开辟了从开发到量产的道路的负平衡修正 - 无人机用小型轻量电机

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用电机推动工业用无人机的普及

"振动能被很好地抑制到这种程度啊。"无人机制造商的客户一边将开发的电机样品放在手掌中旋转以确认其振动程度,一边一脸满意地说。AL事业部门(Automating Life & Work Business Unit) 技术部 开发设计1课的花冈确信地说:"这样一来,开发设计部门和生产技术部门合为一体努力挑战的辛苦付出总算将得到回报了。"
ASPINA的工程师齐心协力,接受了客户的要求进行了挑战。那就是将振动抑制到极限的无人机(多旋翼飞行器)用小型轻量电机的开发。

2014年,当时部分无线电遥控爱好者试用的无人机,在某电视节目中被用于航拍。看到这件事后,对此抱有兴趣的AL事业部门成员调查后发现,与传统的无线电遥控直升机相比,该无人机飞行稳定性更好,操作起来也更加方便,因此,他们认为,今后不需要特殊的训练,任何人都可以轻松地利用无人机。
另外,在美国,亚马逊发布了利用无人机进行的配送服务等,无人机的商业利用潜力正受到全世界的关注。

但是,在将无人机正式利用于产业用途时,"为了能够实现稳定的飞行,希望使用的无人机采用故障和缺陷较少的部件",事业者用户如此想道。当时,提供无人机部件的制造商主要是面向爱好业的制造商,因此使用该部件的无人机会在飞行时出现颠簸等情况,稳定性较低。
"如果凭借ASPINA培养出来的电机开发和制造技术,是不是就能制造出一种即使面向无人机也能提供稳定的性能的小型轻量电机呢?"就在AL事业部门的工程师产生如此感受的时候,一家无人机制造商发起商谈,要求开发一款用于工业向航拍无人机的小型、高输出功率、轻量、低振动的电机。

无人机与飞机和直升机不同,不仅是上下动作,前后左右的动作都依赖于旋转螺旋桨的电机。无人机要想使用多个电机,稳定地在天空中飞行,必须每个电机都不产生振动偏差。在进行航拍时,必须防止因振动而产生的影像抖动。

"我们希望在无人机上采用低振动的电机",客户的要求非常迫切。但是,客户也处在摸索的状态下,具体要把电机的振动抑制到什么程度才合适,什么样的振动才会出问题等,定量性的数值一概不知。如果有可以客观判断的定量化数值,也可以凭借该数值作为线索来确定振动的原因,但这次正可以说是从零开始。

就这样,从确定振动原因开始,ASPINA发起了对低振动的挑战。

低振动的关键,高难度的平衡修正技术

电机振动的主要原因是转子重心的偏移。因此,在通常的电机中,是在转子上组装轴承等构成部件之前的状态(转子状态)、即部件水平上修正平衡的偏移,通过抑制振动来保持产品的精密度。

但是,与无人机用电机相同的小型尺寸的外转子电机的转速为3,000rpm左右,与此相对,无人机用电机却以5,000rpm以上的高转速运转。因此,电机轻微的平衡偏移是产生振动的主要原因。
此外,电机有2个轴承,这些轴承是在组装电机时安装的。ASPINA通过过去受日本海外委托设计的产品得知,即使在转子状态下进行平衡调整,在组装了电机时由于2个轴承的间隙和磁路等的影响,电机也会产生振动。
根据这些经验,AL事业部门的开发设计团队最终决定在电机组装完的状态(电机状态)下进行平衡修正。

依据转子状态校正平衡的振动

依据电机状态校正平衡的振动

平衡修正的方法包括在轻的部分粘贴配重使其变重的"正平衡修正"以及在重的部分削减配重使其变轻的"负平衡修正"。在通常的电机中,与设置用于削减配重的"突出"等结构复杂的负平衡修正相比,一般会选择可在简单结构中进行修正的正平衡修正。

但是,ASPINA的开发设计团队和生产技术团队反复试验后,最终决定为了同时实现高精密度的平衡修正以及无人机用电机的量产化, 选择负平衡修正。

开发设计负责人和生产技术负责人的紧密合作解决了制造工序中的课题

当初,生产技术团队研究并尝试了许多采用正平衡修正的加工方法。但是,在电机状态下进行正平衡修正时,转子隐藏在外壳中,配重的粘贴非常困难。此外,配重还需要手工粘贴几毫克这种承载在针尖上的程度的量。生产技术团队判断,要量产本次所要求精密度的电机,正平衡修正作业所需工时多、效率低,故不应该选择正平衡修正。

而在电机状态下的负平衡修正作业中,则是用钻头削切电机主体的一部分,以千分之五克为单位减轻重量。为了确保此削切的位置,开发设计团队更改了电机的设计,并设置了一个用于削切的突出。另一方面,为了在实现顾客所要求的小型化方面不让突出成为障碍,所以将突出设计得尽可能薄。

使用钻头切掉电机本体的一部分,每次切掉1,000分之5克

此外,生产技术团队为了进行负平衡修正,用平衡器这种机器测量并数值化了突出应该削去的位置。并将该数值输入平衡修正机,通过钻头自动钻孔修正,使工序实现自动化。

实际上,在平衡修正工序中,用钻头削切突出时,会产生切屑。该切屑也是金属,如果什么都不做,就会被电机的磁铁吸附,成为致命故障的原因。因此,生产技术团队在钻头与主体之间设置了隔膜,以防止在削切突出时切屑进入主体。仅此一项并不能防止切屑的进入,因此团队成员决定使用真空装置在钻孔时从周围吸引切屑。进一步反复思考,直至研究出不产生从隔壁闸门的微小间隙进入的毛刺(用钻头开孔时残留在孔的边缘的微小金属突起)的制作条件, 这个课题才终于得以解决。

此外,除了磁路外,开发设计团队还采用了高强度铝,以满足客户对轻量化的要求。这就导致用负平衡修正削切的地方存在铁和铝2种材质的金属。当初,正是由于这种异种金属加工,导致加工过程中平衡修正机停机的故障频发。因此开发设计团队也接受公司内部的加工部门和工具制造的建议,并反复进行试验。经过这样的反复试验,终于可以推算出平衡修正机可以持续加工而不会停机的最佳工具和条件。以该条件为基础对设备进行改造,进而确定适当的维护周期,从而抑制故障并使得顺利运用成为可能,达成了实现客户要求的量产化。

通常的产品在开发设计结束的阶段开始由生产技术部门接管量产化工序的构筑。但本次产品从探讨平衡修正的方法到制造工序的构筑,集开发设计部门和生产技术部门的工程师于一体,共同致力于课题的解决。
"从开发设计阶段开始为了量产化进行了很多努力,从而减少了制造成本。"(AL事业部门 技术部 生产技术课 大泽)如此一来,ASPINA成功地开发出了有着与实现客户产品的普及紧密相连的质量与成本的电机。

提供了一种无论任何用途都能安心搭载在无人机上的电机

采用了ASPINA电机的无人机,获得了"飞行稳定性提高,航拍影像干扰少"等好评。

今后,还将开发更小型的无人机用电机。由于更小型的电机减小了输出功率,因此螺旋桨也相应地变小,需要提高转速以产生推力。转速提高则容易因轻微的平衡偏移而产生振动。此外,体积越小,平衡修正所需的突出也就越小,这就要求修正作业更加精确。ASPINA认为有必要活用这次的经验,对平衡手法进行进一步的优化。

在无人机的应用方面,今后所期待的是提高可追溯性和故障预知能力,让无人机放心飞行。可追溯性是指,能够追踪出故障的电机是什么时候在什么状态下制造出来的,以便在无人机发生故障时可以迅速追查其原因。另外,如果故障预知的能力提高,则会在电机或驱动装置要出现问题时,自动中止飞行,如果是在飞行中,则会在坠落前预知故障, 使之稳定地降落在地面上。

如此,凭借这种能够安全、稳定飞行的无人机技术,无人机的应用不仅会体现在航拍和配送服务上,还将会扩展应用到各个领域,包括在有人的室内进行监控以及在易受风吹影响的地方进行基础设施检查(桥梁和隧道、输电线路以及其他)等。

预期无人机能用于桥梁等基础设施的检查

ASPINA也表示,为了让无人机更安全,目前正在解决各种各样的问题,例:如何捕捉电机异常,如何通过传感来预知故障等 。

ASPINA将结合开发技术和生产技术,为今后要求越来越高的安全性做出贡献,并满足不断增长的无人机需求。