Motore Servo DC ad armatura piatta - DIY Servodisc

Sezione dedicata alla meccanica delle CNC e delle macchine tradizionali.

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Motore Servo DC ad armatura piatta - DIY Servodisc

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 12:40

Per tutti gli appassionati costruttori di motori dalle fattezze piu' strane, questo forse potra' diventare uno studio utile a realizzare qualcosa di applicabile direttamente alle nostre cnc.

Dopo un po' di ricerche ho finalmente scoperto le origini dei famosi motori Kollmorgen Servodisc, dei DC brushed dalle prestazioni molto superiori rispetto agli altri motori a spazzole.
Erano gia' noti negli anni '50 sotto il nome di "printed motors" in virtu' del processo con cui si ricava l'armatura.

La curiosita' e' nata seguendo l'evoluzione del driver per motori servo DC progettato dall'utente Marcosin, il quale un giorno mostro' proprio uno di questi Servodisc.

Questo e' un datasheet ufficiale:
http://www.kollmorgen.com/website/commo ... atalog.pdf

Come potete vedere i punti di forza di questi motori sono la leggerezza del rotore, la sua compattezza e il ridotto scintillio delle spazzole durante l'utilizzo.
Questo si traduce in accelerazioni incredibili (da 0 a 4000 rpm in soli 60°), dunque in inversioni istantanee, e in una durata di utilizzo sicuramente maggiore di qualunque altro motore brushed.
Un altro punto interessante e' che la potenza di picco e' decine di volte superiore a quella nominale (contro le 3-4 di un servo DC brushed comune).

Ma il primo motivo di interesse e' che con molte probabilita' e' possibile replicarli.
Almeno questo e' quello che ho pensato dopo aver finalmente trovato delle foto interne 8)

Quelle che allego sono di un modello degli anni '90.
Mi mancano alcuni dati sull'esatta conformazione dell'armatura ma penso si possa gia' iniziare a fare qualche ipotesi.

I modelli attuali hanno due livelli di magneti permanenti, ma ci sono molte tipologie che usano un solo piano con i magneti ed un dorso in materiale ferromagnetico (modelli piu' economici).

Le 4 spazzole sono connesse a coppie contrapposte, dunque il motore si pilota usando 2 poli.

Per un primo esperimento si potrebbe tentare di costruire l'armatura usando una basetta in vetronite bifaccia con spessore di rame da 35 o 70 micron, in seguito si potrebbe cercare una soluzione per lavorare direttamente un foglio di rame dopo averlo assemblato in sandwich con interstrato in resina.

Mi piacerebbe il vostro parere, anche meccanico.

ps: visto l'elevato costo che hanno da nuovi e la liberta' di poterli ricreare del diametro desiderato una volta risolto il nucleo albero-armatura si potrebbero adattare a moltissimi usi dove siano richieste coppie elevate e spessori ridotti.

ps2: abbinati al driver per motori servo DC di Marcosin si potra' allestire un sistema servo in closed loop totalmente autocostruito 8)
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 14:16

Qualche dettaglio tratto da uno dei maggiori produttori:

http://www.printedmotorworks.com/printed-motors/


Se eravate appassionati di alta fedelta' del suono nell'era delle cassette e' probabile che abbiate posseduto alcuni di questi motori...di solito erano adibiti al trasporto del nastro per via della loro fuidita' estrema anche alle basse velocita'.

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da alex89 » mercoledì 16 febbraio 2011, 17:17

Interessantissimo .. tentar non nuoce !

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da marcosin » mercoledì 16 febbraio 2011, 18:58

Ho provato a smontare il motore, il problema è la dinamo tachimetrica, il suo disco è calettato con una boccola all'albero ma non ha grani, è incollato e non riesco a toglierlo senza correre il rischio di romperlo.
E' un disco di materiale simile alla vetronite quindi è molto debole.
Metto delle foto della dinamo tachimetrica che segue lo stesso principio costruttivo del motore.
Scusate la qualità  delle foto ma sono fatte con il telefonino...
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 19:19

Grande Marco :) , anche dalla dinamo si puo' capire moltissimo usando il tester.

Sembra che le piste di un lato siano in contatto con quelle del lato opposto mediante le giunzioni vicine all'albero.

Ad occhio ogni pista copre 90°, le due contrapposte dovrebbero quindi coprire 180°.

Riesci a capire dove entrano in contatto i due lati? I fori piu' esterni in teoria non dovrebbero avere un contatto passante. Resta da capire il giro compiuto da quei cavi neri e se c'e' continuita' elettrica tra i magneti o se sono fissati a piani differenti...

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da claudio.lorini » mercoledì 16 febbraio 2011, 19:37

...interessante la struttura (esistono anche dei brushless similari) ma purtroppo la bassa inerzia
si paga in coppia (bassina) e correnti di pilotaggio (altine).
Inoltre la bassa induttanza rende necessaria una PWM molto alta in frequenza.
A me stava passando per la testa di autocostruire uno di questi:

C.
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 19:45

Anche l'attuatore lineare e' molto affascinante...veloce come un proiettile se ben costruito, pero' tra quelli in commercio ho visto che per avere una spinta di >200N servono potenze enormi.

Tu saresti poi in grado di realizzare il "rail" magnetico?

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da claudio.lorini » mercoledì 16 febbraio 2011, 20:15

costruttivamente mi sembra abbastanza semplice, una U in ferro, ma temo che la colla per incollaggio dei magneti sia critica,
i due magneti (neodimio) affacciati si attraggono in modo bestiale a quella distanza.
Le bobine sono 'semplicemente' avvolgimenti trifase avvolti in aria e resinati ma penso che sarebbe interessante provare a farli con dei PCB impilati.
Quelli della Granite hanno sul tubo un video 'da paura' :shock:
http://www.youtube.com/watch?v=BhcZBr38Kmc
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da marcosin » mercoledì 16 febbraio 2011, 20:16

Il lineare è abbastanza critico sugli allineamenti oltre a richiedere dei magneti molto potenti.
Un decina di anni fa ricordo il montaggio di un motore lineare, per appoggiare il cursore sulla slitta dello statore utilizzavamo un muletto da 18q, legando il cursore con delle funi alle pale, negli ultimi 10cm in avvicinamento si alzava il culo del muletto!

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Fabietto » mercoledì 16 febbraio 2011, 20:19

Li ho visti usare su dei robot ad assi cartesiani del 90 ai quali ho fatto manutenzione, erano marcati GEC ALSTHOM ma non ho dati da passare.
Comunque per quello che posso contribuirò.
Ciao

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 21:05

L'attuale Alstom...che produce treni anche a Savigliano (CN)...

Ho trovato altri utilizzi comuni, oltre alla trazione dei capstan in proiettori cinematografici e tape-deck professionali questi motori trovavano impiego pure come alza vetro in auto degli anni '80, come la Ford Torino (lo spessore ridotto torna comodo nelle portiere).

Tra le altre documentazioni che ho avuto modo di leggere vengono citati come:

- printed motor
- print armature motor
- pancake motor
- disc PM pancake (PM=permanent magnet)
- servo disc motor
- pcb armature motor (nelle versioni meno potenti il rotore e' appunto un semplice piatto in vetronite ramata)

La costante di coppia e:: Kt= 31 Ncm/A per un motore di 180mm di diametro. Il valore sale in proporzione al diametro, come e' logico aspettarsi. Per quel diametro la coppia continua e' di circa 3 N/m, quella massima di 31N/m. Corrente nominale di 9.3 A su 115V....900W su un motore da 6kg di peso.


Dai pochissimi dati disponibili pare che le armature in rame siano separate proprio da un agglomerato in resina e fibra di vetro.
Il principale problema di questi motori e' la difficolta' nello smaltire il calore, dunque sono adatti all'uso in ambienti controllati ma non per usi continuativi sotto carico costante.
E' facilmente documentabile il loro largo utilizzo in campo robotico prima degli attuali motori torque (frameless) e la loro disponibilita' in versioni con freno ed encoder incorporati nell'involucro.

Vista la loro costruzione semplicissima una nostra replica potrebbe gia' includere un sistema di raffreddamento interno ad aria, piu' che altro per controllare la temperatura dei magneti permaenti.
Non e' una modifica che puo' incidere sul costo.

Sto pensando nel frattempo ai metodi costruttivi per il rotore. Due lamine in rame accoppiate da uno strato di resina caricata con fibre di varia natura potrebbero essere facilmente lavorate su una cnc comune a 3 assi permettendo 2 soli piazzamenti per produrre l'armatura.
Il centraggio puo' essere eseguito in seguito, accoppiandola all'albero.


Intanto se volete qui ci sono informazioni che permettono di desumere le prestazioni che si potrebbero raggiungere, in base alle dimensioni del motore:

http://www.printedmotors.com/e03produkt ... x_eng.html
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da claudio.lorini » mercoledì 16 febbraio 2011, 21:08

@marco: ...il lineare che vorrei fare io non ha ferro nel cursore! (è simile al Kollmorgen delle prime foto)
puoi inserire il cursore nel circuito magnetico senza alcuna attrazione (quindi anche zero cogging!), ma basta che metti le 3 fasi in corto e muovendolo all'interno della U sembra che sia infilato nella melassa! :lol:
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Zebrauno » mercoledì 16 febbraio 2011, 21:32

A proposito dei motori lineari a binario magnetico con nucleo non magnetico, senza cogging, si puo' fare un paragone da qui:

http://www.aerotech.com/products/motors/blmucspecs.html

Una bobina-carrello di 144mm crea una spinta continua di circa 45N (dissipando il calore adeguatamente) con 3.5A...4kg/m per il binario magnetico...

Sembra interessante...ma...non lo usate senza un encoder lineare #-o ...ho ancora i segni dopo l'acquisto dell'ultima redhead renishaw....il nastro lo vendevano a 500€ al metro, la testina idem...se avete una buona alternativa economica per individuarne la posizione linearmente mi se ne puo' discutere :D

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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da claudio.lorini » mercoledì 16 febbraio 2011, 21:48

Zebrauno ha scritto:...se avete una buona alternativa economica per individuarne la posizione linearmente mi se ne puo' discutere :D
tipo: http://www.austriamicrosystems.com/eng/ ... 5059/15366 ? :mrgreen:
... e non dimanticare nella lista della spesa bel un servo-azionamento vettoriale!
C.
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Re: Motore DC ad armatura piatta (tipo Kollmorgen Servodisc)

Messaggio da Fabietto » mercoledì 16 febbraio 2011, 22:05

Non sò se possa servire allo scopo http://www.freepatentsonline.com/5349259.html.
Ciao

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