Рассеяние тепла, интеграция и проблемы стоимости роботизированных бескорпусных моментных двигателей

На волне развития гуманоидной робототехники безрамные моментные двигатели стали основным выбором для совместного приведения в действие благодаря своим компактным размерам, высокой удельной мощности и высокому крутящему моменту на низких скоростях. В отличие от обычных двигателей, безрамные моментные двигатели не требуют корпуса, подшипников и основания, сохраняя только статор и ротор в качестве двух основных компонентов, что позволяет их непосредственно встраивать в общую систему. Тем не менее, эта «бездомная» конструкция, хотя и предлагает большую гибкость для высокой степени интеграции, также порождает три основные проблемы — рассеивание тепла, интеграция и стоимость, — которые стали критическими узкими местами, ограничивающими крупномасштабную коммерциализацию гуманоидных роботов.

Болевая точка 1: рассеивание тепла. Высокая температура — «невидимый убийца» двигателей.

Проблема рассеивания тепла Использование безрамных моментных двигателей обусловлено присущими им конструктивными характеристиками. Из-за отсутствия независимого корпуса и вентилятора тепло, выделяемое двигателем, не может быть быстро рассеяно посредством воздушного охлаждения корпуса, как в традиционных двигателях. Когда робот работает непрерывно, двигатель выделяет значительное количество тепла. Длительное воздействие высоких температур ускоряет старение изоляции обмоток, ухудшает смазку подшипников, приводит к частым отказам двигателя и серьезно подрывает стабильность работы.

Еще более серьезными являются сценарии резкой жары. Когда робот выполняет команды высокодинамичного движения, мгновенный ток резко возрастает, и система охлаждения часто не может достаточно быстро отводить тепло, что приводит к резкому повышению внутренней температуры. Как только температура превысит тепловой предел двигателя, это может легко вызвать короткое замыкание обмотки, повреждение изоляции или даже перегорание двигателя и потерю управления роботом. Научные исследования также показали, что повышение температуры, вызванное джоулевым нагревом и эффектами вихревых токов, является серьезной проблемой при применении безрамных моментных двигателей.

Чтобы решить эту проблему, отрасль совершает прорывы с двух сторон: материалов и процессов.  Оптимизация магнитной цепи  снижает выделение тепла в источнике — за счет улучшения конструкции магнитного поля, использования высококачественных материалов неодим-железо-бор (NdFeB) и магнитопроводов с низкими потерями можно значительно уменьшить потери на гистерезис, потери на вихревые токи и потери в меди. За счет оптимизации магнитной цепи общие потери сокращаются на 20 %, а крутящий момент увеличивается на 10 % при том же входном токе.  Технология заливки  совершает прорыв в области рассеивания тепла: вакуумная заливка заполняет внутренние зазоры двигателя заливочным компаундом со сверхвысокой теплопроводностью, эффективно проводя тепло от источника тепла к внешней охлаждающей конструкции. Кроме того, прямая «пайка» статорных обмоток к металлическому корпусу узла с помощью теплопроводящей среды и использование ребер корпуса или встроенных каналов жидкостного охлаждения для отвода тепла также стали эффективным средством улучшения непрерывной выходной мощности.

Болевая точка 2: Интеграция: «Как максимально эффективно использовать крошечное пространство»

«Бездомная» конструкция безрамных моментных двигателей изначально была предназначена для обеспечения высокой степени интеграции, но сама интеграция стала новой проблемой. Пространство соединений в роботах чрезвычайно ограничено, поэтому требуется высокая плотность крутящего момента в очень небольшом объеме, а также размещение редукторов гармоник, тормозов, датчиков, драйверов и многих других компонентов.

Проблема интеграции в первую очередь проявляется в  кабельной системе . Тесное внутреннее пространство соединения не позволяет традиционным двигателям со сплошным валом прокладывать кабели внутри; кабели необходимо прокладывать снаружи, занимая пространство и ухудшая эстетику и надежность. Чтобы решить эту проблему, промышленность внедрила  конструкции с полым валом большого размера, в которых в центре двигателя оставлено сквозное отверстие, чтобы силовые кабели, сигнальные линии и даже трубы для жидкости могли проходить через внутреннюю часть двигателя.

Еще одной проблемой является  точность сборки . Поскольку у безрамных двигателей отсутствует корпус в качестве ориентира для позиционирования, статор и ротор должны быть непосредственно встроены в конструкцию робота, что предъявляет требования микронного уровня к концентричности и соосности сборки. Традиционного подхода к сборке «глаз + руки» уже недостаточно. Кроме того, хотя новые технологии, такие как двигатели с осевым магнитным потоком, обеспечивают более высокую удельную мощность, их системная интеграция на роботизированных платформах все еще недостаточна, а возможности отраслевой цепочки поставок еще предстоит укрепить.

Отрасль снижает интеграционный барьер посредством  стандартизации  и  модульности . Стандартизированные механические интерфейсы и модули приводов Plug-and-Play помогают клиентам снизить сложность интеграции. В то же время интегрированные соединительные модули, которые предварительно собирают двигатель, редуктор, датчики и другие компоненты, позволяют производителям роботов приобретать готовые модули, а не собирать их самостоятельно.

Болевая точка 3: Стоимость – «высокая цена» высокой производительности

Стоимость является наиболее ощутимым препятствием на пути широкого внедрения безрамных моментных двигателей. В настоящее время один безрамный моментный двигатель стоит более 2000 юаней, что составляет 15% от общей стоимости робота. Гуманоидный робот имеет около 30 суставов, а стоимость одного только двигателя превышает 60 000 юаней, не считая драйверов и вспомогательных компонентов.

Высокая стоимость обусловлена ​​множеством факторов.  Затраты на материалы — высокоэффективные постоянные магниты NdFeB являются основой двигателя, а их редкоземельный состав и процессы зернограничной диффузии напрямую определяют плотность крутящего момента, но колебания в цепочке поставок редкоземельных элементов часто поддерживают высокие цены.  Производственные процессы — этапы намотки, заливки и сборки бескорпусных двигателей требуют чрезвычайно высокой точности, а традиционные методы производства в значительной степени полагаются на ручной труд, что приводит к нестабильному времени цикла и колебаниям производительности, что еще больше увеличивает затраты на единицу продукции.

Пути снижения издержек реализуются одновременно в нескольких направлениях.  Улучшение процесса  — это самый прямой путь: за счет оптимизации процессов производства роторов и внедрения конструкций с полым валом с большим передаточным числом затраты были эффективно снижены; объем продукции уменьшился на 30%, крутящий момент увеличился на 20%, а производительность находится на одном уровне с показателями международных брендов.  Автоматизированные производственные линии  являются ключом к сокращению затрат в больших масштабах: полностью автоматические интеллектуальные линии достигают производительности «один двигатель в минуту» с выходом 98,6%, что полностью устраняет узкие места в эффективности традиционных ручных методов. Высокоточное автоматизированное оборудование и интеллектуальные системы контроля обеспечивают стабильные параметры работы каждого двигателя.  Инновации в материалах  также развиваются: технологии восстановления тяжелых редкоземельных металлов снизили долю затрат на редкоземельные магнитные материалы до 18%; Интегрированные процессы литья под давлением позволили сократить производственные затраты на 18%.

Заключение

Рассеивание тепла, интеграция и стоимость представляют собой три контрольных пункта на пути от лаборатории к массовому производству безрамных моментных двигателей. Рассеяние влияет на надежность, интеграция определяет осуществимость, а стоимость влияет на коммерческую жизнеспособность — они переплетены, и любая слабость в одном звене тянет вниз весь процесс. К счастью, отрасль систематически решает эти проблемы по нескольким направлениям, включая оптимизацию магнитных цепей, процессы заливки, проектирование полых валов и автоматизированные производственные линии. Ожидается, что в будущем, с применением новых материалов, таких как встроенное микроканальное охлаждение и сердечники из аморфных сплавов, а также по мере развития крупномасштабного производства, безрамные моментные двигатели действительно станут «надежным ядром», которое приведет гуманоидных роботов в каждый дом.