Gewrichtsmotoren voor humanoïde robots: Welke lamineerkeuzes verbeteren koppelregeling

Belangrijkste opmerkingen

• Gelamineerde stapels verminderen het gemeten kernverlies met 8-12% ten opzichte van gelaste stapels en onderdrukken de 6e/12e harmonische cogging koppelcomponenten - een goed/fail verschil wanneer de specificaties < 0,5% cogging aangeven.
• Voor verschillende gewrichten is ander staal nodig: 0,20-0,27 mm dunne NOES volgens EN 10303 (≤ 15 W/kg @ 1,0 T/400 Hz) voor schouder en heup; 0,10-0,15 mm ultradunne NOES of medium-Ni-legering voor pols- en vingeractuators.
• Een afschuiningsconsistentie van ±0,03 mm over alle statortanden heeft meer invloed op cogging dan de afschuiningsafmeting zelf.
• Dunne NOES-maat van 0,20 mm is geschikt voor het breedste scala aan motoren voor humanoïde gewrichten; Co-Fe rechtvaardigt zelden zijn 10-20× kostentoeslag buiten tweevoetige beengewrichten.

De schouder van een humanoïde robot moet een arm omhoog houden terwijl de pols een naald inrijgt. Dezelfde machine, totaal verschillende motorproblemen. En op de bodem van beide - letterlijk, fysiek - ligt een stapel gestempelde stalen platen dunner dan een visitekaartje.

Wij bouwen die stapels. De frameloze PMSM- en hoogpolige BLDC-torsiemotoren in actuatoren voor humanoïde gewrichten behoren tot de meest veeleisende... statorlaminaatstapel toepassingen die we hebben geleverd. Dit is wat de productiegegevens eigenlijk laten zien over welke lamineringskeuzes koppelrimpel, cogging-koppel en soepele bewegingsbesturing verbeteren en welke keuzes geldverspilling zijn.

Oorzaken van koppelrimpel in motoren voor mensachtige gewrichten

Koppelrimpel in een gewrichtsmotor wordt zichtbaar als schokkerige beweging in de robot. De regelkring kan een deel ervan zeker compenseren. Maar de elektromagnetische bron van die rimpeling - cogging koppel, harmonische vervorming, ongelijkmatige fluxdistributie - wordt ingebakken op laminaatniveau. Een slechte staalkeuze, slordige tandgeometrie, verkeerde stapelmethode en het beste FOC-algoritme ter wereld zullen je niet redden.

Gewrichtsmotoren voor humanoïde robots - het soort dat roterende schouderactuators aandrijft met een piek van 40-100 Nm of kniegewrichten met meer dan 100 Nm - zijn bijna altijd frameloze PMSM- of BLDC-ontwerpen met een hoog aantal polen. Geen behuizing. Geen eigen lagers. De stator wordt rechtstreeks in de structurele gewrichtsbehuizing van de robot geperst. Elke dimensionale fout in de stack wordt een concentriciteitsfout in de motor. Dat wordt een bron van koppelrimpels.

De simulatie weet niet dat je lassen laminaten kortsluiten.

We hebben klanten gezien die met prachtige FEA-resultaten kwamen, waarbij hun model < 0,3% cogging bij nominaal koppel aangaf, en vervolgens 30-40% van die voorspelde prestatie verloren omdat de stapel niet vlak genoeg was of de verbindingsmethode het staal belastte. De kloof tussen simulatie en werkelijkheid is bij gezamenlijke motoren bijna altijd een laminatieprobleem.

Selectie van lamineermateriaal op basis van gewrichtsfunctie

Niet elk gewricht in een humanoïde robot heeft hetzelfde laminaatstaal nodig. Schouder-, elleboog- en polsmotoren identiek behandelen is een veelgemaakte fout die ofwel geld ofwel prestaties kost - meestal beide. Humanoid-platforms van de huidige generatie hebben meer dan 28-40 actuators over het hele lichaam en de koppel-, snelheids- en precisievereisten verschillen radicaal van gewricht tot gewricht.

Schouder- en heupgewrichten

Deze dragen de zwaarste lasten. Afhankelijk van de massa van de robot is een continu koppel nodig van 40 Nm tot 200 Nm. De motor werkt op relatief lage snelheden, maar moet gedurende langere perioden een hoge stroomdichtheid handhaven.

Voor deze hoogbelaste, matig frequente verbindingen raden we gewoonlijk het volgende aan 0,25-0,35 mm niet-georiënteerd elektrostaal met een siliciumgehalte van ongeveer 2,5-3,0%. Aan het dunne uiteinde (0,25-0,27 mm) is de geldende standaard EN 10303 / IEC 60404-8-8 - de specificatie voor dunspoor, gemiddelde frequentie - met kwaliteiten als NO25-13 (0,25 mm, ≤ 13 W/kg @ 1,0 T/400 Hz) of NO27-15 (0,27 mm, ≤ 15 W/kg @ 1,0 T/400 Hz). Voor de 0,35 mm-optie gaat u naar de EN 10106 / IEC 60404-8-4 standaard waar rangen als M270-35A (0,35 mm, ≤ 2,70 W/kg @ 1,5 T/50 Hz) van toepassing.

Waarom de diktesplitsing van belang is: een 10-polige motor bij 300 RPM draait slechts bij ~50 Hz fundamenteel. Bij die frequentie is het wervelstroomverschil tussen 0,25 mm en 0,35 mm bescheiden. Onder de 0,20 mm gaan voor schouderverbindingen is zelden gerechtvaardigd - je betaalt voor een dunne dikte zonder proportionele verliesreductie bij deze lage elektrische frequenties.

De permeabiliteit moet hoog zijn omdat het motorontwerp de fluxdichtheid zal opdrijven tot 1,6-1,7 T in de tanden bij het piekkoppel. Daarboven begin je te verzadigen, wat de back-EMF golfvorm vervormt en koppelrimpel rechtstreeks naar de uitgang voert.

Elleboog- en kniegewrichten

Koppel in het middenbereik (10-80 Nm), hogere dynamische vereisten. Deze verbindingen versnellen snel en veranderen vaak van richting. De prioriteit van het lamineren verschuift van pure thermische duurzaamheid naar laag hystereseverlies en hoge doorlaatbaarheid bij matige inductieniveaus (1,0-1,4 T werkbereik).

We hebben goede resultaten geboekt met kwaliteiten van 0,20 mm, met name NO20-12 volgens EN 10303 (≤ 12 W/kg @ 1,0 T/400 Hz). Het belangrijkste inzicht uit onze productiegegevens: als je de doorlaatbaarheid precies goed krijgt in het werkelijke fluxbereik (niet de piek), verbetert de back-EMF lineariteit meetbaar. Dat leidt direct tot een schonere stroomregeling. De servolus krijgt een soepeler koppel om mee te werken.

Actuators voor pols en vingers

Kleine stators. Fijne tanden. Zeer nauwe gleuven. De koppelvereisten zijn bescheiden (1-20 Nm) maar de precisievereisten zijn extreem: dit zijn de gewrichten die manipulatietaken uitvoeren, zoals de 22-DOF behendige handen op platforms van de huidige generatie, waar 0,1° positiefout van belang is.

Hier duwen we in 0,10-0,15 mm ultradunne NOES-kwaliteiten (NO10 of NO15 volgens EN 10303) of, voor bepaalde hoogwaardige programma's, nikkel-ijzerlegeringen in de nikkelfamilie 40-50%.

De Ni-Fe optie geeft een fenomenale permeabiliteit ($\mur$ > 50.000 bij laag veld) en bijna geen cogging bij de lage fluxdichtheden waarmee deze kleine motoren werken. De afweging: aanzienlijk hogere materiaalkosten, lagere $B{sat}$ (≈ 1,5 T voor 48-50% nikkwaliteiten) en gloeivoorschriften die afhangen van de specifieke samenstelling van de legering:

• 40-42% Ni-kwaliteiten (types met gecontroleerde expansie, aangepast voor magnetisch gebruik): gloeien bij 850-1000°C in een beschermende atmosfeer (N₂, gedissocieerde ammoniak of droge H₂). Deze zijn de meest vergevingsgezinde optie.
• Ni-kwaliteiten met hoge doorlaatbaarheid 49% (geoptimaliseerd voor maximale $\mu$ en minimale coërciviteit): vereisen 1100-1200°C in droge waterstof (dauwpunt onder -40 °C), met gecontroleerde ovenkoeling op ~60-100 °C/uur. Als je dit overslaat, kan de permeabiliteit 50-80% dalen ten opzichte van de volledig gegloeide toestand.

In een polsmotor die in totaal 80 gram weegt, is de kostentoeslag op het staal verwaarloosbaar in verhouding tot de totale BOM van de robot. Het gloeien is echter niet triviaal - kies de kwaliteit die overeenkomt met de magnetische prestaties die je nodig hebt, niet de meest exotische optie die beschikbaar is.

Opmerkelijk: Ni-Fe laminaten zijn gevoelig voor stansspanning. Wij geven de voorkeur aan lasersnijden en daarna de juiste gloeicyclus. Progressief stansen van Ni-Fe is mogelijk - en voor diktes van 0,15-0,20 mm doen sommige programma's het met succes - maar het gereedschap moet geoptimaliseerd zijn voor de zachtheid en vervormbaarheid van het materiaal en het gloeien na het stansen wordt nog belangrijker om eigenschappen terug te krijgen die verloren zijn gegaan door koude bewerking.

Vergelijking van bekledingsmaterialen voor mensachtige gewrichtsmotoren

Kernverlieswaarden vertegenwoordigen maximale gegarandeerde waarden volgens EN 10303:2015 en EN 10106:2015 waar van toepassing, of geverifieerde bereiken van onze inkomende spoel Epstein-tests voor niet-standaard kwaliteiten.

Ter verduidelijking van de overlap bij 0,20 mm: dit profiel zit precies op de grens. Voor gewrichten waar de fundamentele elektrische frequentie onder ~100 Hz blijft (de meeste schouder/heup toepassingen), vangt 0,25 mm of zelfs 0,35 mm het grootste deel van de verliesreductie op en is het gemakkelijker om te stempelen. Voor elleboog-/kniegewrichten met hogere dynamische eisen en frequenties tot 200-400 Hz is 0,20 mm de beste keuze. We kiezen standaard voor 0,20 mm als een motorontwerpteam het kaliber nog niet heeft vastgesteld, omdat dit de breedste marge biedt over het hele scala van gebruiksomstandigheden die typisch zijn voor humanoïde gewrichten.

Lamineren: Waarom lijmen beter is dan lassen voor draaimoment

De manier waarop je laminaten bij elkaar houdt is niet alleen een structurele beslissing. Het is ook een elektromagnetische beslissing. Dit is waar we de meeste “vrije prestaties” op tafel zien liggen bij teams die het staal goed hebben maar het stapelen verprutsen.

Lassen

Laser- of TIG-lassen langs de buitendiameter van de stapel creëren plaatselijke kortsluitingen tussen aangrenzende lamellen. De door warmte beïnvloede zone tast de isolatielaag aan en verhoogt de interlaminaire geleidbaarheid. In onze tests op 0,20 mm NOES stapels (NO20-12 kwaliteit) voegde een viernaadse laserlas ruwweg 8-12% toe aan het gemeten kernverlies in vergelijking met dezelfde stapel die met lijm was gelijmd.

Dat extra verlies is niet gelijkmatig verdeeld. Het concentreert zich in de buurt van de laslijnen. Afhankelijk van de plaatsing van de las ten opzichte van de gleufposities zorgt dit voor asymmetrische verwarming en introduceert het extra harmonische inhoud in de fluxdistributie. We hebben dit gemeten op een FFT van de cogginggolfvorm - de 6e en 12e harmonische componenten nemen merkbaar toe bij gelaste stapels ten opzichte van gelijmde stapels.

Voor industriële motoren maakt het niemand wat uit. Voor een gezamenlijke motor waar de specificaties cogging < 0,5% van het nominale koppel aangeven, kan dit het verschil zijn tussen slagen en falen.

In elkaar grijpende

Elektromagnetisch gezien beter dan lassen - geen hitteschade. Maar de interlock kuiltjes creëren lokale vervormingen in het staal. Elk kuiltje is een punt van verhoogde restspanning, waardoor lokaal hysteresisverlies optreedt.

In statoren met een kleine diameter (alles onder ~60 mm OD, wat de meeste pols en ellebooggewrichten omvat) is er vaak niet genoeg back-iron om interlocks te plaatsen zonder het magnetische circuit te beïnvloeden. We hebben gevallen gezien waar de plaatsing van vergrendelingen in het jukgebied van een 40 mm stator meetbare fluxdichtheidsasymmetrie veroorzaakte in de luchtspleet.

Lijmverbinding (aanbevolen)

Zelfbindende vernis (backlack) - geclassificeerd als C-3 type per EN 10342 / IEC 60404-1-1 / ASTM A976 Normen voor isolatiecoating - of het aanbrengen van lijm na het stempelen produceert stapels met:

• Geen interlaminaire kortsluiting
• Geen restspanningspunten
• Geen magnetische circuitonderbreking
• Natuurlijke frequentie 75%+ hoger dan in elkaar grijpende stapels met gelijke geometrie
• Trillingsdemping die gelaste/vergrendelde stapels niet kunnen evenaren

Onze lijmlaagdikte: 2-5 μm per interface. Dit houdt de stapelfactor boven 97%. Dikkere lijmlagen vreten aan de actieve staalfractie en kunnen de koppeldichtheid verminderen met 2-3%.

Gelijmde stapels werken ook stiller. De lijm tussen de lagen dempt het hoogfrequente gezoem dat gelaste of in elkaar grijpende stapels doorgeven aan de robotstructuur. In een samenwerkende robot die in de buurt van mensen werkt, is hoorbaar gezoem van motorkernen een echt UX-probleem. Lijmen voorkomt dit.

Tandgeometrie en ontwerp van sleuven/gaten: Waar stempelprecisie wordt getest

Geconcentreerde wikkelingsontwerpen met verwaarloosbare sleuven en hoge pooltellingen (16+ polen) zijn standaard voor motoren met een gezamenlijk koppel. Gangbare combinaties zoals 12-sleuven/10-polig of 24-sleuven/22-polig onderdrukken inherent lage-orde cogging harmonischen. Maar de laminering moet nog steeds de geometrie volgens specificaties uitvoeren.

We hebben ontdekt dat een paar dingen belangrijker zijn dan het tekstboek suggereert:

Afschuinen van de tandpunten. We voegen routinematig 0,2-0,4 mm afschuiningen toe aan de tanduiteinden op statorlaminaties voor robotmotoren. In FEA vermindert dit cogging met 15-25% op typische hoogpolige ontwerpen. Maar de verbetering wordt alleen gerealiseerd als de afschuining voor alle tanden consistent is met een tolerantie van ±0,03 mm. Inconsistente afschuiningen kunnen verhogen cogging omdat ze geometrische asymmetrie introduceren waar het ontwerp met fractionele sleuven niet voor bedoeld was.

Hoogteregeling voor de braam. Op 0,20 mm laminaten is onze productiespecificatie ≤ 10 μm braamhoogte. Elke micron braam is een potentieel interlaminair contactpunt dat de isolatie aantast en wervelstroompaden creëert. Op dunner materiaal (0,10-0,15 mm) wordt de verhouding braam/dikte snel agressief.

Voor diktes lager dan 0,15 mm schakelen we meestal over op fiberlasersnijden, vooral omdat we dan de braam beter onder controle hebben en de slijtage van de matrijs als variabele wegvalt. Het progressief stansen van 0,10 mm NOES is haalbaar (het materiaal kan snij-, knip- en ponsbewerkingen aan bij kamertemperatuur), maar om een consistente braamhoogte van minder dan 10 μm over een volledige productierun te behouden, zijn agressieve onderhoudsschema's voor de matrijzen nodig die de meeste programma's onpraktisch vinden. Afhankelijk van het volume en de complexiteit van de geometrie kan dit variëren.

Sleufopening breedte. Smalle openingen verminderen cogging maar maken het wikkelen moeilijker en houden warmte vast. De beste plek voor gezamenlijke motoren in het 40-80 mm stator OD-bereik: meestal 1,5-2,5 mm. Het lamineergereedschap moet deze afmeting op ±0,02 mm houden over elke sleuf, anders wordt de harmonische onderdrukking van het fractionele sleufontwerp gedeeltelijk tenietgedaan.

Scheefheid: Wanneer en hoeveel

Schuine laminaatstapels verminderen het coggingkoppel door de magnetische interactie over een groter hoekbereik te spreiden. Het werkt. Maar het is niet gratis.

Een continue scheefstand van één gleufsteek elimineert de fundamentele coggingcomponent bijna volledig. Het vermindert ook het gemiddelde koppel met 1-3% en bemoeilijkt het wikkelen.

Voor hoogpolige gewrichtsmotoren met fractionele sleuven vragen de meeste programma's halve sleuf of gedeeltelijke scheefstand - genoeg om de resterende cogging te verminderen zonder dat dit ten koste gaat van het koppel. We implementeren dit als getrapte scheefstelling met 2-4 ten opzichte van elkaar gedraaide substapels.

Onze standaardmogelijkheden: 2-staps of 3-staps schuinstand met een hoeknauwkeurigheid van ±0,3° per stap. Voor strakkere specificaties: 4-staps configuraties met ±0,15° - hiervoor is aangepaste bevestiging nodig, wat extra kosten met zich meebrengt.

Eén interactie die niet genoeg besproken wordt: scheefheid en stapelmethode. Gelaste stapels met een getrapte scheefstand ontwikkelen spanningsconcentraties bij elke las-stap-interface. Gelijmde stapels gaan netjes om met de lichte hoekverdraaiing omdat de lijm dit opvangt zonder harde contactpunten.

Amorfe en nanokristallijne materialen: Waarom (nog) niet

Af en toe krijgen we vragen over amorf metalen lint voor gezamenlijke motoren. De kernverliescijfers zijn spectaculair - bij ~0,025 mm dikte daalt het verlies met 70-90% ten opzichte van NOES onder vergelijkbare omstandigheden. De praktische problemen zijn aanzienlijk Stapelfactor daalt naar 80-85%. Je verliest actief magnetisch materiaal omdat het lint ~25 μm dik is met proportioneel meer coating/lucht per hoogte-eenheid. - Breekbaarheid. Het stempelen van complexe statorgeometrieën met fijne tanden is bijna onmogelijk op productieschaal. Lasersnijden werkt wel, maar de warmte-beïnvloede zone kristalliseert het materiaal gedeeltelijk, waardoor de eigenschappen afnemen. - B_sat ≈ 1,56 T - werkbaar maar lager dan NOES. Je hebt een grotere kern nodig voor hetzelfde koppel, waardoor het verliesvoordeel gedeeltelijk teniet wordt gedaan. Voor transformatorkernen en bepaalde axiale-flux topologieën met eenvoudige gewikkelde vormen is amorf zinvol. Voor de radiale-flux frameloze koppelmotoren die de humanoïde gewrichtstoepassingen domineren, is het vandaag de dag niet praktisch. Dunwandige NOES met gelijmde stapeling biedt 80% van het theoretische voordeel tegen 20% van de procesmoeilijkheid.

Ons productieproces voor motorstapels voor mensachtige gewrichten

1. Inspectie van binnenkomend materiaal - Elektrisch staal geverifieerd via Epstein frame tegen het fabriekscertificaat. We testen een monster van elke spoel voordat deze in productie gaat. Kernverlies bij 1,0 T/400 Hz en magnetische polarisatie bij 2500 A/m zijn de poortwaarden.
2. Snijden - Spoel gesneden op exacte strookbreedte voor stator- of rotor OD. We verwerken diktes van 0,10 mm tot 0,50 mm.
3. Stempelen of lasersnijden - Voor diktes ≥ 0,15 mm en volumes boven ~5.000 stapels, progressieve hogesnelheidsmatrijzen tot 400 SPM (braamspecificatie: ≤ 10 μm bij 0,20 mm). Voor dunner materiaal, prototypes of fijne vormen (tandbreedte < 2 mm): fiberlasersnijden. Wire EDM beschikbaar voor uiterst nauwkeurig prototypewerk.
4. Gloeien - Spanningsarm gloeien bij 750°C in N₂-atmosfeer voor NOES. Voor Ni-Fe-legeringen: atmosfeer en temperatuur afgestemd op de specifieke soort - 850-1000°C in beschermgas voor 40-42% Ni-types; 1100-1200°C in droge H₂ (dauwpunt ≤ -40°C) voor 49% Ni-types met hoge doorlaatbaarheid. Vacuümgloeien beschikbaar voor Co-Fe.
5. Stapelen en hechten - Zelfhechtende vernis (C-3 klasse volgens EN 10342) of postzegellijmapplicatie. Warmte- en drukuitharding in een gecontroleerde opstelling. Concentriciteit geverifieerd door lasermeting tot ±0,01 mm.

1. Eindinspectie - Dimensionale CMM, meting van braamhoogte, isolatieweerstand tussen laminaten. Voor high-spec orders: monster-destructieve kernverliescontrole op afgewerkte stapels.
2. Schuine montage - Indien gespecificeerd, worden substapels geassembleerd met hoekverdraaiing volgens het schema van het motorontwerp.

Doorlooptijd prototype: 7-15 werkdagen. Productie: 6-8 weken.

FAQ

Als je gewrichtsmotoren ontwikkelt voor een humanoïde robotprogramma en laminaatstapels nodig hebt die echt voldoen aan de cogging- en rimpelspecificaties die je FEA had beloofd, contact opnemen met ons engineeringteam. We bekijken uw motorontwerp, bevelen een materiaal- en stapelbenadering aan en maken een offerte voor prototype- en productievolumes.