Motori BLDC per Robot a ruote: azionamento, impiego e riduzione

Un robot a ruote non ha bisogno di un riduttore per ottenere coppia al pneumatico: ha bisogno di una struttura in grado di sostenere il robot. Ogni unità a trasmissione diretta attualmente raggruppata nell'applicazione Robot a ruote viene fornita come statore e rotore nudi, senza involucro e senza cuscinetti propri, quindi il peso della macchina che arriva al mozzo come carico radiale deve essere sostenuto da qualcosa che fornisce chi costruisce. I due moduli con riduttore dello stesso gruppo pubblicano invece un valore di carico radiale nominale — 18 kg sull'AKA60-6 KV80 e 50 kg sull'AKA10-9 KV60 — e il loro produttore descrive entrambi come costruiti per robot a ruote e AGV, con il maggiore specificato per resistere agli urti laterali e radiali nelle piattaforme a ruote. Questa divisione, tra un motore nudo il cui percorso del carico è la macchina e un'unità con riduttore il cui percorso del carico è il proprio stadio di uscita, organizza tutto ciò che segue: la coppia al punto di contatto, la velocità alla quale gira davvero la ruota, la corrente che quattro ruote assorbono da un unico pacco batteria e il numero di parti che devono essere progettate e pagate.

Risposta rapida

Undici motori BLDC per impiego su robot a ruote sono attualmente raggruppati in questa applicazione e si dividono in due architetture, non in una buona e una cattiva. Nove sono kit frameless a trasmissione diretta — cinque unità outrunner RO da 60 g a 710 g e quattro unità inrunner RI da 155.9 g a 500 g — che mettono la loro coppia direttamente sulla ruota senza stadi intermedi, senza gioco e senza perdite di riduzione, e che lasciano interamente al progetto della macchina i cuscinetti del mozzo, l'asse e il percorso del carico radiale. Due sono moduli integrati con riduttore, l'AKA60-6 KV80 a 6:1 e l'AKA10-9 KV60 a 9:1, che barattano uno stadio di riduzione e un piccolo valore di gioco con una coppia pubblicata in uscita e un valore di carico radiale nominale pubblicato. Su tutti e undici, la coppia nominale va da 0.2 N·m a 18 N·m, la coppia di picco raggiunge 53 N·m e la massa va da 60 g a 1.06 kg, tutti valori pubblicati dal produttore.

Ne derivano tre conseguenze, ed è per questo che la scelta non si fa sul KV. Primo, su una ruota a trasmissione diretta il motore gira molto al di sotto della sua velocità nominale nella crociera normale, quindi non è il tetto di velocità elettrica a decidere la scelta; lo è la coppia continua contro il gradino peggiore dell'impiego. Secondo, su una ruota con riduttore vale l'opposto: è la velocità di uscita il valore che può diventare il vincolo determinante, perché la riduzione che compra coppia divide anche la velocità. Terzo, il carico radiale che una ruota applica è un carico che i kit a trasmissione diretta non portano da sé, quindi la decisione si divide tra il motore e la struttura del mozzo anziché essere risolta dal solo motore. Le sezioni seguenti esaminano ciascuno di questi punti a turno, poi dispongono gli undici in un'unica tabella di specifiche e la leggono per disposizione dell'azionamento.

Che cosa chiede a un motore BLDC un robot a ruote

Un robot mobile a ruote è una macchina a servizio continuo con un carico intermittente. La distinzione conta perché i due valori più spesso citati su un pannello di specifiche — coppia di picco e velocità a vuoto — sono i due che un azionamento di ruota usa meno per tutta la sua vita. Un giunto di gamba sprigiona la sua coppia di picco per una frazione di secondo al contatto col suolo; un azionamento di ruota chiede qualcosa di vicino alla propria capacità continua ogni volta che la piattaforma sale una rampa a pieno carico, e lo fa mentre il motore sta dentro una ruota che non può essere ventilata come può esserlo un giunto su un telaio aperto.

La ruota è il percorso del carico: il carico radiale arriva al mozzo

Su un giunto, l'uscita del motore è una coppia e la reazione è presa dalla struttura che lo circonda. Su una ruota, la stessa coppia arriva insieme a qualcosa che un giunto non vede mai: il peso della macchina, trasferito attraverso il punto di contatto e l'asse come carico radiale su ciò che sostiene la ruota. Un kit frameless non ha cuscinetti, quindi sulla via a trasmissione diretta quel carico raggiunge un mozzo che ha progettato chi costruisce, e le note di prodotto del produttore stesso ribadiscono lo stesso punto sulla famiglia: questi componenti sono forniti come rotore e statore separati, ed è ciò che consente di adattare alla macchina la struttura di supporto, le flange e la disposizione dei cuscinetti. La via con riduttore pubblica invece il numero. L'AKA60-6 KV80 è nominale per 18 kg di carico radiale e l'AKA10-9 KV60 per 50 kg, quest'ultimo descritto come una riprogettazione strutturale che aumenta la capacità di carico radiale di circa il 120 per cento rispetto all'AK10-9 a parità di coppia, e come ottimizzato per gli urti laterali e radiali che genera una piattaforma a ruote.

Prima il servizio continuo, la coppia di picco per ultima

La coppia nominale è il valore che può essere mantenuto entro i limiti termici dell'avvolgimento e, su un robot a ruote, è il numero operativo. La coppia di picco è una riserva a finestra breve, e la finestra stessa, insieme alle ipotesi di temperatura ambiente e di montaggio che ne stanno dietro, appartiene alla documentazione del produttore più che al record di prodotto. Leggere gli undici sulla sola coppia nominale dà un intervallo da 0.2 N·m sull'RO40 KV140 Lite a 18 N·m sull'AKA10-9 KV60, un fattore novanta, il che ricorda che questa applicazione copre tutto, da una ruota da 60 g delle dimensioni di un monopattino a una piattaforma industriale con 50 kg di carico radiale.

Cordoli, rampe e inversioni

Un cordolo è un evento di coppia e una rampa è un evento di servizio, e non vanno dimensionati con lo stesso numero. Salire una rampa aggiunge un termine di gravità che resta sul motore per tutto il tempo della salita, il che è un problema di servizio continuo e va confrontato con la coppia nominale. Un cordolo si presenta come un ostacolo breve ed è più vicino a un evento di picco, delimitato da quanto a lungo la ruota resta bloccata contro di esso. Le inversioni contano per un motivo diverso: su una base a azionamento differenziale una curva si produce pilotando i due lati uno contro l'altro, quindi i motori passano parte della manovra ad assorbire energia anziché a erogarla, e quell'energia restituita deve finire da qualche parte nell'elettronica di azionamento.

Quattro ruote assorbono da un unico pacco batteria

Il budget di corrente è una somma, non un singolo valore. Quattro ruote identiche a 4 A di corrente nominale ciascuna assorbono 16 A in continuo, prima di qualsiasi margine per il picco di corrente che la piattaforma assorbe all'avvio o quando una ruota perde aderenza, e l'AKA60-6 KV80 pubblica esattamente 4 A nominali mentre la più grande unità a trasmissione diretta del gruppo, l'RO100 KV55, ne pubblica 20 A. Selezionare sulla sola coppia e scoprire l'aritmetica dopo è il modo abituale in cui un pacco batteria finisce sottodimensionato.

Attuatore di ruota frameless a trasmissione diretta o con riduttore

La domanda sull'architettura precede quella sulle specifiche, perché decide quali numeri significhino qualcosa per un motore di azionamento di ruota. Una ruota a trasmissione diretta è un motore il cui rotore gira alla velocità della ruota. Una ruota con riduttore è un motore il cui rotore gira alla velocità della ruota moltiplicata per il rapporto di riduzione, con uno stadio di ingranaggi in mezzo. Entrambe sono in questa applicazione, e gli undici si dividono nove contro due a favore della trasmissione diretta.

Trasmissione diretta: la velocità della ruota è uguale alla velocità del motore

Nove degli undici — i cinque outrunner RO e i quattro inrunner RI — sono kit frameless. Su una ruota a trasmissione diretta la velocità di uscita è la velocità del motore, quindi i valori di velocità pubblicati possono essere letti rispetto alla velocità di avanzamento senza alcun termine di riduzione, e non c'è alcuno stadio di ingranaggi che contribuisca al gioco, nessuna efficienza di riduzione da perdere e nessuna inerzia rotante aggiuntiva tra il rotore e il pneumatico. Di contro, la coppia disponibile al punto di contatto è esattamente la coppia che il motore può produrre, e il motore deve poter sostenere in continuo l'intero impiego della ruota. La più grande unità a trasmissione diretta qui, l'RO100 KV55 Standard, pubblica 4 N·m nominali e 12 N·m di picco a 710 g.

Con riduttore: coppia al pneumatico e uno stadio di cui tenere conto

I due moduli AKA sono l'opzione con riduttore e le uniche unità del gruppo con un rapporto di riduzione pubblicato, un valore di gioco pubblicato e un valore di carico radiale nominale pubblicato. L'AKA60-6 KV80 pubblica uno stadio 6:1, 3 N·m nominali e 9 N·m di picco in uscita, 460 g e 18 kg di carico radiale. L'AKA10-9 KV60 pubblica uno stadio 9:1, 18 N·m nominali e 53 N·m di picco, 1.06 kg, 0.15° di gioco e 50 kg di carico radiale, con un singolo encoder magnetico a 16 bit sull'uscita. Ciò che lo stadio compra è coppia al pneumatico da un motore più leggero; ciò che costa è una divisione della velocità, un valore di gioco e l'obbligo di leggere ogni valore di velocità sul lato uscita del riduttore anziché sul lato motore.

Che cosa non comprende un kit frameless

Un kit frameless è uno statore e un rotore. Non ha involucro, né cuscinetti, né albero, né encoder, a meno che non ne sia specificato uno, e le note del produttore per la famiglia RO aggiungono che l'albero cavo è destinato all'instradamento dei cavi e all'accoppiamento diretto ad alberi di uscita o a un riduttore. Questo è lo scambio in una frase: il kit è più leggero e meccanicamente più libero di qualsiasi cosa incapsulata, e in cambio la disposizione dei cuscinetti, l'involucro e il percorso del carico radiale diventano parte del progetto della macchina. Gli inrunner RI pubblicano l'alesatura attorno a cui quella disposizione è costruita — 22 mm sull'RI50 KV100, 30 mm sull'RI60 KV120, 40.5 mm sull'RI80 V2.0 KV75 e 45 mm sull'RI100 KV105 — che è lo spazio disponibile per un asse passante o per una guida di cavi, non una specifica di cuscinetto.

Il gioco appartiene all'asse di sterzo, non all'asse di azionamento

Una ruota che aziona e non sterza non ha alcun uso per un valore di gioco nel percorso di azionamento, perché la ruota poggia sul terreno e il terreno non è cedevole nella direzione di marcia. È un discorso diverso su un modulo swerve o di sterzo, dove un'unità con riduttore mantiene l'angolo della ruota: lì il gioco si manifesta come un allentamento nella direzione prima che il pneumatico risponda, e vale la pena leggerlo come specifica. Sulle ruote solo motrici che costituiscono la maggior parte di questa applicazione i due valori che contano sono la coppia di uscita e il valore di carico radiale, e l'AKA10-9 KV60 pubblica 0.15° di gioco accanto a essi per i moduli che effettivamente sterzano.

Leggere coppia, velocità e corrente della ruota dai dati pubblicati

Ogni valore nella tabella che segue è il valore che il produttore pubblica per quel modello, e le letture di questa sezione sono aritmetica eseguita su quei valori con il diametro della ruota dichiarato ogni volta. Lo scopo è mostrare quale delle colonne pubblicate decida davvero un azionamento di ruota, perché due di esse si rivelano contare molto meno di quanto suggerisca la loro evidenza sul pannello di specifiche.

Dalla coppia al rotore alla spinta al punto di contatto

La coppia diventa spinta dividendola per il raggio della ruota. Un valore nominale di 0.58 N·m — l'RI50 KV100 — che aziona una ruota da 125 mm di raggio 0.0625 m produce 9.3 N di spinta al punto di contatto, e quattro ruote così producono 37 N complessivamente. La stessa aritmetica applicata a una ruota da 200 mm di raggio 0.1 m trasforma quello 0.58 N·m in 5.8 N per ruota, una caduta del 37 per cento per lo stesso motore, perché una ruota più grande è una leva più lunga contro il motore. L'intero calcolo poggia su due colonne pubblicate, la coppia nominale e un diametro di ruota dichiarato, e su nulla d'altro.

Dalla velocità pubblicata alla velocità di avanzamento

La velocità di avanzamento deriva dalla stessa ruota tramite la circonferenza: la velocità in metri al secondo è uguale alla circonferenza della ruota in metri moltiplicata per i giri al secondo, ovvero pi greco per il diametro per gli rpm diviso sessanta. A un diametro di 125 mm, una crociera di 2 m/s richiede 306 rpm alla ruota; a 200 mm la stessa crociera ne richiede 191. Questi due numeri sono il riferimento rispetto al quale vanno lette le colonne di velocità pubblicate, e leggerle così produce l'osservazione più utile di questa applicazione. Le unità a trasmissione diretta pubblicano velocità nominali tra 2000 rpm e 4200 rpm ai loro livelli di bus pubblicati, cioè tra sei e quattordici volte i 306 rpm che una crociera di 2 m/s richiede davvero su una ruota da 125 mm. L'AKA60-6 KV80 con riduttore pubblica 400 rpm a 48 V, ovvero 1.3 volte il requisito, e l'AKA10-9 KV60 pubblica 109 rpm, che è al di sotto, quindi a un diametro di ruota di 125 mm la velocità nominale di quel modulo limita la velocità di avanzamento a circa 0.71 m/s e raggiunge 1.14 m/s solo se la ruota cresce a 200 mm.

La corrente nominale è il numero che decide l'impiego

È la corrente che scalda l'avvolgimento, e l'avvolgimento è la superficie attraverso cui il calore deve uscire. Su un robot a ruote i motori stanno vicini al suolo, spesso dentro una ruota o un involucro che un progettista di macchine ha costruito per la rigidità anziché per il flusso d'aria, quindi il percorso termico è di solito peggiore che su un giunto all'aria aperta. La corrente nominale merita quindi di essere letta come un limite di impiego anziché come un dettaglio elettrico: l'RO100 KV55 Standard pubblica 20 A contro i 2.85 A dell'RO40 KV140 Lite, un fattore sette che è un'affermazione su quanto calore ci si aspetta che ogni avvolgimento dissipi e in quanto tempo.

Una colonna a tripla tensione in un unico record

Quattro degli undici — l'intero gruppo di inrunner RI — pubblicano i propri valori di velocità e corrente a 24 V, 36 V e 48 V nello stesso record, sullo stesso avvolgimento. Non è una comodità di marketing; è una specifica meccanica con tre punti di funzionamento elettrici e, per i motori BLDC destinati all'impiego su robot a ruote, è ciò che consente di progettare una piattaforma attorno al pacco batteria già esistente anziché attorno a una tensione scelta per adattarsi al motore. La tabella sottostante dispone quelle tre colonne una accanto all'altra.

Tensione nominale, velocità a vuoto a ogni livello di bus pubblicato, velocità nominale a ogni livello di bus pubblicato e coppia nominale, come pubblicati dal produttore per i quattro modelli inrunner attualmente raggruppati nell'applicazione Robot a ruote. La velocità nominale è il valore lato uscita alla coppia nominale; la velocità a vuoto è il tetto a quel livello di bus. In ogni record le tre colonne condividono una coppia nominale, una coppia di picco e una corrente nominale, ed è ciò che le rende tre punti di funzionamento elettrici su un'unica specifica meccanica. Le colonne della velocità a vuoto scalano esattamente con il livello del bus, con il valore a 36 V pari a 1.5 volte quello a 24 V e il valore a 48 V doppio in ogni riga; le colonne della velocità nominale salgono un po' più in fretta, di un fattore tra 1.53 e 1.71 a 36 V e tra 2.06 e 2.39 a 48 V, tutti e quattro i rapporti ricavati dividendo ogni colonna pubblicata per la colonna a 24 V della stessa riga e dello stesso modello. La velocità della ruota e la velocità di avanzamento non sono tabulate: trasformare un rpm pubblicato in una velocità di avanzamento richiede un diametro di ruota dichiarato, e quel calcolo compare nel testo anziché nella tabella.

Leggendo le coppie di valori lo scambio è esatto. Alzare il bus da 24 V a 48 V raddoppia esattamente la velocità a vuoto e aumenta la velocità nominale di un fattore tra 2.06 e 2.39, lasciando intatte coppia nominale, coppia di picco e corrente nominale, perché la coppia è fissata dalla corrente dell'avvolgimento e l'avvolgimento porta la stessa corrente per la stessa coppia a entrambi i livelli di bus. Ciò che il bus più alto aggiunge è il margine per raggiungere almeno la parte alta della colonna di velocità, dove altrimenti la forza contro-elettromotrice limiterebbe quanta corrente l'azionamento può erogare. Ciò che non aggiunge è coppia continua, e la coppia continua è ciò che un robot a ruote usa per tutta la sua vita.

Motori BLDC per Robot a ruote: matrice di confronto delle specifiche

Gli undici modelli attualmente raggruppati nell'applicazione Robot a ruote sono disposti qui sotto come un unico insieme di specifiche, ordinati per coppia nominale pubblicata, così che il salto dall'unità di ruota più piccola a quella portante sia visibile nella colonna stessa. Ogni valore è il valore che il produttore pubblica per quel modello e che questa piattaforma conserva nel proprio record di prodotto. La tensione nominale è mostrata come pubblicata, quindi un record a tripla tensione compare con tutti e tre i livelli.

Tensione nominale, coppia nominale, coppia di picco, corrente nominale, velocità nominale, massa e ingombro come pubblicati dal produttore, per i modelli attualmente raggruppati nell'applicazione Robot a ruote, ordinati per coppia nominale. La coppia nominale è il valore continuo entro i limiti termici dell'avvolgimento; la coppia di picco è un valore a finestra breve, e la finestra, l'ipotesi di temperatura ambiente e la condizione di montaggio dietro l'uno o l'altro valore di coppia appartengono alla documentazione del produttore più che al record. Un singolo valore di tensione indica un modello a bus singolo; un valore doppio o triplo indica che il modello è pubblicato a ciascuno di quei livelli di bus, con i corrispondenti valori di velocità pubblicati separatamente per ciascuno, nell'ordine crescente della colonna della tensione. La velocità nominale è il valore lato uscita alla coppia nominale, quindi sui due moduli con riduttore il valore è già diviso per il rapporto di riduzione. L'ingombro è dato come diametro esterno per lunghezza del corpo ed esclude sporgenze di albero, cavi e connettori; sui kit frameless è il gruppo statore e rotore, e sui moduli con riduttore è l'unità completa, compresa la propria disposizione di cuscinetti. Nessuna colonna del rapporto di riduzione compare: nove degli undici record non portano alcuno stadio di riduzione, e i rapporti per i due che lo hanno sono esposti nel testo.

Due letture emergono una volta che gli undici sono su un'unica pagina. La prima è che la colonna della coppia e quella della massa non sono parallele. L'RO100 KV55 Standard pubblica 4 N·m nominali da 710 g, mentre l'AKA60-6 KV80 pubblica 3 N·m nominali da 460 g, e l'AKA10-9 KV60 raggiunge 18 N·m da 1.06 kg. I moduli con riduttore fanno con uno stadio ciò che le unità a trasmissione diretta fanno con rame e magneti, e il prezzo di ciò è la colonna della velocità, che scende da quattro cifre sulle unità a trasmissione diretta a 400 rpm e poi a 109 rpm.

La seconda è che nemmeno la corrente nominale segue la coppia nominale. L'AKA10-9 KV60 mantiene 18 N·m da 10.6 A, perché lo stadio di riduzione converte la coppia del motore in coppia di uscita senza aumentare proporzionalmente la corrente del motore, mentre l'RO100 KV55 Standard ha bisogno di 20 A per 4 N·m. Letta come limite di impiego, quella differenza vale per una piattaforma alimentata a batteria più di quanto suggeriscano le sole cifre di coppia: una ruota con riduttore converte la corrente del pacco in coppia alla ruota in modo più efficiente, al costo di un valore di gioco e di un tetto di velocità che va verificato rispetto alla velocità di crociera prevista.

Leggere gli undici per disposizione dell'azionamento

La tabella ordina per coppia, che è l'ordine giusto per una decisione di selezione e l'ordine sbagliato per capire che cosa contiene il gruppo. Letti invece per costruzione, gli undici cadono in quattro blocchi: due kit outrunner a 24 V, tre kit outrunner a 48 V, quattro inrunner e i due moduli con riduttore.

La coppia Lite a 24 V: RO40 KV140 e RO50 KV108

I due outrunner Lite sono le unità più piccole e leggere del gruppo e le uniche nominali a un unico bus a 24 V. L'RO40 KV140 Lite pubblica 0.2 N·m nominali e 0.6 N·m di picco da 60 g in un ingombro di Ø46.3 × 13 mm, e l'RO50 KV108 Lite pubblica 0.3 N·m nominali e 0.9 N·m di picco da 105 g a Ø61.7 × 14.5 mm. Entrambi sono forniti senza sensori Hall come parte della specifica Lite, ed entrambi portano un albero cavo destinato all'instradamento dei cavi anziché a un albero portante. Una ruota costruita attorno all'uno o all'altro chiude il proprio anello servo su un encoder fornito dalla macchina anziché su un rilevamento interno al motore, il che è la conseguenza meccanica della specifica Lite e non un limite dell'avvolgimento.

La terna Standard a 48 V: RO60 KV115, RO80 KV105 e RO100 KV55

I tre outrunner Standard passano a un unico bus a 48 V e aggiungono il rilevamento Hall e di temperatura come parte della specifica. L'RO60 KV115 Standard pubblica 0.8 N·m nominali e 2.4 N·m di picco da 248 g, l'RO80 KV105 Standard 1.3 N·m nominali e 4 N·m di picco da 352 g, e l'RO100 KV55 Standard 4 N·m nominali e 12 N·m di picco da 710 g a Ø113.5 mm. Scorrendo la terna, la massa sale di 2.9 volte mentre la coppia nominale sale di 5 volte, quindi le unità più grandi non sono semplicemente versioni in scala di quelle più piccole. L'RO100 KV55 Standard pubblica anche la corrente nominale più alta del gruppo, 20 A, che è il valore che conta una volta che quattro ruote sono azionate da un unico pacco batteria.

I quattro inrunner: RI50 KV100, RI60 KV120, RI80 V2.0 KV75 e RI100 KV105

Il gruppo RI è costruito al contrario: i magneti stanno all'interno e l'avvolgimento li circonda, quindi il rotore è l'elemento interno e il gruppo porta un'alesatura passante anziché un albero cavo. Quell'alesatura è pubblicata su tutti e quattro i record ed è l'ingombro di progetto per un asse passante o per una guida di cavi — 22 mm sull'RI50 KV100, 30 mm sull'RI60 KV120, 40.5 mm sull'RI80 V2.0 KV75 e 45 mm sull'RI100 KV105. Tutti e quattro sono pubblicati a 24 V, 36 V e 48 V, e tutti e quattro sono nominali tra 0.57 N·m e 1.76 N·m, il che li colloca nella stessa fascia di coppia degli outrunner RO60 e RO80 offrendo al contempo un'interfaccia meccanica diversa e una gamma di bus più ampia.

I due attuatori di ruota con riduttore: AKA60-6 KV80 e AKA10-9 KV60

In questo gruppo, i due moduli AKA sono quelli i cui record pubblicati nominano i robot a ruote nella riga dell'applicazione. Entrambi i record elencano AGV e robot a ruote come applicazione dichiarata, mentre la terna RO Standard nomina un braccio robotico collaborativo, i quattro inrunner nominano un braccio robotico collaborativo o un esoscheletro, e la coppia Lite non pubblica alcuna riga di applicazione. L'AKA60-6 KV80 offre uno stadio 6:1, 3 N·m nominali e 9 N·m di picco, 4 A di corrente nominale, 460 g e un valore di carico radiale di 18 kg, con il produttore che afferma che il percorso del carico rinforzato aumenta la capacità radiale di circa il 52 per cento rispetto all'AK60-6 a coppia simile. L'AKA10-9 KV60 offre 9:1, 18 N·m nominali e 53 N·m di picco, 10.6 A di corrente nominale, 1.06 kg, 50 kg di carico radiale, 0.15° di gioco e un encoder magnetico a 16 bit sull'uscita. Il record 9:1 è anche quello la cui velocità nominale, 109 rpm, deve essere verificata rispetto alla velocità di crociera prevista prima che si consideri qualsiasi altra cosa al suo riguardo.

Outrunner o inrunner a parità di coppia

Dove due unità del gruppo pubblicano una coppia comparabile, la scelta tra esse è meccanica anziché elettrica. L'RO80 KV105 Standard e l'RI80 V2.0 KV75 pubblicano rispettivamente 4 N·m e 4.1 N·m di coppia di picco, da 352 g e 411 g, a Ø92.6 × 26.4 mm e Ø85 × 27 mm. L'outrunner è più leggero e leggermente più largo; l'inrunner è più stretto in diametro, più pesante di 59 g, e offre un'alesatura passante di 40.5 mm oltre a un bus a 24/36/48 V invece di un'unica tensione a 48 V. Nessuna delle due differenze è una differenza di prestazioni, ed entrambe sono decise da ciò che la struttura della ruota può accogliere: un outrunner ha bisogno di spazio radiale attorno al proprio elemento esterno rotante, un inrunner ha bisogno di spazio per l'alesatura e di un albero che la attraversi. Il trattamento più ampio dell'intera famiglia frameless è esposto in Motori coppia frameless: 12 modelli a confronto, dall'ingresso alla fascia di alte prestazioni.

Montaggio, cuscinetti e percorso del carico radiale

Questa è la parte del progetto di un robot a ruote che nessuna specifica di motore risolve, ed è il motivo per cui la via a trasmissione diretta costa tempo di ingegneria anziché denaro. È anche il punto in cui qualsiasi rosa di candidati tra i motori BLDC per robot a ruote si separa definitivamente, perché su questa domanda i valori pubblicati delimitano il problema anziché risolverlo. I valori lo delimitano però in modo utile: dove un record porta un carico radiale nominale, quel carico è portato all'interno dell'unità, e dove non lo porta, il carico è portato dalla macchina.

Che cosa sostiene il peso del robot

Sui due moduli con riduttore la risposta è dichiarata. L'AKA60-6 KV80 è nominale per 18 kg di carico radiale e l'AKA10-9 KV60 per 50 kg, e il produttore descrive il maggiore come una riprogettazione strutturale costruita per assorbire gli urti laterali e radiali nelle piattaforme a ruote. Quei due valori sono la risposta pubblicata alla domanda che ogni robot a ruote pone, e sono ciò rispetto a cui viene dimensionata una disposizione di cuscinetti all'interno del modulo. Sui nove kit frameless non compare alcun valore equivalente, perché non c'è alcuna disposizione di cuscinetti da dimensionare: le note del produttore per la famiglia descrivono i kit come componenti separati di statore e rotore forniti affinché la struttura di supporto, la flangia e la disposizione dei cuscinetti possano essere progettate attorno alla macchina.

L'alesatura è una decisione di instradamento

I valori di alesatura pubblicati meritano di essere letti come vincoli di progetto anziché come caratteristiche. Un'alesatura passante di 45 mm sull'RI100 KV105 è sufficiente perché un fascio di cavi o un asse fisso passi attraverso il centro della ruota, ed è ciò che consente di costruire un azionamento di ruota senza una connessione di cavi rotante. Un'alesatura di 22 mm sull'RI50 KV100 è sufficiente per una guida di cavi ma non per un asse strutturale alla stessa scala. Gli outrunner RO pubblicano la propria alesatura come un progetto cavo destinato allo stesso scopo, e l'RO40 e l'RO50 la portano rispettivamente in una lunghezza del corpo di 13 mm e 14.5 mm, che è lo spazio disponibile nelle ruote più piccole del gruppo.

Che cosa risolve la documentazione pubblicata e che cosa no

Ciò che è pubblicato, per ogni modello di questo gruppo, è la specifica elettrica e meccanica: coppia nominale e di picco, corrente nominale, velocità nominale a ogni livello di bus, massa, ingombro e, dove applicabile, l'alesatura, il rapporto di riduzione, il gioco e il carico radiale nominale. Ciò che non è pubblicato nel record di prodotto è la finestra di impiego dietro la coppia di picco, le ipotesi di temperatura ambiente e di montaggio dietro i valori termici, la durata dei cuscinetti dietro un valore di carico radiale e la disposizione di tenuta in un ambiente umido o polveroso. Questi quattro elementi appartengono alla scheda tecnica e al disegno tecnico del produttore e, su una piattaforma a ruote che opera all'aperto, vale la pena risolverli prima che la specifica venga congelata anziché dopo.

Selezionare i motori BLDC per Robot a ruote: una sequenza di dimensionamento

L'ordine che segue è l'ordine in cui i valori di questa applicazione devono essere risolti, perché ogni passo elimina candidati che il passo successivo non può reinserire.

1. Fissare il diametro della ruota e la velocità di crociera. Questi due numeri producono gli rpm della ruota che l'impiego richiede — a 125 mm, 306 rpm per 2 m/s — e quel singolo valore separa immediatamente i candidati motore di azionamento di ruota a trasmissione diretta, che hanno velocità in abbondanza, dai candidati con riduttore, la cui velocità nominale può essere il vincolo determinante.
2. Fissare il servizio continuo e il cordolo nel caso peggiore. La coppia continua contro la rampa e la crociera a pieno carico decide quale colonna di coppia nominale è accettabile; il cordolo decide quanta coppia di picco deve essere disponibile, e per quanto tempo, rispetto alla finestra di picco dichiarata dal produttore.
3. Fissare il bus e il budget di corrente. Il bus deriva dal pacco batteria già esistente, e i quattro record inrunner pubblicano tre livelli di bus su un unico avvolgimento esattamente per questo motivo. Il budget di corrente è la somma delle correnti nominali su tutte le ruote azionate, ed è il valore che decide pacco batteria, cablaggio ed elettronica di azionamento.

Solo dopo questi tre passi si risolve la domanda sull'architettura, e si risolve rispetto al carico radiale anziché rispetto alla coppia: dove la ruota deve sostenere la macchina attraverso il proprio stadio di uscita, i due moduli con riduttore sono il gruppo che pubblica un valore per farlo; dove è la macchina a sostenere la ruota attraverso un mozzo che il team di progetto controlla, i nove kit frameless sono il gruppo che lascia lo spazio per farlo. Il modulo integrato come categoria è trattato più in profondità in Attuatori robotici: scegliere l’attuatore integrato per giunti robotici.

Dove si impiegano i motori di azionamento di ruota

Le pagine di applicazione su questa piattaforma raggruppano le macchine per ciò che fanno anziché per ciò che contengono, e l'impiego su robot a ruote compare sotto diverse di esse. Le distinzioni che seguono riguardano la disposizione dell'azionamento, non la dimensione.

AMR a azionamento differenziale e robot di servizio per interni

Una base differenziale a due ruote con ruote folli è il robot a ruote più semplice ed è quello in cui i kit a trasmissione diretta sono più spesso la risposta, perché la ruota è piccola, l'impiego è su pavimento liscio e il carico radiale è leggero. La coppia Lite a 24 V sta in fondo a quell'intervallo e la terna Standard a 48 V sopra di essa. L'applicazione AGV copre la stessa architettura di azionamento dove l'impiego è industriale e continuo.

Piattaforme a ruote per esterni e sul campo

Le piattaforme per esterni aggiungono cordoli, pendenze, polvere e vibrazioni, e questi cambiano la specifica in due direzioni contemporaneamente: la coppia continua sale con il carico utile e la pendenza, e il percorso del carico radiale conta di più perché gli urti sono maggiori. È qui che un valore di carico radiale pubblicato vale più di una cifra di coppia, ed è qui che i moduli con riduttore e le unità a trasmissione diretta più grandi sono la rosa naturale.

Basi a trazione swerve e omnidirezionali

Un modulo swerve separa le due funzioni che una ruota svolge: un motore aziona la ruota e un altro la sterza. Lo sterzo riporta il gioco nella specifica, perché si manifesta come allentamento nella direzione, e inoltre divide l'impiego, così che il motore di azionamento e il motore di sterzo possano essere specificati separatamente anziché un'unica unità essere sovradimensionata per entrambi.

Macchine ibride a ruote e zampe

Le macchine ibride che rotolano su ruote e scavalcano ostacoli mettono l'azionamento di ruota e il giunto di gamba nello stesso veicolo, e l'impiego della ruota lì è insolito: lunghi periodi a bassa coppia mentre rotola, interrotti da transitori di carico quando la macchina compie un passo. Ciò favorisce un'unità con un ampio divario tra coppia nominale e di picco rispetto a una ottimizzata per l'uno o l'altro estremo, e l'estremità su ruote di quell'impiego è l'oggetto di questa pagina mentre l'estremità con zampe è trattata in Scegliere un motore BLDC per robot quadrupede: coppia, velocità e limiti termici e nell'applicazione Robot quadrupede.

Domande frequenti

Risorse ufficiali

CubeMars pubblica una pagina prodotto ufficiale per ogni unità, con il relativo pannello di specifiche, il disegno tecnico e la documentazione di controllo, e quelle pagine restano la fonte autorevole per ogni valore qui citato — per esempio la pagina prodotto RI50 KV100, la pagina prodotto RO100 KV55 Standard e la pagina prodotto AKA10-9 KV60. I valori di coppia, corrente, velocità, massa, ingombro, alesatura, rapporto di riduzione, gioco e carico radiale nelle tabelle sopra sono i valori che quelle pagine pubblicano, e una finestra di impiego, un'ipotesi termica o una durata dei cuscinetti da cui dipende un progetto di ruota sono una domanda per il produttore anziché un valore che possa essere dedotto dal pannello di specifiche.

Dove andare dopo

Per fare una rosa anziché una lettura, tre strumenti della piattaforma svolgono il lavoro in sequenza. Esplorare l'intera categoria Motori frameless per vedere i nove kit a trasmissione diretta e le relative specifiche affiancati, usare Selezione per restringere per coppia, tensione e massa, quindi mettere i candidati l'uno contro l'altro in Confronto prodotti. Dove la ruota deve sostenere la macchina attraverso il proprio stadio di uscita, la categoria Attuatori robotici contiene i moduli con riduttore e il resto della famiglia integrata.

Due ulteriori articoli trattano le parti di questo argomento che un azionamento di ruota non risolve. Motori coppia frameless: 12 modelli a confronto, dall'ingresso alla fascia di alte prestazioni dispone l'intera famiglia frameless per fascia ed è il compagno giusto quando l'architettura di azionamento è definita ma la dimensione no. Scegliere un motore BLDC per robot quadrupede: coppia, velocità e limiti termici copre l'estremità con zampe dello stesso impiego per le macchine che sia rotolano sia compiono passi.

La versione breve: fissare per primo il diametro della ruota e la velocità di crociera, perché trasformano una velocità del motore in una velocità di avanzamento e rivelano se la via con riduttore abbia davvero la velocità per raggiungerla; fissare per secondo il servizio continuo e il cordolo nel caso peggiore, perché coppia nominale e coppia di picco rispondono a eventi diversi; fissare per ultimi il bus e il budget di corrente, perché il bus segue il pacco batteria e il budget di corrente è una somma su ogni ruota azionata. Poi decidere l'architettura rispetto al carico radiale, che è l'unico valore che i kit a trasmissione diretta lasciano alla macchina e che i moduli con riduttore pubblicano come valore nominale.