Trong gimbals ổn định quang điện tử, khớp nối vạn năng robot, thiết bị phát hiện trên không và khung ngoài di động, thiết bị thường yêu cầu bộ truyền động có khả năng chuyển động đa góc, định tuyến cáp rỗng, thiết kế cực nhẹ và hoạt động trơn tru, không rung ở tốc độ thấp.
Nhiều kỹ sư R&D ở nước ngoài thường nhầm lẫn động cơ khớp robot không khung thông thường với động cơ không khung gimbal . Tuy nhiên, hai loại động cơ này được tối ưu hóa cho các điều kiện vận hành rất khác nhau.
Động cơ không khung Gimbal là gì?
Định nghĩa cơ bản
Gimbal frameless motor hay còn gọi là gimbal frameless moment motor là loại động cơ không khung không chổi than nam châm vĩnh cửu chuyên dụng được thiết kế dành riêng cho nền tảng ổn định gimbal và khớp nối đa trục đa trục.
Giống như động cơ không khung tiêu chuẩn, động cơ chỉ được cung cấp dưới dạng cụm dây quấn stato + rôto nam châm vĩnh cửu . Nó không bao gồm vỏ, vòng bi hoặc trục đầu ra. Nó không thể hoạt động như một động cơ độc lập và phải được tích hợp trực tiếp vào cấu trúc cơ khí của gimbal.
Sự khác biệt lớn nhất giữa động cơ không khung gimbal và động cơ không khung khớp robot thông thường là thiết kế mạch từ phẳng, mỏng , được tối ưu hóa cho mô-men xoắn giữ tốc độ thấp và mô-men xoắn cực thấp.
Mục tiêu chính không phải là quay tốc độ cao mà là:
Chuyển động tịnh tiến góc nhỏ
Giữ thái độ chính xác
Định vị tốc độ thấp mượt mà
Chống rung
Hoạt động ổn định trong cơ chế gimbal
Stator được cố định vào vỏ đế gimbal, trong khi rôto được gắn trực tiếp vào trục xoay chính của gimbal. Vòng bi lăn chéo hoặc vòng bi thu nhỏ chính xác của gimbal cung cấp khả năng hỗ trợ quay.
Một lỗ rỗng lớn ở trung tâm được dành riêng cho cáp tín hiệu và cáp điện, ngăn chặn tình trạng cáp bị cong và mòn nhiều lần khi di chuyển theo nhiều góc.
Bộ mã hóa, cảm biến nhiệt độ, phanh và trình điều khiển động cơ thường không được bao gồm trong động cơ . Các thành phần này được nhà sản xuất hệ thống lựa chọn và tích hợp theo yêu cầu của thiết bị hoàn chỉnh.
Hai loại kết cấu chính của động cơ không khung Gimbal
Động cơ không khung Gimbal ngoài cánh quạt
Rôto bao quanh bên ngoài stato, khiến đây trở thành cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất cho hệ thống ổn định gimbal.
Cấu trúc phẳng, giống như chiếc bánh kếp của nó cung cấp mô-men xoắn giữ cao hơn ở cùng đường kính ngoài, đồng thời duy trì quán tính rôto vừa phải và chuyển động mượt mà ở tốc độ thấp.
Nó phù hợp cho:
Hầu hết các dòng gimbal motor của HOLRY đều sử dụng cấu hình rotor ngoài.
Động cơ không khung Gimbal bên trong
Trong cấu hình rôto bên trong, rôto được đặt bên trong stato.
Thiết kế này cung cấp:
Nó thường được sử dụng trong:
Động cơ không khung Gimbal so với Động cơ không khung robot thông thường
Nhiều kỹ sư cố gắng sử dụng động cơ không khung robot thông thường trong nền tảng gimbal. Điều này thường có thể dẫn đến rung động ở tốc độ thấp và định vị không ổn định..
Lý do cơ bản là hai loại động cơ được tối ưu hóa theo các yêu cầu vận hành và mạch từ khác nhau.
Động cơ khớp không khung robot thông thường
Mục tiêu thiết kế: Mô-men xoắn liên tục cao, góc quay liên tục lớn, vận hành ở tốc độ vừa phải.
Mô-men xoắn bánh răng: Các yêu cầu về mô-men xoắn bánh răng tương đối thoải mái vì động cơ chủ yếu được thiết kế để robot quay liên tục.
Hệ số hình thức: Thường dày hơn, tập trung mạnh vào công suất mô-men xoắn cao.
Điều kiện hoạt động: Chuyển động tịnh tiến liên tục hoặc quay góc lớn, với tải trọng quán tính chiếm ưu thế.
Các ứng dụng điển hình: Các khớp vai, khuỷu tay, hông và đầu gối đơn trục trong robot hình người.
Động cơ không khung Gimbal
Mục tiêu thiết kế: Chuyển động góc nhỏ tốc độ thấp, giữ tư thế, loại bỏ nhiễu và triệt tiêu rung động.
Tối ưu hóa mạch từ: Nam châm lệch và cuộn dây có khe phân đoạn được sử dụng để giảm thiểu mô-men xoắn và đảm bảo chuyển động góc vi mô trơn tru.
Yếu tố hình thức: Cấu trúc phẳng và mỏng làm giảm kích thước và trọng lượng tổng thể của gimbal.
Điều kiện hoạt động: Thường xuyên chuyển động tịnh tiến góc nhỏ và giữ vị trí tĩnh để chống lại các nhiễu loạn bên ngoài. Tốc độ quay cao thường không cần thiết.
Các ứng dụng điển hình: Gimbal quang điện tử, khớp cổ tay robot, cơ chế phát hiện và quét cũng như khớp xương ngoài di động.
Động cơ không khung Gimbal so với Động cơ Gimbal kín hoàn toàn thông thường
Nhiều động cơ gimbal có bán trên thị trường được cung cấp dưới dạng bộ phận hoàn chỉnh với vỏ và vòng bi.
Ưu điểm chính của chúng là sự tiện lợi của plug-and-play . Tuy nhiên, kích thước và độ dày vỏ cố định của chúng có thể hạn chế khả năng tích hợp sâu vào các khoang thiết bị. Kích thước lỗ rỗng của chúng cũng có thể bị hạn chế, khiến việc tùy chỉnh ở cấp hệ thống rộng rãi trở nên khó khăn.
Ngược lại, động cơ không khung gimbal được tích hợp trực tiếp vào cấu trúc cơ khí của thiết bị cuối cùng.
Điều này mang lại sự linh hoạt hơn trong thiết kế và làm cho động cơ không khung đặc biệt phù hợp cho các dự án sản xuất hàng loạt và tùy chỉnh OEM.
Ưu điểm chính của động cơ không khung Gimbal
Mô-men xoắn cực thấp cho chuyển động tốc độ thấp mượt mà, không rung
Một trong những thách thức lớn nhất của nền tảng gimbal là độ rung ở tốc độ thấp và những thay đổi thái độ đột ngột.
Động cơ không khung Gimbal sử dụng các công nghệ như nam châm vĩnh cửu lệch và cuộn dây có khe phân đoạn để giảm đáng kể mô-men xoắn bánh răng.
Điều này cho phép:
Chuyển động góc vi mô mượt mà
Giữ thái độ ổn định
Khả năng chống rung động bên ngoài tốt hơn
Phát hiện và hình ảnh quang học ổn định
Những đặc điểm này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống ổn định quang điện tử, trong đó ngay cả những nhiễu loạn nhỏ do động cơ gây ra cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh.
Thiết kế phẳng và mỏng cho thiết bị nhẹ, nhỏ gọn
Bằng cách loại bỏ các thành phần không cần thiết như vỏ và nắp cuối, động cơ sử dụng cấu trúc kiểu bánh kếp nhỏ gọn giúp giảm đáng kể độ dày trục.
So với động cơ gimbal được bao bọc hoàn toàn cung cấp mô-men xoắn tương tự, động cơ không khung có thể đạt được trọng lượng thấp hơn đáng kể.
Điều này làm cho chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng có không gian hạn chế như:
Thiết bị trên không
Thiết bị di động
Cổ tay robot
Nền tảng ổn định nhỏ gọn
Lỗ rỗng lớn để định tuyến cáp nội bộ đáng tin cậy
Một lỗ rỗng lớn ở trung tâm cho phép cáp tín hiệu và cáp nguồn đi trực tiếp qua động cơ.
Trong quá trình di chuyển gimbal đa góc, dây cáp có thể vẫn được định tuyến qua trung tâm thay vì phải uốn cong nhiều lần xung quanh cơ chế.
Điều này giúp:
Truyền động trực tiếp không có phản ứng dữ dội để định vị có độ chính xác cao
Rôto được gắn trực tiếp vào trục quay chính của gimbal, loại bỏ các khớp nối và bánh răng giảm tốc.
Điều này loại bỏ phản ứng dữ dội khi truyền và cho phép:
Những đặc điểm này đặc biệt có giá trị trong thiết bị phát hiện chính xác và theo dõi quang học.
Quản lý nhiệt linh hoạt cho các ứng dụng giữ tĩnh
Cơ chế Gimbal thường dành thời gian đáng kể ở trạng thái giữ vị trí tĩnh. Trong thời gian này, cuộn dây có thể vẫn được cấp điện liên tục và sinh nhiệt.
Vì stator của động cơ không khung có thể được gắn trực tiếp vào đế gimbal bằng hợp kim nhôm nên nhiệt có thể được truyền trực tiếp vào vỏ.
Tùy thuộc vào môi trường hoạt động, bầu và đóng gói nhiệt cũng có thể được áp dụng để cải thiện khả năng truyền nhiệt.
Điều này giúp tránh hiện tượng quá nhiệt khi giữ thái độ trong thời gian dài.
Tùy biến cao cho các dự án OEM toàn cầu
Động cơ không khung gimbal HOLRY hỗ trợ tùy chỉnh:
Động cơ có thể được cấu hình cho hệ thống DC điện áp thấp 24 V / 48 V và thích ứng với môi trường đòi hỏi khắt khe ở nước ngoài, bao gồm các điều kiện nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và độ ẩm cao.
HOLRY cũng có thể cung cấp tài liệu kỹ thuật toàn diện bằng tiếng Anh để hỗ trợ các dự án OEM quốc tế.
Hạn chế của động cơ không khung Gimbal
Mặc dù có những ưu điểm nhưng động cơ không khung gimbal cũng có một số hạn chế cố hữu.
1. Yêu cầu tích hợp cao hơn
Vì động cơ không bao gồm vòng bi hoặc vỏ nên nhóm kỹ thuật hệ thống phải thiết kế khoang cơ khí, chọn vòng bi thu nhỏ chính xác, phát triển công cụ lắp ráp và khớp bộ mã hóa.
Do đó, những động cơ này không lý tưởng cho những khách hàng không có đủ khả năng tích hợp cơ điện.
2. Rất nhạy cảm với độ đồng tâm lắp ráp
Cơ chế Gimbal thường nhỏ gọn và có khe hở không khí rôto-stator rất nhỏ.
Việc lắp ráp sai lệch có thể gây ra sự tiếp xúc giữa rôto và stato, tăng độ rung và thậm chí làm hỏng động cơ.
Đối với khách hàng nước ngoài không có khả năng lắp ráp chính xác, nguy cơ hỏng hóc có thể tăng lên đáng kể.
3. Không phù hợp để vận hành ở tốc độ cao
Động cơ được tối ưu hóa chủ yếu cho chuyển động tốc độ thấp và giữ mô-men xoắn thay vì quay tốc độ cao liên tục.
Các ứng dụng chính của động cơ không khung Gimbal
Gimbals phát hiện quang điện tử
Các ứng dụng điển hình bao gồm:
Các hệ thống này phải chống rung động bên ngoài và duy trì định hướng quang học ổn định.
Cấu trúc động cơ mỏng giúp tiết kiệm không gian lắp đặt quý giá, trong khi lỗ rỗng giúp đơn giản hóa việc định tuyến cáp quang, tín hiệu và cáp nguồn.
Khớp cổ tay phổ thông robot
Động cơ không khung Gimbal có thể được sử dụng trong:
Robot cộng tác
Robot hình người
Cánh tay robot khéo léo
Cơ chế cổ tay đa trục
Chúng cung cấp chuyển động đa bậc tự do đồng thời giảm trọng lượng của bộ phận tác động cuối và cho phép điều chỉnh vi mô mượt mà trong quá trình cầm nắm và thao tác.
Bộ xương ngoài di động và thiết bị phục hồi chức năng
Các ứng dụng bao gồm:
Khớp xương ngoài có thể đeo được
Cơ chế đào tạo phục hồi chức năng
Hệ thống chuyển động hỗ trợ nhỏ gọn
Trọng lượng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với thiết bị đeo được. Thiết kế nhẹ của động cơ không khung, kết hợp với chuyển động mượt mà ở tốc độ thấp giúp nâng cao sự thoải mái và an toàn cho người dùng.
Cơ chế Gimbal chính xác chuyên dụng trong công nghiệp và y tế
Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:
Mô-đun xoay hình ảnh y tế
Nền tảng định vị chính xác trong phòng thí nghiệm
Thiết bị kiểm tra chuyên dụng
Hệ thống phát hiện chính xác
Các ứng dụng này thường yêu cầu:
Độ rung thấp
Tiếng ồn thấp
Độ chính xác định vị cao
Tích hợp cơ khí nhỏ gọn
Các ứng dụng không được đề xuất: Cơ chế quay liên tục tốc độ cao, nguyên mẫu nhanh mà không có đủ khả năng tích hợp cơ học và các ứng dụng mô-men xoắn cao một trục đơn giản. Động cơ khớp không khung thông thường thường phù hợp hơn cho các ứng dụng này.
Năm yếu tố chính khi chọn động cơ không khung Gimbal
Nhiều khách hàng nước ngoài lựa chọn động cơ chủ yếu dựa trên xếp hạng mô-men xoắn trong khi bỏ qua các thông số cụ thể của gimbal như mô-men xoắn bánh răng, mô-men xoắn giữ, độ dày động cơ và quán tính rôto.
Điều này có thể gây khó khăn trong quá trình tích hợp và vận hành hệ thống.
Phân biệt mô-men xoắn giữ với mô-men xoắn cực đại
Hầu hết các ứng dụng gimbal đều liên quan đến việc giữ thái độ tĩnh và chuyển động qua lại góc nhỏ.
Do đó, thông số quan trọng là mômen giữ liên tục , xác định khả năng chống lại các nhiễu động bên ngoài của động cơ.
Mô-men xoắn cực đại chủ yếu liên quan đến khả năng tăng tốc trong thời gian ngắn và chuyển động nhanh.
Đối với môi trường ở nước ngoài có nhiệt độ cao, nên duy trì biên độ an toàn mô-men xoắn 20–30% thay vì chọn động cơ chỉ dựa trên định mức mô-men xoắn cực đại của nó.
Hãy chú ý đến mô-men xoắn cogging
Mô-men xoắn cogging là một trong những thông số quan trọng nhất đối với động cơ gimbal vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ mượt và độ rung ở tốc độ thấp.
Đối với các ứng dụng gimbal quang điện tử và độ chính xác cao, nên ưu tiên các động cơ có:
Mô-men xoắn 2% mô-men xoắn định mức
Động cơ robot không khung thông thường thường có yêu cầu về mô-men xoắn ít nghiêm ngặt hơn. Sử dụng chúng trực tiếp trên nền tảng gimbal có thể dễ dàng dẫn đến hiện tượng rung và lệch vị trí.
Xác minh độ dày của động cơ, đường kính ngoài và lỗ rỗng
Không gian bên trong cơ chế gimbal thường cực kỳ hạn chế.
Do đó, độ dày trục là một hạn chế thiết kế quan trọng.
Đường kính lỗ rỗng cũng phải được kiểm tra để đảm bảo đủ không gian cho cáp tín hiệu và cáp nguồn.
HOLRY hỗ trợ các thiết kế động cơ phẳng và mỏng tùy chỉnh cho các khoang cơ khí nhỏ gọn.
Quán tính rôto phù hợp
Hệ thống Gimbal cần phản ứng nhanh với các nhiễu loạn bên ngoài.
Do đó, quán tính của rôto phải được kết hợp cẩn thận với hệ thống cơ khí.
Nếu quán tính quá cao hoặc kém khớp, sàn có thể dao động và việc điều chỉnh PID có thể trở nên khó khăn.
Khi lựa chọn động cơ, nhà cung cấp phải cung cấp giá trị quán tính của rôto để nhà sản xuất hệ thống có thể thực hiện các mô phỏng động học và tính toán điều khiển chuyển động.
Xem xét các yêu cầu về môi trường và điện ở nước ngoài
Đối với những vùng có nhiệt độ cao, có thể cần phải quấn bầu để cải thiện tính dẫn nhiệt.
Đối với môi trường nhiệt độ thấp, nên chọn nam châm chịu nhiệt độ thấp để giảm nguy cơ khử từ.
Điện áp bus của động cơ cũng phải tương thích với nguồn điện của hệ thống.
Đối với các dự án OEM quốc tế, nhà cung cấp lý tưởng nhất nên cung cấp:
Những lỗi tích hợp phổ biến
Sai lầm 1: Thay thế Động cơ không khung Gimbal bằng Động cơ không khung Robot thông thường
Động cơ không khung thông thường thường được tối ưu hóa để quay góc lớn.
Mô-men xoắn bánh răng của chúng có thể quá cao đối với chuyển động của gimbal ở góc nhỏ, dẫn đến rung liên tục và tư thế giữ không ổn định.
Ngay cả khi định mức mô-men xoắn có vẻ phù hợp thì việc thay thế trực tiếp thường không được khuyến khích.
Sai lầm 2: Coi nó như một động cơ Gimbal hoàn chỉnh
Động cơ không khung gimbal thường chỉ bao gồm stato và rôto.
Nó không bao gồm vòng bi, giá đỡ cơ học hoặc bộ mã hóa cần thiết cho hệ thống gimbal hoàn chỉnh.
Nó không thể đơn giản được cấp nguồn như một động cơ gimbal hoàn thiện độc lập.
Việc cấp điện trực tiếp mà không có sự tích hợp cơ học thích hợp có thể gây ra sự tiếp xúc giữa rôto và stato và hư hỏng nam châm vĩnh cửu.
Sai lầm 3: Bỏ qua các yêu cầu về độ đồng tâm và khe hở không khí
Cơ cấu Gimbal nhỏ gọn và thường có khe hở không khí rôto-stator rất nhỏ.
Độ đồng tâm kém có thể dẫn đến:
Rung
Tiếng ồn
Tiếp điểm rôto-stato
Tăng độ mài mòn
Lỗi động cơ
Nhà cung cấp phải cung cấp tài liệu lắp ráp bằng tiếng Anh rõ ràng nêu rõ khe hở không khí và dung sai độ đồng tâm cần thiết.
Sai lầm 4: Chỉ tập trung vào mô-men xoắn và bỏ qua mô-men xoắn
Một động cơ có thể cung cấp đủ mô-men xoắn trong khi vẫn có mô-men xoắn quá mức.
Điều này có thể gây rung ở tốc độ thấp, chuyển động của gimbal không ổn định và rung hình trong hệ thống quang học.
Khi mua động cơ không khung gimbal, người mua nên yêu cầu dữ liệu kiểm tra mô-men xoắn thực tế từ nhà cung cấp.
Sai lầm 5: Bỏ qua việc quản lý nhiệt trong quá trình giữ tĩnh
Hệ thống Gimbal có thể vẫn bị khóa ở một tư thế cụ thể trong thời gian dài, khiến cuộn dây vẫn có điện và tạo ra nhiệt.
Vì động cơ không khung không có cấu trúc làm mát hoàn chỉnh riêng nên khả năng tản nhiệt phải phụ thuộc rất nhiều vào housing gimbal.
Đối với các ứng dụng ở vùng khí hậu nóng, thiết kế tản nhiệt cần được đánh giá ngay từ đầu dự án.
Nếu không, có thể xảy ra quá nhiệt và khử từ nam châm vĩnh cửu.
Câu hỏi thường gặp
Câu hỏi 1: Động cơ không khung gimbal có cần hộp số không?
Trả lời: Hầu hết các nền tảng gimbal đều sử dụng cấu hình truyền động trực tiếp và không yêu cầu hộp số.
Một hộp số chính xác thu nhỏ có thể chỉ cần thiết cho các cơ chế gimbal chịu tải nặng hoặc nặng.
Câu hỏi 2: Động cơ không khung gimbal có bao gồm bộ mã hóa và phanh không?
Trả lời: Các sản phẩm tiêu chuẩn thường không bao gồm bộ mã hóa hoặc phanh.
Đây là các thành phần cấp hệ thống được lựa chọn theo yêu cầu của thiết bị hoàn chỉnh.
HOLRY có thể dự trữ các giao diện gắn cảm biến để tạo điều kiện thuận lợi cho nhà sản xuất thiết bị tích hợp bộ mã hóa.
Câu 3: Người mua ở nước ngoài nên yêu cầu nhà cung cấp những tài liệu kỹ thuật nào?
Đáp: Tài liệu được đề xuất bao gồm:
Bảng dữ liệu động cơ
Đường cong mô-men xoắn và mô-men xoắn giữ
Báo cáo thử nghiệm mô men xoắn
Dữ liệu quán tính rôto
Yêu cầu về khe hở không khí rôto-stator
Độ đồng tâm và dung sai lắp ráp
Thông số điện trở và độ tự cảm của cuộn dây
Hướng dẫn lắp ráp tiếng anh
Tài liệu chứng nhận và xuất khẩu có liên quan
Câu hỏi 4: Tôi nên chọn động cơ không khung gimbal rôto bên ngoài và động cơ không khung rôto bên trong như thế nào?
Trả lời: Đối với các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn giữ cao hơn và cấu trúc gimbal phẳng, mỏng, thiết kế cánh quạt bên ngoài thường được ưu tiên hơn.
Đối với các cơ cấu thu nhỏ trong đó quán tính cực thấp và phản ứng động nhanh là ưu tiên hàng đầu, thiết kế rôto bên trong có thể phù hợp hơn.
Câu hỏi 5: Nguyên nhân hỏng hóc phổ biến nhất của động cơ không khung gimbal là gì?
Đáp: Các nguyên nhân hư hỏng thường gặp bao gồm:
Mô-men xoắn quá mức gây ra rung động
Độ đồng tâm lắp ráp kém gây ra sự tiếp xúc giữa rôto và stato
Quản lý nhiệt không đủ trong quá trình giữ tĩnh
Quá nhiệt và khử từ nam châm vĩnh cửu
Kết hợp thông số trình điều khiển động cơ không chính xác
Thông số điều khiển không chính xác gây ra dao động thái độ
Phần kết luận
HOLRY chuyên về R&D và sản xuất động cơ không khung gimbal và động cơ mô-men xoắn không khung.
HOLRY cung cấp cả động cơ không khung gimbal tiêu chuẩn và tùy chỉnh, bao gồm loạt động cơ phẳng rôto bên trong và rôto bên ngoài , cho các ứng dụng như gimbals quang điện tử, khớp cổ tay robot, bộ xương ngoài di động và thiết bị ổn định chính xác.
Với tài liệu kỹ thuật toàn diện bằng tiếng Anh và hỗ trợ kỹ thuật OEM, HOLRY hỗ trợ khách hàng toàn cầu trong toàn bộ vòng đời sản phẩm, từ phát triển nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt.
Nếu bạn hiện đang chọn động cơ cho hệ thống truyền động gimbal, hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật HOLRY về điều kiện tải, không gian lắp đặt sẵn có và thị trường xuất khẩu mục tiêu để nhận được đánh giá lựa chọn động cơ miễn phí.
Русский
English
العربية
Français
Español
Português
Deutsch
italiano
日本語
한국어
Nederlands
Tiếng Việt
ไทย
Polski
Türkçe
አማርኛ
Bahasa Melayu
தமிழ்
Filipino
Bahasa Indonesia
magyar
Română
Čeština
हिन्दी
فارسی
Kiswahili
Slovenčina
Slovenščina
Norsk
Svenska
українська
Ελληνικά
Suomi
עברית
Dansk
বাংলা
Hrvatski
Afrikaans
Gaeilge
Eesti keel
Māori
සිංහල
Azərbaycan dili
Euskara
Беларуская мова
Български
guarani
Kreyòl ayisyen
Kurdî
Lietuvių
Македонски
తెలుగు
