Dans les cardans de stabilisation optoélectroniques, les joints universels robotisés, les équipements de détection aéroportés et les exosquelettes portables, les équipements nécessitent souvent des unités d'entraînement capables de mouvements multi-angles, un acheminement de câbles creux, une conception extrêmement légère et un fonctionnement fluide et sans vibrations à basse vitesse..
De nombreux ingénieurs R&D étrangers confondent souvent les moteurs à joint de robot sans cadre conventionnels avec les moteurs sans cadre à cardan . Cependant, ces deux types de moteurs sont optimisés pour des conditions de fonctionnement très différentes.
Qu'est-ce qu'un moteur sans cadre à cardan ?
Définition de base
Un moteur sans cadre à cardan, également connu sous le nom de moteur couple sans cadre à cardan , est un type spécialisé de moteur sans cadre à aimant permanent et sans balais conçu spécifiquement pour les plates-formes de stabilisation de cardan et les joints universels multi-axes..
Comme les moteurs standard sans cadre, le moteur est fourni uniquement sous la forme d'un ensemble enroulement de stator + rotor à aimant permanent . Il ne comprend pas de boîtier, de roulements ou d'arbre de sortie. Il ne peut pas fonctionner comme un moteur autonome et doit être intégré directement dans la structure mécanique du cardan.
La plus grande différence entre un moteur sans cadre à cardan et un moteur sans cadre à joint robotique conventionnel réside dans sa conception de circuit magnétique mince et plat , optimisée pour un couple de maintien à faible vitesse et un couple d'encoche extrêmement faible.
L’objectif principal n’est pas la rotation à grande vitesse, mais plutôt :
Mouvement alternatif à petit angle
Tenue d'attitude précise
Positionnement fluide à basse vitesse
Suppression des vibrations
Fonctionnement stable dans les mécanismes à cardan
Le stator est fixé au boîtier de base du cardan, tandis que le rotor est directement monté sur l'arbre de pivotement principal du cardan. Les roulements à rouleaux croisés du cardan ou les roulements miniatures de précision fournissent un support de rotation.
Un grand alésage creux central est réservé aux câbles de signal et d'alimentation, empêchant ainsi la flexion et l'usure répétées des câbles lors de mouvements multi-angles.
Les encodeurs, capteurs de température, freins et pilotes de moteur ne sont normalement pas inclus avec le moteur lui-même . Ces composants sont sélectionnés et intégrés par le fabricant du système en fonction des exigences de l'équipement complet.
Deux principaux types structurels de moteurs sans cadre à cardan
Moteur sans cadre à cardan à rotor extérieur
Le rotor entoure l'extérieur du stator, ce qui en fait la configuration la plus largement utilisée pour les systèmes de stabilisation à cardan.
Sa structure plate en forme de crêpe offre un couple de maintien plus élevé pour le même diamètre extérieur, tout en conservant une inertie modérée du rotor et un mouvement fluide à basse vitesse.
Il convient pour :
Cardans de stabilisation de caméra
Plateformes de détection optoélectroniques
Petits joints universels robotisés
Systèmes de stabilisation compacts
La plupart des séries de moteurs à cardan HOLRY utilisent une configuration à rotor externe.
Moteur sans cadre à cardan à rotor intérieur
Dans une configuration à rotor interne, le rotor est positionné à l'intérieur du stator.
Cette conception offre :
Inertie du rotor inférieure
Réponse dynamique plus rapide
Épaisseur axiale plus petite
Couple de sortie relativement inférieur
Il est couramment utilisé dans :
Mécanismes de cardan miniatures
Poignets robotiques adroits
Petit matériel aéroporté
Systèmes de mouvement de précision compacts
Moteurs à cardan sans cadre par rapport aux moteurs à joint robotique sans cadre conventionnels
De nombreux ingénieurs tentent d'utiliser des moteurs robotiques sans cadre conventionnels dans des plates-formes à cardan. Cela peut souvent entraîner des vibrations à faible vitesse et un positionnement instable.
La raison fondamentale est que les deux types de moteurs sont optimisés autour de différents circuits magnétiques et exigences de fonctionnement.
Moteurs articulés robotiques conventionnels sans cadre
Objectif de conception : couple continu élevé, rotation continue à grand angle, fonctionnement à vitesse modérée.
Couple de cogging : les exigences en matière de couple de cogging sont relativement détendues car le moteur est principalement destiné à une rotation robotique continue.
Facteur de forme : généralement plus épais, avec un fort accent sur un couple de sortie élevé.
Conditions de fonctionnement : Rotation continue alternative ou à grand angle, avec charges dominées par l'inertie.
Applications typiques : articulations de l'épaule, du coude, de la hanche et du genou à axe unique dans les robots humanoïdes.
Moteurs sans cadre à cardan
Objectif de conception : mouvement à petit angle à faible vitesse, maintien d'attitude, rejet des perturbations et suppression des vibrations.
Optimisation du circuit magnétique : des aimants asymétriques et des enroulements à fentes fractionnaires sont utilisés pour minimiser le couple d'encoche et assurer un mouvement fluide des micro-angles.
Facteur de forme : la construction plate et fine réduit la taille et le poids global du cardan.
Conditions de fonctionnement : Mouvement alternatif fréquent à petit angle et maintien de la position statique contre les perturbations externes. Une vitesse de rotation élevée n’est généralement pas nécessaire.
Applications typiques : cardans optoélectroniques, articulations de poignet robotiques, mécanismes de détection et de balayage et articulations d'exosquelette portables.
Moteurs à cardan sans cadre par rapport aux moteurs à cardan conventionnels entièrement fermés
De nombreux moteurs à cardan disponibles dans le commerce sont fournis sous forme d'unités complètes avec boîtiers et roulements.
Leur principal avantage est la commodité du plug-and-play . Cependant, les dimensions et l'épaisseur fixes de leur boîtier peuvent limiter une intégration profonde dans les cavités des équipements. La taille de leur alésage creux peut également être limitée, ce qui rend difficile une personnalisation poussée au niveau du système.
En revanche, un moteur à cardan sans cadre est intégré directement dans la structure mécanique de l’équipement final.
Cela offre une plus grande flexibilité de conception et rend les moteurs sans cadre particulièrement adaptés aux projets de personnalisation OEM et de production de masse..
Principaux avantages des moteurs sans cadre à cardan
Couple de cogging extrêmement faible pour un mouvement à basse vitesse fluide et sans vibrations
L’un des plus grands défis des plates-formes à cardan réside dans les vibrations à faible vitesse et les changements d’attitude soudains.
Les moteurs sans cadre à cardan utilisent des technologies telles que des aimants permanents asymétriques et des enroulements à fentes fractionnaires pour réduire considérablement le couple d'engrenage.
Cela permet :
Mouvement fluide à micro-angle
Tenue d'attitude stable
Meilleure résistance aux vibrations externes
Imagerie et détection optiques stables
Ces caractéristiques sont particulièrement importantes pour les systèmes de stabilisation optoélectroniques, où même de petites perturbations induites par le moteur peuvent affecter la qualité de l'image.
Conception plate et fine pour un équipement léger et compact
En éliminant les composants inutiles tels que les boîtiers et les couvercles d'extrémité, le moteur adopte une structure compacte de type crêpe qui réduit considérablement l'épaisseur axiale.
Comparés aux moteurs à cardan entièrement fermés fournissant un couple similaire, les moteurs sans cadre peuvent atteindre un poids nettement inférieur.
Cela les rend particulièrement adaptés aux applications dans des espaces restreints telles que :
Grand alésage creux pour un acheminement interne fiable des câbles
Un grand alésage central creux permet aux câbles de signal et d'alimentation de passer directement à travers le moteur.
Lors du mouvement du cardan multi-angle, les câbles peuvent rester acheminés par le centre plutôt que de se plier à plusieurs reprises autour du mécanisme.
Cela aide :
Réduire la fatigue des câbles
Minimiser les dommages aux câbles
Simplifier le câblage du système
Améliorer la fiabilité des équipements à long terme
Entraînement direct sans jeu pour un positionnement de haute précision
Le rotor est directement monté sur l'arbre de pivotement principal du cardan, éliminant ainsi les accouplements et les réducteurs.
Cela supprime le jeu de la transmission et permet :
Ces caractéristiques sont particulièrement précieuses dans les équipements de détection de précision et de suivi optique.
Gestion thermique flexible pour les applications de maintien statique
Les mécanismes à cardan passent souvent des périodes significatives dans un état de maintien de position statique. Pendant ce temps, les enroulements peuvent rester sous tension en permanence et générer de la chaleur.
Étant donné que le stator d'un moteur sans cadre peut être directement monté sur la base du cardan en alliage d'aluminium, la chaleur peut être transférée directement dans le boîtier.
En fonction de l'environnement d'exploitation, l'enrobage et l'encapsulation thermique peuvent également être appliqués pour améliorer le transfert de chaleur.
Cela permet d'éviter la surchauffe lors d'un maintien d'attitude de longue durée.
Haute personnalisation pour les projets OEM mondiaux
Les moteurs sans cadre à cardan HOLRY prennent en charge la personnalisation de :
Les moteurs peuvent être configurés pour des systèmes CC basse tension 24 V/48 V et adaptés aux environnements étrangers exigeants, notamment aux conditions de haute température, de basse température et de forte humidité.
HOLRY peut également fournir une documentation technique complète en anglais pour soutenir les projets OEM internationaux.
Limites des moteurs sans cadre à cardan
Malgré leurs avantages, les moteurs à cardan sans cadre présentent également plusieurs limitations inhérentes.
1. Exigences d'intégration plus élevées
Étant donné que le moteur ne comprend ni roulements ni boîtier, l'équipe d'ingénierie système doit concevoir la cavité mécanique, sélectionner des roulements miniatures de précision, développer des outils d'assemblage et faire correspondre l'encodeur.
Par conséquent, ces moteurs ne sont pas idéaux pour les clients ne disposant pas de capacités d’intégration électromécanique suffisantes.
2. Très sensible à la concentricité de l'assemblage
Les mécanismes à cardan sont souvent compacts et présentent de très petits entrefers rotor-stator.
Un mauvais alignement de l'assemblage peut provoquer un contact rotor-stator, une augmentation des vibrations et même une panne du moteur.
Pour les clients étrangers ne disposant pas de capacités d’assemblage de précision, le risque de défaillance peut augmenter considérablement.
3. Ne convient pas au fonctionnement à grande vitesse
Le moteur est principalement optimisé pour les mouvements à basse vitesse et le couple de maintien plutôt que pour la rotation continue à grande vitesse.
Principales applications des moteurs sans cadre à cardan
Cardans de détection optoélectroniques
Les applications typiques incluent :
Ces systèmes doivent résister aux vibrations externes et maintenir une orientation optique stable.
La structure fine du moteur permet d'économiser un espace d'installation précieux, tandis que l'alésage creux simplifie le routage des câbles optiques, de signal et d'alimentation.
Articulations de poignet universelles robotiques
Les moteurs sans cadre à cardan peuvent être utilisés dans :
Ils offrent un mouvement à plusieurs degrés de liberté tout en réduisant le poids de l'effecteur final et en permettant un micro-ajustement en douceur pendant la préhension et la manipulation.
Exosquelettes portables et équipements de rééducation
Les applications incluent :
Articulations d'exosquelettes portables
Mécanismes de formation en réadaptation
Systèmes d'assistance au mouvement compacts
Le poids est un facteur critique pour les équipements portables. La conception légère des moteurs sans cadre, combinée à un mouvement fluide à basse vitesse, contribue à améliorer le confort et la sécurité de l'utilisateur.
Mécanismes de cardan de précision industriels et médicaux spécialisés
Les applications potentielles comprennent :
Modules de rotation en imagerie médicale
Plateformes de positionnement de précision en laboratoire
Équipement d'inspection spécialisé
Systèmes de détection de précision
Ces applications nécessitent généralement :
Applications non recommandées : mécanismes de rotation continue à grande vitesse, prototypes rapides sans capacités d'intégration mécanique suffisantes et applications simples à couple élevé sur un seul axe. Les moteurs à joint sans cadre conventionnels sont généralement plus adaptés à ces applications.
Cinq facteurs clés lors de la sélection d'un moteur sans cadre à cardan
De nombreux clients étrangers sélectionnent les moteurs principalement en fonction du couple nominal, tout en négligeant les paramètres spécifiques au cardan tels que le couple d'encoche, le couple de maintien, l'épaisseur du moteur et l'inertie du rotor..
Cela peut entraîner des difficultés lors de l’intégration et de la mise en service du système.
Distinguer le couple de maintien du couple de pointe
La plupart des applications de cardan impliquent un maintien d'attitude statique et un mouvement alternatif à petit angle.
Le paramètre clé est donc le couple de maintien continu , qui détermine la capacité du moteur à résister aux perturbations externes.
Le couple maximal concerne principalement les accélérations de courte durée et les mouvements rapides.
Pour les environnements à haute température à l'étranger, il est recommandé de maintenir une marge de sécurité de couple de 20 à 30 % plutôt que de sélectionner un moteur en fonction uniquement de son couple nominal maximal.
Portez une attention particulière au couple de crémaillère
Le couple de crémaillère est l'un des paramètres les plus importants pour les moteurs à cardan car il affecte directement la douceur et les vibrations à basse vitesse.
Pour les applications optoélectroniques et de cardan de précision, il est recommandé de prioriser les moteurs avec :
Couple de crantage ≤ 2 % du couple nominal
Les moteurs robotiques sans cadre conventionnels ont généralement des exigences de couple de crémaillère moins strictes. Leur utilisation directement dans les plates-formes à cardan peut facilement entraîner des vibrations et une dérive de positionnement.
Vérifiez l'épaisseur du moteur, le diamètre extérieur et l'alésage creux.
L'espace interne dans les mécanismes à cardan est souvent extrêmement limité.
L'épaisseur axiale est donc une contrainte de conception critique.
Le diamètre du trou creux doit également être vérifié afin de garantir un espace suffisant pour les câbles de signal et de puissance.
HOLRY prend en charge les conceptions de moteurs plats et minces personnalisées pour les cavités mécaniques compactes.
Faire correspondre l'inertie du rotor
Les systèmes à cardan doivent réagir rapidement aux perturbations externes.
L'inertie du rotor doit donc être soigneusement adaptée au système mécanique.
Si l'inertie est trop élevée ou mal adaptée, la plateforme peut osciller et le réglage du PID peut devenir difficile.
Lors de la sélection d'un moteur, le fournisseur doit fournir la valeur d'inertie du rotor afin que le fabricant du système puisse effectuer des simulations dynamiques et des calculs de contrôle de mouvement.
Tenir compte des exigences environnementales et électriques à l’étranger
Pour les régions à haute température, un empotage des enroulements peut être nécessaire pour améliorer la conductivité thermique.
Pour les environnements à basse température, des aimants résistants aux basses températures doivent être sélectionnés pour réduire le risque de démagnétisation.
La tension du bus du moteur doit également être compatible avec l'alimentation électrique du système.
Pour les projets OEM internationaux, les fournisseurs devraient idéalement fournir :
Fiches techniques en anglais
Instructions de montage
Spécifications électriques
Courbes de performances du moteur
Documentation technique liée à l'exportation
Erreurs d'intégration courantes
Erreur 1 : remplacer un moteur sans cadre à cardan par un moteur robotique sans cadre conventionnel
Les moteurs conventionnels sans cadre sont généralement optimisés pour une rotation à grand angle.
Leur couple de crantage peut être trop élevé pour un mouvement du cardan à petit angle, ce qui entraîne des vibrations continues et un maintien d'attitude instable.
Même si le couple nominal semble correspondre, le remplacement direct n'est généralement pas recommandé.
Erreur 2 : le traiter comme un moteur à cardan complet
Un moteur sans cadre à cardan se compose généralement uniquement du stator et du rotor.
Il n'inclut pas les roulements, le support mécanique ou l'encodeur requis pour un système de cardan complet.
Il ne peut pas simplement être alimenté comme un moteur à cardan fini autonome.
Une mise sous tension directe sans intégration mécanique appropriée peut provoquer un contact rotor-stator et des dommages à l'aimant permanent.
Erreur 3 : ignorer les exigences de concentricité et d'espace d'air
Les mécanismes à cardan sont compacts et présentent souvent de très petits entrefers rotor-stator.
Une mauvaise concentricité peut entraîner :
Vibration
Bruit
Contact rotor-stator
Usure accrue
Panne moteur
Le fournisseur doit fournir une documentation d'assemblage claire en anglais spécifiant les tolérances d'entrefer et de concentricité requises.
Erreur 4 : se concentrer uniquement sur le couple et ignorer le couple de crémaillère
Un moteur peut fournir un couple suffisant tout en ayant un couple d'engrenage excessif.
Cela peut provoquer des vibrations à faible vitesse, un mouvement instable du cardan et un tremblement de l'image dans les systèmes optiques.
Lors de l'achat d'un moteur sans cadre à cardan, les acheteurs doivent demander les données réelles des tests de couple d'encoche . au fournisseur
Erreur 5 : ignorer la gestion thermique pendant le maintien statique
Les systèmes à cardan peuvent rester verrouillés dans une attitude spécifique pendant des périodes prolongées, ce qui fait que les enroulements restent sous tension et génèrent de la chaleur.
Étant donné que le moteur sans cadre ne possède pas sa propre structure de refroidissement complète, la dissipation thermique doit reposer en grande partie sur le boîtier du cardan.
Pour les applications dans des climats chauds, la conception thermique doit être évaluée au début du projet.
Sinon, une surchauffe et une démagnétisation par aimant permanent pourraient se produire.
FAQ
Q1 : Un moteur sans cadre à cardan nécessite-t-il une boîte de vitesses ?
R : La plupart des plates-formes à cardan utilisent une configuration à entraînement direct et ne nécessitent pas de boîte de vitesses.
Une boîte de vitesses de précision miniature peut être nécessaire uniquement pour les mécanismes à cardan robustes ou à charge élevée.
Q2 : Un moteur sans cadre à cardan comprend-il un encodeur et un frein ?
R : Les produits standard n’incluent généralement pas d’encodeur ou de frein.
Il s'agit de composants au niveau du système sélectionnés en fonction des exigences de l'équipement complet.
HOLRY peut réserver des interfaces de montage de capteurs pour faciliter l'intégration du codeur par le fabricant de l'équipement.
Q3 : Quels documents techniques les acheteurs étrangers doivent-ils demander au fournisseur ?
R : La documentation recommandée comprend :
Fiche technique du moteur
Courbes de couple et de maintien
Rapport d'essai de couple d'encoche
Données d'inertie du rotor
Exigences en matière d'entrefer rotor-stator
Concentricité et tolérances d'assemblage
Paramètres de résistance et d'inductance du bobinage
Manuel de montage en anglais
Documentation d'exportation et de certification pertinente
Q4 : Comment dois-je choisir entre un moteur sans cadre à cardan à rotor extérieur et à rotor intérieur ?
R : Pour les applications nécessitant un couple de maintien plus élevé et une structure de cardan plate et fine, une conception à rotor externe est généralement préférée.
Pour les mécanismes miniatures où une inertie extrêmement faible et une réponse dynamique rapide sont les priorités, une conception à rotor interne peut être plus adaptée.
Q5 : Quelles sont les causes de défaillance les plus courantes des moteurs sans cadre à cardan ?
R : Les causes de défaillance courantes incluent :
Couple d'encoche excessif provoquant des vibrations
Mauvaise concentricité de l'assemblage provoquant un contact rotor-stator
Gestion thermique insuffisante lors du maintien statique
Surchauffe et démagnétisation par aimant permanent
Mauvaise correspondance des paramètres du moteur et du pilote
Paramètres de contrôle incorrects provoquant une oscillation d'attitude
Conclusion
HOLRY se spécialise dans la R&D et la fabrication de moteurs à cardan sans cadre et de moteurs couple sans cadre.
HOLRY propose des moteurs sans cadre à cardan standard et personnalisés, y compris des séries de moteurs plats à rotor interne et à rotor externe , pour des applications telles que les cardans optoélectroniques, les articulations de poignet robotiques, les exosquelettes portables et les équipements de stabilisation de précision.
Avec une documentation technique complète en anglais et un support technique OEM, HOLRY accompagne ses clients mondiaux tout au long du cycle de vie du produit, du développement du prototype à la production de masse..
Si vous sélectionnez actuellement un moteur pour un système d'entraînement à cardan, contactez l' équipe technique HOLRY avec vos conditions de charge, l'espace d'installation disponible et le marché d'exportation cible pour recevoir une évaluation gratuite de sélection de moteur..
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