Moteur sans balais pour la robotique : densité de couple, crémaillère et intégration personnalisée

Un ingénieur R&D nous a dit un jour qu'un moteur sans balais qui fonctionnait à merveille sur un banc d'essai de drone s'était arrêté en quelques minutes sur un bras de robot. La cause n’était pas un manque de puissance. Il s'agissait d'un décalage entre la spécification de couple continu utilisée par le constructeur de drones et le profil de couple de maintien à faible vitesse et élevé exigé par une articulation de robot. Un moteur sans balais pour la robotique doit maintenir sa position contre la gravité, se déplacer en douceur à 20 tr/min et survivre à de fréquents cycles démarrage-arrêt sans dommages thermiques. Il s’agit d’un paysage de spécifications complètement différent.

Les ingénieurs d'approvisionnement commettent souvent la même erreur : ils choisissent un moteur en fonction du régime à vide le plus élevé d'un catalogue, puis découvrent que le couple continu à la vitesse réelle du joint est insuffisant. Le résultat est une refonte qui coûte des mois.

Qu'est-ce qui définit un moteur sans balais pour la robotique ?

Un moteur sans balais pour la robotique est une machine synchrone triphasée conçue pour une densité de couple élevée, un faible couple d'engrenage et un retour de position en boucle fermée plutôt que pour un régime de pointe à vide.

La différence devient évidente lorsque l’on compare un moteur de drone à propulsion avec un actionneur articulé. Un moteur de drone est sélectionné pour son rapport poussée/poids à régime élevé. Un moteur articulé de robot est sélectionné pour un couple continu à faible vitesse, souvent avec une boîte de vitesses harmonique réduisant la vitesse de sortie à 20-60 tr/min tout en multipliant le couple. Les paramètres critiques sont la densité de couple (Nm par kilogramme de masse du moteur), le couple d'encoche (détente magnétique qui provoque une rotation inégale) et la flexibilité du bobinage.

Les bobinages et les codeurs sont également décidés au niveau de l'application. Un moteur qui fonctionne pour un axe de poignet de 24 V CC peut nécessiter un enroulement de 310 V CC pour un axe de taille lourd, et le type d'encodeur doit correspondre à l'entrée du contrôleur. Ce ne sont pas des choix de catalogue ; ce sont des choix d’ingénierie.

Pourquoi le couple continu à basse vitesse dépasse le régime à vide

Le couple continu à bas régime détermine si un robot peut contenir une charge utile ; la vitesse maximale indiquée sur la fiche technique ne le fait pas.

La gravité agit toujours sur le moteur, même lorsque le bras est à l'arrêt. Un axe de poignet qui porte un outil de 2 kg a besoin d'environ 0,5 à 1,5 Nm de couple continu à 50-100 tr/min pour maintenir cet outil stable. Un axe coudé a besoin de 3 à 8 Nm. Un axe d'épaule supportant une charge utile complète peut nécessiter 15 à 40 Nm. La vitesse à vide de 6 000 tr/min n’est pas pertinente ici car le joint ne fonctionne jamais à proximité de cette vitesse.

Faire correspondre les plates-formes de moteur à l'architecture commune robotique

L'architecture commune doit déterminer le châssis du moteur et la boîte de vitesses, et non l'inverse.

Les articulations d'épaulement à forte charge bénéficient de moteurs à engrenages harmoniques, qui offrent un jeu nul et une densité d'énergie élevée. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. (Retek Motion) propose un moteur à engrenages harmoniques de 200 Nm qui s'adapte aux axes d'épaule et de taille lourds. Les charges utiles moyennes sur les bras collaboratifs et les manipulateurs mobiles fonctionnent bien avec des motoréducteurs de 60 Nm. Pour la robotique médicale compacte montée sur l'épaule, un moteur sans balais de 42 millimètres avec réducteur fournit une densité de puissance dans une petite enveloppe.

Moteur à engrenages harmoniques de 200 Nm pour articulations de robots robustes Ce moteur délivre un couple de 200 Nm sans jeu, ce qui le rend adapté aux axes d'épaule et de taille lourds des robots nécessitant un positionnement précis et reproductible. Voir le produit →

Motoréducteur 60 Nm pour robots et manipulateurs collaboratifs Avec un couple nominal de 60 Nm, ce motoréducteur s'adapte aux bras collaboratifs à charge utile moyenne et aux manipulateurs mobiles, offrant des performances fiables pour diverses tâches robotiques. Voir le produit →

Moteur sans balais Outrunner de 42 mm avec réducteur pour la robotique médicale Ce moteur sans balais compact de 42 mm avec réducteur offre un couple élevé et un contrôle précis, idéal pour les applications de robotique médicale montées sur l'épaule. Voir le produit →

Les réducteurs harmoniques n'offrent aucun jeu, ce qui est nécessaire pour un positionnement reproductible. Les réducteurs planétaires sont moins chers et tolèrent mieux les charges d'impact, ils conviennent donc aux roues de robots mobiles qui heurtent les bordures et les rampes. Le châssis du moteur suit le choix de la boîte de vitesses, et non l'inverse.

Utilisez cette liste de contrôle lors de l’évaluation de tout moteur candidat pour une articulation de robot :

• Vérifiez le couple continu à la vitesse de fonctionnement, et non le couple maximal à vitesse nulle.
• Mesurez le couple d'engrenage avec le rapport de boîte de vitesses appliqué.
• Confirmez que l'indice IP correspond aux conditions de lavage ou d'exposition à la poussière.
• Vérifiez que le retour de l'encodeur est compatible avec le contrôleur du robot.
• Évaluez le chemin thermique à travers le carter de la boîte de vitesses.

Comparaison de la densité de couple entre les tailles de châssis BLDC

Un cadre plus grand ne produit pas toujours proportionnellement plus de couple utilisable, car le facteur de remplissage du bobinage et la dissipation thermique changent avec le diamètre et la longueur axiale.

La ligne CC sans balais de Retek Motion s'étend de 28 mm à 130 millimètres. Les valeurs de couple continu représentatives de la série 24 V CC sont d'environ 0,4 Nm pour un moteur de 42 mm, 0,8 Nm pour un moteur de 57 millimètres, 1,6 Nm pour un moteur de 76 millimètres, 2,2 Nm pour un moteur de 80 millimètres, 3,5 Nm pour un moteur de 100 millimètres et 6,5 Nm pour un moteur de 130 mm. La progression est plus proche d'une relation cubique avec le diamètre du rotor, c'est pourquoi la sélection de la taille du cadre est avant tout un problème de conception thermique.

Que rechercher chez un fournisseur de moteurs robotiques

La flexibilité de l'ingénierie et l'intégration verticale de la fabrication comptent plus que l'étendue du catalogue, car la plupart des articulations de robots nécessitent un projet de moteur personnalisé.

Retek Motion conçoit et fabrique en interne des moteurs à courant continu sans balais depuis 2018. La société produit également des carters de boîtes de vitesses usinés CNC, des composants moulés sous pression et des faisceaux de câbles sous un même toit. Cette combinaison permet à un fabricant de robots d'itérer sur les configurations de bobinages, d'encodeurs et de connecteurs sans coordonner plusieurs fournisseurs.

Pour des cas d'utilisation spécifiques, Retek moteurs sans balais à faible encombrement réduire l'ondulation de position à la sortie, tandis que Moteurs CC sans balais à couple élevé fournir la marge nécessaire lorsque les charges utiles sont dynamiques.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre un moteur sans balais pour la robotique et un moteur BLDC classique ?

Un moteur robotique sans balais est spécifié pour un couple continu à faible vitesse, un faible encoche et une compatibilité avec le feedback, tandis qu'un moteur BLDC ordinaire est généralement conçu pour une vitesse de pointe et une puissance de sortie élevée.

Comment calculer le couple continu requis pour une articulation de robot ?

Multipliez la masse de la charge utile par la longueur du bras de moment, ajoutez l'inertie réfléchie et les pertes de la boîte de vitesses, puis appliquez un facteur de sécurité d'au moins 3x.

Un réducteur harmonique est-il meilleur qu'un réducteur planétaire pour un robot à moteur brushless ?

Les réducteurs harmoniques offrent un jeu nul et une réduction élevée pour des articulations de bras précises ; les réducteurs planétaires supportent mieux les charges de choc pour les roues motrices mobiles.

Puis-je obtenir un moteur sans balais personnalisé avec un contrôleur intégré pour la robotique ?

Oui. Le contrôleur intégré et les options d'enroulement personnalisées sont standard, et un fournisseur verticalement intégré peut également produire le boîtier de la boîte de vitesses et le faisceau de câbles.