Последние технологии открывают все новые возможности для развития и повсеместного распространения робототехники, сочетая достижения исследователей в области машиностроения и обработки информации.
При этом в своей основе любая робототехническая система обязательно состоит из механических, электронных и вычислительных компонентов, которые в зависимости от специфики применения должны обладать теми или иными особенностями. Улучшение массогабаритных характеристик является приоритетной задачей электромеханики в автономно работающей и прецизионной микроприводной технике, где требуется максимально возможный удельный момент при малых размерах и соблюдении точности. За годы своего существования группа компаний Faulhaber устойчиво занимает ведущие позиции на рынке этих систем.
Улучшение удельных характеристик
Принципиальным решением, расширившим горизонты для применения микроприводов, стало изобретение самоподдерживающейся обмотки в двигателе постоянного тока, запатентованной Фритцем Фаулхабером в 1958 году.
Это позволило сконструировать двигатель без металлического сердечника, в пазы которого традиционно укладывалась обмотка, что дало ряд важных преимуществ: удалось снизить момент инерции ротора, улучшив динамические свойства привода и облегчив его запуск, в том числе ограничив пиковый пусковой ток и снизив энергопотребление в целом. Стало возможным изготовить легкий и компактный мотор, пониженная индуктивность обмотки которого обеспечила ускоренный отклик при работе системы, т. е. меньшие электрическую и электромеханическую постоянные времени. В сочетании с этим применение редкоземельных магнитных материалов позволило конструировать двигатели с высоким удельным моментом, превышающим соответствующие значения у моторов традиционной конструкции. Также была улучшена эффективность за счет отсутствия взаимодействия магнитного поля и зубцов сердечника, что повысило плавность вращения и положительно сказалось на энергопотреблении и развиваемом моменте. Использование самоподдерживающейся обмотки легло в основу всей линейки моторов Faulhaber.
Помимо коллекторных двигателей постоянного тока с полым ротором группа компаний занимается разработкой, производством и продажей бесколлекторных двигателей, линейных, шаговых моторов, а также других компонентов привода: планетарных и цилиндрических редукторов, шариковинтовых передач, передач винт-гайка, энкодеров, управляющих контроллеров с различными интерфейсами, электромагнитных тормозов, аксессуаров для связи с ПК и др.
Использование преимуществ в различных отраслях
Указанные факторы как нельзя лучше сказались на возможности применения двигателей в авиации. Перспективным направлением стало оборудование салонов коммерческих авиалайнеров приводами для удобства пассажиров – для регулировки положения сидений, иллюминаторных шторок, выдвигающихся во время полета дисплеев. Помимо небольшого веса, низкого энергопотребления и малого уровня электромагнитного излучения плюсами стали пониженный уровень акустического шума и вибраций при работе моторов. Данные решения для салонов бизнес-класса были осуществлены ведущими компаниями-производителями на основе коллекторных двигателей, имеющих диаметр от 17 до 22 мм, в сочетании с планетарными редукторами и электромагнитными тормозами. Для данных проектов моторы выпускаются с доработками – нестандартными кабелями, коннекторами, специальной формой выходного вала.
Моторы выдерживают при испытаниях многократные ударные нагрузки 16g. Высокие показатели наработки на отказ и долгий срок обслуживания отвечают требованиям снижения времени простоя при ремонте и повышения удельной мощности для эффективного использования топлива.
Другим примером применения в авиатехнике могут служить беспилотные летательные аппараты – здесь микродвигатели Faulhaber используются для управления насосом, регулирующим давление в системе электронного впрыска топлива. Коллекторный мотор со щетками из серебряного сплава имеет диаметр 15 мм при мощности порядка 2,5 Вт, а пластиковый редуктор весом всего 5 граммов передает момент до 200 мНм. Вся сборка работает при температуре –30 … + 65 °C на высотах до 6 000 м. Двигатель обладает высокими надежностью и производительностью, имеет низкие энергопотребление и массу, что критически важно в таком малом летательном аппарате — любое сокращение веса означает увеличение времени полета или полезной нагрузки.
Более того, уменьшить размеры привода можно не только за счет двигателя, но и с помощью встраиваемой электроники — Faulhaber предлагает контроллеры скорости и движения, выполненные с ротором в одном корпусе или присоединенные к нему. Предельно компактный привод со встроенным контроллером удачно подошел для установки в малогабаритную и легкую прецизионную головку для лазерной сварки — мотор применен в механическом сканере, его контроллер задает ток в синусоидальную обмотку, что позволяет вычислить момент на валу мотора и силу прижатия электрода, позволяя с достаточной точностью регулировать расположение сварного шва на краях свариваемых листов. Встроенные аналоговые датчики на основе эффекта Холла позволяют определить положение ротора, по их сигналу и измеренному значению тока вырабатывается управляющий сигнал для лазерной головки. Данные с привода поступают в главный контроллер сварочного аппарата через интерфейс RS232. Улучшенные динамические характеристики мотора позволяют очень быстро подстраивать положение его вала в случае отклонения от задаваемого значения.
Факторы, благоприятные для внедрения моторов Faulhaber в проекты
Большинство изготавливаемой продукции Faulhaber представляет собой не просто изделия из каталога, а модифицированные варианты. Постоянно вносятся изменения в конструкцию моторов по желанию заказчика: поставляются двигатели с различной формой вала, длиной и расположением выводов, температурным диапазоном, пригодностью для работы в вакууме и др. Все это может быть доступно для небольших проектов, что выгодно отличает компанию от многих производителей малогабаритных электродвигателей, предлагающих крупные партии и вносящих модификации в изделие только при объеме заказа сотни или тысячи единиц продукции. Также Faulhaber осуществляет постоянную техническую поддержку своих покупателей, оказывая помощь в подборе оборудования и сервисное обслуживание после приобретения приводов. Качество изготовления, повторяемость параметров и надежность моторов стабильно превосходят азиатские аналоги.
Все больше микромоторов ежегодно поставляется по всему миру для ис-пользования в совершенно различных областях: от специальной оптики, промышленного оборудования и медицины до хозяйственных инструментов и развлекательных роботов. В России прецизионные микроприводы Faulhaber наиболее часто применяются в исследовательских проектах, среди них можно отметить промышленные манипуляторы, роботы телеинспекции, подводные аппараты, медицинское и лабораторное оборудование, вакуумные установки и др.
С.С. Махов,
журнал «Конструктор-машиностроитель, №2, 2014
