Hőelvezetés, integráció és költség kihívások a robotkeret nélküli nyomatékmotoroknál

A humanoid robotika hullámzó hullámában a keret nélküli nyomatékú motorok váltak az ízületek működtetésének fő választásává, köszönhetően kompakt méretüknek, nagy teljesítménysűrűségüknek és nagy nyomatékuknak alacsony fordulatszámon. A hagyományos motoroktól eltérően a keret nélküli nyomatékmotorok nélkülözik a házat, a csapágyakat és az alapot, és csak az állórészt és a forgórészt tartják meg két fő alkatrészként, így közvetlenül beépíthetők a teljes rendszerbe. Ez a 'ház nélküli' kialakítás azonban, miközben nagy rugalmasságot kínál a magas szintű integrációhoz, három fő fájdalompontot is felvet – a hőelvezetést, az integrációt és a költségeket –, amelyek kritikus szűk keresztmetszetekké váltak, amelyek korlátozzák a humanoid robotok széles körű kereskedelmi forgalomba hozatalát.

1. fájdalompont: Hőelvezetés – A magas hőmérséklet a motorok 'láthatatlan gyilkosa'

A hőelvezetés kérdése A keret nélküli nyomatékmotorok belső szerkezeti jellemzőiből fakadnak. Független ház és ventilátor hiányában a motor által termelt hőt nem lehet gyorsan elvezetni ház alapú léghűtéssel, mint a hagyományos motoroknál. Amikor a robot folyamatosan dolgozik, a motor jelentős hőt termel. A magas hőmérsékletnek való tartós kitettség felgyorsítja a tekercsszigetelés elöregedését, rontja a csapágykenést, gyakori motorhibákhoz vezet, és súlyosan aláássa a működési stabilitást.

Még súlyosabbak a kitörési hőség forgatókönyvei. Amikor a robot nagy dinamikus mozgásparancsokat hajt végre, a pillanatnyi áram megugrik, és a hűtőrendszer gyakran nem tudja elég gyorsan eltávolítani a hőt, ami a belső hőmérséklet megugrását okozza. Amint a hőmérséklet túllépi a motor hőkorlátját, könnyen tekercselési rövidzárlatot, szigeteléskárosodást, vagy akár a motor kiégését és a robot irányításának elvesztését okozhatja. Tudományos tanulmányok arra is rámutattak, hogy a Joule-melegedés és az örvényáram hatások által okozott hőmérséklet-emelkedés komoly kihívást jelent a keret nélküli nyomatékú motorok alkalmazása során.

Ennek a fájdalmas pontnak a kezelésére az ipar két szempontból is áttörést hajt végre: anyagok és folyamatok.  A mágneses áramkör optimalizálása  csökkenti a hőtermelést a forrásnál – a mágneses tér kialakításának javításával, a kiváló minőségű neodímium-vas-bór (NdFeB) anyagok és az alacsony veszteségű mágneses vezetők használatával jelentősen csökkenthető a hiszterézisveszteség, az örvényáram-veszteség és a rézveszteség. A mágneses áramkör optimalizálása révén a teljes veszteség 20%-kal csökken, míg a nyomaték 10%-kal nő ugyanazon bemeneti áram mellett.  A potting technológia  áttörést jelent a hőelvezetési útvonalon – a vákuumbeöntés a motor belső réseit ultra-nagy hővezető képességű edénykeverékkel tölti ki, hatékonyan vezetve a hőt a hőforrásból a külső hűtőszerkezetbe. Ezen túlmenően, az állórész tekercseinek közvetlen 'forrasztása' a csatlakozás fémházához hővezető közeggel, valamint a ház bordáinak vagy beépített folyadékhűtő csatornáinak használata a hő kivezetésére, szintén hatékony eszközzé vált a folyamatos kimeneti képesség javítására.

2. fájdalompont: Integráció – 'A legtöbbet kihozni egy apró helyből'

A keret nélküli nyomatékú motorok 'ház nélküli' kialakítása eredetileg a magas szintű integrációt kívánta lehetővé tenni, de maga az integráció új kihívássá vált. A robotok csuklótere rendkívül korlátozott, nagy nyomatéksűrűségű kimenetet igényel nagyon kis térfogaton belül, miközben harmonikus reduktorok, fékek, érzékelők, meghajtók és sok más alkatrész is helyet kap.

Az integrációs kihívás először nyilvánul meg  a kábelezésben . A csatlakozás szűk belső tere lehetetlenné teszi a hagyományos szilárd tengelyes motorok számára a kábelek belső vezetését; A kábeleket kívülről kell elvezetni, ami helyet foglal, és veszélyezteti az esztétikát és a megbízhatóságot. Ennek megoldására az ipar  nagy üreges tengelyű kialakításokat vezetett be – a motor közepén egy átmenő lyukat hagyott fenn, hogy a tápkábelek, jelvezetékek és még folyadékcsövek is áthaladhassanak a motor belsejében.

Egy másik kihívás az  összeszerelési pontosság . Mivel a keret nélküli motoroknál hiányzik a pozicionálási referenciaház, az állórészt és a forgórészt közvetlenül a robot szerkezetébe kell ágyazni, ami mikron szintű követelményeket támaszt az összeállítás koncentrikusságára és koaxialitására vonatkozóan. A hagyományos 'szem + kéz' összeszerelés már nem elegendő. Továbbá, míg az új technológiák, például az axiális fluxusmotorok nagyobb teljesítménysűrűséget kínálnak, a robotplatformokon való rendszerintegrációjuk még mindig hiányzik, és az ipari ellátási lánc képességeit még meg kell erősíteni.

Az iparág révén csökkenti az integrációs akadályt  a szabványosítás  és  a modularizáció . A szabványosított mechanikus interfészek és a plug-and-play meghajtómodulok segítenek az ügyfeleknek csökkenteni az integráció bonyolultságát. Ugyanakkor a motort, a reduktort, az érzékelőket és más alkatrészeket előre összeszerelő integrált csatlakozási modulok lehetővé teszik a robotgyártók számára, hogy komplett modulokat vásároljanak ahelyett, hogy házon belül szerelnék össze azokat.

3. fájdalompont: Költség – a nagy teljesítmény 'magas ára'.

A költség a legkézzelfoghatóbb akadály, amely a keret nélküli nyomatékú motorok széles körű elterjedésének útjában áll. Jelenleg egyetlen keret nélküli nyomatékú motor több mint 2000 RMB-ba kerül, ami a robot teljes költségének 15%-át teszi ki. Egy humanoid robotban körülbelül 30 ízülettel a motorköltség önmagában meghaladja a 60 000 RMB-t, a meghajtókat és a kiegészítő alkatrészeket nem számítva.

A magas költség több tényezőből adódik.  Anyagköltségek – a nagy teljesítményű NdFeB állandó mágnesek alkotják a motor magját, és ritkaföldfém-összetételük és szemcsehatár-diffúziós folyamataik közvetlenül meghatározzák a nyomatéksűrűséget, de a ritkaföldfémek ellátási láncának ingadozásai gyakran magasan tartják az árakat.  Gyártási folyamatok – a keret nélküli motorok tekercselése, behelyezése és összeszerelése rendkívül nagy pontosságot igényel, és a hagyományos gyártási módszerek nagymértékben támaszkodnak a kézi munkára, ami inkonzisztens ciklusidőkhöz és hozamingadozásokhoz vezet, ami tovább növeli az egységköltségeket.

A költségcsökkentési utakat egyszerre több irányban is követik.  A folyamatfejlesztés  a legközvetlenebb út – a rotorgyártási folyamatok optimalizálásával és a nagy arányú üreges tengelyes kialakítások alkalmazásával a költségek hatékonyan csökkentek; A termékek térfogata 30%-kal csökkent, a nyomatékuk pedig 20%-kal nőtt, teljesítményük pedig a nemzetközi márkákhoz hasonló.  Az automatizált gyártósorok  jelentik a kulcsot a méretarányos költségcsökkentéshez – a teljesen automatikus intelligens vonalak 'percenként egy motor feltekerése' teljesítményt érnek el 98,6%-os hozam mellett, teljesen áttörve a hagyományos kézi módszerek hatékonyságának szűk keresztmetszetét. A nagy pontosságú automatizált berendezések és az intelligens ellenőrző rendszerek egységes teljesítményparamétereket biztosítanak minden motor számára.  Az anyaginnováció  is fejlődik – a nehéz-ritkaföldfém-csökkentő technológiák 18%-ra csökkentették a ritkaföldfém mágneses anyagok költséghányadát; Az integrált présöntési eljárások 18%-kal csökkentették a gyártási költségeket.

Következtetés

A hőelvezetés, az integráció és a költségek jelentik a három ellenőrző pontot a laboratóriumtól a sorozatgyártásig a keret nélküli nyomatékú motorok felé vezető úton. A disszipáció befolyásolja a megbízhatóságot, az integráció határozza meg a megvalósíthatóságot, a költségek pedig a kereskedelmi életképességet befolyásolják – ezek összefonódnak, és az egyik kapcsolat gyengesége lehúzza az egész folyamatot. Szerencsére az ipar több dimenzióból is szisztematikusan megbirkózik ezekkel a kihívásokkal, beleértve a mágneses áramkör optimalizálását, az öntési folyamatokat, az üreges tengelyes tervezést és az automatizált gyártósorokat. A jövőben az új anyagok, például a beágyazott mikrocsatornás hűtés és az amorf ötvözet magok alkalmazásával, valamint a nagyüzemi gyártás előrehaladtával a keret nélküli nyomatékos motorok várhatóan valóban a „megbízható magmá” válnak, amely a humanoid robotokat minden háztartásba hajtja.