Rozpraszanie ciepła, integracja i wyzwania związane z kosztami dla bezramowych silników momentowych robotów

W napływającej fali robotyki humanoidalnej bezramowe silniki momentowe stały się głównym wyborem do sterowania przegubowego ze względu na ich kompaktowe rozmiary, dużą gęstość mocy i wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach. W przeciwieństwie do silników konwencjonalnych, bezramowe silniki momentowe rezygnują z obudowy, łożysk i podstawy, zachowując jedynie stojan i wirnik jako ich dwa główne elementy, dzięki czemu można je bezpośrednio osadzić w całym systemie. Jednak ten „bezdomny” projekt, oferujący dużą elastyczność w celu zapewnienia wysokiej integracji, powoduje jednak także trzy główne problemy – rozpraszanie ciepła, integracja i koszty – które stały się krytycznymi wąskimi gardłami ograniczającymi komercjalizację robotów humanoidalnych na dużą skalę.

Problem nr 1: Rozpraszanie ciepła – wysoka temperatura to „niewidzialny zabójca” silników

Kwestia odprowadzania ciepła bezramowe silniki momentowe wynikają z ich nieodłącznych właściwości konstrukcyjnych. Ze względu na brak niezależnej obudowy i wentylatora ciepło wytwarzane przez silnik nie może zostać szybko odprowadzone poprzez chłodzenie powietrzem w obudowie, jak w tradycyjnych silnikach. Gdy robot pracuje nieprzerwanie, silnik generuje znaczną ilość ciepła. Długotrwałe narażenie na wysokie temperatury przyspiesza starzenie się izolacji uzwojeń, pogarsza smarowanie łożysk, prowadzi do częstych usterek silnika i poważnie pogarsza stabilność pracy.

Jeszcze poważniejsze są scenariusze związane z gwałtownymi upałami. Kiedy robot wykonuje polecenia ruchu o dużej dynamice, następuje natychmiastowy wzrost prądu, a układ chłodzenia często nie jest w stanie wystarczająco szybko usunąć ciepła, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury wewnętrznej. Gdy temperatura przekroczy granicę termiczną silnika, może łatwo spowodować zwarcie uzwojenia, uszkodzenie izolacji, a nawet spalenie silnika i utratę kontroli przez robota. Badania akademickie wykazały również, że wzrost temperatury spowodowany nagrzewaniem Joule'a i efektami prądów wirowych stanowi główne wyzwanie w zastosowaniu bezramowych silników momentowych.

Aby zaradzić temu problemowi, w branży dokonuje się przełomów pod dwoma względami: materiałami i procesami.  Optymalizacja obwodów magnetycznych  zmniejsza wytwarzanie ciepła u źródła — poprzez poprawę konstrukcji pola magnetycznego, zastosowanie wysokiej jakości materiałów neodymowo-żelazowo-borowych (NdFeB) i niskostratnych przewodników magnetycznych można znacznie zmniejszyć straty spowodowane histerezą, straty prądu wirowego i straty miedzi. Dzięki optymalizacji obwodu magnetycznego całkowite straty są zmniejszone o 20%, a moment obrotowy zwiększony o 10% przy tym samym prądzie wejściowym.  Technologia zalewania  stanowi przełom na ścieżce rozpraszania ciepła — zalewanie próżniowe wypełnia wewnętrzne szczeliny silnika masą zalewową o ultrawysokiej przewodności cieplnej, skutecznie przewodząc ciepło ze źródła ciepła do zewnętrznej struktury chłodzącej. Ponadto bezpośrednie „lutowanie” uzwojeń stojana do metalowej obudowy złącza za pomocą mediów przewodzących ciepło i wykorzystanie żeberek obudowy lub wbudowanych kanałów chłodzących ciecz do odprowadzania ciepła również stało się skutecznym sposobem poprawy ciągłej wydajności wyjściowej.

Pain Point 2: Integracja – „Wykorzystanie w pełni małej przestrzeni”

„Bezdomowa” konstrukcja bezramowych silników momentowych miała pierwotnie umożliwiać wysoką integrację, ale sama integracja stała się nowym wyzwaniem. Przestrzeń łączeniowa robotów jest niezwykle ograniczona, co wymaga dużej gęstości momentu obrotowego w bardzo małej objętości, a jednocześnie umożliwia umieszczenie reduktorów harmonicznych, hamulców, czujników, sterowników i wielu innych komponentów.

Wyzwania związane z integracją są po raz pierwszy widoczne w  okablowaniu . Ciasna wewnętrzna przestrzeń złącza uniemożliwia tradycyjnym silnikom z wałem pełnym prowadzenie kabli wewnętrznie; kable należy poprowadzić na zewnątrz, co zajmuje miejsce i pogarsza estetykę i niezawodność. Aby rozwiązać ten problem, w branży wprowadzono  konstrukcje z dużymi wałami drążonymi, w których zarezerwowano otwór przelotowy w środku silnika, tak aby kable zasilające, przewody sygnałowe, a nawet przewody cieczy mogły przechodzić przez wnętrze silnika.

Kolejnym wyzwaniem jest  precyzja montażu . Ponieważ silniki bezramowe nie mają obudowy stanowiącej punkt odniesienia do pozycjonowania, stojan i wirnik muszą być bezpośrednio osadzone w konstrukcji robota, co narzuca wymagania na poziomie mikronów w zakresie koncentryczności i współosiowości zespołu. Tradycyjne podejście do montażu „oko + ręka” nie jest już wystarczające. Co więcej, chociaż nowe technologie, takie jak silniki o strumieniu osiowym, oferują większą gęstość mocy, nadal brakuje ich dojrzałości w zakresie integracji systemów na platformach robotycznych, a możliwości przemysłu w zakresie łańcucha dostaw nadal wymagają wzmocnienia.

Przemysł obniża barierę integracyjną poprzez  standaryzację  i  modularyzację . Standaryzowane interfejsy mechaniczne i moduły napędowe typu plug-and-play pomagają klientom zmniejszyć złożoność integracji. Jednocześnie zintegrowane moduły przegubowe, które umożliwiają wstępny montaż silnika, reduktora, czujników i innych komponentów, pozwalają producentom robotów na zakup kompletnych modułów zamiast montować je we własnym zakresie.

Problem 3: Koszt – „wysoka cena” wysokiej wydajności

Koszty są najbardziej namacalną przeszkodą stojącą na drodze do powszechnego stosowania bezramowych silników momentowych. Obecnie pojedynczy bezramowy silnik momentowy kosztuje ponad 2000 RMB, co stanowi 15% całkowitego kosztu robota. Koszt samego silnika, który ma około 30 przegubów, przekracza 60 000 RMB, nie licząc sterowników i komponentów pomocniczych.

Wysoki koszt wynika z wielu czynników.  Koszty materiałów — rdzeniem silnika są wysokowydajne magnesy trwałe NdFeB, a ich skład metali ziem rzadkich i procesy dyfuzji na granicy ziaren bezpośrednio determinują gęstość momentu obrotowego, ale wahania w łańcuchu dostaw metali ziem rzadkich często utrzymują wysokie ceny.  Procesy produkcyjne — etapy uzwojenia, zalewania i montażu silników bezramowych wymagają niezwykle dużej precyzji, a tradycyjne metody produkcji w dużym stopniu opierają się na pracy ręcznej, co prowadzi do niespójnych czasów cykli i wahań wydajności, co dodatkowo zwiększa koszty jednostkowe.

Ścieżki redukcji kosztów realizowane są w kilku kierunkach jednocześnie.  Udoskonalenie procesu  jest najbardziej bezpośrednią ścieżką — optymalizacja procesów produkcji wirników i przyjęcie konstrukcji z wałem drążonym o dużym przełożeniu pozwala skutecznie obniżyć koszty; w przypadku produktów zaobserwowano zmniejszenie objętości o 30% i wzrost momentu obrotowego o 20%, przy wydajności porównywalnej z markami międzynarodowymi.  Zautomatyzowane linie produkcyjne  są kluczem do redukcji kosztów na dużą skalę — w pełni automatyczne inteligentne linie osiągają moc wyjściową „jednego uzwojenia silnika na minutę” przy wydajności 98,6%, całkowicie przełamując wąskie gardło wydajności tradycyjnych metod ręcznych. Precyzyjne zautomatyzowane urządzenia i inteligentne systemy kontroli zapewniają stałe parametry pracy każdego silnika. Postępują także  innowacje materiałowe  — technologie redukcji ciężkich pierwiastków ziem rzadkich obniżyły udział kosztów materiałów magnetycznych z metali ziem rzadkich do 18%; zintegrowane procesy odlewania ciśnieniowego obniżyły koszty produkcji o 18%.

Wniosek

Rozpraszanie ciepła, integracja i koszt to trzy punkty kontrolne na drodze od laboratorium do masowej produkcji bezramowych silników momentowych. Rozproszenie wpływa na niezawodność, integracja określa wykonalność, a koszt wpływa na rentowność komercyjną – są one ze sobą powiązane, a każda słabość w jednym łączu spowalnia cały proces. Na szczęście branża systematycznie stawia czoła tym wyzwaniom na wielu płaszczyznach, w tym na optymalizacji obwodów magnetycznych, procesach zalewania, projektowaniu wałów drążonych i zautomatyzowanych liniach produkcyjnych. Oczekuje się, że w przyszłości, dzięki zastosowaniu nowych materiałów, takich jak wbudowane chłodzenie mikrokanałowe i rdzenie ze stopów amorficznych, a także w miarę postępu produkcji na dużą skalę, bezramowe silniki momentowe naprawdę staną się „niezawodnym rdzeniem”, który napędza humanoidalne roboty w każdym gospodarstwie domowym.