Silniki BLDC do robota kołowego: układ napędu, obowiązek i przekładnia

Robot kołowy nie potrzebuje przekładni, aby uzyskać moment na oponie: potrzebuje konstrukcji, która potrafi unieść robota. Każda jednostka napędu bezpośredniego aktualnie zgrupowana w kategorii Robot kołowy trafia do odbiorcy jako goły stojan i wirnik, bez obudowy i bez własnego zestawu łożysk, więc masa maszyny, która dociera do piasty jako obciążenie promieniowe, musi zostać przejęta przez coś, co zapewnia konstruktor. Dwa moduły z przekładnią w tej samej grupie podają zamiast tego znamionową wartość obciążenia promieniowego – 18 kg w AKA60-6 KV80 i 50 kg w AKA10-9 KV60 – a ich producent opisuje oba jako zbudowane z myślą o robotach kołowych i AGV, przy czym większy jest wyspecyfikowany tak, by wytrzymywał boczne i promieniowe uderzenia w platformach kołowych. Ten podział – między gołym silnikiem, którego ścieżkę obciążenia stanowi maszyna, a modułem z przekładnią, którego ścieżką obciążenia jest jego własny stopień wyjściowy – porządkuje wszystko, co następuje dalej: moment na powierzchni styku, prędkość, z jaką koło faktycznie się obraca, prąd, jaki cztery koła pobierają z jednego pakietu, oraz liczbę części, które trzeba zaprojektować i za nie zapłacić.

Szybka odpowiedź

Jedenaście silników BLDC do pracy w robocie kołowym jest aktualnie zgrupowanych w tej kategorii, a dzielą się one na dwie architektury, a nie na dobrą i złą. Dziewięć to bezramowe zestawy napędu bezpośredniego – pięć jednostek RO o wirniku zewnętrznym od 60 g do 710 g oraz cztery jednostki RI o wirniku wewnętrznym od 155.9 g do 500 g – które przekazują swój moment wprost na koło, bez stopnia pośredniego, bez luzu i bez strat przekładni, a łożyska piasty, oś i ścieżkę obciążenia promieniowego pozostawiają w całości konstrukcji maszyny. Dwa to zintegrowane moduły z przekładnią, AKA60-6 KV80 w przełożeniu 6:1 i AKA10-9 KV60 w przełożeniu 9:1, które wymieniają stopień przekładni i niewielką wartość luzu na publikowany moment na wyjściu oraz publikowaną wartość znamionową obciążenia promieniowego. W całej jedenastce moment znamionowy rozciąga się od 0.2 N·m do 18 N·m, moment szczytowy sięga 53 N·m, a masa od 60 g do 1.06 kg, wszystko zgodnie z publikacją producenta.

Wynikają z tego trzy konsekwencje i to one sprawiają, że wyboru nie podejmuje się na podstawie KV. Po pierwsze, w kole napędzanym bezpośrednio silnik obraca się w normalnym przejeździe znacznie poniżej prędkości znamionowej, więc to nie elektryczny pułap prędkości decyduje o wyborze; rozstrzyga moment ciągły wobec najgorszego szczebla obowiązku. Po drugie, w kole z przekładnią jest odwrotnie: prędkość wyjściowa jest wartością, która może stać się wiążącym ograniczeniem, bo przekładnia, która kupuje moment, dzieli także prędkość. Po trzecie, obciążenie promieniowe, jakie wywiera koło, jest obciążeniem, którego zestawy napędu bezpośredniego nie przenoszą same, więc decyzja rozkłada się między silnik i konstrukcję piasty, a nie rozstrzyga się przez sam silnik. Kolejne sekcje omawiają każdą z tych kwestii po kolei, a następnie zestawiają jedenaście jednostek jako jedną tabelę specyfikacji i odczytują ją według układu napędu.

Czego robot kołowy wymaga od silnika BLDC

Mobilny robot kołowy to maszyna o pracy ciągłej z przerywanym obciążeniem. To rozróżnienie ma znaczenie, bo dwie najczęściej cytowane wartości na tabliczce specyfikacji – moment szczytowy i prędkość bez obciążenia – to dwie liczby, których napęd koła używa przez najmniejszą część swojego życia. Przegub nogi wyzwala swój moment szczytowy przez ułamek sekundy w chwili kontaktu z podłożem; napęd koła domaga się czegoś bliskiego swojej zdolności ciągłej za każdym razem, gdy platforma wjeżdża po rampie z pełnym ładunkiem, i robi to, gdy silnik znajduje się wewnątrz koła, którego nie da się wentylować tak, jak przegub na otwartej ramie.

Koło jest ścieżką obciążenia: obciążenie promieniowe dociera do piasty

W przegubie moc wyjściowa silnika to moment, a reakcję przejmuje otaczająca go konstrukcja. W kole ten sam moment przychodzi razem z czymś, czego przegub nigdy nie widzi: ciężarem maszyny, przenoszonym przez powierzchnię styku i oś jako obciążenie promieniowe na to, co niesie koło. Zestaw bezramowy nie ma łożysk, więc na drodze napędu bezpośredniego to obciążenie dociera do piasty zaprojektowanej przez konstruktora, a własne noty produktowe producenta mówią to samo o całej rodzinie: są one dostarczane jako oddzielne elementy, wirnik i stojan, co pozwala dopasować konstrukcję nośną, kołnierze i układ łożysk do maszyny. Droga z przekładnią podaje tę wartość wprost. AKA60-6 KV80 ma znamionowo 18 kg obciążenia promieniowego, a AKA10-9 KV60 50 kg; ten drugi opisano jako przeprojektowanie konstrukcyjne, które podnosi nośność obciążenia promieniowego o około 120 procent względem AK10-9 przy tym samym momencie, oraz jako zoptymalizowany pod kątem bocznych i promieniowych uderzeń, jakie generuje platforma kołowa.

Najpierw praca ciągła, szczyt na końcu

Moment znamionowy to wartość, jaką można utrzymać w granicach termicznych uzwojenia, i w robocie kołowym właśnie ona jest liczbą roboczą. Moment szczytowy to rezerwa na krótkie okno, a samo okno, wraz z założeniami dotyczącymi temperatury otoczenia i mocowania, które za nim stoją, należy do dokumentacji producenta, a nie do rekordu produktu. Odczytanie jedenastki wyłącznie po momencie znamionowym daje rozrzut od 0.2 N·m w RO40 KV140 Lite do 18 N·m w AKA10-9 KV60, czyli współczynnik dziewięćdziesięciu, co przypomina, że ta kategoria obejmuje wszystko od koła o masie 60 g w skali hulajnogi po platformę przemysłową o obciążeniu promieniowym 50 kg.

Krawężniki, rampy i zmiany kierunku

Krawężnik to zdarzenie momentowe, a rampa to zdarzenie obowiązku, i nie należy ich dobierać tą samą liczbą. Wjazd po rampie dodaje człon grawitacyjny, który pozostaje na silniku tak długo, jak długo trwa podjazd, co jest problemem pracy ciągłej i należy go odnieść do momentu znamionowego. Krawężnik pojawia się jako krótka przeszkoda i jest bliższy zdarzeniu szczytowemu, ograniczonemu tym, jak długo koło jest zatrzymane na nim. Zmiany kierunku mają znaczenie z innego powodu: w podstawie o napędzie różnicowym zakręt powstaje przez napędzanie obu stron przeciwko sobie, więc silniki przez część manewru pochłaniają energię, a nie ją dostarczają, a ta zwrócona energia musi gdzieś trafić w elektronice napędu.

Cztery koła pobierają z jednego pakietu

Budżet prądu jest sumą, a nie pojedynczą wartością. Cztery identyczne koła o prądzie znamionowym 4 A każde pobierają 16 A w sposób ciągły, zanim uwzględni się jakikolwiek zapas na skok prądu, jaki bierze platforma przy starcie albo gdy koło straci przyczepność, a AKA60-6 KV80 podaje dokładnie 4 A znamionowo, podczas gdy największa jednostka napędu bezpośredniego w grupie, RO100 KV55, podaje 20 A. Wybór oparty wyłącznie na momencie i odkrycie tej arytmetyki dopiero później to zwykły sposób, w jaki pakiet okazuje się zbyt mały.

Napęd bezpośredni bezramowy czy siłownik koła z przekładnią

Pytanie o architekturę poprzedza pytanie o specyfikację, bo to ono rozstrzyga, które liczby cokolwiek znaczą dla silnika napędu koła. Koło napędzane bezpośrednio to silnik, którego wirnik obraca się z prędkością koła. Koło z przekładnią to silnik, którego wirnik obraca się z prędkością koła pomnożoną przez przełożenie, ze stopniem przekładni pomiędzy. Oba rozwiązania występują w tej kategorii, a jedenaście jednostek dzieli się dziewięć do dwóch na korzyść napędu bezpośredniego.

Napęd bezpośredni: prędkość koła równa się prędkości silnika

Dziewięć z jedenastu – pięć jednostek RO o wirniku zewnętrznym i cztery RI o wirniku wewnętrznym – to zestawy bezramowe. W kole napędzanym bezpośrednio prędkość wyjściowa to prędkość silnika, więc publikowane wartości prędkości można odczytywać wobec prędkości jazdy bez żadnego członu przekładni, i nie ma stopnia przekładni, który wnosiłby luz, nie ma sprawności przekładni do stracenia ani dodatkowej bezwładności obrotowej między wirnikiem a oponą. W zamian moment dostępny na powierzchni styku jest dokładnie tym momentem, jaki silnik potrafi wytworzyć, a silnik musi być w stanie przenosić cały obowiązek koła w sposób ciągły. Największa jednostka napędu bezpośredniego tutaj, RO100 KV55 Standard, publikuje 4 N·m znamionowo i 12 N·m szczytowo przy 710 g.

Z przekładnią: moment na oponie i stopień, który trzeba uwzględnić

Dwa moduły AKA to opcja z przekładnią i jedyne jednostki w grupie z publikowanym przełożeniem, publikowaną wartością luzu i publikowaną wartością znamionową obciążenia promieniowego. AKA60-6 KV80 publikuje stopień 6:1, 3 N·m znamionowo i 9 N·m szczytowo na wyjściu, 460 g oraz 18 kg obciążenia promieniowego. AKA10-9 KV60 publikuje stopień 9:1, 18 N·m znamionowo i 53 N·m szczytowo, 1.06 kg, 0.15° luzu oraz 50 kg obciążenia promieniowego, z pojedynczym 16-bitowym enkoderem magnetycznym na wyjściu. To, co kupuje stopień przekładni, to moment na oponie z lżejszego silnika; to, co kosztuje, to podział prędkości, wartość luzu oraz obowiązek odczytywania każdej wartości prędkości po stronie wyjściowej przekładni, a nie po stronie silnika.

Czego nie zawiera zestaw bezramowy

Zestaw bezramowy to stojan i wirnik. Nie ma obudowy, łożysk, wału ani enkodera, o ile nie zostanie on wyspecyfikowany, a noty producenta dla rodziny RO dodają, że otwór drążony jest przeznaczony do prowadzenia kabli oraz do bezpośredniego sprzęgania z wałami wyjściowymi albo przekładnią. To cała wymiana w jednym zdaniu: zestaw jest lżejszy i mechanicznie swobodniejszy niż cokolwiek w obudowie, a w zamian układ łożysk, obudowa i ścieżka obciążenia promieniowego stają się częścią konstrukcji maszyny. Jednostki RI o wirniku wewnętrznym publikują otwór, wokół którego buduje się ten układ – 22 mm w RI50 KV100, 30 mm w RI60 KV120, 40.5 mm w RI80 V2.0 KV75 i 45 mm w RI100 KV105 – czyli przestrzeń dostępną dla osi przelotowej albo przebiegu kabli, a nie specyfikację łożyska.

Luz należy do osi skrętu, a nie do osi napędu

Koło, które napędza i nie skręca, nie potrzebuje wartości luzu w ścieżce napędu, bo koło opiera się na podłożu, a podłoże nie jest podatne w kierunku jazdy. Inaczej jest w module swerve albo skrętu, gdzie jednostka z przekładnią utrzymuje kąt koła: tam luz objawia się jako luz kursu, zanim opona zareaguje, i warto odczytać go jako specyfikację. W kołach wyłącznie napędzanych, które stanowią większość tej kategorii, dwie liczby, które mają znaczenie, to moment wyjściowy i wartość znamionowa obciążenia promieniowego, a AKA10-9 KV60 publikuje obok nich 0.15° luzu dla modułów, które faktycznie skręcają.

Odczyt momentu, prędkości i prądu koła z publikowanego rekordu

Każda wartość w poniższej tabeli to wartość, jaką producent publikuje dla danego modelu, a odczyty w tej sekcji to arytmetyka wykonana na tych wartościach, przy za każdym razem podanej średnicy koła. Celem jest pokazanie, która z publikowanych kolumn faktycznie rozstrzyga o napędzie koła, bo dwie z nich okazują się mieć znacznie mniejsze znaczenie, niż sugeruje ich wyeksponowanie na tabliczce specyfikacji.

Od momentu na wirniku do ciągu na powierzchni styku

Moment staje się ciągiem przez podzielenie przez promień koła. Wartość 0.58 N·m znamionowo – RI50 KV100 – napędzająca koło 125 mm o promieniu 0.0625 m wytwarza 9.3 N ciągu na powierzchni styku, a cztery takie koła wytwarzają łącznie 37 N. Ta sama arytmetyka zastosowana do koła 200 mm o promieniu 0.1 m zamienia te 0.58 N·m na 5.8 N na koło, spadek o 37 procent dla tego samego silnika, bo większe koło to dłuższa dźwignia przeciwko silnikowi. Całe obliczenie opiera się na dwóch publikowanych kolumnach, momencie znamionowym i podanej średnicy koła, i na niczym więcej.

Od publikowanej prędkości do prędkości jazdy

Prędkość jazdy wynika z tego samego koła przez obwód: prędkość w metrach na sekundę równa się obwodowi koła w metrach pomnożonemu przez liczbę obrotów na sekundę, czyli pi razy średnica razy rpm podzielone przez sześćdziesiąt. Przy średnicy 125 mm przejazd 2 m/s wymaga 306 rpm na kole; przy 200 mm ten sam przejazd wymaga 191 rpm. Te dwie liczby są odniesieniem, wobec którego należy odczytywać publikowane kolumny prędkości, a odczyt w ten sposób daje najużyteczniejszą obserwację w tej kategorii. Jednostki napędu bezpośredniego publikują prędkości znamionowe między 2000 rpm a 4200 rpm przy swoich publikowanych poziomach szyny, czyli między sześcio- a czternastokrotnością 306 rpm, jakich przejazd 2 m/s faktycznie wymaga przy kole 125 mm. Moduł z przekładnią AKA60-6 KV80 publikuje 400 rpm przy 48 V, czyli 1.3-krotność wymagania, a AKA10-9 KV60 publikuje 109 rpm, co jest poniżej niego, więc przy średnicy koła 125 mm prędkość znamionowa tego modułu ogranicza prędkość jazdy do około 0.71 m/s i sięga 1.14 m/s tylko wtedy, gdy koło urośnie do 200 mm.

Prąd znamionowy to liczba, która rozstrzyga o obowiązku

To prąd nagrzewa uzwojenie, a uzwojenie jest powierzchnią, przez którą ciepło musi odejść. W robocie kołowym silniki znajdują się blisko podłoża, często wewnątrz koła albo obudowy, którą projektant maszyny zbudował dla sztywności, a nie dla przepływu powietrza, więc ścieżka cieplna jest zwykle gorsza niż w przegubie na otwartym powietrzu. Dlatego prąd znamionowy zasługuje na odczytanie jako ograniczenie obowiązku, a nie jako szczegół elektryczny: RO100 KV55 Standard publikuje 20 A wobec 2.85 A w RO40 KV140 Lite, czyli współczynnik siedmiu, który mówi, ile ciepła każde uzwojenie ma odprowadzić i w jakim okresie.

Potrójna kolumna napięcia w jednym rekordzie

Cztery z jedenastu – cała grupa RI o wirniku wewnętrznym – publikują swoje wartości prędkości i prądu przy 24 V, 36 V i 48 V w tym samym rekordzie, na tym samym uzwojeniu. To nie udogodnienie marketingowe; to jedna specyfikacja mechaniczna z trzema punktami pracy elektrycznej, i dla silników BLDC do pracy w robocie kołowym właśnie to pozwala projektować platformę wokół pakietu, który już istnieje, a nie wokół napięcia wybranego pod silnik. Poniższa tabela zestawia te trzy kolumny obok siebie.

Napięcie znamionowe, prędkość bez obciążenia przy każdym publikowanym poziomie szyny, prędkość znamionowa przy każdym publikowanym poziomie szyny oraz moment znamionowy, zgodnie z publikacją producenta dla czterech modeli o wirniku wewnętrznym aktualnie zgrupowanych w kategorii Robot kołowy. Prędkość znamionowa to wartość po stronie wyjściowej przy momencie znamionowym; prędkość bez obciążenia to pułap przy danym poziomie szyny. W każdym rekordzie trzy kolumny dzielą jeden moment znamionowy, jeden moment szczytowy i jeden prąd znamionowy, co czyni z nich trzy punkty pracy elektrycznej na jednej specyfikacji mechanicznej. Kolumny prędkości bez obciążenia skalują się dokładnie z poziomem szyny – wartość przy 36 V jest 1.5 raza większa od wartości przy 24 V, a wartość przy 48 V jest jej dwukrotnością – w każdym wierszu; kolumny prędkości znamionowej rosną nieco szybciej, o 1.53 do 1.71 raza przy 36 V oraz o 2.06 do 2.39 raza przy 48 V, przy czym wszystkie cztery stosunki uzyskano, dzieląc każdą publikowaną kolumnę przez kolumnę 24 V tego samego wiersza i modelu. Prędkość koła i prędkość jazdy nie są tabelaryzowane: zamiana publikowanej wartości rpm na prędkość jazdy wymaga podanej średnicy koła, a to obliczenie pojawia się w tekście, a nie w tabeli.

Odczytując w dół po parach, wymiana jest dokładna. Podniesienie szyny z 24 V do 48 V dokładnie podwaja prędkość bez obciążenia i podnosi prędkość znamionową o 2.06 do 2.39 raza, a moment znamionowy, moment szczytowy i prąd znamionowy pozostawia nietknięte, bo moment jest ustalany przez prąd uzwojenia, a uzwojenie przewodzi ten sam prąd przy tym samym momencie na obu poziomach szyny. To, co dodaje wyższa szyna, to zapas pozwalający w ogóle sięgnąć górnej części kolumny prędkości, gdzie w przeciwnym razie siła przeciw-elektromotoryczna ograniczałaby, ile prądu napęd może dostarczyć. To, czego nie dodaje, to moment ciągły, a moment ciągły jest tym, czego robot kołowy używa przez całe swoje życie.

Silniki BLDC do robota kołowego: macierz porównania specyfikacji

Jedenaście modeli aktualnie zgrupowanych w kategorii Robot kołowy zestawiono poniżej jako jeden zbiór specyfikacji, uporządkowany według publikowanego momentu znamionowego, tak by krok od najmniejszej jednostki koła do tej przenoszącej obciążenie był widoczny w samej kolumnie. Każda wartość to wartość, jaką producent publikuje dla danego modelu i jaką ta platforma przechowuje w rekordzie produktu. Napięcie znamionowe pokazano zgodnie z publikacją, więc rekord o potrójnym napięciu występuje z wszystkimi trzema poziomami.

Napięcie znamionowe, moment znamionowy, moment szczytowy, prąd znamionowy, prędkość znamionowa, masa i gabaryty zgodnie z publikacją producenta, dla modeli aktualnie zgrupowanych w kategorii Robot kołowy, uporządkowane według momentu znamionowego. Moment znamionowy to wartość ciągła w granicach termicznych uzwojenia; moment szczytowy to wartość krótkookresowa, a okno, założenie dotyczące temperatury otoczenia i warunek mocowania stojące za którąkolwiek z wartości momentu należą do dokumentacji producenta, a nie do rekordu. Pojedyncza wartość napięcia oznacza model jednoszynowy; wartość podwójna lub potrójna oznacza, że model jest publikowany przy każdym z tych poziomów szyny, z odpowiednimi wartościami prędkości publikowanymi osobno dla każdego z nich, w rosnącej kolejności kolumny napięcia. Prędkość znamionowa to wartość po stronie wyjściowej przy momencie znamionowym, więc w dwóch modułach z przekładnią wartość jest już podzielona przez przełożenie. Gabaryty podano jako średnicę zewnętrzną na długość korpusu i nie obejmują one wystających wału, kabla i złącza; w zestawach bezramowych to zespół stojana i wirnika, a w modułach z przekładnią to kompletna jednostka wraz z własnym układem łożysk. Nie występuje kolumna przełożenia: dziewięć z jedenastu rekordów nie ma w ogóle stopnia przekładni, a przełożenia tych dwóch, które go mają, podano w tekście.

Dwa odczyty wyróżniają się, gdy jedenaście znajdzie się na jednej stronie. Pierwszy jest taki, że kolumna momentu i kolumna masy nie są równoległe. RO100 KV55 Standard publikuje 4 N·m znamionowo z 710 g, podczas gdy AKA60-6 KV80 publikuje 3 N·m znamionowo z 460 g, a AKA10-9 KV60 sięga 18 N·m z 1.06 kg. Moduły z przekładnią robią stopniem to, co jednostki napędu bezpośredniego robią miedzią i magnesami, a ceną tego jest kolumna prędkości, która spada z czterech cyfr w jednostkach napędu bezpośredniego do 400 rpm, a potem 109 rpm.

Drugi jest taki, że prąd znamionowy również nie podąża za momentem znamionowym. AKA10-9 KV60 utrzymuje 18 N·m przy 10.6 A, bo stopień przekładni zamienia moment silnika na moment wyjściowy bez proporcjonalnego zwiększania prądu silnika, podczas gdy RO100 KV55 Standard potrzebuje 20 A na 4 N·m. Odczytana jako ograniczenie obowiązku ta różnica jest dla platformy zasilanej z akumulatora warta więcej, niż same wartości momentu sugerują: koło z przekładnią zamienia prąd pakietu na moment koła wydajniej, kosztem wartości luzu i pułapu prędkości, który trzeba sprawdzić wobec zamierzonej prędkości przejazdu.

Odczyt jedenastki według układu napędu

Tabela sortuje według momentu, co jest właściwą kolejnością dla decyzji o doborze, a niewłaściwą dla zrozumienia, co zawiera grupa. Odczytana według konstrukcji, jedenaście dzieli się na cztery bloki: dwa zestawy 24 V o wirniku zewnętrznym, trzy zestawy 48 V o wirniku zewnętrznym, cztery jednostki o wirniku wewnętrznym oraz dwa moduły z przekładnią.

Para Lite 24 V: RO40 KV140 i RO50 KV108

Dwa zestawy Lite o wirniku zewnętrznym to najmniejsze i najlżejsze jednostki w grupie oraz jedyne znamionowane na pojedynczą szynę 24 V. RO40 KV140 Lite publikuje 0.2 N·m znamionowo i 0.6 N·m szczytowo z 60 g w gabarycie Ø46.3 × 13 mm, a RO50 KV108 Lite publikuje 0.3 N·m znamionowo i 0.9 N·m szczytowo z 105 g przy Ø61.7 × 14.5 mm. Oba są dostarczane bez czujników Halla jako część specyfikacji Lite, i oba mają otwór drążony przeznaczony do prowadzenia kabli, a nie na wał nośny. Koło zbudowane wokół któregokolwiek z nich zamyka swoją pętlę serwo na enkoderze, który zapewnia maszyna, a nie na pomiarze wewnątrz silnika, co jest mechaniczną konsekwencją specyfikacji Lite, a nie ograniczeniem uzwojenia.

Trio Standard 48 V: RO60 KV115, RO80 KV105 i RO100 KV55

Trzy zestawy Standard o wirniku zewnętrznym przechodzą na pojedynczą szynę 48 V i dodają pomiar Halla i temperatury jako część specyfikacji. RO60 KV115 Standard publikuje 0.8 N·m znamionowo i 2.4 N·m szczytowo z 248 g, RO80 KV105 Standard 1.3 N·m znamionowo i 4 N·m szczytowo z 352 g, a RO100 KV55 Standard 4 N·m znamionowo i 12 N·m szczytowo z 710 g przy Ø113.5 mm. Odczytując w dół tria, masa rośnie 2.9 raza, podczas gdy moment znamionowy rośnie 5 razy, więc większe jednostki nie są po prostu przeskalowanymi wersjami mniejszych. RO100 KV55 Standard publikuje także najwyższy prąd znamionowy w grupie, 20 A, i to jest wartość, która ma znaczenie, gdy cztery koła są napędzane z jednego pakietu.

Cztery jednostki o wirniku wewnętrznym: RI50 KV100, RI60 KV120, RI80 V2.0 KV75 i RI100 KV105

Grupa RI jest zbudowana odwrotnie: magnesy są w środku, a uzwojenie je otacza, więc wirnik jest elementem wewnętrznym, a zespół ma otwór przelotowy, a nie wał drążony. Ten otwór jest publikowany we wszystkich czterech rekordach i stanowi gabaryt projektowy dla osi przelotowej albo przebiegu kabli – 22 mm w RI50 KV100, 30 mm w RI60 KV120, 40.5 mm w RI80 V2.0 KV75 i 45 mm w RI100 KV105. Wszystkie cztery są publikowane przy 24 V, 36 V i 48 V, i wszystkie cztery są znamionowane między 0.57 N·m a 1.76 N·m, co umieszcza je w tym samym paśmie momentu co zestawy RO60 i RO80 o wirniku zewnętrznym, oferując przy tym inny interfejs mechaniczny i szerszy zakres szyny.

Dwa siłowniki koła z przekładnią: AKA60-6 KV80 i AKA10-9 KV60

W tej grupie dwa moduły AKA to te, których publikowane rekordy wymieniają roboty kołowe w swoim wierszu zastosowań. Oba rekordy podają AGV i robota kołowego jako deklarowane zastosowanie, podczas gdy trio RO Standard wymienia ramię cobota, cztery jednostki o wirniku wewnętrznym wymieniają ramię cobota albo egzoszkielet, a para Lite nie publikuje żadnego wiersza zastosowań. AKA60-6 KV80 oferuje stopień 6:1, 3 N·m znamionowo i 9 N·m szczytowo, prąd znamionowy 4 A, 460 g oraz wartość znamionową obciążenia promieniowego 18 kg, przy czym producent podaje, że wzmocniona ścieżka obciążenia podnosi nośność promieniową o około 52 procent względem AK60-6 przy podobnym momencie. AKA10-9 KV60 oferuje 9:1, 18 N·m znamionowo i 53 N·m szczytowo, prąd znamionowy 10.6 A, 1.06 kg, 50 kg obciążenia promieniowego, 0.15° luzu oraz 16-bitowy enkoder magnetyczny na wyjściu. Rekord 9:1 jest także tym, którego prędkość znamionowa, 109 rpm, musi zostać sprawdzona wobec zamierzonej prędkości przejazdu, zanim rozważy się cokolwiek innego na jego temat.

Wirnik zewnętrzny czy wewnętrzny przy tym samym momencie

Tam, gdzie dwie jednostki w grupie publikują porównywalny moment, wybór między nimi jest mechaniczny, a nie elektryczny. RO80 KV105 Standard i RI80 V2.0 KV75 publikują odpowiednio 4 N·m i 4.1 N·m momentu szczytowego, z 352 g i 411 g, przy Ø92.6 × 26.4 mm i Ø85 × 27 mm. Wirnik zewnętrzny jest lżejszy i nieco szerszy; wirnik wewnętrzny jest węższy na średnicy, o 59 g cięższy i oferuje otwór przelotowy 40.5 mm oraz szynę 24/36/48 V zamiast pojedynczego znamionowania 48 V. Żadna z tych różnic nie jest różnicą w osiągach, a obie rozstrzyga to, co konstrukcja koła może przyjąć: wirnik zewnętrzny wymaga luzu promieniowego wokół swojego obracającego się elementu zewnętrznego, wirnik wewnętrzny wymaga przestrzeni otworu i przechodzącego przez niego wału. Szersze omówienie całej rodziny bezramowej przedstawiono w Bezramowe silniki momentowe: 12 modeli w porównaniu, od poziomu wejściowego do wydajnościowego.

Mocowanie, łożyska i ścieżka obciążenia promieniowego

To ta część projektu robota kołowego, której nie rozstrzyga żadna specyfikacja silnika, i to dlatego droga napędu bezpośredniego kosztuje czas inżynierski, a nie pieniądze. To także miejsce, w którym każda lista kandydatów silników BLDC do robota kołowego ostatecznie się rozdziela, bo w tym pytaniu publikowane wartości ograniczają problem, zamiast na niego odpowiadać. Wartości te ograniczają go jednak w użyteczny sposób: tam, gdzie rekord podaje znamionowe obciążenie promieniowe, obciążenie to jest przenoszone wewnątrz jednostki, a tam, gdzie go nie podaje, obciążenie przenosi maszyna.

Co przenosi ciężar robota

W dwóch modułach z przekładnią odpowiedź jest podana. AKA60-6 KV80 ma znamionowo 18 kg obciążenia promieniowego, a AKA10-9 KV60 50 kg, a producent opisuje większy z nich jako przeprojektowanie konstrukcyjne zbudowane tak, by przenosiło boczne i promieniowe uderzenia w platformach kołowych. Te dwie wartości to publikowana odpowiedź na pytanie, które zadaje każdy robot kołowy, i wobec nich dobiera się układ łożysk wewnątrz modułu. W dziewięciu zestawach bezramowych nie pojawia się żadna równoważna wartość, bo nie ma układu łożysk do dobrania: noty producenta dla rodziny opisują zestawy jako oddzielne elementy, stojan i wirnik, dostarczane po to, by konstrukcję nośną, kołnierz i układ łożysk można było zaprojektować wokół maszyny.

Otwór to decyzja o prowadzeniu kabli

Publikowane wartości otworu warto odczytywać jako ograniczenia projektowe, a nie jako cechy. Otwór przelotowy 45 mm w RI100 KV105 wystarcza, by przez środek koła przeprowadzić wiązkę kabli albo nieruchomą oś, co pozwala zbudować napęd koła bez obrotowego połączenia kablowego. Otwór 22 mm w RI50 KV100 wystarcza na przebieg kabli, ale nie na oś konstrukcyjną w tej samej skali. Zestawy RO o wirniku zewnętrznym publikują swój otwór jako konstrukcję drążoną przeznaczoną do tego samego celu, a RO40 i RO50 mają go w korpusie długości odpowiednio 13 mm i 14.5 mm, co jest przestrzenią dostępną w najmniejszych kołach w grupie.

Co rozstrzyga publikowana dokumentacja, a czego nie

To, co jest publikowane dla każdego modelu w tej grupie, to specyfikacja elektryczna i mechaniczna: moment znamionowy i szczytowy, prąd znamionowy, prędkość znamionowa przy każdym poziomie szyny, masa, gabaryty oraz – tam, gdzie to właściwe – otwór, przełożenie, luz i znamionowe obciążenie promieniowe. To, czego nie publikuje się w rekordzie produktu, to okno obowiązku stojące za momentem szczytowym, założenia dotyczące temperatury otoczenia i mocowania stojące za wartościami termicznymi, żywotność łożysk stojąca za wartością znamionową obciążenia promieniowego oraz układ uszczelnień w wilgotnym lub zapylonym środowisku. Te cztery pozycje należą do karty katalogowej i rysunku technicznego producenta i w platformie kołowej pracującej na zewnątrz warto je rozstrzygnąć przed zamrożeniem specyfikacji, a nie po nim.

Dobór silników BLDC do robota kołowego: sekwencja wymiarowania

Poniższa kolejność to kolejność, w jakiej trzeba rozstrzygać wartości w tej kategorii, bo każdy krok usuwa kandydatów, których następny krok nie może przywrócić.

1. Ustal średnicę koła i prędkość przejazdu. Te dwie liczby dają rpm koła, jakich wymaga obowiązek – przy 125 mm 306 rpm dla 2 m/s – a ta pojedyncza wartość natychmiast rozdziela kandydatów na silniki napędu koła bezpośredniego, które mają prędkość z zapasem, od kandydatów z przekładnią, których prędkość znamionowa może być wiążącym ograniczeniem.
2. Ustal pracę ciągłą i najgorszy przypadek krawężnika. Moment ciągły wobec rampy i obciążonego przejazdu rozstrzyga, która kolumna momentu znamionowego jest akceptowalna; krawężnik rozstrzyga, ile momentu szczytowego musi być dostępne i na jak długo, wobec podanego przez producenta okna szczytowego.
3. Ustal szynę i budżet prądu. Szyna wynika z pakietu, który już istnieje, i właśnie dlatego cztery rekordy o wirniku wewnętrznym publikują trzy poziomy szyny na jednym uzwojeniu. Budżet prądu to suma prądów znamionowych wszystkich napędzanych kół i to wartość, która rozstrzyga o pakiecie, okablowaniu i elektronice napędu.

Dopiero po tych trzech krokach rozstrzyga się pytanie o architekturę i rozstrzyga się ono wobec obciążenia promieniowego, a nie wobec momentu: tam, gdzie koło ma przenosić maszynę przez własny stopień wyjściowy, dwa moduły z przekładnią są grupą, która publikuje dla tego wartość znamionową; tam, gdzie to maszyna będzie niosła koło przez piastę kontrolowaną przez zespół projektowy, dziewięć zestawów bezramowych to grupa, która pozostawia na to miejsce. Kategoria modułu zintegrowanego jest omówiona szerzej w Siłowniki robotyczne: jak dobrać zintegrowany siłownik do stawów robota.

Gdzie stosuje się silniki napędu koła

Strony zastosowań na tej platformie grupują maszyny według tego, co robią, a nie według tego, co zawierają, i obowiązek robota kołowego pojawia się pod kilkoma z nich. Poniższe rozróżnienia dotyczą układu napędu, a nie rozmiaru.

AMR o napędzie różnicowym i roboty usługowe wewnątrz pomieszczeń

Dwukołowa podstawa różnicowa z kółkami podporowymi to najprostszy robot kołowy i ten, w którym zestawy napędu bezpośredniego są najczęściej odpowiedzią, bo koło jest małe, obowiązek to gładka podłoga, a obciążenie promieniowe lekkie. Para Lite 24 V znajduje się na dole tego zakresu, a trio Standard 48 V powyżej niej. Kategoria AGV obejmuje tę samą architekturę napędu tam, gdzie obowiązek jest przemysłowy i ciągły.

Platformy kołowe terenowe i do pracy na zewnątrz

Platformy pracujące na zewnątrz dodają krawężniki, nachylenia, pył i wibracje, a te zmieniają specyfikację w dwóch kierunkach naraz: moment ciągły rośnie wraz z ładunkiem i nachyleniem, a ścieżka obciążenia promieniowego ma większe znaczenie, bo uderzenia są większe. To tutaj publikowana wartość znamionowa obciążenia promieniowego jest warta więcej niż wartość momentu i tutaj moduły z przekładnią oraz większe jednostki napędu bezpośredniego są naturalną listą kandydatów.

Podstawy o napędzie swerve i wszechkierunkowe

Moduł swerve rozdziela dwie funkcje, jakie pełni koło: jeden silnik napędza koło, a drugi nim skręca. Skręcanie wprowadza luz z powrotem do specyfikacji, bo objawia się on jako luz kursu, a także dzieli obowiązek, tak że silnik napędu i silnik skrętu można wyspecyfikować osobno, zamiast przewymiarowywać jedną jednostkę dla obu.

Maszyny kołowo-kroczące i hybrydowe

Maszyny hybrydowe, które toczą się na kołach i przekraczają przeszkody krokiem, łączą napęd koła i przegub nogi w tym samym pojeździe, a obowiązek koła jest tam nietypowy: długie okresy niskiego momentu podczas toczenia, przerywane stanami przejściowymi obciążenia, gdy maszyna stawia krok. To sprzyja jednostce o szerokiej luce między momentem znamionowym a szczytowym bardziej niż jednostce zoptymalizowanej pod którąkolwiek skrajność, a kołowa część tego obowiązku jest tematem tej strony, podczas gdy część krocząca jest omówiona w Wybór silnika BLDC do robota czworonożnego: moment, prędkość i granice termiczne oraz w kategorii Robot czworonożny.

Najczęściej zadawane pytania

Zasoby oficjalne

CubeMars publikuje oficjalną stronę produktu dla każdej jednostki, z jej tabliczką specyfikacji, rysunkiem technicznym i dokumentacją sterowania, i te strony pozostają źródłem prawdy dla każdej cytowanej tu wartości – na przykład strona produktu RI50 KV100, strona produktu RO100 KV55 Standard oraz strona produktu AKA10-9 KV60. Wartości momentu, prądu, prędkości, masy, gabarytów, otworu, przełożenia, luzu i obciążenia promieniowego w powyższych tabelach to wartości, które te strony publikują, a okno obowiązku, założenie termiczne albo żywotność łożysk, od których zależy projekt koła, to pytanie do producenta, a nie wartość, którą można wywnioskować z tabliczki specyfikacji.

Co dalej

Do tworzenia listy kandydatów, a nie do lektury, trzy narzędzia na platformie wykonują pracę po kolei. Przejrzyj całą kategorię Silniki momentowe bezramowe, by zobaczyć dziewięć zestawów napędu bezpośredniego i ich specyfikacje obok siebie, użyj Dobór, by zawęzić według momentu, napięcia i masy, a następnie zestaw kandydatów ze sobą w Porównanie produktów. Tam, gdzie koło ma przenosić maszynę przez własny stopień wyjściowy, kategoria Siłowniki robotyczne zawiera moduły z przekładnią i resztę rodziny zintegrowanej.

Dwa dalsze artykuły obejmują te części tego tematu, których nie rozstrzyga napęd koła. Bezramowe silniki momentowe: 12 modeli w porównaniu, od poziomu wejściowego do wydajnościowego zestawia całą rodzinę bezramową według pasm i jest właściwym towarzyszem, gdy architektura napędu jest ustalona, ale rozmiar jeszcze nie. Wybór silnika BLDC do robota czworonożnego: moment, prędkość i granice termiczne obejmuje kroczącą część tego samego obowiązku dla maszyn, które zarówno toczą się, jak i stawiają kroki.

Krótka wersja: najpierw ustal średnicę koła i prędkość przejazdu, bo zamieniają one prędkość silnika na prędkość jazdy i ujawniają, czy droga z przekładnią ma w ogóle prędkość, by ją osiągnąć; po drugie ustal pracę ciągłą i najgorszy przypadek krawężnika, bo moment znamionowy i moment szczytowy odpowiadają na różne zdarzenia; na końcu ustal szynę i budżet prądu, bo szyna wynika z pakietu, a budżet prądu jest sumą po wszystkich napędzanych kołach. Następnie rozstrzygnij architekturę wobec obciążenia promieniowego, które jest tą jedną wartością, jaką zestawy napędu bezpośredniego pozostawiają maszynie, a moduły z przekładnią publikują jako wartość znamionową.