Tlak trhu na vývoj malých zařízení
je motivován ekonomickými
výhodami menších celků při jejich
výrobě, manipulaci, skladování,
nároky na prostor v místě jejich
provozního nasazení i při jejich
likvidaci po ukončení života. Menší
a lehčí mechanická zařízení jsou
schopna rychlejších pohybových
reakcí, mohou být použita v omezených
prostorách a zpravidla mají
nižší energetické nároky. Uvedení
zmenšené komponenty na trh často
způsobilo rozšíření techniky do
zcela nových oblastí a vznik nového
oboru. UZIMEX Praha dodává
na český i slovenský trh strojírenské
a elektrotechnické komponenty
předních světových výrobců. Cesty
k miniaturizaci sleduje zejména
v oblasti malých motorů, řemenových
převodů a vačkových manipulátorů.
Jednou z podmínek zvyšování
úrovně českých a slovenských
zařízení je informovanost projektantů
a konstruktérů o strojírenských
a elektrotechnických komponentách,
které absolvovaly proces zmenšení
rozměrů.
Miniaturizaci lze spatřovat jednak
ve vytváření absolutně malých komponent,
které jsou schopné vykonávat
svůj úkol, jednak ve zmenšování
rozměrů funkčních prvků a skupin
s určitými výkonovými parametry.
Vznik zmenšených komponent je
často výsledkem odvážné aplikace
nové technologie do konvenčního
výrobku. Vývojáři přitom mohou
racionalizovat konstrukci úspornějším
uspořádáním konstrukčních
prvků, návrhem nových tvarů, které
odstraní zbytečné rezervy, a všem
dílům přidělí rozměry podle jejich
zatížení. Přitom vzniká tlak na
využití poznatků z jiných oborů a na
vznik nových technologií. Snížení
rozměrových rezerv je vázáno na
kvalitu výroby a velikost povoleného
rozptylu vlastností dílů. Často je
zmenšení rozměrů podmíněno rozsáhlými
zkouškami. Poměr výkonu
a zaujímaného prostoru nebo hmotnosti
se charakterizuje hustotou
výkonu ve W/cm3 nebo W/g.
MINIATURIZACE KOMUTÁTOROVÝCH
MOTORŮ MAXON
Komutátorové motory do 250 W
výrobce maxon už od založení výroby
v roce 1968 využívají technologii
navinutí vodičů rotoru do tvaru pevné
samonosné trubky.
Maxon tak mohl z motoru vyhodit
obvyklé feromagnetické jádro složené
z elektricky izolovaných ocelových
plechů. Výrobci konvenčních komutátorových
motorů používají rotory
s feromagnetickým jádrem dodnes.
Vodiče jsou u nich vloženy do drážek
v jádru nebo jsou cívky nasazeny na
radiální nástavce. Tvar konvenčního
rotoru se třemi nástavci připomíná
kotvu, která také dala takovým rotorům
jméno. Maxon při vývoji vinutí
bez jádra sledoval hlavně zmenšení
jiskření a prodloužení doby života
kartáčů i komutátoru. Odstraněním
jádra se totiž zmenší energie magnetického
pole cívky v rotoru, které
při přechodu sousedních lamel
pod kartáčem mění směr a vyvolá
elektrický oblouk. Tak jako každý
mechanický přepínač. Samonosné
vinutí prodlužuje život komutace
několikanásobně. Zároveň vyvolalo
i miniaturizaci motoru. Ukázalo se,
že feromagnetické jádro je v motoru
funkčně zbytečná součástka a že
uprázdněný prostor v samonosné
trubce lze využít pro umístění permanentního
magnetu. Magnet se tam
přestěhoval ze svého obvyklého místa
na obvodu motoru. Obvod komutátorového
motoru maxon tvoří tenký
plášť z magneticky měkké oceli,
který zároveň drží obě čela motoru
pohromadě.
Konstruktér nového zařízení má
dnes na vybranou. Má–li pro motor
dost prostoru, najde pro svůj potřebný
mechanický moment poměrně
rozměrný konvenční komutátorový
motor se silným jiskřením kartáčů
některého z mnoha výrobců po celém
světě. Motory se budou lišit počtem
pólů magnetů statoru a počtem cívek
v rotoru, který poznáme podle počtu
lamel komutátoru. Čím méně je
cívek, tím intenzivnější je jiskření
kartáčů, protože komutátor přepíná
větší část vinutí. Jiskření roste s rychlostí
a rozumně použitelná rychlost
konvenčního motoru je 2000 až 3000
ot/min. V každém případě je nutno
počítat s krátkou dobou života.
V omezeném prostoru se uplatní
podstatně menší motor maxon, který
zároveň nabídne mnohem delší život.
I v případech, kdy motor bude pracovat
jenom občas krátkou dobu, projeví
se výhoda potlačeného jiskření,
a sice ve spolehlivosti. Motor s málo
opotřebovaným komutátorem se spolehlivě
rozběhne i po dlouhé době.
Navrhnout samonosné vinutí znamenalo
nalézt způsob kladení vodičů,
kterým se vodič od lamely komutátoru
vede podél cívky pod jedním
pólem a jeho zpětná větev ke komutátoru
pod druhým pólem. Konec vodiče
je po proběhnutí několika smyček
připojen k sousední lamele. Na konci
vinutí přitom nesmí vzniknout nahromaděním
vodičů zesílená obruba.
Vinutí musí být hladké, aby se dalo
zasunout do magnetické mezery.
Převádění vodičů pod druhý pól řeší
vinutí do kosočtverečných smyček,
které je chráněno patentem.
NEJMENŠÍ MOTOR RE 6
Popsaná technologie vinutí zasáhla
do rozměrů motorů všech velikostí.
Usnadnila i cestu k dosáhnutí
dalšího cíle miniaturizace, kterým je
výroba motorů s co nejmenším průměrem.
Takové motory umožní konstrukci
lékařských přístrojů, které
lze zasunout do požadovaného místa
malým otvorem, umožní automatizaci
ovládání funkcí přístrojů, které
byly dosud řízeny ručně. Dnešní
minimum je motor DC s průměrem
6 mm. Minimální rozměry přinášejí
k vyřešení problémy, které u větších
motorů nehrají prvořadou roli. Jedním
z nich je zmenšování průměru
vodičů cívky rotoru na 30 - 80 ?m.
Tenké vodiče jsou potřeba pro získání
dostatečného počtu závitů s přiměřeně
velkým ohmickým odporem
a nízkým proudem, který prochází
přes kartáče. Tloušťka izolace tvoří
vyšší procento k malému průměru
vodičů a zhoršuje se vyplnění prostoru
pro vinutí. Tření v ložiskách
a tření komutátoru má u miniaturního
motoru větší vliv na účinnost
motoru, která vychází 52%. Účinnost
větších motorů maxon s průměrem
40 mm přitom přesahuje 90
%. Výrobce se snažil o co nejvyšší
magnetickou indukci v mezeře pro
vinutí a použil výkonný magnet ze
směsi NdFeB se vzácnou zeminou
Neodymium. Trvalý proud vinutím
je omezen teplotou, při které si
vinutí zachová dostatečnou pevnost
a neporušuje se izolace. Chladicí
povrch motoru při zmenšování
průměru motoru zmenšuje s druhou
mocninou a přestup tepla do okolí
se zhoršuje. Miniaturní motor RE
6 nakonec v trvalém provozu vyvíjí
mechanický moment 0.42 mNm.
Výkon miniaturního motoru je
úměrný rychlosti. Snažíme se proto
o vysokou rychlost, která u většiny
aplikací není zapotřebí. Požaduje se
určitý mechanický moment při několika
stech otáček za minutu. V těch
případech spojíme motor s planetovou
převodovkou a moment se
objeví na jejím výstupu. Důležité je,
aby vstupní stupeň převodovky byl
schopen přenést vysokou rychlost.
Převodovka maxon GP6 takovou
schopnost má a snáší až 40,000 ot/
min. Náš motor dává při 12,000 ot/
min 0.3 W. Nejvyšší přípustná rychlost
motoru je omezena přijatelnou
obvodovou rychlostí komutátoru.
K dosáhnutí vysoké přípustné úhlové
rychlosti motoru je tedy důležité
co nejvíce zmenšit průměr komutátoru.
K tomu účelu přispívá tenký
hřídel motoru s průměrem 0.8 mm,
vyrobený z elektrického izolantu,
jakým je keramika. Technologie
výroby keramických dílů vznikla
v laboratořích maxon. Původní motivací
pro vývoj bylo zvýšit odolnost
čepů planet v převodovkách. Na hřídel
z izolantu může být pět tenkých
lamel komutátoru položeno přímo
bez izolační vrstvy.
Povrch lamel je namazán olejovým
filmem a běží po kartáčích,
které jsou vyrobeny ve tvaru několika
prstů z pružné fólie z drahých
kovů. Komutátor připouští rychlost
23,000 ot/min. Hřídel se otáčí
v kluzných samomazných pouzdrech.
Kovové kartáče se všeobecně
používají v tachogenerátorech, kde
přenášejí malé proudy a kde je potřeba
malý a stálý přechodový odpor.
Proud přiváděný kartáči do motorů je
mnohonásobně větší. V konvenčních
motorech všech velikostí a v silných
motorech maxon se používají grafitové
kartáče. Jiskření kartáčů konvenčního
motoru by zničilo kovové kartáče
velmi brzy. Pouze menší motory
typu maxon s vinutím
rotoru bez železného
jádra se mohou opatřit
kovovými kartáči, aniž
by utrpěla doba života.
Maxon navíc do rotoru
zapojuje mezi lamely
komutátoru kondensátory.
Kondenzátory
mnohonásobně zmenší
napětí, indukované
zánikem původního
magnetického pole přepojované
sekce vinutí.
Nízké napětí znamená
krátký oblouk mezi
kartáčem a odcházející
lamelou, a to i při vysoké
rychlosti. Znovu je
patrný účinek technologie
samonosného vinutí
na dosažitelnou rychlost, která pomáhá
v úsilí o miniaturizaci.
CESTA K NEJMENŠÍMU VÁLCOVÉMU
MOTORU EC
Vývoj motoru maxon s elektronickou
komutací o průměru 6 mm
proběhnul už před 5 lety, předcházel
tedy pracím na stejně tenkém
komutátorovém motoru. Motor EC
je konstrukčně jednodušší, protože
nemá komutátor s kartáči. Vývojáři
nicméně museli vyřešit řadu náročných
úkolů. Rotor válcového motoru
EC je tvořen permanentním magnetem
ve tvaru dlouhého válce, na který
působí otáčející se magnetické pole
statoru. Magnet pro miniaturní motor
musí být výkonný, protože délka
siločar v magnetu je při příčném
zmagnetování velmi krátká. Použita
je směs se vzácnou zeminou, NdFeB.
Kolem magnetu je uspořádáno třífázové
statorové vinutí a feromagnetický
obal, který uzavírá magnetický
obvod. V permanentním magnetu
jsou zmagnetováním vytvořeny dva
póly. Proto se směr magnetického
pole statoru otočí o 360° během každé
otáčky. V každé ze tří sekcí vinutí
v té době proběhne jedna proudová
perioda s kladnou i zápornou částí.
Materiál feromagnetického obalu se
přitom dvakrát přemagnetuje. Miniaturní
motor EC6 potřebuje pro vyvinutí
trvalého výkonu 1.2 W rychlost
45,000 ot/mi. Jeho kuličková ložiska
a pevnost rotoru dovolují rychlost
100,000 ot/min. Při takových rychlostech
je frekvence přemagnetování
statoru až 1.6 kHz. Feromagnetický
obal nemůže být z běžných plechů,
protože ztráty přemagnetováním
a vířivými proudy by spotřebovaly
celý příkon a na mechanickou práci
by nezbylo. Obal je vyroben práškovou
metalurgií a skládá se z elektricky
izolovaných zrn. Snaha o získání
co nejvyššího momentu vede ke konstrukci
magnetu s co největším průměrem.
K tomu cíli přispívá homogenní
vinutí maxon, které neobsahuje
žádné feromagnetické póly. Objem
feromagnetického obalu je proto
malý a snížené jsou i ztráty v něm.
Vnější feromagnetický obal motoru
EC má větší tloušťku než plášť komutátorového
motoru o stejném průměru.
Na váleček magnetu zbude méně
prostoru. Hnací síla tedy působí na
menším poloměru a trvalý moment
0.24 mNm je nižší oproti 0.29 mNm
komutátorového motoru RE6. Motor
RE6 je přitom o 4 mm kratší.
Součástí motoru EC6 o délce 21
mm je snímač se třemi Hallovýni
sondami, bez kterých by nebylo možné
motor rozbíhat s plným záběrovým
momentem v potřebném směru.
Řídicí jednotky pro vytváření elektronické
komutace jsou sice schopné
rozpoznat úhlovou polohu rotoru
a přepnout proud ve správném okamžiku,
ale k tomu se motor musí otáčet.
Taková řídicí jednotka rozběhne
motor nahodilým směrem tak, že do
vinutí pustí proudové impulzy. Pak
teprve začne vytvářet hnací pulzy
ve správném sledu pro požadovaný
směr otáčení. To je rozběh přijatelný
pro ventilátory nebo pumpy. Motor
EC6 je nejmenší vyráběný motor EC
na světě s Hallovými sondami. Motor
má tedy dynamické vlastnosti, které
se využijí při rozběhu, nebo změně
rychlosti. Řízení motorů je stabilní
při rychlostech přes 1,000 ot/min,
protože hustota signálů snímače
s Hallovými sondami
je pouze 6 hran na
otáčku.
Motor EC6 je určen
pro lékařskou techniku,
jako jsou implantované
inzulínové
pumpy nebo nástroje
pro oční chirurgii, kde
je potřeba dostatečně
přesné řízení. Pro
takové aplikace vyhovují
nižší rychlosti.
Motor se doplní o převodovku.
Planetové
převodovky GP6 sice
nemohou využít rychlost
motoru 100,000
ot/min, ale použijí
se při 40,000 ot/min
a mohou trvale dodávat
moment 30 mNm.
MINIATURNÍ SERVO
Motor EC6 se stal základem pro
miniaturní servopohon, který plní
svou funkci v celém rozsahu rychlostí
a nastavuje přesně polohu. Motor
je pro funkci servopohonu potřeba
doplnit převodovkou. Planetové převodovky
GP6 pracují s úhlovou vůlí
na výstupu 1.8 až 2.8°. Servopohon
proto používá mikroharmonickou
převodovku MHD8 s nulovou vůlí.
Při výrobě pružných dílů s ozubením
se používá galvanická technologie
nanášení kovu. Průměr převodovky
je 8 mm a výstupní hřídel lze trvale
zatížit 8 mNm. V převodovce se dvě
duté předpružené planety odvalují
mezi centrálním pastorkem a pružným
prstencem. Prstenec se planetami
deformuje a ve dvou místech
obvodu zabírá do pláště s vnitřním
ozubením. Převodový poměr vzniká
rozdílným počtem zubů prstence
a pláště. Pastorek je vstupní člen, prstenec
je výstupní člen převodovky.
Řídicí jednotka pro servopohon
potřebuje nejen informaci ze
snímače s Hallovými sondami,
ale i informaci z inkrementálního
snímače s hustším dělením. Pro
miniaturní motor je vyvinut miniaturní
magnetický snímač typu
MR s výstupem 100 dílků na otáčku
na dvou kanálech. Servopohon
s převodovkou 160 : 1 a snímačem
MR reguluje polohu s dělením na
0.02°.
MINIATURIZACE PLANETOVÝCH
PŘEVODOVEK MAXON
Většina aplikací stejnosměrných
motorů potřebuje pohon s vyšším
hnacím momentem a nižší rychlostí,
než poskytne samotný motor. Úsilí
o miniaturizaci motorů přináší zmenšení
rozměrů motorů a zvýšení jejich
rychlosti. Osvědčeným způsobem
transformace momentu a rychlosti do
žádané oblasti jsou převodovky s ozubenými
koly. Spolu s miniaturizací
motorů je nutno zmenšovat i rozměry
převodovek. Převodovka maxon má
přibližně stejný průměr jako připojený
motor. Celek tvoří kompaktní váleček.
Vývoj převodovek sleduje přizpůsobení
přípustných vstupních rychlostí
převodovek rychlostem motorů.
Výstupní stupeň převodovky by měl
být tak silný, že je schopen přenést
moment motoru po znásobení obvyklým
potřebným převodovým poměrem
kolem 80 : 1. To je převod, který
sníží rychlost motoru ze 7,000 ot/min
na 90 ot/min. Pro proces miniaturizace
jsou vhodné planetové převodovky.
Mají už samy malé rozměry, protože
s každým hnacím ozubeným kolem je
v záběru několik planet. V převodovkách
maxon jsou to tři planety, které
se odvalují mezi ozubením centrálního
kola a vnitřním ozubením obalu. Planety
se otáčejí na třech čepech nosiče
planet, na které se přenáší pohyb planet
kolem centrálního kola. Uložení
planet na čepech je kluzné s mazáním
vazelínou. Je to pro malé převodovky
nejvhodnější uložení z pohledu ceny
i spolehlivosti. Prohlédneme-li si díly
opotřebené převodovky, zjistíme na
čepech největší opotřebení ze všech
dílů. Čepy jsou obroušené z jedné
strany, která přenáší jednosměrný
obvodový tlak planet. Doba života
čepů stála v cestě zmenšování rozměrů.
Úsilí se tedy soustředilo na čepy
planet. Místo původně používaných
ocelových čepů se hledal materiál,
odolnější při polosuchém tření. Zvítězila
keramika, a to jednak na bázi
Zr02, jednak AL2O3. Čepy se začaly
vyrábět z keramiky typu Zr02. Ta má
sice nižší tvrdost v poměru 1200 HV
ku 2000 HV, ale je houževnatější
a lépe odolává rázům. Převodovky
s keramickými čepy se objevily jako
varianty převodovkám s původními
čepy z tvrdé oceli. Při stejném průměru
přenesou vyšší moment a připouštějí
větší vstupní rychlost. Rychlost
oblíbených převodovek s průměry 30
– 42 mm se zvýšila ze 6,000 na 8,000
ot/min. Výstupní moment v trvalém
provozu pětistupňových převodovek
s průměrem 22 mm se zvýšil z 1 na 2
Nm, při krátkodobém působení z 1.6
na 3 Nm. Převodovku malého rozměru
s keramikou tak můžeme použít
místo větší převodovky s ocelovými
čepy.