Aktuální vydání

celé číslo

11

2021

Monitorování stavu zařízení, diagnostika, řízení údržby

Snímače a systémy řízení polohy a pohybu (motion control)

celé číslo

Elektrické pohony pro náročné úlohy

číslo 3/2005

Elektrické pohony pro náročné úlohy

Ve světě existuje mnoho výrobců elektrických pohonů, které by svým výkonem splnily požadavky kladené na mechanismy určené pro použití v kosmu. Agentura NASA vybrala a použila stejnosměrné pohony švýcarského výrobce Maxon Motor AG. Důvodem jsou vynikající vlastnosti motorů, převodovek s požadovaným výkonem a snímačů značky Maxon, které usnadňují konstrukci kosmické sondy a podporují její spolehlivou funkci (obr. 1).

Roboty na Marsu – rok poté

V lednu 2004 přistála na planetě Mars dvojice robotů Spirit a Opportunity z kategorie kosmických vozidel – Roverů (obr. 2). Už samotný úspěšný přistávací manévr byl považován za obrovský úspěch – zvláště poté, co předchozí sondy byly při pokusu o dosažení povrchu Marsu zničeny (šlo o americkou Polar Lander a britskou Beagle-II).

Obr. 1.

Obr. 1. Řez komutátorovým stejnosměrným pohonem od firmy Maxon

Agentura NASA přitom doufala, že alespoň jeden z šestikolových roverů dokáže přežít v drsných podmínkách Marsu plánované tři měsíce. Všechno ale bylo jinak: V lednu 2005 Spirit i Opportunity „oslavily„ na Marsu první rok pobytu. A byl to velmi úspěšný rok, ať už z vědeckého nebo, z technického hlediska.

Pro vědecký úspěch mise je přitom nesmírně důležitá právě mobilita obou zařízení. Dosud totiž všechny aparatury na Marsu byly statické. Tím bylo jejich pozorování zkresleno – nemohly si vybírat cíle pro průzkum a nemohly zaujmout polohu vhodnou pro jeho dosahování. Právě mobilita tyto dosti zásadní nevýhody eliminuje.

Robot Spirit úspěšně přistál 4. ledna 2004 na dně kráteru Gusev. Několik dní po přistání si „prožil klinickou smrt„, když závada v softwaru řídícím paměť flash způsobila selhání počítačového systému (neovladatelná častá nová spuštění hlavního počítače). Závadu se podařilo rychle opravit; bez hlavního počítače by totiž nebylo možné regulovat teplotu robotu v průběhu noci – a na Marsu panují velmi nízké teploty (až –120 °C), které by mohly citlivou elektroniku nenávratně poškodit.

Obr. 2.

Obr. 2. Vozidlo NASA Mars Rover Spirit 2004 (zdroj:NASA)

Spirit ale tento, stejně jako několik dalších drobných problémů (kámen zaseklý v jednom z jeho kol apod.), překonal a během ročního pobytu na Marsu najezdil více než čtyři kilometry (obr. 3)! Přáním NASA přitom bylo, aby stroj ujel alespoň 600 metrů.

Přesně tři týdny po robotu Spirit přistálo na Marsu jeho dvojče, robot Opportunity. Náhoda tomu chtěla, že místem přistání se stal kráter o průměru dvaceti metrů, který byl pojmenován Eagle Crater (Orlí kráter). Právě krátery jsou pro vědce nesmírně zajímavé útvary, neboť otevírají pohled pod povrch planety – na jednotlivé geologické vrstvy, usazeniny apod. A tak není divu, že Opportunity v kráteru zůstal pracovat dva měsíce. Když z něj vyjel, měl najeto jen 144 metrů – ve zhruba stejné době Spirit uháněl k pohoří Columbia a téměř denně překračoval stometrovou hranici denní ujeté vzdálenosti.

Robot Opportunity se přesunul k výrazně většímu kráteru Endurance s průměrem 200 metrů. V červenci 2004 do něj vjel a zkoumal jej téměř půl roku. V současné době míří Opportunity k dalším kráterům. Vědci se zatím nerozhodli, zda se robot vydá na průzkum dalšího z nich, a který to bude.

Obr. 3.

Obr. 3. Stopy na povrchu Marsu, které zůstávají za robotem Spirit (zdroj: NASA)

Shrnuto, mise robotů Spirit a Opportunity stála více než 800 milionů dolarů, ale komentátoři se shodují v tom, že jde o jednu z nejlepších investic NASA.

Pohony roverů

Podívejme se nyní podrobněji na vlastnosti pohonů od firmy Maxon, na jejichž základě byly vybrány k použití mj. při náročných kosmických misích.

Zvláštní požadavky na pohony

Základním parametrem pohonu pro kosmické mise je jeho hmotnost při požadovaném výkonu. Tuto vlastnost lze vyjádřit hustotou výkonu měřenou např. ve wattech na 1 g hmotnosti nebo na 1 cm3 objemu pohonu. Hustota výkonu použitých pohonů ovlivňuje hmotnost celé sondy a projeví se na celkové spotřebě raketového paliva.

Úloha vyžaduje řízení rychlosti v širokém rozsahu a pohyb v obou směrech.

Energetická síť sondy i roverů pro napájení motorů je stejnosměrná s malým napětím.

Omezená kapacita napájecích zdrojů vyžaduje pohony s velkou účinností přeměny elektrické energie na mechanickou.

Pohony musí být schopny alespoň krátkodobě vyvinout několikanásobně větší sílu v neočekávaných situacích k překonání zvýšených mechanických odporů.

Požaduje se spolehlivý rozběh i po dlouhé době nečinnosti ve specifické atmosféře a teplotách na Marsu.

Výjimečné vlastnosti pohonů Maxon

Při výrobě motorů, převodovek a snímačů jsou používány nové materiály a technologie. Z nich některé vyvinula sama firma Maxon, věnující se vývoji a výrobě malých stejnosměrných motorů již několik desetiletí. Už od prvních typů komutátorových motorů s permanentními magnety ve statoru bylo jejím cílem nabízet výrobky s nadprůměrnými vlastnostmi a velmi dlouhou dobou života. Vyvinula a patentovala konstrukci a technologii výroby samonosného trubkového vinutí rotoru (viz dále). Firma Maxon trvale vynakládá značné prostředky na vývoj dokonalejších motorů i ostatních prvků pohonů. Několik obecně přijímaných nedokonalostí v pohonech vyřešila na úrovni výzkumu nových materiálů a vývoji technologií.

Motory

Motory použité v roverech mají mechanickou komutaci. Komutace ve stejnosměrných motorech znamená přepínání proudu do sekcí vinutí na základě informace o úhlu natočení rotoru. Zajišťuje optimální pravý úhel mezi magnetickými poli statoru a rotoru v celém rozsahu rychlostí a zatížení. Motor jednoduchými prostředky dosáhne velkého krouticího momentu v širokém rozmezí rychlosti, kterým vyniká nad indukčními a krokovými motory.

Obr. 4.

Obr. 4. Samonosné vinutí podle patentu firmy Maxon

Komutátorové motory Maxon se liší od konvenčních stejnosměrných motorů především již zmíněnou odlišnou konstrukcí vinutí rotoru. Závity vinutí nejsou obvyklým způsobem vloženy do drážek na povrchu jádra z transformátorových plechů, ale jsou vytvarovány a uspořádány do tvaru tenké trubky (obr. 4). Větší pracnost a technologická náročnost samonosného vinutí se projeví vyšší cenou, ale jsou vyváženy vynikajícími vlastnostmi.

Hlavní přednosti samonosného vinutí

Hlavní přednosti skýtané samonosným vinutím používaným firmou Maxon jsou stručně shrnuty v tab. 1. Prozkoumejme je podrobněji.

Potlačené jiskření kartáčů

Jiskření kartáčů na komutátoru, které je obvyklou příčinou konce života motoru, je v motorech firmy Maxon silně potlačeno.


Hlavní přednosti samonosného vinutí motorů Maxon v kostce
  • potlačené jiskření kartáčů,
  • velká účinnost a malá spotřeba energie,
  • velký výkon při malých rozměrech a dlouhé době života,
  • krátká elektrická i mechanická časová konstanta.

Jiskry jsou elektrické oblouky způsobené indukovaným napětím při zániku magnetického pole přepojovaného segmentu cívky kartáčem. Indukované napětí udrží proud i při vzdalování lamely od kartáče a vytáhne za odcházející lamelou jiskru. Jiskření zesiluje s rychlostí otáčení. Energie magnetického pole samonosného vinutí je podstatně menší než energie feromagnetického jádra. Výsledkem je dlouhá doba života komutátoru a kartáčů i při vysoké rychlosti motoru kolem 10 000 min–1. Z hlediska použití v kosmickém vozidle není doba života motorů kritickým parametrem, ale malé jiskření se projeví velkou spolehlivostí.

Motory Maxon se vyrábějí s grafitovými kartáči nebo s kartáči z drahých kovů. Kovové kartáče mají menší a stálejší přechodový odpor mezi kartáčem a komutátorem. Pro další omezení jiskření kovových kartáčů jsou mezi lamelami rotoru zapojeny kondenzátory, které pohltí indukovanou energii a sníží napětí vytvářející a udržující jiskru. Jde o metodu zvanou Capacity Long Life (CLL), jejímž původcem je rovněž firma Maxon.

Velká účinnost

Důsledkem odstranění železného jádra je velká účinnost motorů, dosahující 80 až 90 %, a malá spotřeba energie.

Velký měrný výkon

Protože výkon motoru je součin krouticího momentu a rychlosti, vede vysoká rychlost ke zmenšení rozměrů motoru daného výkonu. Rychlost konvenčních motorů lze zvyšovat nad otáčky 3 000 min–1 jen na úkor doby života, která je pak vlivem silného jiskření jen několik set provozních hodin. Doba života komutátorových motorů Maxon je při rychlosti 8 000 min–1 i více než 10 000 hodin.

Současně motor zaujímá malý prostor. Pro permanentní magnet je v motorech Maxon využita dutina v samonosném vinutí. Vně vinutí je pouze tenký feromagnetický plášť, který uzavírá magnetický tok.

V kosmických vozidlech jsou použity motory RE s jediným kompaktním permanentním magnetem na bázi vzácných zemin NdFeB uvnitř vinutí. Velká síla magnetického pole v mezeře pro vinutí, tj. magnetická indukce, také znamená menší rozměry motoru.

Krátká časová konstanta

Vinutí motoru Maxon má velmi malý moment setrvačnosti a malou indukčnost. To jsou parametry, které se projeví v krátké elektrické i mechanické časové konstantě s hodnotami typicky mezi 5 až 10 ms.

Převodovky

Planetové převodovky, které jsou připojeny k motorům, využívají speciálně vyvinuté čepy planet z keramiky na bázi ZrO2, které umožňují použít velkou vstupní rychlost motoru a zmenšují rozměry převodovky.

Snímače

Další modernizace, která předcházela misi Spirit a Opportunity, je magnetický inkrementální snímač MR. Snímač využívá změnu ohmického odporu mikroprvků z NiFe, vyvolanou změnou směru magnetického pole kotouče se zmagnetovanými 16 až 64 póly. Interpolací přesně matematicky definovaného průběhu lze na výstupu vytvořit až 1 024 impulsů na jednu otáčku. Snímač je málo citlivý na nepřesnost montáže a na otřesy. Zaujímá velmi malý prostor.

Přínos misí a aplikací NASA pro Zemi

Firma Maxon dodala pro vozidla Rover standardní pohony s motory řady RE s mazivem upraveným pro atmosféru Marsu. Pohony budou vystaveny ve stánku firmy Uzimex na pražském veletrhu Amper od 5. do 8. dubna 2005. Bude možné si je prohlédnout i namontované na vystavené kopii roveru, vyrobené podle podkladů NASA.

Na veletrhu Amper bude představena také rozsáhlá nabídka motorů s mechanickou i elektronickou komutací, převodovek, snímačů, elektromagnetických brzd a řídicích jednotek. Bude tak možné získat představu o tom, jak využít význačné vlastnosti pohonů Maxon pro zvýšení úrovně nejrůznějších zařízení.

Václav Brož,
UZIMEX PRAHA, spol. s r. o.,
Tomáš Přibyl,
(tomas.pribyl@seznam.cz)

UZIMEX PRAHA, spol. s r. o.
Na Celné 5
150 00 Praha 5
tel.: 257 323 938
fax: 257 325 025
e-mail: praha@uzimex.cz
http://www.uzimex.cz