Проблеми з розсіюванням тепла, інтеграцією та вартістю безкаркасних обертових двигунів роботів

У бурхливій хвилі гуманоїдної робототехніки безкаркасні моментні двигуни стали основним вибором для спільного приводу завдяки своїм компактним розмірам, високій щільності потужності та високому крутному моменту на низьких швидкостях. На відміну від звичайних двигунів, безкаркасні моментні двигуни не потребують корпусу, підшипників і основи, зберігаючи лише статор і ротор як два основні компоненти, що дозволяє безпосередньо вбудовувати їх у загальну систему. Однак ця «бездомна» конструкція, пропонуючи велику гнучкість для високої інтеграції, також породжує три головні проблемні моменти — розсіювання тепла, інтеграцію та вартість — які стали критичними вузькими місцями, що обмежують широкомасштабну комерціалізацію гуманоїдних роботів.

Проблема 1: розсіювання тепла – висока температура є «невидимим вбивцею» двигунів

Питання тепловіддачі безкаркасних двигунів крутного моменту випливає з їхніх властивих структурних характеристик. Через відсутність незалежного корпусу та вентилятора тепло, що виділяється двигуном, не може швидко розсіюватися повітряним охолодженням у корпусі, як у традиційних двигунах. Коли робот працює безперервно, двигун виділяє значну кількість тепла. Тривалий вплив високих температур прискорює старіння ізоляції обмоток, погіршує змащення підшипників, призводить до частих несправностей двигуна і серйозно погіршує стабільність роботи.

Ще більш серйозні сценарії спалаху тепла. Коли робот виконує високодинамічні команди руху, миттєві стрибки струму, і система охолодження часто не може досить швидко видалити тепло, що спричиняє стрибок внутрішньої температури. Коли температура перевищує температурний ліміт двигуна, це може легко спричинити коротке замикання обмотки, пошкодження ізоляції або навіть перегорання двигуна та втрату роботом контролю. Академічні дослідження також показали, що підвищення температури, спричинене нагріванням Джоуля та ефектом вихрових струмів, є основною проблемою при застосуванні безкаркасних моментних двигунів.

Щоб вирішити цю болючу точку, галузь робить прориви з двох точок зору: матеріалів і процесів.  Оптимізація магнітного ланцюга  зменшує виділення тепла в джерелі — за рахунок покращення дизайну магнітного поля, використання високоякісних неодим-залізо-борних (NdFeB) матеріалів і магнітних провідників з низькими втратами втрати на гістерезис, втрати на вихрові струми та втрати міді можна значно зменшити. Завдяки оптимізації магнітного ланцюга загальні втрати скорочуються на 20%, а крутний момент збільшується на 10% за того самого вхідного струму.  Технологія заливки  робить прорив на шляху розсіювання тепла — вакуумна заливка заповнює внутрішні щілини двигуна заливною сумішшю з надвисокою теплопровідністю, ефективно проводячи тепло від джерела тепла до зовнішньої конструкції охолодження. Крім того, безпосереднє «припаювання» обмоток статора до металевого корпусу з’єднання через теплопровідне середовище та використання ребер корпусу або вбудованих каналів рідинного охолодження для відводу тепла також стало ефективним засобом покращення безперервної продуктивності.

Болісна точка 2: Інтеграція – 'Використання крихітного простору'

«Бездомна» конструкція безкаркасних моментних двигунів спочатку була призначена для забезпечення високої інтеграції, але сама інтеграція стала новим викликом. З’єднувальний простір у роботах надзвичайно обмежений, що вимагає високої щільності крутного моменту в дуже малому об’ємі, а також містить гармонійні редуктори, гальма, датчики, драйвери та багато інших компонентів.

Складність інтеграції в першу чергу проявляється в  кабельній мережі . Тісний внутрішній простір з’єднання робить неможливим традиційні двигуни з суцільним валом прокласти кабелі всередині; кабелі повинні прокладатися зовні, займаючи простір і погіршуючи естетичність і надійність. Щоб вирішити цю проблему, промисловість запровадила  конструкції з великим порожнистим валом — зберігаючи наскрізний отвір у центрі двигуна, щоб кабелі живлення, сигнальні лінії та навіть труби для рідини могли проходити через внутрішність двигуна.

Ще одна проблема – це  точність складання . Оскільки в безкаркасних двигунах відсутній корпус як орієнтир позиціонування, статор і ротор мають бути безпосередньо вбудовані в конструкцію робота, накладаючи мікронні вимоги до концентричності та співвісності збірки. Традиційного підходу до збирання «око + рука» вже недостатньо. Крім того, хоча нові технології, такі як двигуни з осьовим потоком, пропонують вищу щільність потужності, їхня зрілість системної інтеграції на роботизованих платформах все ще недостатня, а можливості галузевого ланцюжка поставок ще потребують зміцнення.

Галузь знижує інтеграційний бар'єр за допомогою  стандартизації  та  модульності . Стандартизовані механічні інтерфейси та модулі приводів plug-and-play допомагають клієнтам зменшити складність інтеграції. У той же час інтегровані з’єднувальні модулі, які попередньо збирають двигун, редуктор, датчики та інші компоненти, дозволяють виробникам роботів купувати готові модулі, а не збирати їх на підприємстві.

Болісна точка 3: Вартість – 'Висока ціна' високої продуктивності

Вартість є найбільш відчутною перешкодою, що стоїть на шляху широкого впровадження безкаркасних моментних двигунів. Зараз один безкаркасний моментний двигун коштує понад 2000 юанів, що становить 15% від загальної вартості робота. З приблизно 30 з’єднаннями в роботі-гуманоїді вартість лише двигуна перевищує 60 000 юанів, не враховуючи драйверів і допоміжних компонентів.

Висока вартість обумовлена ​​багатьма факторами.  Витрати на матеріали — високоефективні постійні магніти NdFeB є ядром двигуна, а їх рідкоземельний склад і процеси дифузії між зернами безпосередньо визначають щільність крутного моменту, але коливання в ланцюзі постачання рідкоземельних елементів часто підтримують високі ціни.  Виробничі процеси — стадії намотування, заливання та складання безкаркасних двигунів вимагають надзвичайно високої точності, а традиційні методи виробництва значною мірою покладаються на ручну працю, що призводить до непостійних циклів і коливань продуктивності, що ще більше підвищує вартість одиниці.

Шляхи скорочення витрат здійснюються в кількох напрямках одночасно.  Удосконалення процесу  — це найпряміший шлях — завдяки оптимізації процесів виробництва ротора та застосуванню конструкцій із порожнистим валом із великим передаточним числом витрати вдалося ефективно знизити; об’єм продукції зменшився на 30%, а крутний момент – на 20%, а продуктивність нарівні з міжнародними брендами.  Автоматизовані виробничі лінії  є ключовим фактором зниження витрат у великих масштабах — повністю автоматичні інтелектуальні лінії забезпечують продуктивність «один оберт двигуна за хвилину» з продуктивністю 98,6%, повністю усуваючи вузьке місце, пов’язане з ефективністю традиційних ручних методів. Високоточне автоматизоване обладнання та інтелектуальні системи контролю забезпечують постійні робочі параметри кожного двигуна.  Інновації в матеріалах  також розвиваються — технології зменшення вмісту важких рідкоземельних елементів знизили частку вартості рідкоземельних магнітних матеріалів до 18%; інтегровані процеси лиття під тиском скоротили виробничі витрати на 18%.

Висновок

Розсіювання тепла, інтеграція та вартість становлять три контрольні точки на шляху від лабораторії до масового виробництва безкаркасних моментних двигунів. Розсіювання впливає на надійність, інтеграція визначає здійсненність, а вартість впливає на комерційну життєздатність — вони взаємопов’язані, і будь-яка слабкість в одній ланці гальмує весь процес. На щастя, галузь систематично вирішує ці проблеми в різних аспектах, включаючи оптимізацію магнітного кола, процеси заливки, конструкцію з порожнистим валом і автоматизовані виробничі лінії. У майбутньому із застосуванням нових матеріалів, таких як вбудоване мікроканальне охолодження та серцевини з аморфного сплаву, а також у міру розвитку великомасштабного виробництва очікується, що безкаркасні моментні двигуни справді стануть «надійним ядром», завдяки якому гуманоїдні роботи потраплять у кожне домогосподарство.