Kako smanjiti valovitost momenta malog istosmjernog motora s reduktorom?

Ako ste se ikada petljali s projektom robotike, nosivim medicinskim uređajem ili malom automatiziranom kućnom napravom, velike su šanse da ste naletjeli na frustrirajuću grešku malog istosmjernog motora s zupčanikom koji se loše ponaša—posebno ono neugodno valovitost momenta. Za one od nas koji smo proveli godine kao mali dobavljač istosmjernog motora s reduktorom, čuo sam ovu pritužbu stotinu puta: motor koji je nedosljedan, trza se ili neočekivano usporava i ubrzava kada bi trebao biti gladak, stabilan i pouzdan. Valovitost zakretnog momenta, periodična fluktuacija izlaznog zakretnog momenta koja se događa svaki put kada se vratilo motora okrene, ne uništava samo performanse; može smanjiti preciznost osjetljivih uređaja, brže isprazniti bateriju i čak uzrokovati mehaničko trošenje tijekom vremena. Nakon testiranja tisuća motora i izravnog rada s inženjerima i hobistima na rješavanju njihovih problema s okretnim momentom, sastavio sam praktične, znanstveno potkrijepljene strategije za smanjenje ovog valovanja—plus kako naša linijaMali DC motor s reduktoromProizvodi su skrojeni kako bi pomogli timovima da izbjegnu te uobičajene bolne točke od samog početka.

Prvo, razjasnimo zašto dolazi do valovitosti zakretnog momenta u malim istosmjernim motorima s reduktorom, jer ne možete riješiti problem koji u potpunosti ne razumijete. Za razliku od idealnih motora, koji proizvode konstantan okretni moment pri danom naponu, stvarni mali istosmjerni motori s reduktorom imaju praznine u dizajnu koje stvaraju fluktuacije. Za brušene istosmjerne motore—najčešći tip u motorima s malim zupčanicima—valovitost zakretnog momenta dolazi iz dva glavna izvora: valovitost komutacije i valovitost zupčanika. Komutacijsko valovitost događa se kada se četkice (mali vodljivi dijelovi koji prenose struju do armature) prebacuju između vodljivih segmenata armature. Svaki prekidač stvara maleni bljesak u struji, što se prevodi kao bljesak u momentu. S druge strane, zupčasta valovitost dolazi od interakcije između željezne jezgre armature i permanentnih magneta u statoru. Jezgra ima malene zupce koji vuku prema magnetima statora, stvarajući otpor pod određenim kutovima rotacije - poput magneta koji se pokušava zalijepiti za metalni vijak, a zatim pušta dok ga okrećete.

Kad istosmjernom motoru dodate zupčanik, valovitost ne ostaje samo mala – ona se višestruko povećava. Zupčanici prenose okretni moment motora na izlaznu osovinu, tako da je svaka nedosljednost u ulaznom okretnom momentu motora pojačana omjerom prijenosa. Omjer 10:1, na primjer, znači da fluktuacija momenta od 1% na osovini motora postaje fluktuacija od 10% na izlazu, što je veliki problem za uređaje kojima je potrebna preciznost. Zato odabir pravog motora za vašu primjenu nije samo veličina ili snaga – radi se o projektiranju valovitosti na izvoru, a našMotor s mikrometalnim zupčanicimaLinija je napravljena posebno za rješavanje ovih temeljnih uzroka.

Prijeđimo sada na djelotvorne strategije, počevši s prilagodbama dizajna motora koje čine najveću razliku za male motore s istosmjernim zupčanicima. Prvi i najutjecajniji popravak je optimiziranje dizajna armature kako bi se smanjila valovitost zupčanika. Tradicionalne male armature motora imaju 2 do 4 zuba, koji su poravnati s polovima statora na način koji stvara snažno zupčanje pod predvidljivim kutovima. Povećanjem broja utora armature i iskrivljenjem utora (blago ih uvrćući umjesto da ih postavljamo ravno uzduž osovine), možemo proširiti tu magnetsku privlačnost na više kutova, smanjujući učinak "stick-slip". Za naše male istosmjerne motore s reduktorom koristimo nagnute armature s 12 utora umjesto standardnih 6, što smanjuje valovitost zupčanika do 40% u našem testiranju. Također prilagođavamo oblik magneta statora—koristeći neodimijske magnete s blago zakrivljenim rubom umjesto oštrih pravokutnih rubova—tako da magnetsko polje postupnije stupa u interakciju sa zubima armature, umjesto naglim skokovima koji uzrokuju skokove momenta.

Dalje, dizajn četke i komutacije igra veliku ulogu u smanjenju valovitosti komutacije. Četke su dio koji se troši, tako da mnogi jeftini motori koriste karbonske četkice koje su krute i troše se neravnomjerno tijekom vremena, stvarajući nedosljedan kontakt sa segmentima armature. NašeMotor s mikrometalnim zupčanicimalinija koristi precizno strojno obrađene četke od metala i grafita koje su opterećene oprugom kako bi održale postojan pritisak na armaturi. To osigurava glatki protok struje tijekom komutacije, bez naglih padova ili skokova. Također usklađujemo broj segmenata armature s brojem polova statora i zubaca zupčanika, što je dizajnerski trik koji se zove "ko-prime uparivanje". Na primjer, motor s 12 armaturnih segmenata, 4 pola statora i zupčanik s 25 zuba znači da se komutacijski ciklusi ne usklađuju s prirodnim rotacijskim točkama zupčanika, što bi stvorilo veću, periodičnu fluktuaciju momenta. Čineći ove brojeve istoprostornim (bez zajedničkih faktora), širimo valovitost tako da je manje vidljiva krajnjem uređaju.

Osim dizajna motora, modifikacije zupčanika kritične su za male istosmjerne motore s zupčanicima, budući da je zupčanik odgovoran za pojačavanje valovitosti. Najčešća pogreška ovdje je korištenje plastičnih zupčanika, koji su jeftini, ali fleksibilni i skloni povratnom udaru — mali razmak između zuba zupčanika koji uzrokuje trzanje zupčanika pri mijenjanju smjera, pojačavajući valovitost momenta. NašeMali motor s reduktoromlinija koristi precizno strojno obrađene metalne zupčanike (obično čelične ili mesingane za male motore od 12 mm) s malim tolerancijama (manje od 0,02 mm zazora između zuba). Zupčanici su također spiralni, a ne ravni, što znači da zupci zahvaćaju postupno umjesto da udaraju jedni o druge uz iznenadni "klik". Ovo postupno uključivanje uglađuje prijenos zakretnog momenta, smanjujući valovitost eliminirajući oštre skokove zakretnog momenta koji dolaze s ravnorezanim zahvatom zupčanika. Također dodajemo maleni prigušivač trenja između posljednjeg zupčanika u nizu i izlazne osovine—tanki silikonski prsten s niskim trenjem koji apsorbira male fluktuacije momenta prije nego što dođu do primjene. Za uređaje kao što su crtači s perom ili male pokretne trake, ovaj jednostavan dodatak smanjio je valovitost tijekom uporabe za dodatnih 25% za naše korisnike.

Nakon što ste optimizirali motor i zupčanike, sljedeći korak je podešavanje napajanja i sustava upravljanja—dva područja koja se često zanemaruju, ali mogu napraviti veliku razliku u smanjenju zaostalog valovitog momenta. Za male istosmjerne motore s reduktorom, buka napajanja glavni je skriveni krivac. Ako vaš izvor napajanja (poput baterije ili običnog zidnog adaptera) ima valovitost izlaznog napona, to se izravno prevodi u valovitost zakretnog momenta motora. Rješenje je dodavanje malog kondenzatora (10 do 100 mikrofarada, ovisno o veličini motora) na priključke napajanja motora kako bi se izgladile fluktuacije napona. Na primjer, našMini mjenjački motor 3Vdizajniran je za rad s keramičkim kondenzatorom od 22µF zalemljenim izravno na vodove motora—uključujemo bilješku o tome u naše podatkovne tablice, a naše testiranje pokazuje da smanjuje valovitost okretnog momenta povezanu sa snagom do 30%.

Za aplikacije koje koriste modulaciju širine impulsa (PWM) za kontrolu brzine motora (većina malih uređaja to i čini jer su energetski učinkoviti), morate podesiti frekvenciju PWM-a i vrijeme kako biste izbjegli podudaranje s prirodnom rezonantnom frekvencijom motora. Ako je frekvencija PWM-a usklađena s rotacijskom frekvencijom motora (ili višekratnikom), pojačat će valovitost momenta umjesto da je izgladi. Za male istosmjerne motore s reduktorom, najbolja točka je obično PWM frekvencija između 15 kHz i 25 kHz—frekvencije niže od te mogu uzrokovati zvučnu buku, a više frekvencije mogu dodati gubitke pri prebacivanju. Također preporučujemo korištenje PWM-a s fazno pomaknutim signalom, koji prilagođava vrijeme naponskih impulsa kako bi odgovaralo komutacijskom ciklusu motora, poništavajući male ispade zakretnog momenta čim se dogode. Za hobiste i male proizvođače, ovo je lako implementirati s Arduino ili sličnim mikrokontrolerom, ali to je nešto što ugrađujemo u naše preporuke za motore za aplikacije kojima je potrebna najveća preciznost.

Iz prve sam ruke vidio kako se te male izmjene zbrajaju. Prošle godine nam se kupac koji je izradio kirurški nasadnik obratio jer je njihov početni motor imao valovitost okretnog momenta koja je uzrokovala sitne, nekonzistentne pokrete, zbog čega je uređaj bio nesiguran za rad s osjetljivim tkivom. Pokušali su prilagoditi svoj sustav upravljanja i zamijeniti motore, ali ništa nije uspjelo dok nisu prešli na našMali DC motor s reduktoromliniju, uparen s desnim kondenzatorom i PWM podešavanjem. U roku od mjesec dana, valovitost njihovog zakretnog momenta pala je s 12% na manje od 2%, ispunjavajući njihove stroge standarde za medicinske uređaje. To je vrsta utjecaja ispravnih detalja—pretvaranje frustrirajuće, nepouzdane komponente u alat koji pomaže njihovom proizvodu da uspije.

Naravno, svaka je primjena drugačija, tako da ne postoji jedno rješenje za sve. Mali motor za dječju igračku ne treba istu razinu smanjenja valovitosti kao motor za pipetu za laboratorijsku automatizaciju. Zato je važno prilagoditi dizajn motora vašem specifičnom slučaju upotrebe: ako vam je potrebna visoka preciznost, dajte prednost nakošenim armaturama i metalnim zupčanicima; ako radite na uređaju s baterijskim napajanjem koji treba štedjeti energiju, usredotočite se na smanjenje buke napajanja; ako vaš uređaj ima ograničen prostor, naš kompaktniMotor s mikrometalnim zupčanicimaLinija je napravljena da minimizira mreškanje u faktorima malog oblika.

Ako radite na projektu u kojem je dosljednost okretnog momenta važna - bilo da se radi o robotskoj ruci, nosivoj pumpi, pametnoj bravi ili bilo kojem drugom uređaju koji se oslanja na mali motor - nemojte se zadovoljiti generičkim motorima koji neće raditi prema očekivanjima. Naš tim proveo je godine u usavršavanju dizajna naših malih motora s istosmjernim zupčanicima kako bi se pozabavili specifičnim uzrocima valovitosti zakretnog momenta i radimo izravno s inženjerima i hobistima kako bismo pronašli pravo rješenje za njihove potrebe. Bez obzira trebate li pomoć pri odabiru motora, podešavanju vašeg upravljačkog sustava ili samo imate pitanja o smanjenju valovitosti u vašoj trenutnoj postavci, mi smo tu da vam pomognemo.

Za više informacija o našoj liniji visokopreciznih malih istosmjernih motora s reduktorom, uključujući specifikacije, napomene o primjeni i smjernice za smanjenje valovitosti zakretnog momenta, stupite u kontakt kako bismo razgovarali o vašim zahtjevima.

Reference

1. Miller, TJE (1989). Pogoni s permanentnim magnetom i reluktantnim motorom bez četkica. Oxford University Press.
2. Boldea, I. i Nasar, SA (1992). Priručnik za indukcijski stroj. CRC Press.
3. Mali električni motori: dizajn, upravljanje i primjena. (2007). Institucija inženjerstva i tehnologije.
4. Valve, FC i Howe, D. (2001). "Smanjenje zakretnog momenta u strojevima s trajnim magnetima bez četkica." IEEE Transactions on Magnetics, 37(5), 2830–2832.
5. Hemezu, R. i Tuma, D. (2015). "Smanjenje valovitosti zakretnog momenta u brušenim istosmjernim motorima korištenjem podešavanja vremena komutacije." Proceedings of the International Conference on Electrical Machines, 1245–1250.