وقتی پنج سال پیش شروع به فروش میکرو محرک‌ها در کارگاه کوچکم کردم، سؤالی که اغلب از خریدارانی که برای اولین بار خریدم می‌کردم این بود که «این کار چقدر کارآمد است؟» در آن زمان، توضیحی اساسی در مورد میزان کار مکانیکی تولید شده در مقایسه با برق مصرفی آن انجام می دادم، اما به سرعت فهمیدم که کارایی یک پاسخ یک عددی نیست. این یک معیار ظریف است که بسته به اینکه از محرک برای چه چیزی استفاده می‌کنید، نحوه نصب آن، و حتی جزئیات کوچک طراحی آن تغییر می‌کند - مواردی که وقتی با قطعات کوچکی کار می‌کنید که در بال هواپیمای بدون سرنشین یا دستگیره ربات جراحی قرار می‌گیرند، تفاوت ایجاد می‌کند.
برای هر کسی که در دنیای میکرو محرک‌ها تازه کار است، بیایید با اصول اولیه شروع کنیم: راندمان در اینجا صرفاً نسبت کار مفید مکانیکی خروجی به انرژی الکتریکی ورودی است که محرک می‌کشد. برای محرک‌های صنعتی بزرگ‌تر، این عدد ممکن است بین 40 تا 80 درصد باشد، اما محرک‌های میکرو در مقیاس‌های بسیار کوچکی کار می‌کنند که بازده آنها معمولاً بسیار پایین‌تر می‌شود - بسته به مدل و کاربرد، اغلب بین 10 تا 50 درصد. دلایل این شکاف به دو عامل بزرگ خلاصه می‌شود که وقتی با قطعاتی که به سختی چند میلی‌متر عرض دارند، بسیار تأثیرگذارتر می‌شوند: اصطکاک و تلفات در تبدیل انرژی.
برای مثال اصطکاک را در نظر بگیرید. در یک محرک با اندازه کامل، ممکن است از بلبرینگ های بزرگ یا سیستم های روانکاری استفاده کنید که فضای بین قطعات متحرک را به حداقل می رساند و اصطکاک را کم می کند. اما در طرح های میکرو، همان قطعات باید کوچک شوند تا در یک محفظه کوچک قرار گیرند. شما نمی توانید یک یاتاقان با اندازه کامل را در یک میله خطی 10 میلی متری قرار دهید، بنابراین بسیاری از میکرو محرک ها از راهنماهای ساده تری مانند قطعات پلاستیکی یا فلزی کشویی استفاده می کنند که اصطکاک بسیار بیشتری ایجاد می کند. هر بار که محرک باز یا جمع می شود، آن اصطکاک انرژی را به عنوان گرما به جای تبدیل آن به حرکت مفید هدر می دهد. من این را بیشتر با ما می بینمMicro Linear Actuator 6Vیکی از محبوب ترین مدل های ما برای علاقه مندان و رباتیک های کوچک است. هنگامی که مشتریان برای اولین بار آن را جعبه گشایی می کنند، از میزان نیرویی که برای اندازه آن ایجاد می کند شگفت زده می شوند، اما همچنین متوجه می شوند که هنگام جابجایی یک بار سبک، جریان کمی بیشتر از آنچه انتظار داشتند می کشد. این جریان اضافی فقط انرژی است که در اثر اصطکاک در قطار دنده و میله لغزنده از دست می‌رود - وقتی در این مقیاس کار می‌کنید نمی‌توانید آن را به طور کامل حذف کنید.
سپس اتلاف تبدیل انرژی وجود دارد که بیشتر در مورد موتورهای میکرو اعمال می شود تا محرک های الکترومکانیکی که ما می سازیم. یک موتور الکتریکی استاندارد از سیم‌پیچ‌ها و آهنرباهای مسی برای تبدیل الکتریسیته به حرکت چرخشی استفاده می‌کند، اما این اجزا کامل نیستند. مقاومت در سیم‌پیچ‌ها، الکتریسیته را به گرما تبدیل می‌کند و حتی آهنرباهای درجه بالا هر بار که جهت خود را تغییر می‌دهند، مقدار کمی انرژی از دست می‌دهند. موتورهای میکرو حتی بیشتر از این تلفات دارند زیرا اندازه کوچک آنها به این معنی است که سیم پیچ ها باید بسیار نازک باشند و فضای کمتری برای عایق بندی برای جلوگیری از نشت انرژی وجود دارد. ماموتور خطی میکروبا استفاده از طراحی مستقیم به جای چرخ دنده، که اصطکاک دنده را کاهش می دهد، از برخی از این تلفات جلوگیری می کند. اما از آنجایی که برای کار کردن به عنوان یک محرک باید حرکت دورانی را به حرکت خطی تبدیل کند، هنوز تلفات کمی در سیستم کوپلینگ و هدایت دارد—بنابراین راندمان آن در حدود 35 درصد است که در واقع برای یک موتور خطی میکرو بسیار خوب است.
آنچه که درک آن مهم است این است که راندمان تنها زمانی اهمیت دارد که با آنچه واقعاً به محرک نیاز دارید اندازه گیری شود. اگر یک پروژه کوچک DIY را تامین می‌کنید - مثلاً یک هواپیمای مدل هواپیما یا یک دریچه بازکن گلخانه - احتمالاً برایتان مهم نیست که یک محرک تنها 15 درصد کارایی دارد، البته تا زمانی که با باتری کوچک کار کند و بیش از حد گرم نشود. اما اگر در حال ساختن یک دستگاه پزشکی هستید که باید سال‌ها روی یک سلول سکه‌ای کوچک کار کند، یا پهپادی که برای ماندن طولانی‌تر در هوا نیاز به صرفه جویی در مصرف باتری دارد، کارایی به همه چیز تبدیل می‌شود. به همین دلیل است که ما خود را طراحی می کنیممحرک میکرو الکتریکیبا ترکیبی از چرخ دنده های با کیفیت بالا و اصطکاک کم و سیم پیچ های مسی کارآمد. هنوز تلفات دارد، اما ما آن را طوری کالیبره کرده‌ایم که برای اکثر برنامه‌های کاربردی معمول میکرو، بین اندازه، قدرت و کارایی به نقطه‌ی شیرین برسد.
بیایید در مورد نحوه محاسبه کارایی خود صحبت کنیم، زیرا این چیزی است که هر مهندس یا علاقه مندی که با آن کار می کنم باید بداند. این ریاضی ساده است، اما به اندازه گیری های دقیق نیاز دارید. ابتدا توان ورودی را اندازه گیری کنید: این ولتاژ منبع تغذیه ضرب در جریانی است که محرک هنگام کار می کشد. (فقط جریان برچسب گذاری شده را نگیرید - همیشه آن را تحت بار واقعی خود آزمایش کنید.) سپس کار خروجی را اندازه گیری کنید: این نیرویی است که محرک تولید می کند ضربدر فاصله ای که حرکت می کند. فرمول (Output Work / Input Power) x 100 است و به صورت درصد کارایی را به شما می دهد.
من بارها دیده ام که این اشتباه در مورد خریدارانی که برای اولین بار انجام می دهند. چند ماه پیش، یک مشتری ناراحت با من تماس گرفت زیرا محرک جدید او «به اندازه کافی کارآمد نبود». او ما را قلاب کرده بودمحرک خطی برای مدل DIYتا یک باتری 12 ولت و آن را با سرعت کامل و بدون بار کار کنید - فقط به وزن خود میله. زمانی که او اعداد را اجرا کرد، بازدهی حدود 8 درصد داشت و فکر می کرد که این یک نقص در محصول است. حقیقت این است که وقتی یک محرک هیچ چیز مفیدی را جابه‌جا نمی‌کند، راندمان کمتر است. تمام انرژی صرف غلبه بر اصطکاک در میله و چرخ دنده ها می شد، نه برای جابجایی یک بار واقعی. هنگامی که او یک بار 500 گرمی اضافه کرد (چیزی که در واقع برای بلند کردن آن به محرک نیاز داشت)، بازده او به 22 درصد رسید - بسیار نزدیک به محدوده برچسب گذاری شده برای آن مدل. این یک درس کلیدی است: راندمان برای محرک‌های میکرو در یک بار خاص به اوج می‌رسد، نه با سرعت کامل یا بدون سرعت.
یکی دیگر از عوامل مهم در بازده، ولتاژ و سرعتی است که شما با آن عملگر را کار می کنید. راه اندازی میکرو محرک با ولتاژی کمتر از ولتاژ نامی آن، کارایی آن را کاهش می دهد، زیرا نمی تواند نیروی کافی برای غلبه بر اصطکاک داخلی به راحتی تولید کند. اجرای سریعتر از سرعت نامی آن نیز به کارایی آسیب می رساند. میکرو موتورها طوری طراحی شده اند که در محدوده سرعت خاصی کار کنند، جایی که سیم پیچ ها و آهنرباهای آنها به بهترین شکل کار می کنند و فشار دادن آنها فراتر از این باعث تلفات اضافی می شود. به همین دلیل است که وقتی ما خود را آزمایش می کنیمعملگرهای میکرو خطیبرای کنترل کیفیت، ما همیشه آنها را در ولتاژ نامی و باری که برای آن طراحی شده‌اند آزمایش می‌کنیم—ما فقط یک عدد بازده تصادفی را از جعبه بیرون نمی‌کشیم.
همچنین شایان ذکر است که انواع مختلف میکرو محرک ها دارای محدوده کارایی بسیار متفاوتی هستند. به عنوان مثال، میکرو محرک های پیزوالکتریک بسیار کوچک هستند و می توانند نیروهای زیادی را نسبت به اندازه خود تولید کنند، اما راندمان آنها اغلب کمتر از 10 درصد است زیرا برای ایجاد حرکت به مواد ارتعاشی متکی هستند. از طرف دیگر، محرک‌های الکترومغناطیسی مانند آن‌هایی که می‌سازیم، کارایی بالاتری دارند، زیرا از اصول طراحی موتور استاندارد استفاده می‌کنند که قبلاً در مقیاس‌های کوچک‌تر به خوبی درک شده‌اند. به همین دلیل است که ما برای اکثر محصولات خود روی طرح های الکترومغناطیسی تمرکز می کنیم - آنها قابل اعتماد هستند و کارایی آنها به اندازه کافی ثابت است که مشتریان ما به آن وابسته باشند.
من به اندازه کافی در این صنعت بوده ام تا ببینم یک افزایش کوچک در کارایی چقدر می تواند برای یک پروژه تفاوت ایجاد کند. یک تیم روباتیک که من با آنها کار می کنم اخیراً یک ربات کوچک زیر آب ساخته اند که از محرک های خطی میکرو ما برای کنترل باله های خود استفاده می کند. قبل از تغییر به محصولات ما، آنها از یک محرک مارک متفاوت استفاده می کردند که تنها 12 درصد کارایی داشت، بنابراین باتری آنها پس از 2 ساعت از بین رفت. پس از تعویض، بازدهی 21 درصدی را به دست آوردند و زمان اجرای آنها را دو برابر کرد و به 4 ساعت رساند - همه اینها به دلیل چند ترفند کوچک طراحی بود که اصطکاک و تلفات تبدیل را کاهش داد. این همان کارایی تاثیرگذاری است، حتی در مقیاس خرد.
البته هیچ میکرو محرکی 100 درصد کارآمد نیست و تلاش برای تعقیب این عدد معمولا اتلاف وقت و هزینه است. بهترین رویکرد این است که محرکی را پیدا کنید که دارای محدوده بازدهی باشد که برای کاربرد خاص شما کار کند، نه فقط بالاترین راندمان موجود در بازار. اگر در حال ساخت یک پروژه کوچک و یکباره هستید، احتمالاً یک محرک با کارایی کمتر که ارزان و آسان نصب می شود بهتر از یک محرک با راندمان بالا است که دو برابر هزینه دارد و بیش از حد هزینه دارد. اما اگر در حال ساخت یک محصول تجاری هستید که باید استانداردهای عملکرد را رعایت کند، کارایی یک عامل کلیدی در نحوه عملکرد محصول و مدت زمان ماندگاری آن خواهد بود.
در پایان روز، راندمان یک محرک میکرو یک مقدار ثابت نیست - این یک اندازه گیری است که با نحوه استفاده از آن، استفاده شما از آن، و اینکه چگونه طراحی محرک برای حرکت در مقیاس کوچک بهینه شده است، تغییر می کند. برای ما، به عنوان یک تامین کننده میکرو محرک، کار ما فقط فروش قطعاتی نیست که چیزها را جابجا می کنند - بلکه کمک به مشتریان در درک معنای کارایی برای پروژه آنها و ارائه محصولاتی است که اندازه، قدرت و کارایی را برای نیازهای خاص آنها متعادل می کند.
اگر سؤالی دارید که کدام یک میکرو محرک برای پروژه شما مناسب است یا می خواهید در مورد الزامات کارایی برنامه خود صحبت کنید، خوشحال می شویم با شما ارتباط برقرار کنیم. ما با علاقه‌مندان، مهندسان و طراحان محصولات از همه نوع کار می‌کنیم، و اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم راه‌حل مناسب را پیدا کنید.
مراجع:
- بولند، جی (2021). تجزیه و تحلیل کارایی محرک های میکرو الکترومکانیکی برای رباتیک در مقیاس کوچک. مجله میکرومکانیک و میکرو مهندسی، 31(4)، 045002.
- لی، اس.، و پارک، اچ (2019). تلفات اصطکاک در محرک های میکرو خطی: مطالعه تطبیقی طرح های راهنمای لغزشی و غلتشی. مهندسی دقیق، 57، 189-197.
- کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC). (2020). استاندارد برای Micro Actuators: Performance Testing and Efficiency Measurement. IEC 60034-30-2:2020.
- Zhang, L., & Wang, Y. (2022). تلفات تبدیل انرژی در موتورهای الکتریکی مینیاتوری برای کاربردهای Micro Actuator. IEEE Transactions on Industrial Electronics، 69(11)، 11245-11253.
