Vermogensdichtheid in robotica

Het is het koppel wat telt. Inspectierobots voor leidingen en kanalen, reddingsrobots in rampgebieden of humanoïde robots: ze hebben allemaal één ding gemeen. Het zijn mobiele robots die mensen helpen. We lichten hier enkele aandrijftechnologische vereisten toe.

Een van de basisvereisten voor de aandrijving van mobiele robots is een hoge vermogensdichtheid. Voor robots betekent dit meestal een hoog koppel terwijl de behuizing zo klein mogelijk moet zijn. Wat de snelheid betreft, zijn binnen de robotica toerentallen van minder dan 1000 rpm in het algemeen voldoende, zelfs voor snelle bewegingen.

Gelijkstroommotoren: Hoge vermogensdichtheid

Wanneer een hoge vermogensdichtheid vereist is, zijn gelijkstroommotoren gewoonlijk de eerste keuze. Door hun hoge aanloopkoppel zijn ze ideaal voor toepassingen waarbij acceleratie vereist is. IJzerloze maxon motoren met en zonder borstels zijn typische voorbeelden van deze gelijkstroommotoren. Ze zijn uiterst efficiënt. Deze snelle motoren zijn over het normaal gesproken lang en smal, met een relatief laag koppel. Om de hoge koppels te bereiken die in de robotica nodig zijn, worden de motoren met overbrengingen gecombineerd.

Indien een lineaire beweging met grote kracht nodig is, kan dit worden bereikt door een geschikt mechanisch model met een hoge reductieverhouding, zonder dat hierbij de voordelen van hogesnelheidsmotoren opgeofferd hoeven te worden. Voorbeelden hiervan zijn spindels met een lage lineaire moer-afstand en kabelaandrijvingen met een kleine afbuigpoelie.

Meerpolige motoren: Hoger koppel

Hogere koppels kunnen worden bereikt door het aantal magnetische polen te verhogen. maxon EC-4-polige motoren zijn een eerste stap in de richting van meerpolige motoren. In dit geval betekenen extra magnetische polen ook een complexer ontwerp en complexe montage. Conventionele borstelloze DC-motoren met een ijzerkern (met spoelen rond de tanden) zijn vaak ontworpen met meerdere polen en leveren daardoor meestal lagere snelheden bij hogere koppels.

Platte EC-motoren:  Sterk en aantrekkelijk geprijsd

De meerpolige platte motoren van maxon komen het dichtst bij het ideaal voor de robotica. Deze motoren met externe rotor genereren kracht met de grootst mogelijke afstand van de rotatie-as. Dit resulteert in een relatief hoge vermogensdichtheid bij matige snelheden. De inertie van de rotor is echter ook groot, wat de dynamiek weer beperkt. De onderwaterschoonmaakrobot Hullbug is een voorbeeld van een toepassing voor platte motoren. De conventionele multitandwikkeling met een ijzeren kern en het gebruik van een isotrope permanente magneetring, die in één stap wordt gemagnetiseerd, leiden ertoe dat platte EC-motoren goedkoper geproduceerd kunnen worden. De complexe assemblage van de magneetring uit afzonderlijke onderdelen komt te vervallen.

Koppelmotoren: Veel polen, maar duur

Koppelmotoren zijn motoren met een groot aantal polen: elektromotoren met een laag toerental, een hoog koppel en een holle as. Vaak bestaan ze alleen uit een rotor en stator en zijn ze rechtstreeks in de toepassing geïntegreerd. Hierdoor zijn er geen overbrengingen, riemen, koppelingen of lagers nodig. Deze directe aandrijvingen zijn spelingvrij en worden meestal in dynamische toepassingen met een precieze regeling gebruikt. Lineaire aandrijvingen zijn een speciaal geval. Op grond van hun vele polen vereisen koppelmotoren hoge schakelfrequenties. De opgewekte warmte moet tevens door waterkoeling worden afgevoerd.

Koppelmotoren voldoen perfect aan de eisen wat betreft koppel en dynamiek in robottoepassingen. Maar door het gebrek aan standaardisatie en de verstrekkende gevolgen voor het design is het gebruik van de motoren duur. Bijgevolg hebben voor robots de modulaire, flexibele motor-overbrengingcombinaties de voorkeur. Het motortype en design worden gekozen op basis van de specifieke eisen inzake vermogen, ruimte en - last but not least - de kosten.

Heeft u nog vragen? Neem contact op met onze specialisten.