Moteurs BLDC pour robot à roues : architecture, service et réduction

Un robot à roues n’a pas besoin d’un réducteur pour obtenir du couple à la roue : il a besoin d’une structure capable de porter le robot. Chaque unité à entraînement direct actuellement regroupée dans l’application Robot à roues arrive sous la forme d’un stator et d’un rotor nus, sans carter et sans roulements propres, de sorte que le poids de la machine qui parvient au moyeu sous forme de charge radiale doit être repris par un élément fourni par le concepteur. Les deux modules à réducteur du même groupe publient au contraire une valeur de charge radiale nominale - 18 kg sur l’AKA60-6 KV80 et 50 kg sur l’AKA10-9 KV60 - et leur fabricant décrit les deux comme conçus pour des robots à roues et des AGV, le plus grand étant spécifié pour résister aux impacts latéraux et radiaux dans les plateformes à roues. Ce partage, entre un moteur nu dont le chemin de charge est la machine et une unité à réducteur dont le chemin de charge est son propre étage de sortie, organise tout ce qui suit : le couple à la zone de contact, la vitesse à laquelle la roue tourne réellement, le courant que quatre roues tirent d’un même pack, et le nombre de pièces à concevoir et à financer.

Réponse rapide

Onze moteurs BLDC pour service de robot à roues sont actuellement regroupés dans cette application, et ils se répartissent en deux architectures plutôt qu’entre un bon et un mauvais choix. Neuf sont des kits à entraînement direct sans carter - cinq unités RO à rotor externe de 60 g à 710 g et quatre unités RI à rotor interne de 155.9 g à 500 g - qui appliquent leur couple directement à la roue, sans étage intermédiaire, sans jeu et sans perte de réduction, et qui laissent les roulements de moyeu, l’arbre et le chemin de charge radiale entièrement à la conception de la machine. Deux sont des modules intégrés à réducteur, l’AKA60-6 KV80 en 6:1 et l’AKA10-9 KV60 en 9:1, qui échangent un étage de réduction et un léger jeu contre un couple publié en sortie et une charge radiale nominale publiée. Sur les onze, le couple nominal s’étend de 0.2 N·m à 18 N·m, le couple de crête atteint 53 N·m et la masse s’étend de 60 g à 1.06 kg, le tout tel que publié par le fabricant.

Trois conséquences en découlent, et c’est la raison pour laquelle le choix ne se fait pas sur le KV. Premièrement, sur une roue à entraînement direct, le moteur tourne bien en dessous de sa vitesse nominale en croisière normale, si bien que le plafond électrique de vitesse n’est pas ce qui décide du choix ; c’est le couple continu face au palier de service le plus sévère qui le fait. Deuxièmement, sur une roue à réducteur, l’inverse est vrai : la vitesse de sortie est la valeur qui peut devenir la contrainte déterminante, parce que la réduction qui achète du couple divise aussi la vitesse. Troisièmement, la charge radiale qu’applique une roue est une charge que les kits à entraînement direct ne portent pas eux-mêmes, de sorte que la décision se partage entre le moteur et la structure du moyeu plutôt que d’être tranchée par le moteur seul. Les sections ci-dessous traitent chacune de ces questions tour à tour, puis rassemblent les onze unités dans un seul tableau de spécifications et le lisent par architecture d’entraînement.

Ce qu’un robot à roues attend d’un moteur BLDC

Un robot mobile à roues est une machine à service continu soumise à une charge interrompue. La distinction compte parce que les deux valeurs les plus souvent citées sur une fiche de spécifications - le couple de crête et la vitesse à vide - sont les deux grandeurs qu’un entraînement de roue utilise le moins pendant sa vie. Une articulation de jambe délivre son couple de crête pendant une fraction de seconde à l’atterrissage ; un entraînement de roue demande quelque chose proche de sa capacité continue chaque fois que la plateforme gravit une rampe à pleine charge, et il le fait alors que le moteur est enfermé dans une roue qui ne peut pas être ventilée comme une articulation sur un châssis ouvert.

La roue est le chemin de charge : la charge radiale arrive au moyeu

Sur une articulation, la sortie du moteur est un couple et la réaction est reprise par la structure qui l’entoure. Sur une roue, le même couple arrive avec quelque chose qu’une articulation ne voit jamais : le poids de la machine, transmis par la zone de contact et l’arbre sous forme de charge radiale sur ce qui porte la roue. Un kit sans carter n’a pas de roulements, de sorte que sur la voie à entraînement direct cette charge atteint un moyeu conçu par le concepteur, et les notes produit du fabricant disent la même chose de la famille : ces kits sont fournis sous forme de rotor et de stator séparés, ce qui permet d’adapter la structure de support, les brides et l’agencement des roulements à la machine. La voie à réducteur publie la valeur à la place. L’AKA60-6 KV80 est donné pour 18 kg de charge radiale et l’AKA10-9 KV60 pour 50 kg, ce dernier étant décrit comme une refonte structurelle qui augmente la capacité de charge radiale d’environ 120 pour cent par rapport à l’AK10-9 à couple égal, et comme optimisé pour les impacts latéraux et radiaux qu’engendre une plateforme à roues.

Le service continu d’abord, la crête en dernier

Le couple nominal est la valeur qui peut être tenue dans les limites thermiques du bobinage, et sur un robot à roues c’est le chiffre de travail. Le couple de crête est une réserve de courte fenêtre, et la fenêtre elle-même, avec les hypothèses d’ambiance et de montage qui la sous-tendent, relève de la documentation du fabricant plutôt que de la fiche produit. Lire les onze unités sur le seul couple nominal donne une étendue de 0.2 N·m sur le RO40 KV140 Lite à 18 N·m sur l’AKA10-9 KV60, un facteur quatre-vingt-dix, ce qui rappelle que cette application couvre tout, d’une roue de 60 g à l’échelle d’une trottinette à une plateforme industrielle à 50 kg de charge radiale.

Bordures, rampes et inversions

Une bordure est un événement de couple et une rampe un événement de service, et ils ne doivent pas être dimensionnés avec la même valeur. Gravir une rampe ajoute un terme de gravité qui reste sur le moteur aussi longtemps que dure la montée, ce qui est un problème de service continu et se traite face au couple nominal. Une bordure se présente comme un obstacle bref et se rapproche d’un événement de crête, borné par la durée pendant laquelle la roue est bloquée contre elle. Les inversions comptent pour une autre raison : sur une base à entraînement différentiel, un virage est produit en faisant travailler les deux côtés l’un contre l’autre, de sorte que les moteurs passent une partie de la manœuvre à absorber de l’énergie plutôt qu’à en fournir, et cette énergie renvoyée doit aller quelque part dans l’électronique de commande.

Quatre roues tirent d’un seul pack

Le budget de courant est une somme, pas une valeur unique. Quatre roues identiques à 4 A de courant nominal chacune tirent 16 A en continu, avant toute marge pour l’appel de courant que subit la plateforme au démarrage ou lorsqu’une roue perd son adhérence, et l’AKA60-6 KV80 publie exactement 4 A au nominal tandis que la plus grande unité à entraînement direct du groupe, la RO100 KV55, publie 20 A. Choisir sur le seul couple et découvrir l’arithmétique ensuite est la manière habituelle dont un pack finit sous-dimensionné.

Entraînement direct sans carter ou actionneur de roue à réducteur

La question de l’architecture précède celle de la spécification, parce qu’elle décide quelles valeurs ont un sens pour un moteur d’entraînement de roue. Une roue à entraînement direct est un moteur dont le rotor tourne à la vitesse de la roue. Une roue à réducteur est un moteur dont le rotor tourne à la vitesse de la roue multipliée par le rapport de réduction, avec un étage d’engrenages entre les deux. Les deux existent dans cette application, et les onze se répartissent neuf contre deux en faveur de l’entraînement direct.

Entraînement direct : la vitesse de roue égale la vitesse moteur

Neuf des onze - les cinq RO à rotor externe et les quatre RI à rotor interne - sont des kits sans carter. Sur une roue à entraînement direct, la vitesse de sortie est la vitesse du moteur, de sorte que les valeurs de vitesse publiées peuvent être lues face à la vitesse au sol sans aucun terme de réduction, et il n’y a pas d’étage d’engrenages qui apporte du jeu, pas de rendement de réduction à perdre, et pas d’inertie tournante supplémentaire entre le rotor et la roue. En contrepartie, le couple disponible à la zone de contact est exactement le couple que le moteur peut produire, et le moteur doit pouvoir tenir tout le service de la roue en continu. La plus grande unité à entraînement direct ici, la RO100 KV55 Standard, publie 4 N·m au nominal et 12 N·m en crête pour 710 g.

À réducteur : du couple à la roue, et un étage à prendre en compte

Les deux modules AKA sont l’option à réducteur et les seules unités du groupe à publier un rapport de réduction, une valeur de jeu et une charge radiale nominale. L’AKA60-6 KV80 publie un étage 6:1, 3 N·m au nominal et 9 N·m en crête en sortie, 460 g et 18 kg de charge radiale. L’AKA10-9 KV60 publie un étage 9:1, 18 N·m au nominal et 53 N·m en crête, 1.06 kg, 0.15° de jeu et 50 kg de charge radiale, avec un unique encoder magnétique 16 bits en sortie. Ce que l’étage achète, c’est du couple à la roue à partir d’un moteur plus léger ; ce qu’il coûte, c’est une division de vitesse, une valeur de jeu, et l’obligation de lire chaque valeur de vitesse du côté sortie du réducteur plutôt que du côté moteur.

Ce qu’un kit sans carter n’inclut pas

Un kit sans carter, c’est un stator et un rotor. Il n’a ni carter, ni roulements, ni arbre, ni encoder sauf si l’un est spécifié, et les notes du fabricant pour la famille RO ajoutent que l’alésage est destiné au cheminement des câbles et à l’accouplement direct à des arbres de sortie ou à un réducteur. C’est tout le compromis en une phrase : le kit est plus léger et mécaniquement plus libre que tout ce qui est caréné, et en échange l’agencement des roulements, le carter et le chemin de charge radiale font partie de la conception de la machine. Les RI à rotor interne publient l’alésage autour duquel cet agencement est construit - 22 mm sur le RI50 KV100, 30 mm sur le RI60 KV120, 40.5 mm sur le RI80 V2.0 KV75 et 45 mm sur le RI100 KV105 - qui est l’espace disponible pour un axe traversant ou un passage de câbles, et non une spécification de roulement.

Le jeu appartient à l’axe de direction, pas à l’axe d’entraînement

Une roue qui entraîne sans diriger n’a aucun usage d’une valeur de jeu dans la chaîne d’entraînement, parce que la roue appuie sur le sol et que le sol n’est pas compliant dans la direction du déplacement. Il en va autrement sur un module swerve ou de direction, où une unité à réducteur tient l’angle de la roue : là, le jeu apparaît comme un flottement de cap avant que la roue ne réponde, et il vaut la peine d’être lu comme une spécification. Sur les roues seulement motrices qui constituent l’essentiel de cette application, les deux valeurs qui comptent sont le couple de sortie et la charge radiale nominale, et l’AKA10-9 KV60 publie 0.15° de jeu à côté d’elles pour les modules qui dirigent réellement.

Lire le couple, la vitesse et le courant de roue à partir des données publiées

Chaque valeur du tableau qui suit est la valeur que le fabricant publie pour ce modèle, et les lectures de cette section sont de l’arithmétique effectuée sur ces valeurs, avec le diamètre de roue indiqué à chaque fois. Le but est de montrer laquelle des colonnes publiées décide réellement d’un entraînement de roue, parce que deux d’entre elles comptent en fin de compte bien moins que leur place sur la fiche de spécifications ne le suggère.

Du couple au rotor à la poussée à la zone de contact

Le couple devient de la poussée par division par le rayon de la roue. Une valeur nominale de 0.58 N·m - le RI50 KV100 - entraînant une roue de 125 mm de 0.0625 m de rayon produit 9.3 N de poussée à la zone de contact, et quatre roues de ce type produisent 37 N au total. La même arithmétique appliquée à une roue de 200 mm de 0.1 m de rayon transforme ces 0.58 N·m en 5.8 N par roue, une baisse de 37 pour cent pour le même moteur, parce qu’une roue plus grande est un levier plus long contre le moteur. Tout le calcul repose sur deux colonnes publiées, le couple nominal et un diamètre de roue indiqué, et rien d’autre.

De la vitesse publiée à la vitesse au sol

La vitesse au sol découle de la même roue par la circonférence : la vitesse en mètres par seconde égale la circonférence de la roue en mètres multipliée par les tours par seconde, soit pi fois le diamètre fois les rpm divisé par soixante. À un diamètre de 125 mm, une croisière de 2 m/s demande 306 rpm à la roue ; à 200 mm, la même croisière demande 191 rpm. Ces deux nombres sont la référence à laquelle les colonnes de vitesse publiées doivent être comparées, et les lire ainsi produit l’observation la plus utile de cette application. Les unités à entraînement direct publient des vitesses nominales entre 2000 rpm et 4200 rpm à leurs niveaux de bus publiés, soit entre six et quatorze fois les 306 rpm qu’une croisière de 2 m/s exige réellement sur une roue de 125 mm. L’AKA60-6 KV80 à réducteur publie 400 rpm sous 48 V, soit 1.3 fois l’exigence, et l’AKA10-9 KV60 publie 109 rpm, ce qui est en dessous, de sorte qu’à un diamètre de roue de 125 mm la vitesse nominale de ce module plafonne la vitesse au sol à environ 0.71 m/s et n’atteint 1.14 m/s que si la roue passe à 200 mm.

Le courant nominal est la valeur qui décide du service

Le courant est ce qui chauffe le bobinage, et le bobinage est la surface par laquelle la chaleur doit s’évacuer. Sur un robot à roues, les moteurs sont proches du sol, souvent à l’intérieur d’une roue ou d’un carter qu’un concepteur de machine a construit pour la rigidité plutôt que pour la circulation d’air, de sorte que le chemin thermique est généralement moins bon que sur une articulation à l’air libre. Le courant nominal mérite donc d’être lu comme une limite de service plutôt que comme un détail électrique : la RO100 KV55 Standard publie 20 A contre 2.85 A pour la RO40 KV140 Lite, un facteur sept qui dit quelle quantité de chaleur chaque bobinage est censé évacuer et sur quelle durée.

Une triple colonne de tension dans une même fiche

Quatre des onze - tout le groupe RI à rotor interne - publient leurs valeurs de vitesse et de courant sous 24 V, 36 V et 48 V dans la même fiche, sur le même bobinage. Ce n’est pas une commodité marketing ; c’est une seule spécification mécanique avec trois points de fonctionnement électriques, et pour des moteurs BLDC destinés au service d’un robot à roues, c’est ce qui permet de concevoir une plateforme autour du pack qui existe déjà plutôt qu’autour d’une tension choisie pour convenir au moteur. Le tableau ci-dessous présente ces trois colonnes côte à côte.

Tension nominale, vitesse à vide à chaque niveau de bus publié, vitesse nominale à chaque niveau de bus publié et couple nominal, tels que publiés par le fabricant pour les quatre modèles à rotor interne actuellement regroupés dans l’application Robot à roues. La vitesse nominale est la valeur côté sortie au couple nominal ; la vitesse à vide est le plafond à ce niveau de bus. Dans chaque fiche, les trois colonnes partagent un même couple nominal, un même couple de crête et un même courant nominal, ce qui en fait trois points de fonctionnement électriques sur une seule spécification mécanique. Les colonnes de vitesse à vide évoluent exactement avec le niveau de bus, la valeur à 36 V étant 1.5 fois celle à 24 V et la valeur à 48 V le double sur chaque ligne ; les colonnes de vitesse nominale augmentent un peu plus vite, d’un facteur compris entre 1.53 et 1.71 à 36 V et entre 2.06 et 2.39 à 48 V, les quatre rapports étant obtenus en divisant chaque colonne publiée par la colonne 24 V de la même ligne et du même modèle. La vitesse de roue et la vitesse au sol ne sont pas tabulées : transformer une valeur publiée en rpm en vitesse au sol exige un diamètre de roue indiqué, et ce calcul figure dans le texte plutôt que dans le tableau.

Lisez vers le bas, par paires, et le compromis est exact. Passer le bus de 24 V à 48 V double exactement la vitesse à vide et augmente la vitesse nominale d’un facteur compris entre 2.06 et 2.39, tout en laissant intacts le couple nominal, le couple de crête et le courant nominal, parce que le couple est fixé par le courant du bobinage et que le bobinage transporte le même courant pour le même couple à l’un ou l’autre niveau de bus. Ce que le bus plus élevé ajoute, c’est la marge pour atteindre la partie haute de la colonne de vitesse, là où la force contre-électromotrice limiterait sinon le courant que le variateur peut fournir. Ce qu’il n’ajoute pas, c’est du couple continu, et le couple continu est ce qu’un robot à roues utilise toute sa vie.

Moteurs BLDC pour robot à roues : matrice de comparaison des spécifications

Les onze modèles actuellement regroupés dans l’application Robot à roues sont présentés ci-dessous comme un seul jeu de spécifications, classés par couple nominal publié afin que le saut de la plus petite unité de roue à celle qui porte la charge soit visible dans la colonne elle-même. Chaque valeur est la valeur que le fabricant publie pour ce modèle et que cette plateforme conserve dans sa fiche produit. La tension nominale est indiquée telle que publiée, de sorte qu’une fiche à triple tension apparaît avec ses trois niveaux.

Tension nominale, couple nominal, couple de crête, courant nominal, vitesse nominale, masse et encombrement tels que publiés par le fabricant, pour les modèles actuellement regroupés dans l’application Robot à roues, classés par couple nominal. Le couple nominal est la valeur continue dans les limites thermiques du bobinage ; le couple de crête est une valeur de courte fenêtre, et la fenêtre, l’hypothèse d’ambiance et la condition de montage derrière l’une ou l’autre valeur de couple relèvent de la documentation du fabricant plutôt que de la fiche. Une seule valeur de tension signifie un modèle à bus unique ; une valeur double ou triple signifie que le modèle est publié à chacun de ces niveaux de bus, avec les valeurs de vitesse correspondantes publiées séparément pour chacun, dans l’ordre croissant de la colonne de tension. La vitesse nominale est la valeur côté sortie au couple nominal, de sorte que sur les deux modules à réducteur la valeur est déjà divisée par le rapport de réduction. L’encombrement est donné comme diamètre extérieur par longueur de corps et exclut le débordement de l’arbre, du câble et du connecteur ; sur les kits sans carter, c’est l’ensemble stator et rotor, et sur les modules à réducteur, c’est l’unité complète avec son propre agencement de roulements. Aucune colonne de rapport de réduction n’apparaît : neuf des onze fiches ne comportent aucun étage de réduction, et les rapports des deux qui en ont un sont exposés dans le texte.

Deux constats ressortent une fois les onze sur une même page. Le premier est que la colonne du couple et celle de la masse ne sont pas parallèles. La RO100 KV55 Standard publie 4 N·m au nominal pour 710 g, tandis que l’AKA60-6 KV80 publie 3 N·m au nominal pour 460 g, et l’AKA10-9 KV60 atteint 18 N·m pour 1.06 kg. Les modules à réducteur font avec un étage ce que les unités à entraînement direct font avec du cuivre et des aimants, et le prix en est la colonne de vitesse, qui tombe de quatre chiffres sur les unités à entraînement direct à 400 rpm puis 109 rpm.

Le second est que le courant nominal ne suit pas davantage le couple nominal. L’AKA10-9 KV60 tient 18 N·m pour 10.6 A, parce que l’étage de réduction convertit le couple moteur en couple de sortie sans augmenter proportionnellement le courant moteur, tandis que la RO100 KV55 Standard a besoin de 20 A pour 4 N·m. Lu comme une limite de service, cet écart vaut plus pour une plateforme alimentée par batterie que les seules valeurs de couple ne le suggèrent : une roue à réducteur convertit le courant du pack en couple de roue plus efficacement, au prix d’une valeur de jeu et d’un plafond de vitesse à vérifier face à la vitesse de croisière visée.

Lire les onze modèles par architecture d’entraînement

Le tableau trie par couple, ce qui est le bon ordre pour une décision de sélection et le mauvais pour comprendre ce que contient le groupe. Lu par construction, les onze se répartissent en quatre blocs : deux kits à rotor externe 24 V, trois kits à rotor externe 48 V, quatre à rotor interne, et les deux modules à réducteur.

La paire Lite 24 V : RO40 KV140 et RO50 KV108

Les deux Lite à rotor externe sont les unités les plus petites et les plus légères du groupe et les seules données pour un bus 24 V unique. La RO40 KV140 Lite publie 0.2 N·m au nominal et 0.6 N·m en crête pour 60 g dans un encombrement de Ø46.3 × 13 mm, et la RO50 KV108 Lite publie 0.3 N·m au nominal et 0.9 N·m en crête pour 105 g à Ø61.7 × 14.5 mm. Toutes deux sont fournies sans capteurs Hall dans le cadre de la spécification Lite, et toutes deux portent un alésage destiné au cheminement des câbles plutôt qu’à un arbre porteur. Une roue construite autour de l’une ou de l’autre ferme sa boucle d’asservissement sur un encoder fourni par la machine plutôt que sur une mesure à l’intérieur du moteur, ce qui est la conséquence mécanique de la spécification Lite plutôt qu’une limite du bobinage.

Le trio Standard 48 V : RO60 KV115, RO80 KV105 et RO100 KV55

Les trois Standard à rotor externe passent à un bus 48 V unique et ajoutent une détection Hall et de température dans le cadre de la spécification. La RO60 KV115 Standard publie 0.8 N·m au nominal et 2.4 N·m en crête pour 248 g, la RO80 KV105 Standard 1.3 N·m au nominal et 4 N·m en crête pour 352 g, et la RO100 KV55 Standard 4 N·m au nominal et 12 N·m en crête pour 710 g à Ø113.5 mm. En descendant le trio, la masse augmente de 2.9 fois tandis que le couple nominal augmente de 5 fois, de sorte que les unités plus grandes ne sont pas de simples versions mises à l’échelle des plus petites. La RO100 KV55 Standard publie aussi le courant nominal le plus élevé du groupe, à 20 A, ce qui est la valeur qui compte une fois quatre roues entraînées depuis un seul pack.

Les quatre à rotor interne : RI50 KV100, RI60 KV120, RI80 V2.0 KV75 et RI100 KV105

Le groupe RI est construit dans l’autre sens : les aimants sont à l’intérieur et le bobinage les entoure, de sorte que le rotor est l’élément intérieur et que l’ensemble comporte un alésage traversant plutôt qu’un arbre creux. Cet alésage est publié sur les quatre fiches et constitue l’encombrement de conception pour un axe traversant ou un passage de câbles - 22 mm sur le RI50 KV100, 30 mm sur le RI60 KV120, 40.5 mm sur le RI80 V2.0 KV75 et 45 mm sur le RI100 KV105. Les quatre sont publiés sous 24 V, 36 V et 48 V, et les quatre sont donnés entre 0.57 N·m et 1.76 N·m, ce qui les place dans la même bande de couple que les RO60 et RO80 à rotor externe tout en offrant une interface mécanique différente et une plage de bus plus large.

Les deux actionneurs de roue à réducteur : AKA60-6 KV80 et AKA10-9 KV60

Dans ce groupe, les deux modules AKA sont ceux dont les fiches publiées nomment des robots à roues dans leur ligne d’application. Les deux fiches listent AGV et robot à roues comme application déclarée, tandis que le trio RO Standard nomme un bras robotique collaboratif, les quatre à rotor interne nomment un bras robotique collaboratif ou un exosquelette, et la paire Lite ne publie aucune ligne d’application. L’AKA60-6 KV80 offre un étage 6:1, 3 N·m au nominal et 9 N·m en crête, 4 A de courant nominal, 460 g et une charge radiale nominale de 18 kg, le fabricant indiquant que le chemin de charge renforcé augmente la capacité radiale d’environ 52 pour cent par rapport à l’AK60-6 à couple similaire. L’AKA10-9 KV60 offre 9:1, 18 N·m au nominal et 53 N·m en crête, 10.6 A de courant nominal, 1.06 kg, 50 kg de charge radiale, 0.15° de jeu et un encoder magnétique 16 bits en sortie. La fiche 9:1 est aussi celle dont la vitesse nominale, 109 rpm, doit être vérifiée face à la vitesse de croisière visée avant que quoi que ce soit d’autre ne soit examiné à son sujet.

Rotor externe ou rotor interne à couple égal

Lorsque deux unités du groupe publient un couple comparable, le choix entre elles est mécanique plutôt qu’électrique. La RO80 KV105 Standard et la RI80 V2.0 KV75 publient respectivement 4 N·m et 4.1 N·m de couple de crête, pour 352 g et 411 g, à Ø92.6 × 26.4 mm et Ø85 × 27 mm. Le rotor externe est plus léger et légèrement plus large ; le rotor interne est plus étroit en diamètre, plus lourd de 59 g, et offre un alésage traversant de 40.5 mm ainsi qu’un bus 24/36/48 V au lieu d’une tension 48 V unique. Aucune des deux différences n’est une différence de performance, et toutes deux se tranchent selon ce que la structure de roue peut accepter : un rotor externe a besoin de dégagement radial autour de son élément extérieur tournant, un rotor interne a besoin d’un espace d’alésage et d’un arbre qui le traverse. Le traitement plus large de la famille sans carter dans son ensemble est exposé dans Moteurs couple frameless : 12 modèles comparés, de l’entrée de gamme au haut de gamme.

Montage, roulements et chemin de charge radiale

C’est la partie d’une conception de robot à roues qu’aucune spécification de moteur ne tranche, et c’est la raison pour laquelle la voie à entraînement direct coûte du temps d’ingénierie plutôt que de l’argent. C’est aussi là que toute présélection de candidats moteurs BLDC pour robot à roues se sépare finalement, parce que sur cette question les valeurs publiées bornent le problème au lieu d’y répondre. Les valeurs le bornent toutefois utilement : partout où une fiche porte une charge radiale nominale, cette charge est portée à l’intérieur de l’unité, et partout où elle ne le fait pas, la charge est portée par la machine.

Ce qui porte le poids du robot

Sur les deux modules à réducteur, la réponse est énoncée. L’AKA60-6 KV80 est donné pour 18 kg de charge radiale et l’AKA10-9 KV60 pour 50 kg, et le fabricant décrit le plus grand comme une refonte structurelle conçue pour encaisser les impacts latéraux et radiaux dans les plateformes à roues. Ces deux valeurs sont la réponse publiée à la question que pose tout robot à roues, et c’est face à elles qu’est dimensionné l’agencement de roulements à l’intérieur du module. Sur les neuf kits sans carter, aucune valeur équivalente n’apparaît, parce qu’il n’y a pas d’agencement de roulements à dimensionner : les notes du fabricant pour la famille décrivent les kits comme des composants stator et rotor séparés, fournis pour que la structure de support, la bride et l’agencement des roulements puissent être conçus autour de la machine.

L’alésage est une décision de cheminement

Les valeurs d’alésage publiées valent la peine d’être lues comme des contraintes de conception plutôt que comme des caractéristiques. Un alésage traversant de 45 mm sur le RI100 KV105 suffit pour qu’un faisceau de câbles ou un axe fixe passe par le centre de la roue, ce qui permet de construire un entraînement de roue sans connexion de câbles tournante. Un alésage de 22 mm sur le RI50 KV100 suffit pour un passage de câbles mais pas pour un axe structurel à la même échelle. Les RO à rotor externe publient leur alésage comme une conception creuse destinée au même usage, et les RO40 et RO50 le portent dans une longueur de corps de 13 mm et 14.5 mm respectivement, ce qui est l’espace disponible dans les plus petites roues du groupe.

Ce que la documentation publiée tranche, et ce qu’elle ne tranche pas

Ce qui est publié, pour chaque modèle de ce groupe, c’est la spécification électrique et mécanique : couple nominal et de crête, courant nominal, vitesse nominale à chaque niveau de bus, masse, encombrement, et le cas échéant l’alésage, le rapport de réduction, le jeu et la charge radiale nominale. Ce qui n’est pas publié dans la fiche produit, c’est la fenêtre de service derrière le couple de crête, les hypothèses d’ambiance et de montage derrière les valeurs thermiques, la durée de vie des roulements derrière une charge radiale nominale, et l’agencement d’étanchéité en milieu humide ou poussiéreux. Ces quatre points relèvent de la fiche technique et du plan du fabricant, et sur une plateforme à roues qui fonctionne à l’extérieur, ils valent la peine d’être résolus avant que la spécification ne soit figée plutôt qu’après.

Choisir un moteur BLDC pour robot à roues : une séquence de dimensionnement

L’ordre ci-dessous est l’ordre dans lequel les valeurs de cette application doivent être résolues, parce que chaque étape élimine des candidats que l’étape suivante ne peut pas rétablir.

1. Fixer le diamètre de roue et la vitesse de croisière. Ces deux nombres produisent les rpm de roue dont le service a besoin - à 125 mm, 306 rpm pour 2 m/s - et cette seule valeur sépare immédiatement les candidats à entraînement direct, qui ont de la vitesse en réserve, des candidats à réducteur, dont la vitesse nominale peut être la contrainte déterminante.
2. Fixer le service continu et la bordure la plus sévère. Le couple continu face à la rampe et à la croisière en charge décide quelle colonne de couple nominal est acceptable ; la bordure décide de la quantité de couple de crête qui doit être disponible, et pendant combien de temps, face à la fenêtre de crête déclarée par le fabricant.
3. Fixer le bus et le budget de courant. Le bus découle du pack qui existe déjà, et les quatre fiches à rotor interne publient trois niveaux de bus sur un même bobinage précisément pour cette raison. Le budget de courant est la somme des courants nominaux sur toutes les roues entraînées, et c’est la valeur qui décide du pack, du câblage et de l’électronique de commande.

Ce n’est qu’après ces trois étapes que la question de l’architecture se tranche, et elle se tranche face à la charge radiale plutôt que face au couple : là où la roue doit porter la machine par son propre étage de sortie, les deux modules à réducteur sont le groupe qui publie une valeur pour cela ; là où la machine portera la roue par un moyeu que l’équipe de conception maîtrise, les neuf kits sans carter sont le groupe qui laisse la place de le faire. Le module intégré en tant que catégorie est traité plus en profondeur dans Actionneurs robotisés : choisir un actionneur intégré pour les articulations.

Où sont utilisés les moteurs d’entraînement de roue

Les pages d’application de cette plateforme regroupent les machines par ce qu’elles font plutôt que par ce qu’elles contiennent, et le service de robot à roues apparaît sous plusieurs d’entre elles. Les distinctions ci-dessous portent sur l’architecture d’entraînement, pas sur la taille.

AMR à entraînement différentiel et robots de service intérieurs

Une base différentielle à deux roues avec roulettes est le robot à roues le plus simple, et c’est celui où les kits à entraînement direct constituent le plus souvent la réponse, parce que la roue est petite, le service se fait sur sol lisse et la charge radiale est légère. La paire Lite 24 V se situe au bas de cette plage et le trio Standard 48 V au-dessus. L’application AGV couvre la même architecture d’entraînement là où le service est industriel et continu.

Plateformes à roues extérieures et de terrain

Les plateformes extérieures ajoutent des bordures, des pentes, de la poussière et des vibrations, et cela change la spécification dans deux directions à la fois : le couple continu augmente avec la charge utile et la pente, et le chemin de charge radiale compte davantage parce que les impacts sont plus grands. C’est là qu’une charge radiale nominale publiée vaut plus qu’une valeur de couple, et que les modules à réducteur et les plus grandes unités à entraînement direct forment la présélection naturelle.

Bases à entraînement swerve et omnidirectionnelles

Un module swerve sépare les deux fonctions que remplit une roue : un moteur entraîne la roue et un autre la dirige. La direction ramène le jeu dans la spécification, parce qu’il apparaît comme un flottement de cap, et elle divise aussi le service, de sorte que le moteur d’entraînement et le moteur de direction peuvent être spécifiés séparément plutôt qu’une unité unique étant surdimensionnée pour les deux.

Machines à roues et à pattes et machines hybrides

Les machines hybrides qui roulent sur des roues et enjambent les obstacles placent l’entraînement de roue et l’articulation de jambe dans le même véhicule, et le service de roue y est inhabituel : de longues périodes à faible couple pendant le roulage, ponctuées de transitoires de charge lorsque la machine enjambe. Cela favorise une unité présentant un large écart entre couple nominal et couple de crête plutôt qu’une unité optimisée pour l’un ou l’autre extrême, et le versant roulant de ce service fait l’objet de cette page tandis que le versant à pattes est traité dans Choisir un moteur BLDC pour robot quadrupède : couple, vitesse et limites thermiques et dans l’application Robot quadrupède.

Questions fréquentes

Ressources officielles

CubeMars publie une page produit officielle pour chaque unité, avec sa fiche de spécifications, son plan et sa documentation de commande, et ces pages restent la source de vérité pour chaque valeur citée ici - par exemple la page produit RI50 KV100, la page produit RO100 KV55 Standard et la page produit AKA10-9 KV60. Les valeurs de couple, de courant, de vitesse, de masse, d’encombrement, d’alésage, de rapport de réduction, de jeu et de charge radiale des tableaux ci-dessus sont celles que publient ces pages, et une fenêtre de service, une hypothèse thermique ou une durée de vie de roulements dont dépend une conception de roue est une question pour le fabricant plutôt qu’une valeur déductible de la fiche de spécifications.

Pour aller plus loin

Pour présélectionner plutôt que pour lire, trois outils de la plateforme font le travail en séquence. Explorer toute la catégorie Moteurs couple frameless pour voir les neuf kits à entraînement direct et leurs spécifications côte à côte, utiliser Sélection pour filtrer par couple, tension et masse, puis placer les candidats les uns face aux autres dans Comparaison. Là où la roue doit porter la machine par son propre étage de sortie, la catégorie Actionneurs robotisés contient les modules à réducteur et le reste de la famille intégrée.

Deux autres articles portent les parties de ce sujet qu’un entraînement de roue ne tranche pas. Moteurs couple frameless : 12 modèles comparés, de l’entrée de gamme au haut de gamme présente toute la famille sans carter par paliers et constitue le bon compagnon lorsque l’architecture d’entraînement est arrêtée mais pas la taille. Choisir un moteur BLDC pour robot quadrupède : couple, vitesse et limites thermiques couvre le versant à pattes du même service pour les machines qui roulent et enjambent.

En version courte : fixer d’abord le diamètre de roue et la vitesse de croisière, parce qu’ils transforment une vitesse moteur en vitesse au sol et révèlent si la voie à réducteur a la vitesse nécessaire pour l’atteindre ; fixer ensuite le service continu et la bordure la plus sévère, parce que le couple nominal et le couple de crête répondent à des événements différents ; fixer enfin le bus et le budget de courant, parce que le bus suit le pack et que le budget de courant est une somme sur chaque roue entraînée. Décider alors l’architecture face à la charge radiale, qui est la valeur que les kits à entraînement direct laissent à la machine et que les modules à réducteur publient comme une caractéristique.