Alegerea Motoarelor de Curent Continuu

Atunci când se dorește construcția unui robot mobil, alegerea motoarelor electrice pentru tracțiune reprezintă o decizie foarte importantă. În acest moment, teoria se îmbină cu practica. În continuare sunt prezentate câteva aspecte cu privință la alegerea motoarelor de curent continuu necesare părții de tracțiune a robotului mobil. Până să ajungem să alegem motoarele de curent continuu trebuie luate în calcul următoarele caracteristici ale robotului mobil: dimensiunile acestuia, greutatea pe care o posedă, cu ce viteză și accelerație se va deplasa și tipul suprafeței pe care va rula. De asemenea trebuie avută în vedere tensiunea de alimentare disponibilă pentru motoare.

Determinarea forțelor ce acționează asupra robotului în timp ce acesta se deplasează pe o anumită suprafață duce la predimensionarea părții de tracțiune și a alegerii tipului de motor electric necesar. Este știut faptul că masa mai mare a robotului duce la alegerea unor motoare electrice mai puternice, fiindcă forțele rezistente sunt mai mari. Atunci când robotul se află în mișcare pe o suprafață, el trebuie să depășească forțele de frecare dintre roți și suprafața de rulare, forțele de inerție, cât și forțele de frecare din interiorul motorului. Dacă robotul rulează pe un plan înclinat se impune să fie luată în considerare și forța de greutate.

În cele ce urmează sunt prezentați pașii parcurși pentru a determina turația și cuplul necesar motoarelor electrice. Pentru a păstra o viteză constantă, se impune ca motorul electric să dezvolte un cuplu motor care să depășească momentul rezistiv de la axul motorului. În cazul în care momentul motor este mai mic decât momentul rezistent, robotul se află în repaos, iar dacă el este alimentat în continuare acest lucru poate duce la arderea înfașurării motorului electric.

În figura 1 sunt reprezentate schematic forțele ce acționează asupra robotului în cel mai general caz:

Pentru a determina momentul motor pentru acționarea robotului se impune să fie calculate forțele rezistente ce se opun mișcării robotului. Astfel se vor determina următoarele forțe rezistive:

Forța de frecare are următoarea expresie:

Ff = μr·N (1.1)

unde:

– μr – reprezintă coeficientul de frecare și este aproximat egal cu 0.01;

– N – reprezintă forța normală la suprafață și în cazul de față are expresia:

N = G= m· g (1.2)

unde:

– m – este masa robotului și este egală cu 10 [Kg];

– g – este accelerația gravitațională și are valoarea 9.81 [m/s2];

Rezultă forța de frecare, după înlocuirea valorilor:

Ff = μr·m· g= 0.01·10·9.81=0.981 [N] (1.3)

Forța de inerție:

Fi= m· a =10 ·2 =20 [N] (1.4)

unde:

– a – reprezintă accelerația maxima a robotului 2 [m/s2];

În urma determinării forțelor rezistente ce acționează asupra robotului, se poate determina forța de tracțiune necesară acționării robotului mobil:

Forța de tracțiune are expresia:

Ft > Fi+Ff > 20+0.981 > 21 [N] (1.6)

De asemenea, forța de tracțiune are expresia:

Ft= Mm / r =21 [N] (1.7)

unde:

– Mm- momentul motor;

– r – raza roții 40 [mm] = 0.04 [m] ;

Rezultă momentul motor necesar la axul unei roți are expresia:

Mmr= (Ft·r)/2= 21·0.04/2 =0.84/2 = 0.42 [Nm] (3.8)

Viteza unghiulara a motorului electric se determina cu expresia de mai jos, avand în vedere ca viteza liniara de deplasare a robotului sa fie aproximativ 0.9 [m/s]:

ω = v/r = 0.9/0.04 = 22.5 [rad/s] (3.9)

Rezulta turatia motorului electric n = ω·30/π = 214 [rot/min].

Puterea motorului electric necesara pentru actionarea robotului este:

P = Mmr · ω =0.42·22.5 = 9.45 [W] (3.10)

În urma acestui calcul de dimensionare a motoarelor electrice de current continuu pentru actionarea robotului, s-au ales doua motoare brushless EC 32, realizate de către maxon motor, ce au atasat la axul motor doua reductoare cu roti cilindrice cu dinti drepti și cu un raport de transmisie de 51:1. Am decis alegerea acestui tip de motor si datorită avantajelor pe prezintă față de motorul cu colector:

Principalul avantaj este o comutare "fără scântei de perii", care reprezintă la motorul cu perii un factor de distorsiune a sistemului de alimentare de curent continuu, prin reinjectarea de impulsuri parazite în sens invers. Impulsurile de tensiune parazite deranjează pe alți consumatori conectați la aceeași rețea. [99]

Durata de viață este sensibil mai mare în raport cu motorul cu colector, unde uzura periilor grafitoase o limitează și generează periodic probleme de service (întreținere). [99]

Lipsa dispozitivului electromecanic, colector și perii, înlătură limitarea vitezei maxime dictată de încălzira periilor colectoare existentă la motorul de c.c. clasic. [99]

Pentru perceperea poziției reale a rotorului ce se află în mișcare și a turației motorul este echipat cu senzori Hall.

În figura 2 este prezentat un astfel de motor de curent continuu fără perii EC 32:

Caracteristicile motorului EC 32 sunt prezentate mai jos:

dimensiuni de gabarit: diametru D = 32 [mm], lungime max. l = 60 [mm];

masa motorului m = 0.27 [kg];

diametrul arborelui de iesire din reductor d = 5 [mm];

tensiunea de alimentare U = 24 [V];

turatia la mers în gol n0 = 11000 [rot/min];

curentul consumat la mers în gol I0 = 199 [mA];

curentul consumat cu axul blocat Imax = 2.46[A];

turația nominală nn= 9450 [rot/min];

turația maximă nmax= 25000 [rot/min];

cuplul maxim Mmax= 47.2 [mNm];

Puterea maxima consumata a motorului este determinata utilizand expresia:

P = U· Imax =12 ·5 = 80 [W] (3.11)

????

Gama de funcționare a robotului in parametrii de funcționare continuă, cât și pe termen scurt este reprezentată în figura 3:

Figura 3 Gama de funcționare a motorului brushless EC 32

În figura 4 de mai jos este prezentat reductorul GP 32 realizat tot de către maxon motor, el fiind ales datorită modularității motorului.

Figura 4 Reductorul GP 32

Caracteristicile principale ale reductorului GP 32 sunt prezentate mai jos:

dimensiuni de gabarit: diametru D = 32 [mm], lungime max. l = 43.1 [mm];

masa motorului m = 0.19 [kg];

diametrul arborelui de iesire din reductor d = 6 [mm];

raportul de transmisie 51:1

cuplul maxim Mmax= 4.5 [Nm];

turația maximă de intrare 6000 [rot/min].

Datorită faptului că ansamblul motor-reductor este poziționat pe un etaj superior șasiului, s-a optat ca transmisia mecanică între acesta și roata motoare aferentă să se realizeze printr-o curea de transmisie. Cureaua de transmisie transmite mișcarea de rotație și puterea corespunzătoare de la arborele reductorului la cel al roții motoare prin intermediul roților de curea (roată conducătoare, respectiv roată condusă). S-a ales un diametru diferit al roților de curea (un diametru mai mare pentru roata conducătoare, respectiv un diametru mai mic pentru roata condusă), având raportul de transmisie 1:2, pentru o amplificare a vitezei robotului.

Specificațiile curelei și a roților conducătoare sunt prezentate mai jos:

Curea dințată T5 închisă având lungimea de 120 mm, lățimea 10 mm, pasul 5 mm, din poliuretan cu inserție de fire de oțel.

Fulie T5 cu 30 de dinți, cu diametrul exterior 46.95 mm și lățimea 23.5 mm.

Fulie T5 cu 15 dinți, cu diametrul exterior 23.05 mm și lățimea 16 mm.

În figura 5 de mai jos se poate observa transmiterea mecanică realizată prin curea:

Figura 5 Transmisia mecanică realizată prin curea dințată

[99]https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric_de_curent_continuu_f%C4%83r%C4%83_perii