Robotide raamita pöördemomendimootorite soojuse hajutamine, integreerimine ja kuluprobleemid

Humanoidrobootika tõusvas laines on tänu nende kompaktsele suurusele, suurele võimsustihedusele ja suurele pöördemomendile madalatel pööretel saanud raamita pöördemomendi mootorid liigeste käivitamise põhivalikuks. Erinevalt tavalistest mootoritest loobuvad raamita pöördemomendiga mootorid korpusest, laagritest ja alusest, säilitades kahe põhikomponendina ainult staatori ja rootori, võimaldades need otse kogu süsteemi integreerida. Kuid see 'majata' disain, pakkudes samal ajal suurt paindlikkust suureks integreerimiseks, tekitab ka kolm peamist valupunkti - soojuse hajumine, integreerimine ja maksumus -, millest on saanud kriitilised kitsaskohad, mis piiravad humanoidrobotite laiaulatuslikku turustamist.

Valupunkt 1: soojuse hajumine – kõrge temperatuur on mootorite 'nähtamatu tapja'

Soojuse hajumise probleem raamita pöördemomendiga mootorid tulenevad nende loomupärastest konstruktsiooniomadustest. Sõltumatu korpuse ja ventilaatori puudumisel ei saa mootori tekitatud soojust korpusel põhineva õhkjahutusega kiiresti hajutada, nagu traditsiooniliste mootorite puhul. Kui robot töötab pidevalt, tekitab mootor märkimisväärset soojust. Pikaajaline kokkupuude kõrgete temperatuuridega kiirendab mähiste isolatsiooni vananemist, halvendab laagrite määrimist, põhjustab sagedasi mootoririkkeid ja kahjustab tõsiselt töö stabiilsust.

Veelgi tõsisemad on plahvatuse kuumuse stsenaariumid. Kui robot täidab suure dünaamilise liikumiskäsklusi, tõuseb hetkeline vool ja jahutussüsteem ei suuda sageli piisavalt kiiresti soojust eemaldada, mistõttu sisetemperatuur tõuseb. Kui temperatuur ületab mootori termilise piiri, võib see kergesti põhjustada mähise lühiseid, isolatsioonikahjustusi või isegi mootori läbipõlemist ja roboti juhitavuse kaotust. Akadeemilised uuringud on samuti juhtinud tähelepanu sellele, et Joule'i kuumenemisest ja pöörisvoolu mõjudest põhjustatud temperatuuri tõus on raamita pöördemomendiga mootorite kasutamisel suur väljakutse.

Selle valupunkti lahendamiseks teeb tööstus läbimurdeid kahe nurga alt: materjalid ja protsessid.  Magnetahela optimeerimine  vähendab soojuse teket allika juures – parandades magnetvälja disaini, kasutades kõrgekvaliteedilisi neodüüm-raud-boor (NdFeB) materjale ja väikese kadudega magnetjuhte, saab hüstereesikadusid, pöörisvoolukadusid ja vase kadusid oluliselt vähendada. Magnetahela optimeerimise abil vähendatakse üldkadusid 20%, samas kui pöördemomenti suurendatakse 10% sama sisendvoolu korral.  Potting tehnoloogia  teeb läbimurde soojuse hajumise teel – vaakumpott täidab mootori sisemised vahed ülikõrge soojusjuhtivusega seguga, juhtides soojuse tõhusalt soojusallikast välisesse jahutusstruktuuri. Lisaks on staatori mähiste otse 'jootmine' liigendi metallkorpuse külge soojust juhtiva vahendi abil ning korpuse ribide või sisseehitatud vedelikjahutuskanalite kasutamine soojuse väljutamiseks on muutunud tõhusaks vahendiks pideva väljundvõimsuse parandamiseks.

Valupunkt 2: integratsioon – 'pisikese ruumi maksimaalne ärakasutamine'

Raamita pöördemomendiga mootorite 'majata' disain oli algselt mõeldud suure integratsiooni võimaldamiseks, kuid integreerimine ise on muutunud uueks väljakutseks. Robotite ühendusruum on äärmiselt piiratud, nõudes suure pöördemomenditiheduse väljundit väga väikeses mahus, mahutades samas ka harmoonilisi reduktoreid, pidureid, andureid, draivereid ja paljusid muid komponente.

Integratsiooni väljakutse ilmneb kõigepealt  kaabelduses . Ühenduse kitsas siseruum muudab traditsiooniliste täisvõllmootorite jaoks kaablite sisemise suunamise võimatuks; kaablid tuleb juhtida väljastpoolt, võttes ruumi ning kahjustades esteetikat ja töökindlust. Selle probleemi lahendamiseks on tööstus kasutusele võtnud  suure õõnesvõlliga konstruktsioonid – jättes mootori keskele läbiva augu, et toitekaablid, signaaliliinid ja isegi vedelikutorud saaksid mootori sisemust läbida.

Teine väljakutse on  montaaži täpsus . Kuna raamita mootoritel puudub positsioneerimise viitekorpus, peavad staator ja rootor olema otse roboti konstruktsiooni sisse lülitatud, kehtestades koostu kontsentrilisusele ja koaksiaalsusele mikronitaseme nõuded. Traditsioonilisest 'silm + käsi' koostamise lähenemisviisist enam ei piisa. Veelgi enam, kuigi uued tehnoloogiad, nagu aksiaalvoomootorid, pakuvad suuremat võimsustihedust, on nende süsteemiintegreerimise küpsus robotplatvormidel endiselt puudulik ja tööstuse tarneahela võimalusi tuleb veel tugevdada.

Tööstus alandab integratsioonibarjääri  standardimise  ja  modulariseerimise kaudu . Standardiseeritud mehaanilised liidesed ja plug-and-play-draivimoodulid aitavad klientidel integreerimise keerukust vähendada. Samal ajal võimaldavad integreeritud ühendusmoodulid, mis panevad eelnevalt kokku mootori, reduktori, andurid ja muud komponendid, robotitootjatel osta terviklikke mooduleid, mitte neid ise kokku panna.

Valupunkt 3: hind – suure jõudluse 'kopsakas hind'.

Kulud on kõige käegakatsutavam takistus, mis takistab raamita pöördemomendiga mootorite laialdast kasutuselevõttu. Praegu maksab üks raamita pöördemomendi mootor üle 2000 RMB, mis moodustab 15% roboti kogumaksumusest. Kui humanoidrobotis on umbes 30 liigendit, siis ainuüksi mootorikulud ületavad 60 000 RMB, ilma draiverite ja abikomponentideta.

Kõrge hind tuleneb mitmest tegurist.  Materjalikulud – suure jõudlusega NdFeB püsimagnetid on mootori tuumaks ning nende haruldaste muldmetallide koostis ja terapiiride difusiooniprotsessid määravad otseselt pöördemomendi tiheduse, kuid kõikumised haruldaste muldmetallide tarneahelas hoiavad sageli hinnad kõrgel.  Tootmisprotsessid – raamita mootorite mähis-, paigaldus- ja montaažietapid nõuavad äärmiselt suurt täpsust ning traditsioonilised tootmismeetodid sõltuvad suuresti käsitsitööst, mis toob kaasa ebaühtlased tsükliajad ja saagikuse kõikumised, mis suurendab veelgi ühikukulusid.

Kulude vähendamise võimalusi püütakse korraga mitmes suunas.  Protsessi täiustamine  on kõige otsesem tee – optimeerides rootori tootmisprotsesse ja võttes kasutusele suure suhtega õõnesvõlli konstruktsioonid, on kulusid tõhusalt vähendatud; toodete maht on 30% vähenenud ja pöördemoment 20% suurenenud ning nende jõudlus on võrdne rahvusvaheliste kaubamärkidega.  Automatiseeritud tootmisliinid  on mastaabis kulude vähendamise võti – täisautomaatsed intelligentsed liinid saavutavad võimsuse 'üks mootor minutis' ja tootlikkus on 98,6%, purustades täielikult traditsiooniliste käsitsi meetodite tõhususe kitsaskoha. Kõrge täpsusega automatiseeritud seadmed ja intelligentsed kontrollisüsteemid tagavad iga mootori ühtsed jõudlusparameetrid. Samuti areneb  materjaliuuendus  – raskete haruldaste muldmetallide redutseerimistehnoloogiad on alandanud haruldaste muldmetallide magnetiliste materjalide kuluosa 18%-ni; integreeritud survevalu protsessid on vähendanud tootmiskulusid 18%.

Järeldus

Soojuse hajumine, integreerimine ja kulud moodustavad kolm kontrollpunkti teel laborist kuni raamita pöördemomendiga mootorite masstootmiseni. Hajumine mõjutab töökindlust, integratsioon määrab teostatavuse ja kulud mõjutavad ärilist elujõulisust – need on omavahel põimunud ja iga ühe lüli nõrkus tõmbab kogu protsessi alla. Õnneks tegeleb tööstus süstemaatiliselt nende väljakutsetega mitmest mõõtmest lähtudes, sealhulgas magnetahela optimeerimine, pottimisprotsessid, õõnesvõlli disain ja automatiseeritud tootmisliinid. Tulevikus, kasutades uusi materjale, nagu sisseehitatud mikrokanaliga jahutus ja amorfsed sulamist südamikud, ning suuremahulise tootmise edenedes eeldatakse, et raamita pöördemomendiga mootoritest saab tõeliselt 'usaldusväärne südamik', mis juhib humanoidrobotid igasse majapidamisse.