اتلاف گرما، ادغام و چالش های هزینه برای موتورهای گشتاور بدون قاب ربات

در موج فزاینده رباتیک انسان نما، موتورهای گشتاور بدون قاب به دلیل اندازه جمع و جور، چگالی توان بالا و گشتاور بالا در سرعت های پایین، به گزینه اصلی برای فعال سازی مفصل تبدیل شده اند. بر خلاف موتورهای معمولی، موتورهای گشتاور بدون قاب از محفظه، یاتاقان ها و پایه صرف نظر می کنند و تنها استاتور و روتور را به عنوان دو جزء اصلی خود نگه می دارند و به آنها اجازه می دهند مستقیماً در سیستم کلی جاسازی شوند. با این حال، این طراحی 'بی خانه'، در حالی که انعطاف پذیری زیادی را برای یکپارچگی بالا ارائه می دهد، همچنین باعث ایجاد سه نقطه دردناک اصلی - اتلاف گرما، یکپارچگی و هزینه - می شود که به گلوگاه های مهم تبدیل شده اند که تجاری سازی مقیاس بزرگ ربات های انسان نما را محدود می کند.

نقطه درد 1: اتلاف گرما - دمای بالا 'قاتل نامرئی' موتورها است

مسئله اتلاف گرما از موتورهای گشتاور بدون قاب از ویژگی های ساختاری ذاتی آنها ناشی می شود. بدون محفظه و فن مستقل، گرمای تولید شده توسط موتور نمی تواند به سرعت از طریق خنک کننده هوای مبتنی بر محفظه مانند موتورهای سنتی دفع شود. هنگامی که ربات به طور مداوم کار می کند، موتور گرمای قابل توجهی تولید می کند. قرار گرفتن طولانی‌مدت در دمای بالا، پیری عایق سیم‌پیچ را تسریع می‌کند، روان‌کاری بلبرینگ را کاهش می‌دهد، منجر به خطاهای مکرر موتور می‌شود و به شدت پایداری عملیاتی را تضعیف می‌کند.

حتی شدیدتر سناریوهای انفجار گرما هستند. هنگامی که ربات دستورات حرکتی با پویایی بالا را اجرا می کند، جریان لحظه ای افزایش می یابد و سیستم خنک کننده اغلب نمی تواند گرما را به سرعت به اندازه کافی حذف کند و باعث افزایش دمای داخلی می شود. هنگامی که دما از حد حرارتی موتور فراتر رود، به راحتی می تواند باعث اتصال کوتاه سیم پیچ، آسیب عایق، یا حتی فرسودگی موتور و از دست دادن کنترل ربات شود. مطالعات آکادمیک همچنین اشاره کرده اند که افزایش دما ناشی از گرمایش ژول و اثرات جریان گردابی یک چالش بزرگ در کاربرد موتورهای گشتاور بدون فریم است.

برای پرداختن به این نقطه درد، صنعت از دو زاویه به پیشرفت هایی دست می یابد: مواد و فرآیندها.  بهینه‌سازی مدار مغناطیسی  تولید گرما را در منبع کاهش می‌دهد - با بهبود طراحی میدان مغناطیسی، استفاده از مواد نئودیمیم-آهن-بور با عیار بالا (NdFeB) و هادی‌های مغناطیسی کم تلفات، تلفات هیسترزیس، تلفات جریان گردابی و تلفات مس را می‌توان به میزان قابل توجهی کاهش داد. از طریق بهینه سازی مدار مغناطیسی، تلفات کلی 20٪ کاهش می یابد، در حالی که گشتاور تحت همان جریان ورودی 10٪ افزایش می یابد.  فن آوری گلدان  در مسیر اتلاف گرما پیشرفتی ایجاد می کند - گلدان خلاء شکاف های داخلی موتور را با ترکیب گلدانی با رسانایی حرارتی فوق العاده بالا پر می کند و به طور موثر گرما را از منبع گرما به ساختار خنک کننده خارجی هدایت می کند. علاوه بر این، 'لحیم کاری' مستقیم سیم پیچ های استاتور به محفظه فلزی اتصال از طریق رسانه های رسانای حرارتی، و استفاده از پره های محفظه یا کانال های خنک کننده مایع داخلی برای دفع گرما، نیز به ابزاری موثر برای بهبود قابلیت خروجی پیوسته تبدیل شده است.

نقطه درد 2: ادغام - 'استفاده بهینه از یک فضای کوچک'

طراحی 'بدون خانه' موتورهای گشتاور بدون قاب در ابتدا برای ایجاد یکپارچگی بالا در نظر گرفته شده بود، اما یکپارچگی خود به یک چالش جدید تبدیل شده است. فضای مشترک در ربات ها بسیار محدود است و به خروجی تراکم گشتاور بالا در حجم بسیار کم نیاز دارد، در حالی که کاهنده هارمونیک، ترمزها، سنسورها، درایورها و بسیاری از اجزای دیگر را نیز در خود جای می دهد.

چالش یکپارچه سازی ابتدا در  کابل کشی مشهود است . فضای داخلی تنگ اتصال باعث می شود که موتورهای شفت جامد سنتی نتوانند کابل ها را به داخل هدایت کنند. کابل‌ها باید از بیرون هدایت شوند، فضا را اشغال کنند و زیبایی و قابلیت اطمینان را به خطر بیندازند. برای رفع این مشکل، صنعت  طرح‌های شفت توخالی بزرگ را معرفی کرده است - یک سوراخ در مرکز موتور ذخیره می‌کند تا کابل‌های برق، خطوط سیگنال و حتی لوله‌های سیال بتوانند از داخل موتور عبور کنند.

چالش دیگر  دقت مونتاژ است . از آنجایی که موتورهای بدون قاب فاقد محفظه به عنوان مرجع تعیین موقعیت هستند، استاتور و روتور باید مستقیماً در ساختار ربات تعبیه شوند و الزامات سطح میکرونی را بر تمرکز و هم محوری مونتاژ تحمیل کنند. رویکرد سنتی مونتاژ 'چشم + دست' دیگر کافی نیست. علاوه بر این، در حالی که فناوری‌های جدید مانند موتورهای شار محوری چگالی توان بالاتری را ارائه می‌دهند، بلوغ یکپارچه‌سازی سیستم آن‌ها در پلت‌فرم‌های رباتیک هنوز وجود ندارد و قابلیت‌های زنجیره تامین صنعت همچنان باید تقویت شود.

این صنعت از طریق مانع یکپارچه سازی را کاهش می دهد  استانداردسازی  و  مدولارسازی . رابط های مکانیکی استاندارد و ماژول های درایو plug-and-play به مشتریان کمک می کنند تا پیچیدگی یکپارچه سازی را کاهش دهند. در عین حال، ماژول‌های مشترک یکپارچه که موتور، کاهنده، حسگرها و سایر اجزا را از قبل مونتاژ می‌کنند، به تولیدکنندگان ربات اجازه می‌دهند تا ماژول‌های کامل را به جای مونتاژ در داخل خانه خریداری کنند.

نقطه درد 3: هزینه - 'قیمت گزاف' عملکرد بالا

هزینه ملموس ترین مانعی است که بر سر راه پذیرش گسترده موتورهای گشتاور بدون قاب قرار دارد. در حال حاضر، یک موتور گشتاور بدون فریم بیش از 2000 یوان هزینه دارد که 15 درصد از کل هزینه ربات را تشکیل می دهد. با حدود 30 مفصل در یک ربات انسان نما، هزینه موتور به تنهایی بیش از 60000 یوان است، بدون احتساب درایورها و اجزای جانبی.

هزینه بالا از عوامل متعددی ناشی می شود.  هزینه های مواد - آهنرباهای دائمی NdFeB با کارایی بالا هسته موتور هستند و ترکیب خاکی کمیاب و فرآیندهای انتشار مرز دانه آنها به طور مستقیم چگالی گشتاور را تعیین می کند، اما نوسانات در زنجیره تامین خاکی کمیاب اغلب قیمت ها را بالا نگه می دارد.  فرآیندهای تولید - مراحل سیم پیچی، گلدانی و مونتاژ موتورهای بدون فریم نیاز به دقت بسیار بالایی دارد و روش های تولید سنتی به شدت به کار دستی متکی هستند که منجر به زمان چرخه متناقض و نوسانات عملکرد می شود و هزینه های واحد را بیشتر می کند.

مسیرهای کاهش هزینه در چندین جهت به طور همزمان دنبال می شود.  بهبود فرآیند  مستقیم ترین مسیر است - با بهینه سازی فرآیندهای ساخت روتور و اتخاذ طرح های شفت توخالی با نسبت بزرگ، هزینه ها به طور موثر کاهش یافته است. محصولات با 30 درصد کاهش حجم و 20 درصد افزایش در گشتاور، با عملکردی برابر با برندهای بین المللی مواجه شده اند.  خطوط تولید خودکار  کلید کاهش هزینه در مقیاس هستند—خطوط هوشمند تمام اتوماتیک خروجی «یک موتور در دقیقه» را با بازده 98.6 درصد به دست می‌آورند، گلوگاه کارایی روش‌های دستی سنتی را کاملاً می‌شکنند. تجهیزات خودکار با دقت بالا و سیستم های بازرسی هوشمند پارامترهای عملکردی ثابت را برای هر موتور تضمین می کنند.  نوآوری مواد  نیز در حال پیشرفت است - فناوری‌های کاهش خاک کمیاب سهم هزینه مواد مغناطیسی خاکی کمیاب را به 18 درصد کاهش داده است. فرآیندهای ریخته گری یکپارچه، هزینه های تولید را تا 18 درصد کاهش داده است.

نتیجه گیری

اتلاف گرما، یکپارچه سازی و هزینه، سه نقطه بازرسی در جاده از آزمایشگاه تا تولید انبوه برای موتورهای گشتاور بدون قاب را تشکیل می دهند. اتلاف بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارد، یکپارچگی امکان‌سنجی را تعیین می‌کند، و هزینه بر دوام تجاری تأثیر می‌گذارد - آنها در هم تنیده شده‌اند و هر گونه ضعف در یک پیوند کل فرآیند را به پایین می‌کشد. خوشبختانه، صنعت به طور سیستماتیک با این چالش ها از ابعاد مختلف، از جمله بهینه سازی مدار مغناطیسی، فرآیندهای گلدان، طراحی شفت توخالی و خطوط تولید خودکار مقابله می کند. در آینده، با استفاده از مواد جدید مانند خنک کننده میکرو کانال تعبیه شده و هسته های آلیاژی آمورف، و با ادامه پیشرفت تولید در مقیاس بزرگ، انتظار می رود موتورهای گشتاور بدون قاب واقعا به 'هسته قابل اعتماد' تبدیل شوند که ربات های انسان نما را وارد هر خانه می کند.