小型走行ロボット向けモーター特性評価 (2016)

別名 HobbyKing Cheetah。 これは長くなるので、お付き合いください。 要するに：小型走行ロボットでの有用性を調査するために、安価なブラシレスモーターを多数特性評価します。各モーターは機械的な分解と簡単な特性評価を行います。結論は一番下までスクロールしてください。 背景 過去に、私はバイオミメティックロボットラボで小型走行ロボットに取り組んだことがあります。そのロボットは、非常に安価な既製のDCギアモーターで構築されており、極低コストで設計されていました。しかし、これはロボットが可能な走行の種類に関して、非常に制限的な要因であることが証明されました。 そこで、基本的な考え方はこうです：ホビー用ラジコン市場は、安価で軽量、超強力なモーターを豊富に生み出してきました。このタイプのモーターは、私の小型電気自動車のフリートや、他の多くの人々の車両、マルチコプター、飛行機などに、ずっと以前から登場していました。しかし、ロボットでは精密または高速なトルク制御アクチュエーターとしては使われていません。 これにはいくつかの理由があると思います。第一に、適切なモーターコントローラーが実際には存在しません。Maxonのような企業が製造する超高価な小型ブラシレスコントローラーや、AMCのような企業の、それよりは安価（だが大きい）な産業用グレードのサーボドライブがあります。これらは、独自のセンサーアレイをホビーモーターに追加することで機能させることができます。しかし、これらのモーターは、低いトルク定数、低い抵抗、低いインダクタンスで巻かれている傾向があるため、多くのアンペアと比較的少ないボルトを必要とし、これは派手なサーボドライブとはうまく連携しません。スペクトルの反対側には、ホビーグレードのコントローラーがありますが、これらは通常、電流またはトルク制御の形式を欠いているため、RC車両以外のものにはほとんど役に立ちません。 動的な走行ロボットでこれらのモーターを使用することに興味があるので、これらのモーター制御オプションはさらに役に立たなくなります。派手な産業用ドライブは、一日中10アンペアを出力するかもしれませんが、10アンペアを超えることは決してありません。一方、走行には、それが望ましいものではありません。代わりに、継続的な電流の数倍を短時間のバーストで、そしてそれ以外の時間ははるかに少ない電流を必要とします。したがって、より動的な電流制限が必要です。 MITでのニックの最後の学期、Derpbike（別名 Bremsthesis）での作業のおかげで、これをシニア論文プロジェクトにしています。卒業するために技術的には必要ありませんが、コース2A（柔軟なMechEオプション）を選択しているため、次の学期中ずっとMITERSで自分のプロジェクトにクレジットのために取り組む絶好の口実です。学期の最終目標は、必要なモーター制御関連の作業をすべて完了し、ホビー用RCモーターを使用して2自由度のプロトタイプ脚を構築することです。 モーター特性評価 このプロジェクトの開始にあたり、この種のロボットに適していると思われる小型ブラシレスモーターの山を入手し、どれが最良かを見つけるために特性評価を行いました。これらは、幾何学的形状から、入手可能なモーターの広範な配列の中から視覚的に絞り込みました。一般的に、パンケーキ型（直径が大きく、奥行きが小さい）が、高いトルク密度に最適です。 これは、モーターの次元解析で確認できます。ローターとステーターが一定の厚さの2つのリングであり、半径と奥行きを変更できると仮定します（これはそれほど不合理ではありませんが、すべてを網羅しているわけではありません）。モーターのトルクは、ギャップ表面積とギャップ半径の両方に比例します。したがって、一定のギャップ表面積（この場合は一定の質量を意味する）に対して、直径を増やすことは、質量あたりのトルクを増やすことを意味します。 もちろん、これが完全に真実ではない多くの実用的な理由があります（モーター支持材の質量は異なるスケールになる可能性があり、モーターが薄いほど、巻線の端部での割合が大きくなるなど）。しかし、これは良い出発点です。 ここに、最終的に手元に残ったモーターの山があります。左から右へ、Turnigy HD 5208 Gimbal Motor、Turnigy Multistar Elite 5010、Gartt ML 5208、Turnigy Multistar 4830、Turnigy Multistar 4822、Flycat i-Rotor 5010です。 方法論 このモーター特性評価の目標は、各モーターの電磁性能の良好な一次理解を得ること、および構造の品質と、これらのモーターを脚式ロボットアプリケーションに適合させる容易さを評価することです。すべての特性評価は、ベンチトップ電源、ペアのマルチメーター、コードレスドリル、およびオシロスコープを使用して行われました。 測定した2つのパラメータは、線間抵抗と、一定速度での線間逆起電力波形（したがって、コードレスドリルを使用）でした。これらの数値から、トルク定数（Kt）と「モーター定数」（Km）を、Kt/sqrt(R) を見つけることによって計算できます。この数値は、特定の電力散逸に対してモーターがどれだけのトルクを生成できるかを示します（単位も N*m/sqrt(ワット) になります）。この数値は、モーターの巻線方法に依存しないことに注意することが重要です（一定のパターンと銅の量が同じであると仮定した場合）。言い換えれば、モーターを2倍のターン数で巻き直すと、トルク定数が2倍になり、抵抗が4倍になるため、モーター定数は変わりません。モーターのトルク生成能力（抵抗損失のみを見ると）は、銅面積が一定に保たれている場合、トルク定数がどれだけ高くまたは低く巻かれているかには依存しません。これは一般的な混乱のポイントだと思います。 したがって、モーター定数は非常に限定的なモーター性能指標ですが、モーターの性能を大まかに把握したいだけであれば、有用な数値です。 さらに、モーターの材料がトルク生成にどれだけうまく使用されているかの良い指標は、おそらく Km/sqrt(質量) でしょう。同じモーターを2つエンドツーエンドに接続すると、質量は2倍になり、モーター定数は sqrt(2) の係数で増加するため、この数値は一定のままになります。 Turnigy HD 5208 Gimbal Motor 価格：39.20ドル ローターは、1つのEクリップによって軸方向に拘束されています。シャフトとベアリングは非常に小径で、どちらの端にも追加のシャフトは突き出ていません。 ステーターには、より多くの銅を入れるための十分なスペースがあります。巻線は、非常に細い単線です。 余分に厚い積層板。このモーターが高速回転するように設計されていなかったもう一つの兆候です。 素敵な厚い磁石。ローターのバランス調整は目に見える限り行われていません。 スコープ上の逆起電力：これは名目上、31 RPM/ボルトのモーターです。 トルク定数：0.3081 N*m/A 抵抗：11.7 Ω モーター定数：0.0901 N*m/sqrt(ワット) Turnigy Multistar Elite 5010 価格：52.69ドル（1/29現在 42.15ドル） これは美しいモーターです。その分支払いますが、Hobbykingはここで本当に自分たちの限界を超えました。同サイズの他のモーターより15ドル多く支払うと、絶対に美しい単線で完璧な巻線、湾曲したN45SH磁石、そして全体的に非常に良い感触のモーターを手に入れることができます。 全体的にしっかりした構造。大きなシャフトとベアリング。シャフトはロックタイトで固定されたネジによって軸方向に拘束されています。 非常に残念ながら、ステーターには銅を入れるためのスペースがかなりあります。しかし、マルチローター用途では、これは実際には良いことだと思います。厚くきれいな巻線とステーターのスロット間の空気の流れのためのスペースを考えると、これらのモーターはプロペラによって強制される空気によって非常に良く冷却されていると確信しています。また、ステーター歯のテーパー状の端にも注目してください。テストした他のすべてのモーターは、ステーター歯の端に直角があります。FEAを見ずに何をするかは断言できません。 予想通り、きれいで薄い積層板があります。 湾曲した磁石をさらに詳しく見ます。また、小さな青いバランシング用パテのダブもあります。 ドリルオメーターで測定した逆起電力。これは名目上、274 RPM/ボルトのモーターです。かなり正弦波のように見えます。 トルク定数：0.0333 N*m/A 抵抗：128 mΩ モーター定数：0.0930 N*m/sqrt(ワット) Gartt ML 5208 価格：38～45ドル このモーターには大きな期待を寄せていました。eBayで38ドルに値引きしてもらうことができ、Hobbykingの同サイズのモーターよりも安くなりました。上記の2つのモーターとは異なり、14極ではなく22極です。極対数が多いことの良い点は、極間の磁束が少ないことです（各極の面積が小さいため）。これにより、ローター巻線がより漏れにくい（つまり、磁束が漏れ出しにくい）ことを期待していました。実際、そのようでした。金属物体にほとんど触れることができません。