휴머노이드 로봇 관절 모터: 어떤 라미네이션 선택이 토크 제어를 향상시킬까요?

주요 내용

• 접합 라미네이션 스택은 용접 스택에 비해 측정된 코어 손실을 8-12%까지 줄이고 6차/12차 고조파 코깅 토크 성분을 억제합니다(사양에서 0.5% 미만의 코깅이 측정될 경우 합격/불합격 차이).
• 어깨와 고관절에는 EN 10303(≤ 15W/kg @ 1.0 T/400Hz)에 따른 0.20-0.27mm 얇은 게이지 NOES, 손목과 손가락 액추에이터에는 0.10-0.15mm 초박형 NOES 또는 중간 Ni 합금 등 관절마다 다른 강철이 필요합니다.
• 모든 고정자 톱니에 걸쳐 ±0.03mm의 톱니 끝 모따기 일관성은 모따기 치수 자체보다 코깅에 더 큰 영향을 미칩니다.
• 0.20mm의 얇은 게이지 NOES는 가장 광범위한 휴머노이드 관절 모터를 처리하며, Co-Fe는 이족보행 다리 관절 외부의 10~20배 비용 프리미엄을 거의 정당화하지 못합니다.

휴머노이드 로봇의 어깨는 팔을 들어 올려야 하고 손목은 바늘을 꿰어야 합니다. 같은 기계지만 모터 문제는 완전히 다릅니다. 그리고 말 그대로 물리적으로 두 기계의 바닥에는 명함보다 얇은 철판 더미가 쌓여 있습니다.

우리는 이러한 스택을 구축합니다. 휴머노이드 조인트 액추에이터 내부의 프레임리스 PMSM 및 하이폴 BLDC 토크 모터는 가장 까다로운 제품 중 하나입니다. 고정자 라미네이션 스택 애플리케이션에 적용되었습니다. 어떤 라미네이션 선택이 토크 리플, 코깅 토크, 부드러운 모션 제어를 개선하고 어떤 선택이 비용을 낭비하는지 실제 생산 데이터에서 확인할 수 있습니다.

휴머노이드 관절 모터에서 토크 리플의 원인

조인트 모터의 토크 리플은 로봇에서 갑작스러운 움직임으로 나타납니다. 물론 제어 루프가 그 중 일부를 보정할 수 있습니다. 하지만 코깅 토크, 고조파 왜곡, 고르지 않은 자속 분포와 같은 리플의 전자기적 원인은 적층 수준에서 발생하게 됩니다. 잘못된 강재 선택, 엉성한 톱니 형상, 잘못된 적층 방법, 세계 최고의 FOC 알고리즘도 여러분을 구할 수 없습니다.

휴머노이드 로봇용 조인트 모터(피크 40~100Nm의 어깨 회전 액추에이터 또는 100Nm 이상의 무릎 관절을 구동하는 종류)는 거의 대부분 프레임리스 PMSM 또는 고극수 BLDC 설계입니다. 하우징이 없습니다. 자체 베어링이 없습니다. 고정자 스택은 로봇의 구조적 조인트 하우징에 직접 압착됩니다. 스택의 치수 오차는 모터의 동심도 오차가 됩니다. 이는 토크 리플의 원인이 됩니다.

시뮬레이션은 용접부가 서로 단락되는 것을 알지 못합니다.

우리는 고객이 정격 토크에서 0.3% 미만의 코깅을 보여주는 멋진 FEA 결과를 가지고 왔다가 스택이 충분히 평평하지 않거나 접합 방법이 강철에 응력을 가해 예측된 성능의 30~40%가 손실되는 것을 보았습니다. 조인트 모터에서 시뮬레이션과 현실 사이의 차이는 거의 항상 라미네이션 문제입니다.

조인트 기능별 라미네이션 재료 선택

휴머노이드 로봇의 모든 관절에 동일한 라미네이션 스틸이 필요한 것은 아닙니다. 어깨, 팔꿈치, 손목 모터를 동일하게 취급하는 것은 비용과 성능을 모두 낭비하는 흔한 첫 번째 실수입니다. 현재 세대의 휴머노이드 플랫폼은 몸 전체에 28~40개 이상의 액추에이터를 구동하며 토크, 속도, 정밀도 요구 사항은 관절마다 크게 다릅니다.

어깨 및 고관절

가장 무거운 하중을 견뎌야 합니다. 연속 토크 요구 사항은 로봇의 질량에 따라 40Nm에서 200Nm 이상입니다. 모터는 비교적 저속으로 작동하지만 높은 전류 밀도를 장시간 유지해야 하므로 열 성능이 중요합니다.

이러한 고부하, 중간 빈도 관절의 경우 일반적으로 다음을 권장합니다. 0.25-0.35mm 비방향성 전기 강철 실리콘 함량이 2.5~3.0% 정도입니다. 얇은 끝(0.25~0.27mm)에서 적용 가능한 표준은 다음과 같습니다. EN 10303 / IEC 60404-8-8 - 얇은 게이지, 중간 주파수 사양 - 다음과 같은 등급이 있습니다. NO25-13 (0.25mm, ≤ 13W/kg @ 1.0 T/400Hz) 또는 NO27-15 (0.27mm, ≤ 15W/kg @ 1.0 T/400Hz). 0.35mm 옵션의 경우에는 EN 10106 / IEC 60404-8-4 다음과 같은 등급이 적용되는 표준 M270-35A (0.35mm, ≤ 2.70W/kg @ 1.5T/50Hz)가 적용됩니다.

두께 분할이 중요한 이유: 300RPM의 10극 쌍 모터는 기본 주파수가 ~50Hz에 불과합니다. 이 주파수에서 0.25mm와 0.35mm 사이의 와전류 페널티 차이는 크지 않습니다. 숄더 조인트의 경우 0.20mm 이하로 가는 것은 거의 정당화되지 않습니다. 이러한 낮은 전기 주파수에서 비례적인 손실 감소를 포착하지 않고 얇은 게이지에 대한 비용을 지불하는 것이기 때문입니다.

모터 설계는 최대 토크에서 톱니의 자속 밀도를 1.6~1.7T로 밀어내기 때문에 투자율이 높아야 합니다. 그 이상이면 포화 상태가 되어 백-EMF 파형이 왜곡되고 토크 리플이 출력으로 바로 전달됩니다.

팔꿈치 및 무릎 관절

중간 범위 토크(10~80Nm), 높은 동적 요구 사항. 이러한 조인트는 빠르게 가속하고 방향을 자주 변경합니다. 라미네이션 우선 순위는 원시 열 내구성에서 다음과 같이 바뀝니다. 중간 수준의 유도 수준에서 낮은 히스테리시스 손실 및 높은 투과성 (1.0~1.4T 작동 범위).

특히 0.20mm 등급에서 좋은 결과를 얻었습니다. NO20-12 EN 10303(≤ 12W/kg @ 1.0T/400Hz)에 따릅니다. 생산 데이터에서 얻은 핵심 인사이트: 피크가 아닌 실제 작동 플럭스 범위에서 투과성을 올바르게 확보하면 백-EMF 선형성이 측정 가능하게 개선됩니다. 이는 곧 더 깨끗한 전류 제어로 이어집니다. 서보 루프는 더 부드러운 토크로 작업할 수 있습니다.

손목 및 손가락 액추에이터

작은 고정자. 미세한 이빨. 매우 타이트한 슬롯. 토크 요구 사항은 크지 않지만(1-20 Nm) 정밀도 요구 사항은 매우 높습니다. 0.1° 위치 오차가 중요한 현 세대 플랫폼의 22-DOF 민첩한 손과 같은 조작 작업을 처리하는 조인트입니다.

여기서 우리는 0.10-0.15mm 초박형 NOES 등급 (EN 10303에 따른 NO10 또는 NO15) 또는 특정 고급 프로그램의 경우, 40-50% Ni 계열의 니켈-철 합금.

Ni-Fe 옵션은 경이로운 투과성($\mu낮은 자속 밀도에서 50,000 이상)과 이 작은 모터가 작동하는 낮은 자속 밀도에서 코깅이 거의 발생하지 않습니다. 단점: 상당히 높은 재료비, 낮은 $B{$(48-50% Ni 재종의 경우 ≈ 1.5T) 및 특정 합금 조성에 따라 달라지는 어닐링 요구 사항:

• 40-42% Ni 등급 (자기 사용에 적합한 제어 확장 유형): 다음 온도에서 어닐링합니다. 보호 분위기에서 850-1000°C (N₂, 해리 암모니아 또는 건조 H₂). 이 옵션이 더 관대한 옵션입니다.
• 고투과성 49% Ni 등급 (최대 $\mu$ 및 최소 강제력에 최적화됨): 요구 사항 건조 수소에서 1100-1200°C (이슬점 -40°C 이하), 시간당 ~60~100°C로 제어된 용광로 냉각. 이 과정을 건너뛰면 투과성이 완전히 어닐링된 상태에서 50-80%까지 떨어질 수 있습니다.

총 무게가 80g인 손목 모터의 경우, 로봇의 전체 BOM에 비해 강철에 대한 비용 프리미엄은 무시할 수 있는 수준입니다. 하지만 가장 이국적인 옵션이 아니라 실제로 필요한 자기 성능에 맞는 등급을 선택해야 합니다.

주목할 가치가 있습니다: Ni-Fe 라미네이션은 스탬핑 스트레스에 민감합니다. 따라서 레이저로 절단한 후 적절한 어닐링 주기로 후속 작업을 진행하는 것이 좋습니다. Ni-Fe의 프로그레시브 다이 스탬핑이 가능하며 0.15-0.20mm 두께의 경우 일부 프로그램에서 성공적으로 실행되지만, 소재의 부드러움과 연성에 맞게 툴링을 최적화해야 하며 냉간 가공으로 손실된 특성을 복구하려면 스탬프 후 어닐링이 더욱 중요해집니다.

휴머노이드 관절 모터용 라미네이션 재료 비교

코어 손실 값은 EN 10303:2015 및 EN 10106:2015(해당되는 경우)에 따른 최대 보증 값 또는 비표준 등급에 대한 당사의 수신 코일 엡스타인 테스트에서 확인된 범위를 나타냅니다.

0.20mm의 오버랩을 명확히 하기 위해: 이 게이지가 경계에 바로 위치합니다. 기본 전기 주파수가 ~100Hz 이하로 유지되는 관절(대부분의 어깨/엉덩이 애플리케이션)의 경우 0.25mm 또는 0.35mm가 대부분의 손실 감소를 포착하고 스탬핑하기 더 쉽습니다. 동적 요구 사항이 높고 주파수가 200-400Hz에 이르는 팔꿈치/무릎 관절의 경우 0.20mm가 최적의 지점입니다. 모터 설계 팀이 아직 게이지를 고정하지 않은 경우 0.20mm를 기본값으로 사용하는 이유는 휴머노이드 조인트의 일반적인 작동 조건 범위에서 가장 넓은 마진을 제공하기 때문입니다.

라미네이션 어셈블리: 코깅 토크에서 본딩이 용접을 능가하는 이유

라미네이션을 함께 고정하는 방식은 단순한 구조적 결정이 아닙니다. 전자기학적인 결정이기도 합니다. 철골은 제대로 만들었지만 적층을 잘못하는 팀이 가장 많은 “자유 성능'을 발휘하는 곳이 바로 이 부분입니다.

용접

스택의 외경을 따라 레이저 또는 TIG 용접을 하면 인접한 적층 사이에 국부적인 단락이 발생합니다. 열 영향을 받는 영역은 절연 코팅을 저하시키고 적층 간 전도도를 증가시킵니다. 0.20mm NOES 스택(NO20-12 등급)에 대한 테스트에서 4심 레이저 용접은 접착제로 접착된 동일한 스택에 비해 측정된 코어 손실에 약 8-12%를 추가했습니다.

이러한 추가 손실은 균일하게 분배되지 않습니다. 용접 라인 근처에 집중됩니다. 슬롯 위치에 대한 용접 배치에 따라 비대칭 가열이 발생하고 플럭스 분포에 추가 고조파가 발생합니다. 코깅 파형의 FFT에서 측정한 결과, 용접된 스택에서 접착된 스택에 비해 6차 및 12차 고조파 성분이 눈에 띄게 증가합니다.

산업용 모터의 경우 아무도 신경 쓰지 않습니다. 사양에 정격 토크가 0.5% 미만인 조인트 모터의 경우 코깅이 합격과 불합격의 차이가 될 수 있습니다.

연동

전자기적 관점에서 용접보다 열 손상이 없습니다. 하지만 인터록 딤플은 강철에 국부적인 변형을 일으킵니다. 각 딤플은 잔류 응력이 증가하는 지점이므로 국소 히스테리시스 손실이 증가합니다.

직경이 작은 고정자(대부분의 손목과 팔꿈치 관절을 덮는 ~60mm OD 미만)에서는 자기 회로에 영향을 주지 않고 인터록을 배치하기에 백철이 충분하지 않은 경우가 많습니다. 40mm 고정자의 요크 영역에 인터록을 배치하면 에어갭에서 측정 가능한 자속 밀도 비대칭이 발생하는 경우를 본 적이 있습니다.

접착식 본딩(권장)

자체 접착 바니시(백백) - 다음과 같이 분류됩니다. C-3 유형 당 EN 10342 / IEC 60404-1-1 / ASTM A976 단열 코팅 표준 또는 포스트 스탬프 접착제를 사용하여 스택을 제작합니다:

• 층간 단락 없음
• 잔여 스트레스 포인트 없음
• 자기 회로 중단 없음
• 동일한 지오메트리의 인터록 스택보다 높은 고유 주파수 75%+
• 용접/연동 스택이 따라잡을 수 없는 진동 감쇠력

당사의 접착층 두께: 인터페이스당 2~5μm. 이는 적층 계수를 97% 이상으로 유지합니다. 접착층이 두꺼울수록 활성강 분획을 잠식하여 토크 밀도가 2~3%까지 감소할 수 있습니다.

접착식 스택은 또한 더 조용하게 작동합니다. 레이어 사이의 접착제는 용접 또는 연동된 스택이 로봇의 구조로 전달되는 고주파의 윙윙거림을 감쇠시킵니다. 사람 근처에서 작업하는 협동 로봇에서 모터 코어에서 들리는 윙윙거리는 소리는 실제 UX 문제입니다. 본딩이 이를 해결합니다.

톱니 형상 및 슬롯/폴 디자인: 스탬핑 정밀도가 테스트되는 곳

조인트 토크 모터에는 극 수가 많은(16개 이상의 극) 분수 슬롯 집중 권선 설계가 표준입니다. 12슬롯/10극 또는 24슬롯/22극과 같은 일반적인 페어링은 본질적으로 저차 코깅 고조파를 억제합니다. 하지만 라미네이션은 여전히 사양에 맞게 지오메트리를 실행해야 합니다.

교과서에서 제시하는 것보다 더 중요한 몇 가지 사항을 발견했습니다:

치아 끝 모따기. 로보틱스 모터용 고정자 라미네이션의 톱니 팁에 0.2~0.4mm 챔퍼를 정기적으로 추가합니다. FEA에서는 이를 통해 일반적인 하이폴 설계에서 코깅을 15-25%까지 줄일 수 있습니다. 그러나 모따기가 모든 톱니에서 ±0.03mm 이내로 일관된 경우에만 개선 효과가 실현됩니다. 모따기가 일정하지 않으면 실제로 증가 코깅은 분수 슬롯 디자인이 처리할 수 없는 기하학적 비대칭을 발생시키기 때문입니다.

버 높이 제어. 0.20mm 라미네이션의 경우, 당사의 생산 사양은 버 높이 ≤ 10μm입니다. 모든 미크론의 버는 절연을 저하시키고 와전류 경로를 생성하는 잠재적인 적층 간 접촉점입니다. 더 얇은 소재(0.10~0.15mm)에서는 버 대 두께 비율이 빠르게 증가합니다.

0.15mm 미만의 게이지의 경우 일반적으로 파이버 레이저 절단으로 전환하는데, 이는 주로 더 엄격한 버 제어가 가능하고 다이 마모가 변수로 작용하지 않기 때문입니다. 0.10mm NOES의 프로그레시브 다이 스탬핑은 가능하지만(재료는 상온에서 슬릿, 전단 및 펀치 작업을 처리할 수 있음) 전체 생산 공정에서 10μm 미만의 일관된 버 높이를 유지하려면 대부분의 프로그램에서 비현실적인 공격적인 다이 유지보수 일정이 필요합니다. 생산량과 기하학적 복잡성에 따라 마일리지는 달라집니다.

슬롯 개구부 너비. 구멍이 좁으면 코깅이 줄어들지만 권선이 더 단단해지고 열을 가둡니다. 40~80mm 고정자 OD 범위의 조인트 모터의 최적 치수는 일반적으로 1.5~2.5mm입니다. 라미네이션 툴링은 모든 슬롯에서 이 치수를 ±0.02mm로 유지해야 하며, 그렇지 않으면 부분 슬롯 설계의 고조파 억제 효과가 부분적으로 무효화됩니다.

왜곡: 언제, 얼마나

기울어진 라미네이션 스택은 자기 상호작용을 더 넓은 각도 범위로 분산시켜 코깅 토크를 줄입니다. 효과가 있습니다. 하지만 공짜는 아닙니다.

한 슬롯 피치의 연속적인 스큐는 근본적인 코깅 요소를 사실상 제거합니다. 또한 평균 토크가 1-3% 감소하고 와인딩이 복잡해집니다.

분수 슬롯 설계가 적용된 하이폴 조인트 모터의 경우 대부분의 프로그램에서 다음을 요청합니다. 하프 슬롯 또는 부분 기울기 - 의미 있는 토크를 희생하지 않고도 잔류 코깅을 제거할 수 있을 만큼 충분히 높습니다. 이를 서로를 기준으로 회전하는 2~4개의 서브 스택을 사용하여 계단식 스큐로 구현합니다.

표준 기능: 2단계 또는 3단계 스큐, 단계당 ±0.3°의 각도 정확도. 더 엄격한 사양의 경우: 0.15°의 4단계 구성 - 맞춤형 고정 장치가 필요하며 비용이 추가됩니다.

충분히 논의되지 않은 상호작용 중 하나는 스큐와 스택 방식입니다. 계단식 스큐가 있는 용접 스택은 각 용접 단계 인터페이스에서 응력 집중이 발생합니다. 접착식 스택은 접착제가 딱딱한 접촉점 없이 이를 수용하기 때문에 약간의 각도 오프셋을 깔끔하게 처리합니다.

비정질 및 나노 결정질 재료: 안 되는 이유(아직)

조인트 모터용 비정질 금속 리본에 대한 질문을 가끔 받습니다. 코어 손실 수치는 놀랍습니다. 두께가 ~0.025mm인 경우 비슷한 조건에서 NOES에 비해 손실이 70-90%까지 떨어집니다. 실질적인 문제는 다음과 같습니다. 스태킹 계수가 80-85%로 떨어집니다. 리본 두께가 ~25μm이고 단위 높이당 코팅/공기가 비례적으로 많기 때문에 활성 자성 물질이 손실됩니다. - 취성. 미세한 톱니가 있는 복잡한 고정자 형상을 스탬핑하는 것은 생산 규모에서 거의 불가능합니다. 레이저 절단은 작동하지만 열의 영향을 받는 영역에서 재료가 부분적으로 결정화되어 특성이 저하됩니다. - B_sat ≈ 1.56 T - 작동 가능하지만 NOES보다 낮습니다. 동일한 토크를 위해 더 큰 코어가 필요하므로 손실 이점이 부분적으로 무효화됩니다. 변압기 코어와 권선 모양이 단순한 특정 축 방향 자속 토폴로지의 경우 비정질이 적합합니다. 하지만 휴머노이드 조인트 애플리케이션에 주로 사용되는 레이디얼 플럭스 프레임리스 토크 모터의 경우 오늘날에는 실용적이지 않습니다. 본딩 스태킹이 적용된 얇은 게이지 NOES는 20%의 공정 난이도에서 80%의 이론적 이점을 얻습니다.

휴머노이드 조인트 모터 스택 제조 공정

1. 자재 입고 검사 - 엡스타인 프레임을 통해 공장 인증서와 비교하여 전기 강철 코일을 확인합니다. 생산에 들어가기 전에 각 코일의 샘플을 테스트합니다. 1.0T/400Hz에서의 코어 손실과 2500A/m에서의 자기 편극이 게이트 값입니다.
2. 슬리팅 - 고정자 또는 회전자 OD에 맞는 정확한 스트립 폭으로 코일 슬릿. 0.10mm에서 0.50mm의 게이지를 취급합니다.
3. 스탬핑 또는 레이저 커팅 - 0.15mm 이상의 게이지와 ~5,000스택 이상의 부피의 경우, 최대 400SPM(버 사양: 0.20mm에서 10μm 이하)의 고속 프로그레시브 다이를 사용합니다. 더 얇은 소재, 프로토타입 또는 미세한 피처(톱니 폭 2mm 미만)의 경우: 파이버 레이저 절단. 초정밀 프로토타입 작업에 와이어 EDM을 사용할 수 있습니다.
4. 어닐링 - NOES의 경우 N₂ 분위기에서 750°C에서 응력 제거 어닐링. Ni-Fe 합금의 경우: 특정 등급에 맞는 대기 및 온도 - 40-42% Ni 유형의 경우 보호 가스에서 850-1000°C, 고투과성 49% Ni 유형의 경우 건조 H₂(이슬점 ≤ -40°C)에서 1100-1200°C. Co-Fe의 경우 진공 어닐링이 가능합니다.
5. 스태킹 및 본딩 - 자체 접착 바니시(EN 10342에 따른 C-3 등급) 또는 포스트 스탬프 접착제 도포. 제어된 설비에서 열 및 압력 경화. 레이저 측정으로 ±0.01mm의 동심도를 확인했습니다.

1. 최종 검사 - 치수 CMM, 버 높이 측정, 적층 사이의 절연 저항. 고사양 주문의 경우: 완성된 스택에 대한 샘플 파괴 코어 손실 검증.
2. 스큐 어셈블리 - 지정한 경우 모터 설계의 스큐 스케줄에 따라 각도 오프셋이 적용된 서브 스택이 조립됩니다.

프로토타입 리드 타임: 영업일 기준 7~15일. 생산: 6-8주.

자주 묻는 질문

휴머노이드 로봇 프로그램을 위한 조인트 모터를 개발 중이고 실제로 FEA가 약속한 코깅 및 리플 사양을 충족하는 라미네이션 스택이 필요한 경우, 엔지니어링 팀에 문의. 모터 설계를 검토하고, 재료 및 적층 방식을 추천하며, 생산량을 통해 프로토타입 견적을 제공합니다.