Development of a fast and accurate rotational motor
Hakojärvi, Juha-Matti (2023)
Hakojärvi, Juha-Matti
2023
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-04-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303172981
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303172981
Tiivistelmä
Kamera on laite, joka löytyy useimmista nykypäivän matkapuhelimista. Matkapuhelinten alkuajoista on tapahtunut siirtymä kameran mukaantulosta useamman kameran järjestelmiin. Koska kameroista on tullut puhelinten vakio-ominaisuus, optiikan kehitys ja laskennallinen kuvanprosessointi on asettanut kuvanlaatuvaatimukset uudelle tasolle. Matkapuhelinmarkkinoiden kilpailu saa valmistajat venyttämään mekaanisen ja optisen suorituskyvyn rajoja ja etsimään parempia ratkaisuja kuvanlaadun parantamiseksi. Koska koon ja tehonkulutuksen vaatimukset ovat tiukkoja, uutta teknologiaa on tehtävä. Eräs tapa kokorajoituksen kiertämiseksi on toteuttaa kokoontaittuva ratkaisu, joka mahtuu pienempään tilaan, ollessaan käyttämätön. Tällainen rakenne tarvitsee sopivan aktuaattorin, mutta asettaa myös uusia vaatimuksia kamera-aktuaattoreille lisääntyneen mekaanisen kuorman myötä vaatien kuitenkin edelleen tarkkuutta.
Tämä diplomityö on kuvaus kamera-aktuaattorin kehitysprosessista teknologiakartoituksesta valmistettuun aktuaattoriin asti. Ensiksi perehdyttiin lineaarista ja pyörivää liikettä tekeviin aktuaattorityyppeihin. Kun suunnitteluvaatimukset esiteltiin, eri aktuaattorityyppien vertailu mahdollistui. Kaikki suunnitteluvaatimukset huomioon ottaen aktuaattorityypit rajattiin sähkömagneettisiin aktuaattoreihin, joissa mekaanisen kontaktin määrä on vähäisin mahdollinen, mutta jotka kuitenkin pystyvät niin suureen vääntöön kuin tarkkuuteen. Vaihtoehdot rajattiin hybridistepperimoottoreihin, koska tämäntyyppiset kaupallisesti saatavilla olevat moottorit tuottivat riittävästi vääntöä käyttötapaukseen nähden. Simulaatiot ja prototyypinrakennusyritykset kuitenkin osoittivat mahdollisuudet olemattomiksi, joten suunnitelmat suunnattiin stepperimoottoriin, joka perustuu vain kestomagneettien tuottamaan vääntöön.
Kestomagneettistepperimoottoria simuloitiin ja tuloksia verrattiin stepperimoottoriin, joka muokattiin 2:sta BLDC-moottorista (Brushless Direct Current, hiiliharjaton tasavirtamoottori). Koska karkea prototyyppi oli jokseenkin onnistuneesti kokoonpantu, mallia kehitettiin edelleen moottoriksi, jossa on riittävä tarkkuus, laakerointi ja sopivat mittasuhteet saatavilla olevaan valmistuskyvykkyyteen nähden. Koneistetut osat tilattiin kolmannelta osapuolelta ja prototyyppi rakennettiin. Ensimmäinen kokoonpano oli epäonnistunut, sillä moottorin pyörivät osat törmäsivät toisiinsa. Ratkaisua ongelmaan etsittiin uudelleenkokoonpanosta muokatuilla (3D-tulostetuilla) osilla, mikä sai aikaan moottorin, joka pyöri, mutta joka ei tuottanut riittävästi vääntöä kuorman liikuttamiseen.
On useita mahdollisuuksia, joilla voisi parantaa prototyypin väännöntuottoa. Ensinnäkin, rautaosat pitäisi muokata siten, että roottorin magneettien ja staattorin välillä olisi riittävästi välystä. Siinä tapauksessa, että tämä ei olisi riittävä parannus väännöntuotossa, toinen ratkaisu olisi muuttaa kelojen ominaisuuksia (kierroksia, langan halkaisijaa sekä käämityksien tiheyttä). Siinä tapauksessa, että sekään ei riittäisi tuottamaan haluttua vääntöä, eräs ei-haluttu vaihtoehto olisi uhrata asentotarkkuutta vähentämällä napojen lukumäärää, suurentaen yksittäistä puolaa. Vähiten haluttu tapa väännön lisäämiseksi olisi lisätä sitä rattaiden avulla.
Tämä diplomityö on kuvaus kamera-aktuaattorin kehitysprosessista teknologiakartoituksesta valmistettuun aktuaattoriin asti. Ensiksi perehdyttiin lineaarista ja pyörivää liikettä tekeviin aktuaattorityyppeihin. Kun suunnitteluvaatimukset esiteltiin, eri aktuaattorityyppien vertailu mahdollistui. Kaikki suunnitteluvaatimukset huomioon ottaen aktuaattorityypit rajattiin sähkömagneettisiin aktuaattoreihin, joissa mekaanisen kontaktin määrä on vähäisin mahdollinen, mutta jotka kuitenkin pystyvät niin suureen vääntöön kuin tarkkuuteen. Vaihtoehdot rajattiin hybridistepperimoottoreihin, koska tämäntyyppiset kaupallisesti saatavilla olevat moottorit tuottivat riittävästi vääntöä käyttötapaukseen nähden. Simulaatiot ja prototyypinrakennusyritykset kuitenkin osoittivat mahdollisuudet olemattomiksi, joten suunnitelmat suunnattiin stepperimoottoriin, joka perustuu vain kestomagneettien tuottamaan vääntöön.
Kestomagneettistepperimoottoria simuloitiin ja tuloksia verrattiin stepperimoottoriin, joka muokattiin 2:sta BLDC-moottorista (Brushless Direct Current, hiiliharjaton tasavirtamoottori). Koska karkea prototyyppi oli jokseenkin onnistuneesti kokoonpantu, mallia kehitettiin edelleen moottoriksi, jossa on riittävä tarkkuus, laakerointi ja sopivat mittasuhteet saatavilla olevaan valmistuskyvykkyyteen nähden. Koneistetut osat tilattiin kolmannelta osapuolelta ja prototyyppi rakennettiin. Ensimmäinen kokoonpano oli epäonnistunut, sillä moottorin pyörivät osat törmäsivät toisiinsa. Ratkaisua ongelmaan etsittiin uudelleenkokoonpanosta muokatuilla (3D-tulostetuilla) osilla, mikä sai aikaan moottorin, joka pyöri, mutta joka ei tuottanut riittävästi vääntöä kuorman liikuttamiseen.
On useita mahdollisuuksia, joilla voisi parantaa prototyypin väännöntuottoa. Ensinnäkin, rautaosat pitäisi muokata siten, että roottorin magneettien ja staattorin välillä olisi riittävästi välystä. Siinä tapauksessa, että tämä ei olisi riittävä parannus väännöntuotossa, toinen ratkaisu olisi muuttaa kelojen ominaisuuksia (kierroksia, langan halkaisijaa sekä käämityksien tiheyttä). Siinä tapauksessa, että sekään ei riittäisi tuottamaan haluttua vääntöä, eräs ei-haluttu vaihtoehto olisi uhrata asentotarkkuutta vähentämällä napojen lukumäärää, suurentaen yksittäistä puolaa. Vähiten haluttu tapa väännön lisäämiseksi olisi lisätä sitä rattaiden avulla.