným skrytým vinníkom hluk napájacieho zdroja. Ak váš zdroj energie (napríklad batéria alebo jednoduchý nástenný adaptér) má zvlnenie výstupného napätia, priamo sa to premieta do zvlnenia krútiaceho momentu motora. Opravou je pridanie malého kondenzátora (10 až 100 mikrofaradov, v závislosti od veľkosti motora) cez napájacie svorky motora, aby sa vyrovnali výkyvy napätia. Napríklad náš3V mini prevodový motorje navrhnutý tak, aby fungoval s 22µF keramickým kondenzátorom prispájkovaným priamo na vodiče motora – poznámku o tom uvádzame v našich technických listoch a naše testovanie ukazuje, že znižuje zvlnenie krútiaceho momentu súvisiace s výkonom až o 30 %.
Pri aplikáciách, ktoré využívajú moduláciu šírky impulzov (PWM) na riadenie otáčok motora (väčšina malých zariadení to robí, pretože je to energeticky efektívne), musíte vyladiť frekvenciu a časovanie PWM, aby ste sa vyhli zhode s prirodzenou rezonančnou frekvenciou motora. Ak sa frekvencia PWM zhoduje s frekvenciou otáčania motora (alebo jej násobkom), zosilní zvlnenie krútiaceho momentu namiesto toho, aby ho vyhladilo. Pre malé jednosmerné prevodové motory je najvýhodnejšia frekvencia PWM medzi 15 kHz a 25 kHz – frekvencie nižšie ako to môžu spôsobiť počuteľný hluk a vyššie frekvencie môžu pridať spínacie straty. Odporúčame tiež použiť PWM s fázovo posunutým signálom, ktorý upravuje časovanie napäťových impulzov tak, aby zodpovedalo komutačnému cyklu motora, čím sa rušia malé výkyvy krútiaceho momentu, keď k nim dôjde. Pre nadšencov a malých výrobcov je to jednoduché na implementáciu pomocou Arduina alebo podobného mikrokontroléra, ale je to niečo, čo začleňujeme do našich odporúčaní motorov pre aplikácie, ktoré vyžadujú najvyššiu presnosť.
Na vlastnej koži som videl, ako sa tieto malé vylepšenia dopĺňajú. Minulý rok sa na nás obrátil zákazník, ktorý vyrábal chirurgický násadec, pretože jeho pôvodný motor mal vlnenie krútiaceho momentu, ktoré spôsobovalo drobné, nekonzistentné pohyby, čím bolo zariadenie nebezpečné pre jemnú prácu s tkanivami. Skúšali upraviť svoj riadiaci systém a vymeniť motory, ale nič nefungovalo, kým neprešli na nášMalý jednosmerný prevodový motorlinka, spárovaná s pravým kondenzátorom a PWM ladením. V priebehu mesiaca pokleslo ich zvlnenie krútiaceho momentu z 12 % na menej ako 2 %, čím splnili prísne normy pre zdravotnícke pomôcky. To je ten druh vplyvu, ktorý má správne nastavenie týchto detailov – premena frustrujúceho, nespoľahlivého komponentu na nástroj, ktorý pomáha ich produktu uspieť.
Samozrejme, každá aplikácia je iná, takže neexistuje univerzálne riešenie. Malý motor pre detskú hračku nepotrebuje rovnakú úroveň redukcie zvlnenia ako motor pre laboratórnu automatizačnú pipetu. Preto je dôležité prispôsobiť dizajn motora vášmu konkrétnemu prípadu použitia: ak potrebujete vysokú presnosť, uprednostnite šikmé kotvy a kovové prevody; ak pracujete na zariadení napájanom z batérie, ktoré potrebuje šetriť energiu, zamerajte sa na zníženie hluku napájacieho zdroja; ak má vaše zariadenie obmedzené priestorové možnosti, náš kompaktMikro kovový prevodový motorlinka je skonštruovaná tak, aby minimalizovala zvlnenie v malých formách.
Ak pracujete na projekte, kde záleží na konzistencii krútiaceho momentu – či už ide o rameno robota, nositeľnú pumpu, inteligentný zámok alebo akékoľvek iné zariadenie, ktoré sa spolieha na malý motor – neuspokojte sa s generickými motormi, ktoré nebudú fungovať podľa očakávania. Náš tím strávil roky zdokonaľovaním našich návrhov malých jednosmerných prevodových motorov, aby sa zaoberali konkrétnymi príčinami zvlnenia krútiaceho momentu, a spolupracujeme priamo s inžiniermi a nadšencami, aby sme našli správne riešenie pre ich potreby. Či už potrebujete pomoc s výberom motora, vyladením riadiaceho systému alebo len máte otázky týkajúce sa zníženia zvlnenia vo vašom aktuálnom nastavení, sme tu, aby sme vám pomohli.
Ak chcete získať ďalšie informácie o našej rade vysoko presných malých jednosmerných prevodových motorov, vrátane špecifikácií, poznámok k aplikácii a pokynov na zníženie zvlnenia krútiaceho momentu, kontaktujte nás a prekonzultujte svoje požiadavky.
Referencie
- Miller, TJE (1989). Bezuhlíkové pohony s permanentným magnetom a reluktančným motorom. Oxford University Press.
- Boldea, I. a Nasar, SA (1992). Príručka indukčného stroja. CRC Press.
- Malé elektromotory: Dizajn, ovládanie a aplikácie. (2007). Inštitút inžinierstva a technológie.
- Valve, FC, & Howe, D. (2001). "Zníženie krútiaceho momentu v bezkefkových strojoch s permanentným magnetom." IEEE Transactions on Magnetics, 37(5), 2830–2832.
- Hemezu, R., & Tuma, D. (2015). "Minimalizácia zvlnenia krútiaceho momentu v kartáčovaných jednosmerných motoroch pomocou úpravy časovania komutácie." Zborník z medzinárodnej konferencie o elektrických strojoch, 1245–1250.
