수중 로봇 팔에 적합한 모터 유형은 무엇입니까? 필수 요구 사항은 무엇입니까?

칭다오에 있는 국립 해양 과학 기술 파일럿 연구소의 심해 시뮬레이션 시설에서 엔지니어들은 모니터를 열심히 관찰했습니다. 챔버 내부에서는 수중 로봇 팔이 시뮬레이션된 수압 3,000m에서 반복적으로 집는 작업을 수행하고 있었습니다. 200시간 후에도 모든 조인트 모터는 정상 온도를 유지하고 완벽한 밀봉과 정밀한 위치 결정을 유지했습니다.

'심해 작업에서는 로봇 팔이 작업자의 손이 되고 모터는 그 손의 관절이 됩니다'라고 프로젝트 리더는 설명했습니다. '합동이 실패하면 전체 임무가 실패합니다.'

수중 로봇 팔은 고압, 저온, 부식, 어둠 등 극한의 조건에 직면해 있습니다. 그렇다면 어떤 모터 유형을 신뢰할 수 있습니까? 협상할 수 없는 요구사항은 무엇입니까? 모터 유형, 기술 표준, 실제 사례라는 세 가지 각도에서 분석해 보겠습니다.

I. 모터 선택: 세 가지 유형, 세 가지 역할

조인트마다 요구 사항이 다릅니다. 일부는 저속에서 높은 토크가 필요하고, 다른 일부는 빠른 응답과 정밀한 위치 지정이 필요하며, 일부는 단순한 개폐 동작이 필요합니다. 임무 요구 사항에 따라 주류 선택은 세 가지 범주로 나뉩니다.

1. 영구자석 DC 서보 모터 - 고정밀 제어를 위한 선택

정밀한 위치 제어가 필요한 조인트의 경우 영구 자석 DC 서보 모터가 선호됩니다. 에 따르면 이러한 모터는 높은 토크 밀도, 낮은 속도 리플 및 탁월한 동적 응답을 특징으로 해야 합니다.  JB/T 14544-2024 '수중 차량용 DC 모터에 대한 기술 사양'  2024년 10월 1일에 발효된 이 표준은 수중 로봇에 사용되는 영구 자석 DC 모터에 대한 기본 매개변수, 분류 및 기술 요구 사항을 지정하며 로봇 팔과 같은 정밀 액추에이터에 적용됩니다.

Wheatstone의 TY 시리즈 수중 영구 자석 동기 모터는 최대 200°C까지 자속 감쇠가 5% 미만인 사마륨 코발트 자석을 사용합니다. 23비트 절대 인코더와 결합하면 위치 정확도가 0.01도에 이릅니다. 한 심해 연구 프로젝트에서 이러한 모터를 사용하는 로봇 팔은 수심 3,500m에서 2,000시간 동안 지속적으로 작동하면서 ±0.5mm 이내의 반복성을 유지했습니다.

1. 브러시리스 DC 모터 - 신뢰성 챔피언

브러시가 마모되지 않는 브러시리스 모터는 긴 수명을 제공하므로 장시간 연속 작동이 필요한 조인트에 이상적입니다. FAULHABER의 사례 연구에 따르면 BP4 시리즈 브러시리스 모터는 6,000미터 깊이에서 오일로 채워진 액추에이터에 전력을 공급하고 압력 보상 기술을 통해 장기적인 신뢰성을 달성합니다. 주요 장점: 정류 스파크 없음(밀폐 용이), 고효율(열 감소), 긴 유지 관리 간격.

Wheatstone의 WDB 시리즈 브러시리스 DC 모터는 클래스 H 절연 및 VPI 진공 함침 기능을 갖추고 있어 심해 환경에서 20,000시간의 무고장 작동을 달성합니다. CSSC 수중 차량 프로젝트는 로봇 팔 어깨 관절에 이 모터를 사용하여 수중 누적 시간이 500시간 이상인 세 가지 심해 임무를 완료했습니다.

1. 스테퍼 모터 - 비용 효율적인 단순성

개방 루프 제어 및 간단한 모션의 경우 스테퍼 모터가 가치를 제공합니다. Empire Magnetics는 캐나다의 Bedford Institute가 허드슨 강의 수심 450피트에서 스테인레스 스틸, 오일 충전, 압력 보상 스테퍼 모터를 사용하여 수중 샘플링 작업을 성공적으로 완료했다고 보고했습니다. 간단한 구조, 쉬운 제어 - 안정적인 부하와 적당한 정밀도 요구 사항이 있는 응용 분야에 이상적입니다.

Wheatstone의 HB 시리즈 하이브리드 스테퍼 모터는 최대 2,000미터 깊이까지 정격화된 기계적 밀봉 및 압력 보상 기능을 갖춘 스테인리스강 하우징 옵션을 제공합니다. 해양 목장 모니터링 플랫폼은 50미터 깊이에서 샘플링 암 작동을 위해 이러한 모터를 사용했습니다. 2년 동안 연속 작동되었으며 오류가 발생하지 않았습니다.

II. 필수 요구 사항: 모든 수중 모터가 넘어야 하는 5가지 장벽

어떤 모터 유형을 선택하든 수중으로 이동하려면 다음 5가지 테스트를 통과해야 합니다.

장벽 1: 밀봉 - IP68은 단지 출발선일 뿐입니다

많은 사람들은 IP68이면 충분하다고 생각합니다. 그러나 진정한 심해 환경에는 고압, 저온, 부식 및 주기적 응력이 결합되어 있습니다. IP68은 실험실 조건만 보장합니다. 실제 깊이 테스트는 체계적인 내압 밀봉 설계입니다.

Wheatstone 수중 모터는 세 가지 밀봉 층을 배치합니다.

정적 씰 : 항공 등급 불소탄성체 O-링, 정격 50MPa, 압축 영구 변형 <15%

다이나믹 씰 : 미크론 수준의 유막을 갖춘 실리콘 카바이드 이중 기계식 씰(다이아몬드 다음으로 경도가 높음)

단자 씰 : 유리 소결 피드스루, 원자 수준의 금속-유리 결합, 헬륨 누출률 <10⁻⁹Pa·m³/s

장벽 2: 압력 보상 - 균형의 기술

1,000m 이하에서는 두꺼운 벽도 충분하지 않습니다. 압력 보상 기술은 내부 오일 압력과 외부 수압의 균형을 유지하여 큰 압력 차이를 견디지 ​​않는 더 가벼운 하우징을 가능하게 합니다.

Wheatstone의 WDU 시리즈 심해 모터는 절연성이 높은 특수 오일로 채워진 방광형 압력 보상기를 갖추고 있습니다. 1,000시간 연속 실행되는 3,000m 깊이 테스트에서 오일 절연은 안정적으로 유지되었으며 모든 모터 성능 성능 지표가 유지되었습니다.

장벽 3: 재료—해수는 '금속산'입니다.

바닷물의 염화물 농도는 민물보다 수천 배 높아 일반 강철을 8배 더 빨리 부식시킨다. 수중 모터 재료는 장기적인 부식에 저항해야 합니다.

Wheatstone의 표준은 몰리브덴 함량이 더 높고 피팅 저항이 304의 두 배인 316L 스테인리스 스틸 하우징입니다. 모든 패스너는 A4-80 스테인리스입니다. 극한 깊이의 경우 티타늄 합금 옵션을 사용할 수 있습니다. 치밀한 산화막은 해수에서 사실상 불활성입니다.

장벽 4: 절연—모터의 '생명선'

물이 들어가면 단열이 되지 않습니다. 그러나 물이 유입되지 않더라도 권선은 장기간의 고습, 고압 조건에서 안정성을 유지해야 합니다.

Wheatstone 수중 모터는 폴리이미드 필름 및 운모 테이프 복합재와 함께 클래스 H(180°C) 절연체를 사용합니다. 프로세스: VPI 진공 압력 함침 - 10⁻⊃1;Pa 진공으로 공기와 습기를 추출한 다음 특수 수지를 압력 하에 주입하여 모든 빈 공간을 채웁니다. 선적 전 검증: 정격 전압 1.5배, 절연 저항 ≥100MΩ에서 3% 염수에서 24시간.

장벽 5: 냉각 - 수중 '시원함' 유지

깊은 물에는 공기 대류가 없습니다. 공기보다 열이 더 빠르게 축적됩니다. 직관에 어긋남: 외부의 물은 차갑지만 모터는 더 쉽게 과열됩니다.

Wheatstone의 설계: 고정자 코어와 하우징은 공기 열 전도성의 20배인 고열 전도성 화합물로 완전히 채워져 있습니다. 외부 나선형 냉각 핀은 수동 냉각을 위해 물 흐름을 사용합니다. 고출력 모터의 경우 물-오일 복합 냉각으로 효율성이 30% 이상 향상됩니다.

III. 휘스톤 수중 모터 제품 라인

거의 20년 동안 제어 모터 분야에서 활동해온 Jiangsu Wheatstone은 다양한 유형과 애플리케이션 시나리오를 포괄하는 포괄적인 매트릭스를 제공합니다.

수중 PMSM 시리즈 : TY 시리즈, 0.2kW-22kW, 수심 등급 1,000m/3,000m/6,000m, 23비트 절대 인코더, 고정밀 로봇 팔 관절용.

수중 BLDC 시리즈 : WDB 시리즈, 0.1kW-15kW, 수심 등급 500m/2,000m/4,500m, 스러스터 및 회전식 액추에이터용 홀 센서 또는 리졸버 옵션.

수중 스테퍼 시리즈 : HB 시리즈, 프레임 42mm-110mm, 깊이 등급 200m/1,000m/2,000m, 스테인레스 스틸 하우징, 오일 충전 보상 옵션, 간단한 개방 루프 제어용.

맞춤형 특수 모터 : 전압, 속도, 장착 인터페이스, 씰 유형, 압력 보상 방법을 일대일로 맞춤화합니다.

사례 연구 :

CSSC 수중 차량 프로젝트 : Wheatstone TY 시리즈 PMSM은 3,000미터 깊이에서 5-DOF 로봇 팔을 구동하고 3가지 임무를 수행하며 500시간 이상 오류 없이 작동합니다.

해양 목장 모니터링 플랫폼 : Wheatstone WDB 시리즈 BLDC 모터는 50미터 깊이에서 샘플링 암을 구동하고 2년 동안 연속 작동하며 분해 검사를 통해 깨끗한 내부가 드러났습니다.

심해 채굴 사전 연구 : 시뮬레이션된 깊이 6,000m, 200시간 연속, 안정적인 토크, 스텝 손실 없는 맞춤형 오일 충전 스테퍼 모터.

Wheatstone은 중국 선급 협회 형식 승인, 3C 인증 및 여러 방폭 인증을 보유한 제품으로 ISO9001/TS16949 인증을 받았습니다. 요구 사항 분석부터 현장 지원까지 Wheatstone 엔지니어는 엔드투엔드 기술 서비스를 제공하여 장비가 심해에서 안전하고 안정적이며 정밀하게 작동하도록 보장합니다.

수중 로봇 팔 모터 선택에 대해 질문이 있거나 특정 수심에 대한 맞춤형 솔루션이 필요한 경우 Wheatstone 기술 팀에 문의하세요.