Ако някога сте се занимавали с проект за роботика, носимо медицинско устройство или малка автоматизирана домашна джаджа, има голяма вероятност да сте се сблъскали с разочароващия проблем на малък двигател с постоянен ток, който се държи неправилно - особено тази досадна пулсация на въртящия момент. За тези от нас, които са прекарали години като малък доставчик на двигатели с постоянен ток, съм чувал това оплакване стотици пъти: двигател, който е непостоянен, рязък или забавя и ускорява неочаквано, когато трябва да е плавен, стабилен и надежден. Пулсацията на въртящия момент, периодичната флуктуация в изходния въртящ момент, която се случва всеки път, когато валът на двигателя се завърти, не само съсипва производителността; може да намали прецизността на деликатните устройства, да изтощи по-бързо живота на батерията и дори да причини механично износване с течение на времето. След като тествах хиляди двигатели и работех директно с инженери и любители, за да разреша проблемите им с въртящия момент, съставих практически, подкрепени от науката стратегии за намаляване на тази пулсация - плюс как нашата линия отМалък DC редукторпродуктите са създадени, за да помогнат на екипите да избегнат тези общи болкови точки от самото начало.
Първо, нека да разберем защо се получава пулсация на въртящия момент в малки двигатели с постоянен ток, защото не можете да коригирате проблем, който не разбирате напълно. За разлика от идеалните двигатели, които произвеждат постоянен въртящ момент при дадено напрежение, реалните малки DC редукторни двигатели имат пропуски в дизайна си, които създават колебания. За мотори с четка за постоянен ток - най-често срещаният тип в двигатели с малки редуктори - пулсациите на въртящия момент идват от два основни източника: пулсации на комутация и пулсации на зъбци. Комутационни вълни се случват, когато четките (малките проводящи части, които пренасят ток към арматурата) превключват между проводимите сегменти на арматурата. Всеки превключвател създава малък миг в тока, който се превежда като миг във въртящия момент. Зацепващата вълна, от друга страна, идва от взаимодействието между желязното ядро на арматурата и постоянните магнити в статора. Сърцевината има малки зъбци, които теглят към статорните магнити, създавайки съпротивление при определени ъгли на въртене - като магнит, който се опитва да се залепи за метален винт, след което го пуска, докато го завъртате.
Когато добавите зъбна предавка към постояннотоков двигател, пулсациите не просто остават малки – те се умножават. Зъбните колела прехвърлят въртящия момент на двигателя към изходящия вал, така че всяко несъответствие във входния въртящ момент на двигателя се усилва от предавателното отношение. Съотношение 10:1, например, означава, че 1% колебание на въртящия момент на вала на двигателя се превръща в 10% колебание на изхода, което е огромен проблем за устройства, които се нуждаят от прецизност. Ето защо изборът на правилния двигател за вашето приложение не е само размер или мощност - става въпрос за проектиране на пулсации при източника и нашитеМикро метален редукторлинията е създадена специално за справяне с тези основни причини.
Сега, нека да преминем към приложимите стратегии, като започнем с корекциите на дизайна на двигателя, които правят най-голямата разлика за малките двигатели с постоянен ток. Първата и най-въздействаща корекция е оптимизирането на дизайна на арматурата, за да се намалят вълните на зъбчатото колело. Традиционните малки двигателни арматури имат от 2 до 4 зъба, които се изравняват с полюсите на статора по начин, който създава силно зацепване под предвидими ъгли. Чрез увеличаване на броя на слотовете на арматурата и изкривяване на слотовете (леко ги усукваме, вместо да ги подреждаме направо по протежение на вала), можем да разпространим това магнитно привличане в повече ъгли, намалявайки ефекта на „прилепване-плъзгане“. За нашите малки мотор-редуктори с постоянен ток използваме изкривени арматури с 12 гнезда вместо стандартните 6, което намалява пулсациите на зъбното колело с до 40% при нашите тестове. Ние също така коригираме формата на статорните магнити – като използваме неодимови магнити с леко извити ръбове вместо остри правоъгълни ръбове – така че магнитното поле да взаимодейства със зъбците на арматурата по-постепенно, вместо с внезапни скокове, които причиняват прескачане на въртящия момент.
На следващо място, дизайнът на четката и комутацията играе огромна роля за намаляване на пулсациите на комутацията. Четките са износваща се част, така че много евтини двигатели използват въглеродни четки, които са твърди и се износват неравномерно с течение на времето, създавайки непостоянен контакт със сегментите на арматурата. НашитеМикро метален редукторлинията използва прецизно обработени метално-графитни четки, които са пружинирани, за да поддържат постоянно налягане върху арматурата. Това гарантира, че токът протича гладко по време на комутация, без внезапни спадове или пикове. Ние също така съпоставяме броя на арматурните сегменти с броя на полюсите на статора и зъбите на зъбните колела, проектантски трик, наречен „сдвояване на едно и също основно“. Например, двигател с 12 арматурни сегмента, 4 полюса на статора и зъбна предавка с 25 зъба означава, че комутационните цикли не се подравняват с естествените точки на въртене на зъбното колело, което би създало по-голямо, периодично колебание на въртящия момент. Като правим тези числа едно-прости (без споделени фактори), ние разпространяваме пулсацията, така че да е по-малко забележима за крайното устройство.
Отвъд дизайна на двигателя, модификациите на зъбните предавки са критични за малки двигатели с постоянен ток, тъй като зъбните предавки са отговорни за усилването на пулсациите. Най-често срещаната грешка тук е използването на пластмасови зъбни колела, които са евтини, но гъвкави и податливи на обратна реакция - малката междина между зъбите на зъбните колела, която кара зъбните колела да се клатят при обръщане на посоката, усилвайки пулсациите на въртящия момент. НашитеМалък мотор-редукторлинията използва прецизно обработени метални зъбни колела (обикновено стоманени или месингови за малки 12 mm двигатели) с тесни допуски (по-малко от 0,02 mm луфт между зъбите). Зъбните колела също са спираловидни, а не прави нарязани, което означава, че зъбите се захващат постепенно, вместо да се удрят един в друг с внезапно „щракване“. Това постепенно зацепване изглажда прехвърлянето на въртящия момент, намалявайки пулсациите чрез елиминиране на острите пикове на въртящия момент, които идват със зацепването на правата предавка. Добавяме и малък демпфер на триенето между последната предавка в уредбата и изходящия вал — тънък силиконов пръстен с ниско триене, който абсорбира малките колебания на въртящия момент, преди да достигнат приложението. За устройства като писалкови плотери или малки транспортни ленти, това просто допълнение намали пулсациите при използване с още 25% за нашите клиенти.
След като сте оптимизирали двигателя и зъбните колела, следващата стъпка е да настроите захранването и системата за управление – две области, които често се пренебрегват, но могат да направят огромна разлика в намаляването на остатъчните вълни на въртящия момент. За малките DC редукторни двигатели шумът от захранването е основен скрит виновник. Ако вашият източник на захранване (като батерия или обикновен адаптер за стена) има пулсации в изходното напрежение, това директно се превръща в пулсации на въртящия момент от двигателя. Поправката тук е добавянето на малък кондензатор (10 до 100 микрофарада, в зависимост от размера на двигателя) през захранващите клеми на двигателя, за да се изгладят колебанията на напрежението. Например нашата3V Mini Gear Motorе проектиран да работи с 22µF керамичен кондензатор, запоен директно към проводниците на двигателя - ние включваме бележка за това в нашите листове с данни и нашите тестове показват, че намалява пулсациите на въртящия момент, свързани с мощността, с до 30%.
За приложения, които използват широчинно-импулсна модулация (PWM) за контролиране на скоростта на двигателя (повечето малки устройства го правят, тъй като са енергийно ефективни), трябва да настроите честотата и синхронизацията на PWM, за да избегнете съответствие с естествената резонансна честота на двигателя. Ако честотата на ШИМ се изравни с честотата на въртене на двигателя (или кратно на нея), тя ще усили пулсациите на въртящия момент, вместо да ги изглади. За малки двигатели с постоянен ток най-добрата точка обикновено е честота на ШИМ между 15 kHz и 25 kHz - честоти, по-ниски от тази, могат да причинят звуков шум, а по-високите честоти могат да добавят загуби при превключване. Също така препоръчваме да използвате ШИМ с фазово изместен сигнал, който регулира времето на импулсите на напрежението, за да съответства на комутационния цикъл на двигателя, като премахва малките моменти на въртящия момент, когато се появят. За любителите и малките производители това е лесно за изпълнение с Arduino или подобен микроконтролер, но това е нещо, което вграждаме в нашите препоръки за двигатели за приложения, които се нуждаят от най-висока точност.
Виждал съм от първа ръка как се добавят тези малки настройки. Миналата година клиент, изработващ хирургически накрайник, се свърза с нас, тъй като първоначалният им двигател имаше вълни на въртящия момент, които причиняваха малки, непостоянни движения, правейки устройството опасно за работа с деликатни тъкани. Бяха се опитали да коригират своята система за управление и да сменят двигателите, но нищо не работеше, докато не преминаха към нашатаМалък DC редукторлиния, съчетана с правилния кондензатор и PWM настройка. В рамките на един месец вълните на въртящия момент спаднаха от 12% до по-малко от 2%, отговаряйки на строгите им стандарти за медицински устройства. Това е видът въздействие, което прави тези детайли правилни – превръщането на разочароващ, ненадежден компонент в инструмент, който помага на техния продукт да успее.
Разбира се, всяко приложение е различно, така че няма универсално решение. Малък мотор за детска играчка не се нуждае от същото ниво на намаляване на пулсациите като мотор за пипета за лабораторна автоматизация. Ето защо е важно да съобразите дизайна на двигателя с вашия конкретен случай на употреба: ако имате нужда от висока точност, дайте приоритет на изкривените арматури и метални зъбни колела; ако работите върху устройство, захранвано от батерии, което трябва да пести енергия, съсредоточете се върху намаляването на шума от захранването; ако вашето устройство има ограничено пространство, нашият компактенМикро метален редукторлинията е създадена, за да минимизира пулсациите в малки форм-фактори.
Ако работите по проект, при който постоянството на въртящия момент има значение – независимо дали става дума за ръка на робот, носима помпа, интелигентна ключалка или всяко друго устройство, което разчита на малък двигател – не се задоволявайте с генерични двигатели, които няма да работят според очакванията. Нашият екип е прекарал години в усъвършенстване на дизайна на нашите малки двигатели с постоянен ток, за да се справи със специфичните причини за пулсациите на въртящия момент и работим директно с инженери и любители, за да намерим правилното решение за техните нужди. Независимо дали имате нужда от помощ при избора на двигател, настройката на вашата система за управление или просто имате въпроси относно намаляването на пулсациите в текущата ви настройка, ние сме тук, за да ви помогнем.
За повече информация относно нашата линия високопрецизни малки DC редукторни двигатели, включително спецификации, бележки за приложението и насоки за намаляване на пулсациите на въртящия момент, свържете се, за да обсъдим вашите изисквания.
Референции
- Милър, TJE (1989). Безчеткови задвижвания с постоянен магнит и реактивни двигатели. Oxford University Press.
- Boldea, I., & Nasar, SA (1992). Наръчник за индукционна машина. CRC Press.
- Малки електрически двигатели: дизайн, управление и приложения. (2007). Институт по инженерство и технологии.
- Valve, FC и Howe, D. (2001). „Намаляване на въртящия момент в безчеткови машини с постоянен магнит.“ IEEE Transactions on Magnetics, 37 (5), 2830–2832.
- Хемезу, Р. и Тума, Д. (2015). „Минимизиране на пулсациите на въртящия момент в мотори с четка за постоянен ток с помощта на настройка на времето за комутация.“ Доклади на Международната конференция за електрически машини, 1245–1250.
