Ottimizzazione SWaP nei sistemi di gimbal

Introduzione

I moderni gimbal aerospaziali e della difesa, frequentemente impiegati su Unmanned Aerial Vehicles (UAV), Unmanned Ground Vehicles (UGV), aeromobili e piattaforme di difesa particolarmente esigenti, devono rispettare requisiti stringenti di Size, Weight, and Power (SWaP) minimi, ottenendo al contempo elevata precisione e prestazioni dinamiche. Questo articolo approfondisce come le tecnologie motoristiche avanzate migliorino le prestazioni, per poi entrare più nel dettaglio sui motori di coppia FiberPrinting™ Motori senza alloggiamenti e sul loro impatto sullo SWaP nei sistemi gimbal e di stabilizzazione più impegnativi.

Lo SWaP come imperativo nei moderni sistemi gimbal

La spinta incessante verso capacità operative superiori, durate di missione più lunghe e una riduzione dell’impronta logistica rende l’ottimizzazione dello SWaP prioritaria nei progetti di gimbal. Tra i criteri chiave per sistemi gimbal ad alte prestazioni, tra le altre cose, rientrano:

Dimensioni ridotte & peso contenuto: I motori devono entrare in alloggiamenti molto compatti e minimizzare la massa aggiunta al veicolo, soprattutto nel caso di sistemi aerotrasportati. Motori piccoli e leggeri consentono telai payload più ridotti e una maggiore autonomia dell’aeromobile, in particolare per gli UAV. Chi progetta ricerca spesso i motori più sottili e leggeri da integrare nei sistemi gimbal.

Basso consumo di potenza & alta efficienza: La potenza disponibile è spesso limitata sulle piattaforme aerotrasportate a causa dei vincoli della batteria. I motori devono operare in modo efficiente sull’intervallo di velocità/coppia richiesto, minimizzando le perdite e assicurando un’efficace dissipazione del calore. Un’elevata efficienza elettrica estende la durata della batteria e migliora le prestazioni dell’intero sistema.

Ecco perché lo SWaP è così importante: la Figura 1 riassume la sezione seguente:

Portabilità migliorata:

I gimbal sono spesso integrati in sistemi optronici, sensori e altri payload che richiedono elevate prestazioni dinamiche. In queste applicazioni, portabilità e compattezza sono critiche, non solo per ridurre il peso totale del sistema, ma anche per consentire l’integrazione in spazi limitati, come su UAV o piattaforme portatili.

Maggiore efficienza energetica:

I vettori dei sistemi gimbal sono alimentati a batteria e, anche nei sistemi non alimentati a batteria, spesso esistono vincoli energetici stringenti. Di conseguenza, un consumo di potenza ridotto consente tempi operativi più lunghi con una singola carica o un singolo pieno, fattore chiave per valutare la fattibilità della piattaforma nei diversi casi d’uso e scenari di impiego.

Affidabilità incrementata:

I miglioramenti in termini di dimensioni, peso e potenza (SWaP) portano a componenti più piccoli e leggeri e, in alcuni casi, anche a un numero ridotto di componenti. Questa combinazione aumenta l’affidabilità del sistema: una massa inferiore riduce la suscettibilità a vibrazioni e shock, mentre meno componenti significano meno potenziali punti di guasto.

Convenienza economica:

Come per l’efficienza energetica, i miglioramenti dello SWaP possono ridurre i costi complessivi del sistema, rendendo i gimbal accessibili a una platea più ampia e consentendo un impiego più versatile su diverse piattaforme.

Integrazione migliore:

Ridurre le dimensioni del gimbal consente a chi progetta di sfruttare meglio lo spazio limitato disponibile. Questa riduzione può inoltre permettere un’integrazione più efficiente con altri sistemi di bordo, come telecamere, sensori e dispositivi di comunicazione.

Prestazioni migliorate:

Le prestazioni sono un concetto ampio, ma se ci concentriamo sull’aspetto più importante per i sistemi di stabilizzazione, la prestazione è proprio la stabilizzazione. Minimizzando dimensioni e peso del gimbal stesso, si possono dedicare più risorse alla stabilizzazione principale, ottenendo movimenti più fluidi e più precisi.

Trade-off e compromessi nel miglioramento del progetto

Soddisfare le esigenze concorrenti di SWaP, prestazioni dinamiche, inerzia rotazionale e costo richiede accurati trade-off ingegneristici. In un mondo ideale, i gimbal potrebbero essere grandi, costosi e ottimizzati per un solo aspetto della prestazione, ma i vincoli reali richiedono soluzioni bilanciate. I gimbal non devono solo rispettare specifiche tecniche, ma anche rientrare in requisiti di budget, dimensioni e integrazione. Progettare per le prestazioni è solo una parte della sfida; progettare per la producibilità, l’accessibilità economica e l’usabilità è altrettanto essenziale.

Oltre allo SWaP, cos’altro è importante per i sistemi gimbal?

Controllo di coppia ad ampia banda:

Servono tempi di salita brevi per inseguire rapidamente comandi o disturbi. Meccaniche a bassa inerzia e costanti di tempo elettriche ridotte consentono accelerazioni più rapide e comportamenti di movimento più efficienti.

Alta precisione:

Per un puntamento senza jitter o la scansione più fluida possibile, cogging e torque ripple devono essere quanto più bassi possibile. Anche piccole detent torque degradano stabilità e qualità dell’immagine, soprattutto a basse velocità. Soluzioni a basso cogging, con encoder ad alta precisione, abbinate a cuscinetti ad alta precisione sono un buon punto di partenza per affrontare questa esigenza.

Alta accelerazione:

Simile al tempo di risposta breve, ma non esattamente la stessa cosa: i gimbal richiedono fortemente la massima accelerazione di un dispositivo ottico o sensore da integrare nel sottogruppo (payload). Nel caso di approcci Direct Drive, questo si risolve comunemente con motori ad alta coppia.

Stabilità termica:

Tra gli aspetti più rilevanti legati a misure e puntamento di precisione vi è la stabilità termica del sistema. Anche se la maggior parte dei gimbal dispone di una compensazione (software) per la temperatura, evitare che i sensori diventino molto caldi o molto freddi è importante anche per ottenere risultati ad alta accuratezza.

Molte delle sfide meccaniche nella progettazione di un gimbal sono già state discusse in un articolo precedente: https://www.alvaindustries.com/post/drive-systems-in-precision-gimbals

Pertanto, questo articolo si concentrerà principalmente sulla selezione del motore per migliorare l’ottimizzazione dello SWaP:

Per migliorare Size, Weight, and Power (SWaP) attraverso la scelta del motore, occorre considerare diversi fattori chiave quando si seleziona un motore per un sistema gimbal:

• Alta densità di coppia: per una maggiore coppia erogata, peso inferiore e consumi ridotti
• Ampio foro passante: per ridurre le dimensioni complessive
• Basso cogging & basso torque ripple: per un movimento più preciso (puntamento più rapido, meno errori)
• Bassa induttanza: per tempi di risposta brevi

Comprendere le tecnologie di motore più utilizzate per i gimbal:

Nello sviluppo dei sistemi gimbal si utilizzano molteplici tecnologie.

I cosiddetti motori per gimbal possono essere con carcassa e frameless, Motori con alloggiamenti e Motori senza alloggiamenti, con riduttore o senza riduttore (Direct Drive).

I vantaggi dei motori frameless rispetto a quelli con carcassa per i sistemi gimbal, che richiedono uno SWaP elevato, sono numerosi. I motori frameless consentono un’integrazione meccanica più stretta che fa risparmiare spazio, peso e, in ultima analisi, richiederà meno potenza (grazie alla riduzione di massa e inerzia).

Il discorso è simile nel confronto tra soluzioni con riduttore e direct drive: sebbene non sia possibile formulare un’affermazione generale valida per ogni situazione, talvolta le soluzioni con riduttore saranno migliori per l’ottimizzazione dello SWaP (soprattutto nei sistemi di grandi dimensioni).

Infine, la tecnologia del motore avrà una forte influenza sul progetto finale. I motori di coppia possono essere suddivisi in due categorie principali: Motori con alloggiamenti e Motori senza alloggiamenti. Un altro articolo approfondisce molto di più questo tema: https://www.alvaindustries.com/post/slotless-motors-vs-slotted-motors

Topologia Motori con alloggiamenti

I Motori con alloggiamenti o iron core sono costituiti da uno statore con denti in acciaio laminato e cave per l’avvolgimento, abbinato a un rotore che tipicamente include magneti permanenti. Le cave dello statore guidano gli avvolgimenti in rame, assicurando un elevato accoppiamento magnetico e un’alta densità di coppia. Questi motori funzionano sulla base dell’induzione elettromagnetica, in cui la corrente negli avvolgimenti dello statore genera un campo magnetico rotante che aziona il rotore.

A causa della presenza di cave, i Motori con alloggiamenti presentano un cogging torque elevato e riconoscibile, che fornisce coppia di mantenimento a velocità zero e causa un’elevata ondulazione di coppia durante il profilo di moto. Questo li rende adatti ad applicazioni in cui coppia elevata, robustezza ed efficienza sono critiche, ma non sono ideali per applicazioni di precisione.

Topologia Motori senza alloggiamenti

I Motori senza alloggiamenti o ironless presentano uno statore senza cave in ferro, utilizzando invece un foro statorico cilindrico liscio in cui gli avvolgimenti sono inglobati in una struttura autoportante, spesso realizzata in resina o epossidica. Il rotore, tipicamente dotato di magneti permanenti ad alte prestazioni, ruota all’interno di questo statore.

Questa architettura elimina completamente il cogging torque, risultando in una rotazione eccezionalmente fluida e precisa, soprattutto a basse velocità. Inoltre, l’assenza di cave riduce le perdite magnetiche e minimizza il torque ripple, rendendo i Motori senza alloggiamenti ideali per applicazioni ad alta precisione in cui bassa rumorosità, vibrazioni minime e risposta dinamica superiore sono essenziali, come nei gimbal, nei dispositivi medicali, nell’ottica, nella robotica e nei sistemi aerospaziali. I Motori senza alloggiamenti sono in genere meno potenti dei Motori con alloggiamenti, a causa di avvolgimenti skewed e di un basso copper-fill factor.

Tecnologia e aspetti innovativi dei motori FiberPrinting™

SlimTorq™ motors di Alva Industries incarnano i vantaggi di entrambe le topologie di motore senza nessuno degli svantaggi, offrendo un approccio diverso per realizzare Motori senza alloggiamenti grazie al processo produttivo unico e all’architettura ottimizzata del motore. Questa tecnologia FiberPrinting™, brevettata più volte, è un processo automatizzato che raggiunge un copper fill factor eccezionalmente elevato fino a 60%.

Questo è direttamente correlato a significativi miglioramenti prestazionali e quindi della densità di coppia, a una maggiore compattezza e a un’efficienza superiore rispetto ai progetti motore tradizionali. Insieme ad avvolgimenti non skewed (che consentono un utilizzo al 100% della forza generativa) e a un rotore Halbach-array altamente efficiente (che fornisce un flusso magnetico maggiore del 10-20%), la serie SlimTorq offre una combinazione definitiva di precisione, densità di coppia e peso più contenuto, assicurando la massima compattezza.

Funzionalità e vantaggi chiave di SlimTorq™ per l’ottimizzazione SWaP

FiberPrinting™ motors sono intrinsecamente allineati e affrontano le sfide principali dello SWaP nei gimbal:

• Eccezionale riduzione di dimensioni e peso: i più sottili e leggeri sul mercato
• Precisione e controllo fluido senza pari: cogging free, torque ripple estremamente basso (<1%)
• Alta efficienza: perdite molto basse dipendenti dalla velocità e alti picchi di coppia
• Ampia banda e backlash nullo: bassa induttanza e capacità Direct Drive
• Robustezza meccanica & personalizzazione: FiberPrinting™ consente nuovi progetti completi in meno di un’ora.

La ricerca di parametri SWaP ottimali sta trasformando in modo sostanziale la progettazione dei gimbal. I motori FiberPrinting™ Motori senza alloggiamenti, con le loro innovazioni radicali nella produzione e nell’architettura del motore, rappresentano un significativo passo avanti.

Offrendo soluzioni di coppia ultra-compatte, leggere, altamente efficienti e a cogging nullo, con ampie opzioni di personalizzazione, questa tecnologia sta abilitando direttamente la prossima generazione di gimbal ad alte prestazioni.

Troppo testo e non abbastanza dati? Vuoi scoprire come SlimTorq™ si confronta con gli altri? Dai un’occhiata al nostro whitepaper: https://www.alvaindustries.com/papers-downloads/lite-white-paper-fiberprinted-tm-motors-for-high-precision-swap-gimbals