Четрыхполюсные бесколлекторные двигатели и серводвигатели

Требования к микроприводам: почему бесколлекторные двигатели — выбор №1

К приводной технике, используемой в сфере мехатроники и робототехники, предъявляется ряд особых требований. Характерных именно для этой сферы деятельности.

Прежде всего, это:

• ✓ Большая удельная мощность двигателя
• ✓ Хорошие динамические характеристики
• ✓ Малые габаритные размеры
• ✓ Высокая надёжность и срок службы

И всё это — при относительно малой номинальной мощности двигателя (до 100–150 Вт).

Что это значит на практике? Привод должен быть компактным, но мощным. Быстрым, но надёжным. И работать тысячи часов без отказа.

Всё это делает предпочтительным использование привода на базе бесколлекторного двигателя постоянного тока. Это обусловлено и хорошими скоростными показателями бесконтактных двигателей, и высоким сроком службы, превышающим 20 000 часов (ограниченным фактически лишь сроком службы подшипников опор), и высоким моментом.

Просто? Нет. Но необходимо.

Почему именно бесколлекторные: три преимущества

Бесколлекторные двигатели выигрывают у коллекторных по трём ключевым параметрам:

1. → Отсутствие щёток = нет искрения, нет износа, нет обслуживания
2. → Выше КПД = меньше нагрева, больше мощности в том же корпусе
3. → Долгий ресурс = 20 000+ часов против 1 000–3 000 у коллекторных

В робототехнике, где каждый грамм и каждый ватт на счету, это не просто «плюс». Это решающий фактор.

Традиционная конструкция: трёхфазный статор и биполярный ротор

Традиционно статор таких двигателей представляет собой трёхфазную обмотку. А ротор выполнен на базе биполярного постоянного магнита. Коммутация обмоток производится в соответствии с сигналами, поступающими с датчиков Холла.

В зависимости от исполнения могут использоваться как аналоговые, так и цифровые датчики Холла.

 

Рис.1. Схема бесколлекторного двигателя традиционной конструкции

Микродвигатели, построенные по такому принципу, прочно завоевали свою нишу на рынке. В области микропрецизионной приводной техники многолетними лидерами рынка являются компании Faulhaber, Maxon Motor и Precistep.

Большинство бесколлекторных двигателей этих производителей построены по рассмотренной схеме и имеют весьма сходные как моментно-скоростные, так и габаритные характеристики.

Но вот вопрос: а можно ли сделать лучше? Оказывается — да.

Четырёхполюсная инновация: как увеличить момент без роста габаритов

Новым шагом в этой сфере стала разработка четырёхполюсного серводвигателя компанией Faulhaber. Главное отличие данного двигателя — использование ротора на базе четырёхполюсного магнита.

Что это даёт? Это решение позволяет двигателю данной серии развивать гораздо больший крутящий момент по сравнению с двигателями тех же габаритных размеров традиционной конструкции.

 

Рис. 2. Схема четырёхполюсного бесколлекторного двигателя

Двигатели четырёхполюсной конструкции успешно прошли испытания и были внедрены в серийное производство под брендом Faulhaber BX4.

Изначально эти двигатели разрабатывались с прицелом на использование в составе наиболее технологичной техники: мехатронных узлах в авиации, модульных компонентах, робототехнике и медицинских специальных устройствах.

 

Рис. 3. Семейство двигателей Faulhaber BX4

Где применяются BX4: от авиации до медицины

Почему именно эти отрасли? Потому что там критичны:

• ★ Компактность + мощность = экономия места и веса
• ★ Надёжность + долгий ресурс = меньше простоев, выше безопасность
• ★ Точность + динамика = лучшее управление, выше качество работы

Проще говоря: там, где ошибка стоит дорого — выбирают лучшее.

Семейство BX4: три серии под разные задачи

Первыми увидели свет двигатели серии 2232BX4 и 2232BX4S, различающихся по типу исполнения ротора:

• → Серия с литерой S построена на базе неодимовых магнитов, скреплённых с помощью пластика
• → Серия без литеры S — на базе постоянных магнитов

Двигатели этих серий имеют различный наклон механической характеристики. Что позволяет выбрать либо более скоростную, либо более моментную версию двигателя в зависимости от требований к исполнительному устройству.

Позже была выпущена и более мощная серия двигателей 2250BX4.

 

Рис.4. Структура двигателя семейства BX4

Инновационные решения: интеграция без клея

В конструкции двигателя новой серии было применено ещё несколько инновационных решений:

1. Обмотки статора интегрированы с датчиками Холла
2. Часть обмотки выполнена заодно с фланцем подшипника качения вала
3. В конструкции двигателя полностью отсутствуют клеевые соединения

Почему это важно? Потому что клей — это слабое звено. Он стареет, трескается, теряет свойства при перепадах температур. А в прецизионной технике каждый микрон имеет значение.

Без клея = выше надёжность = дольше ресурс = меньше отказов. Просто? Да. Но эффективно — безусловно.

Интеграция в систему: готовое решение «под ключ»

Немаловажным фактором в современной микроприводной технике является уровень интегрируемости в систему. Как правило, заказчик в современных условиях стремится получить уже готовую систему: мотор+датчик+редуктор+контроллер. А не собирать данные компоненты по частям.

Это разумно. Ведь зачастую разработчик не обладает всей требуемой технологической базой для проведения грамотной интеграции компонент различных производителей. Кроме того, нет никакой гарантии, что узлы привода, разработанные и произведённые на разных предприятиях, будут стабильно и эффективно работать в связке.

Редукторы серии 22F: специально для динамики робототехники

Работа в данном направлении для двигателей серии BX4 велась с самого начала их создания. С учётом динамичности движения, требуемого в робототехнике, а также требуемого увеличенного срока службы изделия, было принято решение о разработке специальной серии планетарных редукторов для комплектации с данным типом двигателя, получившей индекс 22F.

Редукторы данной серии способны работать в расширенном диапазоне скоростей, обладают компактными размерами и малым весом, а также большим числом доступных передаточных отношений.

Для решения задач точного управления скоростью и позиционирования для комплектации с двигателями серии BX4 был разработан интегрируемый трёхканальный датчик, а также программируемый контроллер скорости.

Что это даёт на практике? Не нужно искать совместимость. Не нужно гадать, почему «не едет». Одно решение — один производитель — один результат.

Сравнительный анализ: четырёхполюсные против традиционных

Проведём сравнительный анализ бесколлекторных двигателей традиционной и четырёхполюсной конструкции. Это удобно сделать на примере двигателей новой серии BX4 и традиционной продукции Faulhaber со схожими габаритными характеристиками.

Для объективности оценки введём в рассмотрение также два бесколлекторных двигателя некого абстрактного европейского производителя со сходными габаритными размерами и усреднёнными характеристиками.

Таблица 1. Сравнительный анализ двигателей

График сравнения: динамика + мощность = победа

Для наглядной оценки рассматриваемых двигателей построим график зависимости крутящего момента двигателя от крутизны его механической характеристики. Выбор именно этих параметров не случаен. Крутизна характеризует динамичность работы двигателя, а максимальный момент выступает как мощностной показатель.

 

Рис. 5. График сравнения двигателей

Из приведённого графика видно: при тех же габаритных размерах бесколлекторные двигатели, построенные по новой технологии, гораздо динамичнее двигателей, построенных по традиционной конструкции.

При таком улучшении динамических показателей удаётся сохранить и высокое значение крутящего момента без увеличения габаритов двигателя.

В самом деле:

• ★ Двигатель серии 2232BX4S имеет меньшие габариты и лучшие сило-моментные показатели по сравнению с моделью 2036
• ★ Двигатель серии 2232BX4 по всем параметрам превосходит модель 2444
• ★ И тем более — усреднённый бесколлекторный двигатель схожих габаритов

Кроме того, четырёхполюсная технология не требует усложнения процесса производства и серьёзной переоснастки оборудования. Поэтому применение новой технологии не сказывается на конечной цене изделия.

Всё это делает использование двигателей, построенных по четырёхполюсной технологии, крайне привлекательным в мехатронных узлах машин, прецизионных электромеханических устройствах, медицине и робототехнике.

Faulhaber сегодня: качество, сертификация, глобальное присутствие

Группа компаний Faulhaber ведёт свою историю с изобретения Доктором Фритцом Фаулхабером (Dr. Fritz Faulhaber) технологии создания полого ротора в 1958 году и внедрения данной технологии в производственный процесс.

Сейчас группа компаний Faulhaber — один из мировых лидеров в производстве прецизионной микроприводной техники, микромеханики, а также управляющей электроники.

Компании, входящие в группу, специализируются на производстве и разработке высококачественных изделий. А также на работе со специальными решениями, адаптированными для применения в конкретных устройствах заказчика.

Глобальное присутствие: Германия, Швейцария, США

Faulhaber сегодня — это:

• ✓ Диверсифицированное автоматизированное производство в Германии, Швейцарии и США
• ✓ Три инжиниринговых и исследовательских центра
• ✓ Сеть представительств по всему миру
• ✓ Более 1 000 сотрудников
• ✓ Более 40 000 м² производственных, исследовательских и офисных помещений

Продукция Faulhaber соответствует самым высоким европейским стандартам качества. Все подразделения компании сертифицированы согласно стандарту ISO 9001, а также ISO 14001. Это гарантирует неизменное высокое качество как конечной продукции, так и сырья, используемого при производстве.

Где узнать больше: эксклюзивный представитель в России

Получить исчерпывающую информацию по продукции компании можно на сайте эксклюзивного представителя Faulhaber в России компании «Микропривод» www.microprivod.ru

Что в сухом остатке? Четырёхполюсная технология Faulhaber BX4 — это не просто «ещё один двигатель». Это шаг вперёд там, где каждый миллиметр, каждый миллиньютон-метр и каждая миллисекунда имеют значение.

Заметьте: не за счёт усложнения производства. Не за счёт роста цены. А за счёт инженерной изобретательности.

А в робототехнике, мехатронике и медицине, где надёжность и точность — не пожелание, а требование, именно такой подход даёт результат. Не удача. А технология.