SWAP-Optimierung in Gimbal-Systemen

Einführung

Moderne Gimbals für die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, die häufig auf unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), unbemannten Bodenfahrzeugen (UGVs), Flugzeugen und anspruchsvollen Verteidigungsplattformen eingesetzt werden, müssen strenge Mindestanforderungen erfüllen Größe, Gewicht und Leistung (SWAP) bei gleichzeitiger Erzielung einer hohen Präzision und dynamischen Leistung. In diesem Artikel wird untersucht, wie fortschrittliche Motortechnologien die Leistung verbessern, gefolgt von einem tieferen Einblick in FiberPrinted™ Nutlose Torquemotoren und ihr Einfluss auf SWAP in anspruchsvollen Kardansystemen und Stabilisierungssystemen.

SWAP als Imperativ in modernen Gimbalsystemen

Das unermüdliche Streben nach verbesserten Betriebsfähigkeiten, längeren Missionsdauern und reduziertem logistischem Fußabdruck macht die SWAP-Optimierung bei Kardankonstruktionen von größter Bedeutung. Zu den wichtigsten Kriterien für leistungsstarke Kardansysteme gehören unter anderem:

Kleine Größe und geringes Gewicht: Die Motoren müssen in sehr kompakte Gehäuse passen und die zusätzliche Masse des Fahrzeugs minimieren, insbesondere wenn luftgestützte Systeme in Betracht gezogen werden. Kleine, leichte Motoren ermöglichen kleinere Nutzlastrahmen und eine längere Lebensdauer des Flugzeugs, insbesondere wenn unbemannte Luftfahrzeuge in Betracht gezogen werden. Konstrukteure suchen häufig nach den dünnsten und leichtesten Motoren für die Integration in Kardansysteme.

Niedriger Stromverbrauch und hohe Effizienz: Die verfügbare Leistung ist auf Flugplattformen aufgrund von Batteriebeschränkungen oft begrenzt. Motoren müssen im erforderlichen Drehzahl-/Drehmomentbereich effizient arbeiten, um Verluste zu minimieren und eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad verlängert die Lebensdauer der Batterie und verbessert die Leistung des gesamten Systems.

Hier ist der Grund, warum SWAP so wichtig ist. Abbildung 1 fasst den folgenden Abschnitt zusammen:

Verbesserte Portabilität:

Kardanräder werden häufig in optronische Systeme, Sensoren und andere Nutzlasten integriert, die eine hohe dynamische Leistung erfordern. Bei diesen Anwendungen sind Portabilität und Kompaktheit von entscheidender Bedeutung, nicht nur, um das Gesamtgewicht des Systems zu reduzieren, sondern auch, um die Integration in beengte Platzverhältnisse wie UAVs oder tragbare Plattformen zu ermöglichen.

Verbesserte Energieeffizienz:

Die Träger von Kardansystemen sind batteriebetrieben, und selbst nicht batteriebetriebene Systeme unterliegen oft strengen Energiebeschränkungen. Somit ermöglicht ein reduzierter Stromverbrauch längere Betriebszeiten mit einer einzigen Ladung oder Tankfüllung. Dies ist ein wichtiger Faktor bei der Bewertung der Funktionsfähigkeit der Plattform in allen Anwendungsfällen und Einsatzszenarien.

Höhere Zuverlässigkeit:

Verbesserungen in Größe, Gewicht und Leistung (SWAP) führen zu kleineren, leichteren Komponenten und in einigen Fällen sogar zu einer reduzierten Anzahl von Komponenten. Diese Kombination führt zu einer erhöhten Systemzuverlässigkeit: Eine geringere Masse verringert die Anfälligkeit für Vibrationen und Stöße, während weniger Komponenten weniger potenzielle Ausfallstellen bedeuten.

Wirtschaftlichkeit:

Genau wie bei der Energieeffizienz können Verbesserungen bei SWAP die Gesamtsystemkosten senken, wodurch Gimbals für ein breiteres Anwenderspektrum zugänglicher werden und ein vielseitigerer plattformübergreifender Einsatz ermöglicht wird.

Bessere Integration:

Durch die Reduzierung der Größe des Gimbals können die Ingenieure den begrenzten verfügbaren Platz besser nutzen. Diese Reduzierung kann auch eine effizientere Integration mit anderen Bordsystemen wie Kameras, Sensoren und Kommunikationsgeräten ermöglichen.

Verbesserte Leistung:

Leistung ist ein weit gefasster Begriff, aber wenn wir uns auf den wichtigsten Aspekt von Stabilisierungssystemen konzentrieren, wäre Leistung genau das, Stabilisierung. Durch die Minimierung der Größe und des Gewichts des Gimbals selbst können mehr Ressourcen für die Rumpfstabilisierung aufgewendet werden, was zu geschmeidigeren, präziseren Bewegungen führt.

Kompromisse und Kompromisse bei der Verbesserung des Designs

Um den konkurrierenden Anforderungen von SWAP, dynamischer Leistung, Rotationsträgheit und Kosten gerecht zu werden, sind sorgfältige technische Kompromisse erforderlich. In einer idealen Welt könnten Kardanringe groß, teuer und nur für einen Leistungsaspekt optimiert sein, aber reale Einschränkungen erfordern ausgewogene Lösungen. Kardanringe müssen nicht nur den technischen Spezifikationen entsprechen, sondern auch den Budget-, Größen- und Integrationsanforderungen entsprechen. Leistungsorientiertes Design ist nur ein Teil der Herausforderung; ebenso wichtig ist die Entwicklung im Hinblick auf Herstellbarkeit, Erschwinglichkeit und Benutzerfreundlichkeit.

Was ist neben SWAP noch wichtig für Gimbal-Systeme?

Drehmomentsteuerung mit hoher Bandbreite:

Kurze Anstiegszeiten sind erforderlich, um Befehle oder Störungen schnell verfolgen zu können. Mechaniken mit geringer Trägheit und niedrigen elektrischen Zeitkonstanten sorgen für eine schnellere Beschleunigung und ein effizienteres Bewegungsverhalten.

Hohe Präzision:

Für ein ruckelfreies Zeigen oder ein möglichst gleichmäßiges Scannen müssen Rastverhalten und Drehmomentwelligkeit so gering wie möglich sein. Selbst kleine Rastmomente beeinträchtigen die Bildstabilität und -qualität, was sich insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bemerkbar macht. Lösungen mit geringem Rastmoment, hochpräzisen Encodern in Kombination mit hochpräzisen Lagern sind ein guter Anfang, um dieser Anforderung gerecht zu werden.

Hohe Beschleunigung:

Ähnlich einer kurzen Reaktionszeit, aber nicht ganz dieselbe, verlangen Kardanringe stark nach der höchsten Beschleunigung eines optischen Geräts oder Sensors, der in die Baugruppe integriert werden soll (Nutzlast). Bei Modellen mit Direktantrieb wird dieses Problem in der Regel durch Motoren mit hohem Drehmoment gelöst.

Thermische Stabilität:

Zu den wichtigsten Aspekten im Zusammenhang mit Messungen und Präzisionsausrichtung gehört die thermische Stabilität des Systems. Auch wenn die meisten Kardanringe über eine Temperaturkompensation (Software) verfügen, ist es auch wichtig zu vermeiden, dass die Sensoren sehr heiß oder sehr kalt werden, um hochgenaue Ergebnisse zu erzielen.

Viele der mechanischen Herausforderungen bei der Konstruktion eines Gimbals wurden bereits in einem früheren Artikel behandelt: https://www.alvaindustries.com/post/drive-systems-in-precision-gimbals

Daher wird sich dieser Artikel hauptsächlich auf die Motorauswahl konzentrieren, um die SWAP-Optimierung zu verbessern:

Um Größe, Gewicht und Leistung (SWAP) durch Motorauswahl zu verbessern, müssen bei der Auswahl eines Motors für ein Kardansystem mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden:

• Hohe Drehmomentdichte: für höhere Drehmomentabgabe, geringeres Gewicht und reduzierten Stromverbrauch
• Großes Durchgangsloch: zur Gesamtgrößenreduzierung
• Niedriges Rastverhalten und niedrige Drehmomentwelligkeit: für präzisere Bewegungen (schnelleres Zielen, weniger Fehler)
• Niedrige Induktivität: für kurze Reaktionszeiten

Grundlegendes zu den am häufigsten verwendeten Motortechnologien für Kardanräder:

Bei der Entwicklung von Gimbal-Systemen werden alle Arten von Technologien eingesetzt.

Die sogenannten Kardanmotoren können gehäust und rahmenlos, geschlitzt und schlitzlos, mit einem Getriebe oder getriebelos (Direct Drive) kombiniert werden.

Die Vorteile von rahmenlosen Motoren im Vergleich zu gerahmten Motoren für Gimbal-Systeme, die einen hohen SWAP-Wert erfordern, sind vielfältig. Motoren ohne Rahmen ermöglichen eine engere mechanische Integration, was Platz und Gewicht spart und letztendlich weniger Strom benötigt (aufgrund der geringeren Masse und Trägheit).

Ähnliches gilt für die Diskussion über Getriebe und Direktantrieb, obwohl nicht für jede Situation eine allgemeine Aussage gefunden werden kann, manchmal sind gezielte Lösungen für die SWAP-Optimierung besser (insbesondere bei großen Systemen).

Schließlich wird die Technologie des Motors einen starken Einfluss auf das endgültige Design haben. Torquemotoren können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden Geschlitzt und Ohne Steckplatz. Ein weiterer Artikel geht viel tiefer in dieses Thema ein: https://www.alvaindustries.com/post/slotless-motors-vs-slotted-motors

Topologie des geschlitzten Motors

Schlitz- oder Eisenkernmotoren bestehen aus einem Stator mit laminierten Stahlzähnen und Wicklungsnuten, gepaart mit einem Rotor, der typischerweise Permanentmagnete enthält. Die Nuten des Stators führen die Kupferwicklungen und sorgen so für eine hohe magnetische Kopplung und Drehmomentdichte. Diese Motoren arbeiten auf der Grundlage elektromagnetischer Induktion, wobei der Strom durch die Statorwicklungen ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, das den Rotor antreibt.

Aufgrund des Vorhandenseins von Schlitzen weisen Schlitzmotoren ein hohes und erkennbares Rastmoment auf, das für ein Haltemoment bei Nulldrehzahl sorgt und während des Bewegungsprofils eine hohe Drehmomentwelligkeit verursacht. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen, bei denen ein hohes Drehmoment, eine hohe Robustheit und ein hoher Wirkungsgrad von entscheidender Bedeutung sind, für Präzisionsanwendungen jedoch nicht besonders geeignet sind.

Steckplatzlose Motortopologie

Motoren ohne Schlitz oder Eisen verfügen über einen Stator ohne Eisennuten. Stattdessen wird eine glatte, zylindrische Statorbohrung verwendet, in der die Wicklungen in eine selbsttragende Struktur eingebettet sind, die häufig aus Harz oder Epoxidharz besteht. Der Rotor, der in der Regel mit leistungsstarken Permanentmagneten ausgestattet ist, dreht sich innerhalb dieses nutenlosen Stators.

Diese Architektur eliminiert das Rastmoment vollständig, was zu einer außergewöhnlich gleichmäßigen und präzisen Rotation führt, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten. Darüber hinaus reduziert das Fehlen von Schlitzen magnetische Verluste und minimiert die Drehmomentwelligkeit. Dadurch eignen sich Motoren ohne Schlitze ideal für hochpräzise Anwendungen, bei denen es auf geringe Geräuschentwicklung, minimale Vibrationen und ein hervorragendes dynamisches Verhalten ankommt, wie z. B. in Kardanrädern, medizinischen Geräten, Optik, Robotik und Luft- und Raumfahrtsystemen. Motoren ohne Schlitze sind aufgrund der schrägen Wicklungen und des niedrigen Kupferfüllfaktors in der Regel weniger leistungsstark als Motoren mit Schlitz.

FiberPrinted™ Motortechnologie und Innovationsaspekte

SlimTorq™ Motoren von Alva Industries verkörpern diese Vorteile beider Motortopologien ohne die Nachteile. Sie bieten einen anderen Ansatz zur Herstellung von Motoren ohne Schlitzen durch das einzigartige Herstellungsverfahren und die optimierte Motorarchitektur. Dieser wurde mehrfach patentiert Faserdruck™ Die Technologie ist ein automatisiertes Verfahren, das einen außergewöhnlich hohen Kupferfüllfaktor von bis zu erreicht 60%.

Dies steht in direktem Zusammenhang mit signifikanten Leistungsverbesserungen und damit mit einer Drehmomentdichte, einer größeren Kompaktheit und einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Motorkonstruktionen. In Verbindung mit nicht geneigten Wicklungen (die eine 100-prozentige Nutzung der generativen Kraft ermöglichen) und einem hocheffizienten Halbach-Array-Rotor (der 10-20% mehr Magnetfluss bietet) bietet die SlimTorq-Motorserie eine ultimative Kombination aus Präzision, Drehmomentdichte und leichtem Gewicht und gewährleistet höchste Kompaktheit.

Die wichtigsten Funktionen und Vorteile von SlimTorq™ zur Swap-Optimierung

FiberPrinted™ Motoren sind von Natur aus auf die zentralen SWAP-Herausforderungen bei Kardanrädern abgestimmt und lösen diese:

• Außergewöhnliche Größe und Gewichtsreduzierung: das dünnste und leichteste auf dem Markt
• Beispiellose Präzision und reibungslose Steuerung: rastfrei, extrem niedrige Drehmomentwelligkeit (< 1%)
• Hohe Effizienz: sehr niedrige drehzahlabhängige Verluste und hohe Spitzendrehmomente
• Hohe Bandbreite und kein Backlash: Niedrige Induktivität und Direktantriebsfähigkeit
• Mechanische Robustheit und Anpassung: FiberPrinting™ ermöglicht völlig neue Designs in weniger als einer Stunde.

Das Streben nach optimalen SWAP-Parametern verändert das Gimbal-Design grundlegend. Die schlitzlosen Motoren von FiberPrinted stellen mit ihren radikalen Innovationen in den Bereichen Fertigung und Motorarchitektur einen bedeutenden Fortschritt dar.

Durch die Bereitstellung ultrakompakter, leichter, hocheffizienter und rastfreier Drehmomentlösungen mit umfangreichen Anpassungsmöglichkeiten ermöglicht diese Technologie direkt die nächste Generation von Hochleistungs-Gimbals.

Zu viel Text und nicht genug Daten? Willst du lernen, wie SlimTorq™ im Vergleich zu anderen? Schauen Sie sich unser Whitepaper an: https://www.alvaindustries.com/papers-downloads/lite-white-paper-fiberprinted-tm-motors-for-high-precision-swap-gimbals