Когато започнах да продавам микрозадвижващи механизми от малката си работилница преди пет години, въпросът, който получавах най-често от купувачи за първи път, беше някаква версия на „Колко ефективно е това нещо?“ По онова време опипвах основно обяснение за това колко механична работа произвежда в сравнение с използваното електричество, но бързо научих, че ефективността не е отговор с едно число. Това е нюансирана метрика, която се променя в зависимост от това за какво използвате задвижващия механизъм, как го инсталирате и дори малките детайли на дизайна му – нещо, което прави разликата, когато работите с части, достатъчно малки, за да се поберат в крилото на дрон или в ръкохватката на хирургически робот.
За всеки, който е нов в света на микрозадвижващите механизми, нека започнем с основите: ефективността тук е просто съотношението на полезната механична изходна работа към входната електрическа енергия, която задвижващият механизъм черпи. За по-голям промишлен задвижващ механизъм този брой може да бъде някъде между 40 и 80 процента, но микрозадвижващите механизми работят в толкова малки мащаби, че ефективността им обикновено пада много по-ниско - често между 10 и 50 процента, в зависимост от модела и приложението. Причините за тази разлика се свеждат до два големи фактора, които стават много по-въздействащи, когато имате работа с части, които са едва няколко милиметра широки: триене и загуби при преобразуване на енергия.
Вземете например триенето. В задвижващ механизъм в пълен размер може да използвате големи лагери или системи за смазване, които минимизират пространството между движещите се части и поддържат ниско триене. Но в микропроектите същите тези части трябва да се свият, за да се поберат в малък корпус. Не можете да поставите пълноразмерен лагер в 10-милиметров линеен прът, така че много микрозадвижки използват по-прости водачи – като плъзгащи се пластмасови или метални части – които създават много повече триене. Всеки път, когато задвижващият механизъм се разтяга или прибира, това триене губи енергия като топлина, вместо да я превърне в полезно движение. Виждам това най-много при нашитеМикро линеен задвижващ механизъм 6V, един от нашите най-популярни модели за любители и малка роботика. Когато клиентите го разопаковат за първи път, те са изненадани от това колко сила произвежда за своя размер, но също така забелязват, че черпи малко повече ток, отколкото са очаквали, когато премества лек товар. Този допълнителен ток е само енергия, загубена от триене в зъбното колело и плъзгащия прът - не можете да го елиминирате напълно, когато работите в този мащаб.
След това има загуба на преобразуване на енергия, която се отнася повече за микромоторите, отколкото за електромеханичните задвижващи механизми, които изграждаме. Стандартният електродвигател използва медни намотки и магнити, за да превърне електричеството във въртеливо движение, но тези компоненти не са перфектни. Съпротивлението в намотките превръща електричеството в топлина и дори висококачествените магнити губят малко енергия всеки път, когато променят посоката си. Микромоторите имат още повече от тези загуби, защото малкият им размер означава, че намотките трябва да са много тънки и има по-малко място за изолация, за да се предотврати изтичане на енергия. НашитеМикро линеен двигателизбягва някои от тези загуби, като използва дизайн с директно задвижване вместо зъбни колела, което намалява триенето на зъбните колела. Но тъй като той трябва да преобразува въртеливото движение в линейно движение, за да работи като задвижващ механизъм, той все още има малки загуби в съединителната и водещата система - така че ефективността му достига около 35 процента, което всъщност е доста добро за микролинеен двигател.
Това, което е важно да разберете, е, че ефективността има значение само ако се измерва спрямо това, което действително трябва да прави задвижващият механизъм. Ако захранвате малък проект „Направи си сам“ – да речем, елерон на модел на самолет или отварящ вентилационен отвор на оранжерия – вероятно не ви интересува, че един задвижващ механизъм е само 15 процента ефективен, стига да работи с малка батерия и да не прегрява. Но ако изграждате медицинско устройство, което трябва да работи години наред с малка клетъчна клетка с монета, или дрон, който трябва да спести всяка част от батерията, за да остане във въздуха по-дълго, ефективността става всичко. Ето защо ние проектираме нашитеМикро електрически задвижващ механизъмс комбинация от висококачествени предавки с ниско триене и ефективни медни намотки; все още има загуби, но ние го калибрирахме така, че за най-често срещаните микроприложения да достигне най-доброто място между размер, мощност и ефективност.
Нека поговорим за това как сами да изчислите ефективността, защото това е нещо, което всеки инженер или любител, с когото работя, трябва да знае. Това е проста математика, но имате нужда от точни измервания. Първо, измерете входната мощност: това е напрежението на източника на захранване, умножено по тока, който задвижващият механизъм черпи, докато работи. (Не вземайте просто обозначения ток – винаги го тествайте при действителния си товар.) След това измерете изходната работа: това е силата, която задвижващият механизъм произвежда, умножена по разстоянието, което се движи. Формулата е (изходна работа / входна мощност) x 100 и това ви дава ефективност като процент.
Виждал съм това да се обърква толкова много пъти с купувачите за първи път. Преди няколко месеца клиент се свърза с мен разстроен, защото новият му задвижващ механизъм „не беше достатъчно ефективен“. Той ни беше закачилЛинеен задвижващ механизъм за Направи си моделдо 12V батерия и я пуснете на пълна скорост без натоварване - само теглото на самата пръчка. Когато преброи числата, той получи ефективност от около 8 процента и смяташе, че това е недостатък в продукта. Истината е, че ефективността е най-ниска, когато задвижващият механизъм не движи нищо полезно. Цялата енергия отиваше за преодоляване на триенето в пръта и зъбните колела, а не за преместване на реален товар. Когато добави товар от 500 грама (нещо, за което всъщност се нуждаеше от задвижващия механизъм, за да го повдигне), ефективността му скочи до 22 процента - много по-близо до обозначения диапазон за този модел. Това е ключов урок: ефективността на микрозадвижващите механизми достига пикове при определено натоварване, а не при пълна скорост или без скорост.
Друг важен фактор за ефективността е напрежението и скоростта, при които работите със задвижващия механизъм. Пускането на микрозадвижващ механизъм при напрежение, по-ниско от номиналното напрежение, ще намали неговата ефективност, тъй като той не може да произведе достатъчно сила, за да преодолее толкова лесно вътрешното триене. Пускането му по-бързо от номиналната му скорост също вреди на ефективността; микромоторите са проектирани да работят в определен диапазон на скоростта, където техните намотки и магнити работят най-добре, и избутването им отвъд това добавя допълнителни загуби. Ето защо, когато тестваме нашитеЛинейни микрозадвижкиза контрол на качеството, ние винаги ги тестваме при тяхното номинално напрежение и при натоварването, за което са проектирани – ние не просто изваждаме произволно число за ефективност от кутията.
Също така си струва да се отбележи, че различните видове микрозадвижки имат много различни диапазони на ефективност. Пиезоелектричните микрозадвижващи механизми, например, са супер малки и могат да произведат огромни сили за техния размер, но тяхната ефективност често е по-ниска от 10 процента, тъй като те разчитат на вибриращи материали, за да създадат движение. От друга страна, електромагнитните задвижващи механизми като тези, които изграждаме, имат по-висока ефективност, защото използват стандартни принципи на дизайна на двигателя, които вече са добре разбрани в по-малки мащаби. Ето защо ние се съсредоточаваме върху електромагнитни конструкции за повечето от нашите продукти - те са надеждни и ефективността им е достатъчно постоянна, за да разчитат на нашите клиенти.
В тази индустрия съм достатъчно дълго, за да видя каква разлика може да направи една малка печалба в ефективността за един проект. Екип по роботика, с който работя, наскоро създаде малък подводен робот, който използва нашите микро линейни задвижващи механизми, за да управлява перките си. Преди да преминат към нашите продукти, те използваха друга марка задвижващ механизъм, който беше само 12 процента ефективен, така че батерията им умря след 2 часа. След смяната те получиха ефективност от 21 процента, удвоявайки времето си на работа до 4 часа - всичко това благодарение на няколко малки промени в дизайна, които намаляват загубите от триене и преобразуване. Това е вида ефективност на въздействието, дори в микромащаб.
Разбира се, никой микрозадвижващ механизъм не е 100 процента ефективен и опитът да се преследва това число обикновено е загуба на време и пари. Най-добрият подход е да намерите задвижващ механизъм, който има диапазон на ефективност, който работи за вашето конкретно приложение, а не само най-високата ефективност на пазара. Ако изграждате малък, еднократен проект „Направи си сам“, малко по-малко ефективен задвижващ механизъм, който е евтин и лесен за инсталиране, вероятно е по-добър от високоефективен, който струва два пъти повече и е прекален. Но ако създавате комерсиален продукт, който трябва да отговаря на стандартите за ефективност, ефективността ще бъде ключов фактор за това как вашият продукт работи и колко дълго издържа.
В крайна сметка ефективността на микрозадвижващия механизъм не е фиксирана стойност — това е измерване, което се променя в зависимост от начина, по който го използвате, за какво го използвате и колко добре дизайнът на задвижващия механизъм е оптимизиран за движение в малък мащаб. За нас, като доставчик на микрозадвижващи механизми, нашата работа не е просто да продаваме части, които движат нещата – тя е да помогнем на клиентите да разберат какво означава ефективност за техния проект и да предоставим продукти, които балансират размера, мощността и ефективността за техните специфични нужди.
Ако имате въпроси относно това кой микрозадвижващ механизъм е подходящ за вашия проект или искате да обсъдите изискванията за ефективност за вашето приложение, ще се радваме да се свържем с вас. Ние работим с любители, инженери и продуктови дизайнери от всякакъв вид и сме тук, за да ви помогнем да намерите решението, което пасва.
препратки:
- Боланд, Дж. (2021). Анализ на ефективността на микроелектромеханични задвижващи механизми за дребномащабна роботика. Вестник по микромеханика и микроинженерство, 31 (4), 045002.
- Лий, С. и Парк, Х. (2019). Загуби от триене в линейни микрозадвижващи механизми: Сравнително изследване на конструкциите на плъзгащи се и търкалящи се водачи. Прецизно инженерство, 57, 189-197.
- Международна електротехническа комисия (IEC). (2020 г.). Стандарт за микрозадвижки: Тестване на производителността и измерване на ефективността. IEC 60034-30-2:2020.
- Zhang, L., & Wang, Y. (2022). Загуби от преобразуване на енергия в миниатюрни електрически двигатели за приложения с микрозадвижки. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 69 (11), 11245-11253.
