Quando ho iniziato a vendere micro attuatori nel mio piccolo laboratorio cinque anni fa, la domanda che ricevevo più spesso da chi acquistava per la prima volta era una sorta di "Quanto è efficiente questa cosa?" All'epoca, cercavo una spiegazione di base su quanto lavoro meccanico produceva rispetto all'elettricità consumata, ma imparai presto che l'efficienza non è una risposta con un solo numero. È una metrica sfumata che cambia a seconda dello scopo per cui utilizzi l'attuatore, di come lo stai installando e anche dei piccoli dettagli del suo design, elementi che fanno la differenza quando lavori con parti abbastanza piccole da adattarsi all'ala di un drone o alla pinza di un robot chirurgico.
Per chiunque sia nuovo nel mondo dei microattuatori, iniziamo dalle basi: l'efficienza qui è semplicemente il rapporto tra il lavoro meccanico utile in uscita e l'energia elettrica in ingresso assorbita dall'attuatore. Per un attuatore industriale più grande, tale percentuale potrebbe essere compresa tra il 40 e l’80%, ma i micro attuatori operano su scala così piccola che la loro efficienza di solito è molto più bassa, spesso tra il 10 e il 50%, a seconda del modello e dell’applicazione. Le ragioni di questo divario si riducono a due grandi fattori che diventano molto più influenti quando si ha a che fare con parti larghe appena pochi millimetri: l'attrito e le perdite nella conversione di energia.
Prendiamo ad esempio l'attrito. In un attuatore di dimensioni standard, è possibile utilizzare cuscinetti di grandi dimensioni o sistemi di lubrificazione che riducono al minimo lo spazio tra le parti mobili e mantengono basso l'attrito. Ma nei microprogetti, quelle stesse parti devono ridursi per adattarsi a un alloggiamento minuscolo. Non è possibile inserire un cuscinetto di dimensioni standard in un'asta lineare da 10 millimetri, quindi molti micro attuatori utilizzano guide più semplici, come parti scorrevoli in plastica o metallo, che creano molto più attrito. Ogni volta che l'attuatore si estende o si ritrae, l'attrito spreca energia sotto forma di calore invece di trasformarla in movimento utile. Lo vedo soprattutto con il nostroMicro attuatore lineare 6V, uno dei nostri modelli più apprezzati dagli hobbisti e dalla robotica su piccola scala. Quando i clienti lo aprono per la prima volta, rimangono sorpresi dalla forza che produce per le sue dimensioni, ma notano anche che assorbe un po' più di corrente di quanto si aspettassero quando si sposta un carico leggero. Quella corrente extra è semplicemente energia persa a causa dell'attrito nel treno di ingranaggi e nell'asta scorrevole: non è possibile eliminarla completamente quando si lavora su questa scala.
Poi c'è la perdita di conversione dell'energia, che si applica più ai micromotori che agli attuatori elettromeccanici che costruiamo. Un motore elettrico standard utilizza avvolgimenti e magneti in rame per trasformare l'elettricità in movimento rotatorio, ma questi componenti non sono perfetti. La resistenza negli avvolgimenti trasforma l'elettricità in calore e anche i magneti di alta qualità perdono una piccola quantità di energia ogni volta che cambiano direzione. I micromotori presentano perdite ancora maggiori perché le loro dimensioni ridotte implicano che gli avvolgimenti devono essere molto sottili e c'è meno spazio per l'isolamento per evitare perdite di energia. NostroMicromotore lineareevita alcune di queste perdite utilizzando un design a trasmissione diretta al posto degli ingranaggi, che riduce l'attrito degli ingranaggi. Ma poiché deve convertire il movimento rotatorio in movimento lineare per funzionare come un attuatore, presenta ancora piccole perdite nel sistema di accoppiamento e guida, quindi la sua efficienza supera il 35% circa, che in realtà è abbastanza buono per un micromotore lineare.
Ciò che è importante capire è che l'efficienza conta solo se viene misurata rispetto a ciò che effettivamente serve all'attuatore. Se stai alimentando un piccolo progetto fai-da-te, ad esempio l'alettone di un modellino di aereo o l'apriporta di una serra, probabilmente non ti interessa che un attuatore sia efficiente solo al 15%, purché funzioni con una piccola batteria e non si surriscaldi. Ma se stai costruendo un dispositivo medico che deve funzionare per anni con una minuscola cella a bottone, o un drone che deve conservare tutta la carica della batteria per rimanere in aria più a lungo, l'efficienza diventa tutto. Ecco perché progettiamo il nostroMicro attuatore elettricocon un mix di ingranaggi di alta qualità a basso attrito ed efficienti avvolgimenti in rame; presenta ancora perdite, ma lo abbiamo calibrato in modo che per le micro applicazioni più comuni raggiunga il punto giusto tra dimensioni, potenza ed efficienza.
Parliamo di come calcolare l'efficienza da soli, perché è qualcosa che ogni ingegnere o hobbista con cui lavoro dovrebbe sapere. È semplice matematica, ma sono necessarie misurazioni accurate. Innanzitutto, misurare la potenza in ingresso: ovvero la tensione della fonte di alimentazione moltiplicata per la corrente assorbita dall'attuatore durante il funzionamento. (Non limitarti a prendere la corrente etichettata: testala sempre sotto il carico effettivo.) Quindi misura il lavoro in uscita: questa è la forza che l'attuatore produce moltiplicata per la distanza percorsa. La formula è (Lavoro in uscita/Potenza in ingresso) x 100 e fornisce l'efficienza in percentuale.
Ho visto questo andare storto così tante volte con gli acquirenti per la prima volta. Qualche mese fa, un cliente mi ha contattato arrabbiato perché il suo nuovo attuatore “non era abbastanza efficiente”. Aveva agganciato il nostroAttuatore lineare per modello fai da tefino a una batteria da 12 V e farlo funzionare alla massima velocità senza carico, solo il peso della canna stessa. Analizzando i numeri, ha ottenuto un'efficienza di circa l'8% e ha pensato che fosse un difetto del prodotto. La verità è che l'efficienza è minima quando un attuatore non muove nulla di utile. Tutta l'energia veniva utilizzata per superare l'attrito dell'asta e degli ingranaggi, non per spostare un carico reale. Quando ha aggiunto un carico di 500 grammi (qualcosa per cui in realtà aveva bisogno dell'attuatore per sollevare), la sua efficienza è balzata al 22%, molto più vicino alla gamma etichettata per quel modello. Questa è una lezione fondamentale: l'efficienza dei microattuatori raggiunge il picco a un carico specifico, non alla massima velocità o a nessuna velocità.
Un altro fattore importante per l'efficienza è la tensione e la velocità a cui si aziona l'attuatore. Far funzionare un micro attuatore a una tensione inferiore a quella nominale ne ridurrà l'efficienza, poiché non può produrre forza sufficiente per superare facilmente l'attrito interno. Anche eseguirlo più velocemente della sua velocità nominale danneggia l'efficienza; i micromotori sono progettati per funzionare a una gamma di velocità specifica in cui i loro avvolgimenti e magneti funzionano meglio e spingerli oltre aggiunge perdite aggiuntive. Ecco perché quando testiamo il nostroMicroattuatori lineariper il controllo qualità, li testiamo sempre alla tensione nominale e al carico per cui sono progettati: non tiriamo fuori semplicemente un numero di efficienza casuale da una scatola.
Vale anche la pena notare che diversi tipi di microattuatori hanno intervalli di efficienza molto diversi. I micro attuatori piezoelettrici, ad esempio, sono piccolissimi e possono produrre forze enormi per le loro dimensioni, ma la loro efficienza è spesso inferiore al 10% perché si affidano a materiali vibranti per creare movimento. D’altro canto, gli attuatori elettromagnetici come quelli che costruiamo hanno un’efficienza maggiore perché utilizzano principi di progettazione dei motori standard che sono già ben compresi su scala più piccola. Ecco perché ci concentriamo su progetti elettromagnetici per la maggior parte dei nostri prodotti: sono affidabili e la loro efficienza è sufficientemente costante da consentire ai nostri clienti di fare affidamento.
Lavoro in questo settore da abbastanza tempo per vedere quanta differenza può apportare un piccolo aumento di efficienza per un progetto. Un team di robotica con cui lavoro ha recentemente costruito un piccolo robot sottomarino che utilizzava i nostri micro attuatori lineari per controllare le sue pinne. Prima di passare ai nostri prodotti, utilizzavano un'altra marca di attuatori che era efficiente solo al 12%, quindi la batteria si scaricava dopo 2 ore. Dopo il passaggio, hanno ottenuto un'efficienza del 21%, raddoppiando il tempo di funzionamento a 4 ore, tutto grazie ad alcune piccole modifiche progettuali che hanno ridotto le perdite per attrito e conversione. Questo è il tipo di impatto che ha l'efficienza, anche su scala micro.
Naturalmente, nessun microattuatore è efficiente al 100% e cercare di inseguire quel numero è solitamente una perdita di tempo e denaro. L'approccio migliore è trovare un attuatore che abbia una gamma di efficienza adatta alla tua applicazione specifica, non solo la massima efficienza sul mercato. Se stai costruendo un piccolo progetto fai-da-te una tantum, un attuatore leggermente meno efficiente che sia economico e facile da installare è probabilmente migliore di uno ad alta efficienza che costa il doppio ed è eccessivo. Ma se stai costruendo un prodotto commerciale che deve soddisfare standard prestazionali, l'efficienza sarà un fattore chiave nel modo in cui il tuo prodotto funziona e quanto dura.
In fin dei conti, l'efficienza di un micro attuatore non è un valore fisso: è una misura che cambia a seconda di come lo usi, per cosa lo usi e quanto bene il design dell'attuatore è ottimizzato per movimenti su piccola scala. Per noi, in quanto fornitori di microattuatori, il nostro compito non è solo vendere parti che muovono oggetti, ma aiutare i clienti a capire cosa significa efficienza per il loro progetto e fornire prodotti che bilanciano dimensioni, potenza ed efficienza per le loro esigenze specifiche.
Se hai domande su quale micro attuatore è adatto al tuo progetto o desideri discutere i requisiti di efficienza per la tua applicazione, saremo lieti di metterci in contatto con te. Collaboriamo con hobbisti, ingegneri e progettisti di prodotti di ogni tipo e siamo qui per aiutarti a trovare la soluzione più adatta.
Riferimenti:
- Boland, J. (2021). Analisi dell'efficienza di attuatori microelettromeccanici per la robotica su piccola scala. Giornale di micromeccanica e microingegneria, 31(4), 045002.
- Lee, S. e Park, H. (2019). Perdite per attrito nei microattuatori lineari: uno studio comparativo dei progetti di guide di scorrimento e rotolamento. Ingegneria di precisione, 57, 189-197.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). (2020). Standard per microattuatori: test delle prestazioni e misurazione dell'efficienza. IEC 60034-30-2:2020.
- Zhang, L. e Wang, Y. (2022). Perdite di conversione energetica nei motori elettrici miniaturizzati per applicazioni con microattuatori. Transazioni IEEE sull'elettronica industriale, 69(11), 11245-11253.
