Motori

7.5.1

Introduzione

Dopo aver calcolato le coppie massime richieste dai sistemi di movimentazione, si opera la scelta del tipo di motore da utilizzare. La scelta del motore è strettamente legata alla necessità di trovare un buon compromesso tra prestazioni, leggerezza, dimensioni e costi. Inoltre, dovendo operare in un ambiente privo di aria, quindi senza ossigeno, il rover non può disporre di normali motori a combustione interna. Sarà, dunque, necessario impiegare motori elettrici alimentati con batterie. Tra i motori elettrici sono stati presi in considerazione quelli in corrente continua, per la loro affidabilità e semplicità. Inoltre, le uniche fonti di energia disponibili sono quelle prodotte dalle celle a combustibile e dai dispositivi fotovoltaici, entrambi in corrente continua.

Per individuare il modello di motore più adeguato alle specifiche richieste è stato necessario sviluppare una procedura che consentisse di identificare le caratteristiche meccaniche del motore elettrico partendo dai dati tecnici forniti dai costruttori. Di fatto, i costruttori per molti tipi di motori forniscono parametri legati prevalentemente a grandezze elettriche e non meccaniche.

7.5.2

Scelta del motore

Il mercato propone una vasta gamma di motori elettrici in corrente continua a magneti permanenti, tra questi si hanno quelli di tipo a spazzole, di tipo brushless, passo passo etc. [96],[97].Note le prestazioni richieste al motore, si è operata una prima scelta, considerando solo i motori che presentavano dimensioni compatibili con lo spazio a disposizione a bordo del rover. La soluzione costruttiva del rover prevede che l’insieme delle catene cinematiche di trasmissione, per ciascuna colonna compresi i motori, vengano integrate all’interno del volume delimitato dalle ruote gemellate, è dunque importante che il motore presenti dimensioni di ingombro contenute, oltre ad offrire la minima massa possibile. Scegliere motori prestanti, dalle ridotte dimensioni, comporta in generale costi più elevati. Se si considera che i motori da impiegare a bordo sono otto, la maggior spesa fronteggiata per l’acquisto dei motori, può essere compensata dal notevolmente abbattimento del costo di lancio, grazie alla conseguente riduzione della massa complessiva.

Costantino Falchi Sistemi di presa e movimentazione di robot non convenzionali

Tra i motori che rispondevano alle specifiche di progetto, quelli che sono risultati più idonei per l’azionamento di entrambe le catene cinematiche, sono quelli tipo brushless a cassa rotante. Si tratta di motori a magneti permanenti, piccoli leggeri e potenti.

In particolare, i motori brushless, rispetto ai tradizionali motori in corrente continua, vantano:

• una vita maggiore, poiché sono prive di spazzole, notoriamente soggette a usura;

• ingombro limitato rispetto alla potenza che possono erogare;

• sviluppano molto meno calore di un equivalente motore in corrente alternata;

• gli avvolgimenti sullo statore inoltre dissipano facilmente il calore generato e permettono di costruire motori “lisci”, senza alettature esterne.

Gli svantaggi più rilevati sono:

• costi elevati;

• tecnologia non diffusa.

7.5.3

Procedura per l’individuazione delle prestazioni dei motori elettrici brushless

Allo scopo di individuare, all’interno della famiglia dei motori brushless a cassa rotante, il motore che meglio si presta alle esigenze di progetto, sono stati presi in considerazione diversi modelli tra quelli proposti dal mercato. È infatti importante, a parità di potenza richiesta, scegliere quelli di piccole dimensioni e di massa ridotta.

Le caratteristiche tecniche fornite dai fabbricanti di motori brushless a cassa rotante sono: peso; dimensioni; giri x volt; assorbimento; n° celle; diametro albero.

Partendo dai dati di targa sono stati eseguiti i calcoli per determinarne le prestazioni meccaniche corrispondenti a quelle di progetto secondo la procedura esposta di seguito.

Inizialmente si stabilisce il numero di celle da impiegare; tale numero è legato allo spazio e al peso che l’intero pacco di batterie può occupare.

Nota la tensione di una cella si può determinare la tensione di alimentazione:

cell

V cell n

V = _° ⋅ 7.20)

Il valore della tensione di una cella di tipo LiPo è di 3,7 V. I motori brushless possono essere alimentati anche con altri tipi di batterie ma le caratteristiche migliori sono fornite da quelle delle LiPo.

Tabella 11: Caratteristiche delle batterie per motori brushless

Tipo Densità Volumica

[Wh/L] Densità massica [Wh/Kg] Tensione nominale Ni-Cd 100-160 45-80 1,2V Ni-Mh 230-350 70-110 1,2V Li-Po 250-300 120-180 3,7V Li-Ion 220-330 150-190 3,7V

Nota la corrente nominale ed il rendimento si procede con il calcolo della potenza assorbita:

η

Per il calcolo della coppia e della velocità massima fornita dal motore, i costruttori forniscono un parametro indicato con Kv, che indica il numero di giri per ogni volt di alimentazione in assenza di carico. Noto il Kv e la tensione di alimentazione si calcola la velocità angolare massima:

V Kv giri/min] = ⋅ [ ω 7.22) 60 2 _{[ /min]} sec] / [ giri rad

ω

π

ω

E quindi la coppia massima fornita sarà:

η

ω

7.5.4

Caratteristiche del modello scelto

I motori individuati non sono in grado di sviluppare da soli la coppia richiesta per la movimentazione del rover e pertanto sarà necessario studiare una catena cinematica in grado di produrre le grandezze richieste. Più precisamente il processo messo in atto per la scelta del motore ha reso necessario uno studio preliminare delle catene cinematiche, che come già descritto nel paragrafo 3.2, dovranno essere integrate all’interno delle ruote gemellate. Posto come vincolante il diametro delle ruote sono stati fissati gli ingombri del motore da impiegare e la scelta è ricaduta su quello avente la coppia più elevata. Ciò ha consentito di progettare le catene cinematiche, che verranno descritte nel paragrafo 7.7, con un rapporto di trasmissione complessivo più contenuto, favorendo riduzioni di dimensioni e di massa.

Costantino Falchi Sistemi di presa e movimentazione di robot non convenzionali

Tabella 12: Tabella riassuntiva delle caratteristiche dei motori presi in esame; per entrambi i modelli esaminati sono riportati i valori della: tensione nominale;corrente nominale, numero di gir per Volt ; potenza assorbita; rendimento; potenza all’albero; numero di giri massimo; coppia motrice massima; peso; diametro dell’albero; dimensioni. Modello motore Tn [V] In [A] kV [rpm*V] Potenza assorbita [W] η all'albero Potenza [W] Omega [rpm] Coppia Motore [Nm] Peso [g] Diametro albero [mm] Dimensioni [mm] AXI 5320/28 37,0 30 249 1110 0,9 999,0 9213 1,035 495 8 63x54 AXI 5320/34 37,0 30 206 1110 0,9 999,0 7622 1,2516 495 8 63x54

In tabella vengono riportate le caratteristiche relative a due motori brushless, tra quelli che offrono le migliori prestazioni, dal punto di vista delle dimensioni, della massa e della coppia.

Nella figura 7-6 è possibile vedere il motore AXI 5320/34 scelto per la motorizzazione delle catene cinematiche asservite al controllo d’assetto del telaio e per la movimentazione del rover.

Figura 7-6: Fotografia del motore brushless a cassa rotante scelto [98]

Si tratta di un motore con magneti in Neodimio, leggero, dalle dimensioni ridotte e dalle alte prestazioni, come indicato in tabella 7-2. Ha un albero da 8mm in acciaio indurito montato su tre cuscinetti a sfera.

Nelle figure 7-7 vengono messe a confronto le catene cinematiche utilizzando due motori identici in termini di potenza ma notevolmente diversi dal punto di vista degli ingombri e delle masse.

Nel caso specifico, per la movimentazione e il controllo di assetto del rover è necessario utilizzare otto motori. Aver scelto motori di tipo brushless a casse rotante, ha comportato un considerevole risparmio, in termini di massa, del sistema di motorizzazione. In termini assoluti il gruppo degli otto motori tradizionali ha una massa complessiva di circa 38kg contro una massa di 4kg del sistema costituito dai motori brushless a cassa rotante dedicati alla applicazione del rover.