Motores sem moldura para mãos hábeis de robôs: guia de design de ímã e laminação

Introdução

Uma mão hábil de robô precisa replicar a força, a velocidade e a precisão dos dedos humanos em um pacote pequeno o suficiente para caber dentro de um invólucro do tamanho da palma da mão. O motor que aciona cada articulação do dedo é o fator limitante crítico - e para a maioria dos designs manuais hábeis, a resposta é ummotor sem escova sem moldura: um kit de estator e rotor sem carcaça, rolamentos ou eixo, integrado diretamente na estrutura do dedo.

Este guia aborda o que torna os motores sem moldura a escolha certa para aplicações manuais hábeis, como selecionar o tipo de ímã NdFeB e a laminação de aço silício para este ciclo de trabalho específico e o que os engenheiros precisam especificar ao adquirir esses componentes.

1. Por que os motores sem moldura são o padrão para atuação manual hábil

Motores convencionais - mesmo os em miniatura - apresentam três problemas no design manual hábil:

• Penalidade de volume: A carcaça, as tampas das extremidades e o eixo de saída adicionam comprimento e diâmetro que não podem ser recuperados. Um motor alojado de 28 mm pode exigir 45 mm de espaço nas juntas dos dedos; o estator sem moldura equivalente cabe em 12 mm de profundidade axial.
• Perda de transmissão: A saída através de um eixo requer uma caixa de engrenagens ou transmissão por cabo, cada uma adicionando folga, fricção e complacência que reduzem a precisão da posição dos dedos.
• Isolamento térmico: A caixa atua como uma barreira térmica. O calor gerado nos enrolamentos deve percorrer o alojamento para chegar à estrutura - aumentando a temperatura do enrolamento e reduzindo o torque contínuo.

A kit de motor sem molduraelimina todos os três. O estator é encaixado por pressão ou colado diretamente na estrutura da articulação do dedo; o rotor é montado no rolamento da junta. O calor é conduzido diretamente do enrolamento para o alumínio estrutural. Não há eixo, caixa de câmbio e volume de carcaça a considerar.

O resultado: densidade de torque 2–3× maior do que um motor equivalente alojado no mesmo envelope de junta, com menor folga e melhor gerenciamento térmico.

2. Principais parâmetros de projeto para motores sem moldura manuais hábeis

Ciclos de trabalho manuais hábeis são incomuns em comparação com aplicações servo padrão. O motor deve fornecer:

A combinação de pequeno diâmetro e baixa velocidade empurra o projeto paracontagem de postes altos- normalmente de 12 a 20 pólos (pares de 6 a 10 pólos) - para maximizar o torque por ampere sem aumentar a corrente do enrolamento além da capacidade do driver.

3. Seleção de ímã NdFeB para motores manuais hábeis sem moldura

O rotor de um motor manual hábil e sem moldura carrega ímãs de segmento de arco ou telha NdFeB ligados a um anel de ferro traseiro de aço fino. A seleção do ímã envolve quatro decisões:

3.1 Grau e Produto Energético

Para a maioria das aplicações manuais hábeis, a temperatura operacional na superfície do ímã permanece abaixo de 80 graus sob ciclos de trabalho normais. Isso permite o uso de classes padrão ou com sufixo M sem coercividade elevada:

• N42 a N48: Escolha padrão para motores manuais hábeis operando abaixo de 80 graus de temperatura do ímã. Produto energético máximo 42–48 MGOe. Econômico, amplamente disponível em segmentos de arco fino.
• N42H a N45H: Especificado quando o motor opera próximo a uma fonte de calor ou quando a análise térmica mostra que a temperatura do ímã pode se aproximar de 100 graus.
• N42SH: Para robôs de manipulação industrial de alto ciclo operando em ambientes quentes. Força coercitiva suficiente para manter a temperatura do ímã em 150 graus.

3.2 Geometria do segmento de arco e direção de magnetização

Uso de rotores de motor sem molduramagnetização radialcomo o padrão para os designs de mão mais hábeis. Cada segmento de arco é magnetizado radialmente para fora ou para dentro, com uma relação de arco polar de 0,80–0,95. A magnetização paralela influenciada por Halbach é usada em projetos de alto desempenho para concentrar o fluxo no entreferro e reduzir a espessura do ferro traseiro, diminuindo a inércia do rotor ao custo de requisitos de fabricação mais rígidos.

3.3 Espessura e Colagem

Os ímãs de segmento de arco em motores manuais hábeis sem moldura são normalmente2–4 mm de espessuraradialmente. A colagem utiliza epóxi estrutural com segmentos fixados durante a cura para manter a posição angular dentro de ±0,1 grau. A concentricidade do segmento com a parte traseira do ferro deve ser verificada antes do enrolamento para evitar fluxo desigual no entreferro que cria torque de dente e erro de posição na junta do dedo.

4. Seleção de laminação de aço silício para o núcleo do estator

Motores sem moldura manuais hábeis operam em frequências elétricas de270–1.000Hz. Nessas frequências, a espessura da laminação é a variável dominante na perda de ferro do estator - e a escolha correta é inequívoca:

• Espessura: 0,20 mm- reduz a perda por correntes parasitas em ~67% versus 0,35 mm. Obrigatório para frequências elétricas acima de 400 Hz.
• Classe: 20W1200H ou 20W1500H- grão não orientado, alto silício para baixa perda de histerese em alta frequência.
• Fator de empilhamento: Maior ou igual a 0,97- verifique com a medição da pilha comprimida no primeiro artigo.
• Tolerância da geometria do slot: ±0,03 mm- necessário para manter o fator de enchimento do enrolamento consistente em uma pilha fina de estator.
• Planicidade da laminação: Menor ou igual a 0,05 mm de arco por folha- crítico em pilhas axiais curtas onde o erro cumulativo afeta a uniformidade do entreferro.

5. A vantagem do fornecimento integrado

O desempenho de um motor manual hábil sem moldura é determinado pela interação entre a laminação do estator e o ímã do rotor. Esses dois componentes não são independentes – adquiri-los separadamente sem uma revisão coordenada do projeto é uma das causas mais comuns de baixo desempenho no desenvolvimento de motores personalizados.

Incompatibilidades comuns quando ímãs e laminações são provenientes de fornecedores diferentes:

• A remanência do ímã é especificada em 20 graus, mas a perda de ferro do estator faz com que o ímã opere a 95 graus - o Br real cai ~4%, reduzindo a constante de torque na mesma quantidade
• Geometria da ranhura do estator projetada para laminações de 0,35 mm, mas alterada para 0,20 mm na aquisição - diferentes fatores de empilhamento alteram o comprimento efetivo da pilha e alteram Ke
• Relação de arco polar otimizada para uma curva de permeabilidade de laminação, produzindo excesso de torque de denteamento quando um grau diferente é substituído

A HIMAGNET fornece pilhas de laminação de estator e kits de ímã de rotor correspondentes para motores manuais hábeis sem moldura, produzidos internamente em aço silício e material NdFeB com a mesma especificação de circuito magnético. O suporte de engenharia abrange cálculo de fluxo de entreferro, modelagem térmica e inspeção de primeiro artigo - desde atuadores de articulação de dedo de 20 mm até motores de torque de pulso de 80 mm.

6. Lista de verificação de aquisições

• ☐ Confirme as restrições de diâmetro externo e comprimento axial do CAD de junta de dedo
• ☐ Especifique o torque máximo, o torque contínuo e a velocidade máxima da junta
• ☐ Confirme a tensão do barramento do driver e a corrente máxima de fase para determinar o alvo Ke
• ☐ Especifique o grau do ímã: padrão N42–N48; N42H–N45H para temperatura elevada
• ☐ Especifique a espessura da laminação: 0,20 mm para frequências elétricas acima de 400 Hz
• ☐ Solicitar relatório de fator de empilhamento e verificação de planicidade na pilha de laminação do primeiro artigo
• ☐ Confirme o método de ligação do segmento de arco e a tolerância posicional (±0,1 grau típico)
• ☐ Solicite pacote correspondente de ímã + laminação com cálculo de fluxo de entreferro

Entre em contato com a equipe de engenharia da HIMAGNETpara discutir as especificações do seu motor sem moldura - do protótipo à produção.