腿足式機(jī)器人無框力矩電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王 晟

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

機(jī)器人諸如行走、跑、彈跳等動(dòng)作均由機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)作為機(jī)器人的核心硬件，直接決定機(jī)器人的重要性能。本文研制的機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)，主要應(yīng)用于腿足式機(jī)器人的關(guān)節(jié)上。腿足式機(jī)器人主要面向復(fù)雜JS作戰(zhàn)環(huán)境，進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)偵察、運(yùn)輸救援以及高點(diǎn)奪控等作業(yè)任務(wù)。因此，險(xiǎn)惡環(huán)境下腿足機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)提出高要求。

機(jī)器人對(duì)電機(jī)總體要求為質(zhì)量輕、體積小、扭矩大[1]。特別地，腿足式機(jī)器人一方面在快跑、彈跳時(shí)，需要電機(jī)具有瞬時(shí)爆發(fā)式功率輸出能力，因此關(guān)節(jié)電機(jī)需具備高過載能力、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；另一方面，腿足式機(jī)器人工作在復(fù)雜的JS作戰(zhàn)環(huán)境中，對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)提出高可靠性的要求。我國(guó)在關(guān)節(jié)電機(jī)上的研究起步較晚，并長(zhǎng)期以跟隨模式發(fā)展，關(guān)節(jié)電機(jī)嚴(yán)重依賴美國(guó)科爾摩根TBM(S)系列無框電機(jī)、德國(guó)TQ公司研制的ILM系列無框電機(jī)、Aerotech公司研制的高性能無框力矩電機(jī)等。

因此，本文擬開發(fā)針對(duì)機(jī)器人的輕量化高力矩高轉(zhuǎn)速電機(jī)，攻關(guān)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)：高功率密度技術(shù)、高轉(zhuǎn)矩密度、高過載能力、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)技術(shù)，研制出性能優(yōu)越的機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)，縮小我國(guó)機(jī)器人電機(jī)與國(guó)外先進(jìn)機(jī)器人電機(jī)在轉(zhuǎn)矩/功率密度、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能等方面的差距，完善我國(guó)機(jī)器人核心元器件的長(zhǎng)足發(fā)展。推動(dòng)、加速國(guó)內(nèi)先進(jìn)機(jī)器人在軍事上的研發(fā)和應(yīng)用，為我國(guó)高端機(jī)器人的發(fā)展提供重要支撐。

1 電機(jī)主要性能指標(biāo)及主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)主要技術(shù)要求

本文所研制的電機(jī)主要為腿足式機(jī)器人在快跑及彈跳時(shí)提供瞬時(shí)爆發(fā)能力，相比于普通永磁同步電機(jī)，該電機(jī)具有高過載能力、高轉(zhuǎn)矩密度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)。電機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示，這些參數(shù)也是電機(jī)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

表1 主要性能參數(shù)表

1.2 電機(jī)主要尺寸參數(shù)確定

永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的線負(fù)荷A與氣隙磁密基波幅Bδ決定了電機(jī)在多個(gè)物理場(chǎng)的運(yùn)行性能，電機(jī)主要尺寸關(guān)系如下[2]：

(1)

其中，CA為電機(jī)常數(shù)，Di1為電樞直徑即定子內(nèi)徑，Lef為電樞有效長(zhǎng)度，P′為電機(jī)的計(jì)算功率，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，α為計(jì)算極弧系數(shù)，KNm代表氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)，Kdp代表電繞組系數(shù)，A是電機(jī)的線負(fù)荷，Bδ為電機(jī)的氣隙磁密基波幅值。

由式(1)可知，在電機(jī)外徑尺寸及軸向尺寸的約束下，過高的線負(fù)荷，會(huì)使定子去磁效應(yīng)明顯，用銅量增加，進(jìn)而增加銅耗溫升。過高的氣隙磁密基波幅值會(huì)增加轉(zhuǎn)子及定子上的飽和程度，特別是定子齒部飽和最為嚴(yán)重，同時(shí)也會(huì)增加鐵耗引起效率降低，溫度升高。針對(duì)電機(jī)高過載特性，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小電機(jī)電負(fù)荷和增加電機(jī)的磁負(fù)荷。綜合考慮電機(jī)中各項(xiàng)約束因素后，預(yù)估電機(jī)內(nèi)徑Di1取85 mm。

1.3 高功率密度及低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)高功率密度的應(yīng)用需求，建立高功率密度機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從電機(jī)極槽配合、定轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、繞組結(jié)構(gòu)、勵(lì)磁單元結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

1)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的結(jié)構(gòu)形式及多極多槽配合方式，減小端部繞組，減小電機(jī)軸向尺寸和體積尺寸，提高電機(jī)出力密度，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[3-4]；

2)采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高氣隙磁密、提高電機(jī)磁負(fù)荷，進(jìn)而提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；同時(shí)，表貼式永磁電機(jī)的磁鋼外圓形狀可控，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過選擇合適的磁鋼外圓形狀可提高電機(jī)氣隙磁密的正弦度，減小磁場(chǎng)諧波，進(jìn)而有利于減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[5-6]；

3)采用具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的導(dǎo)磁材料(軟磁合金1J22)，提高電機(jī)定子齒部和軛部磁密，進(jìn)一步提高磁負(fù)荷，并減小電機(jī)鐵耗；

4)采用高性能永磁材料作為電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼，保證在溫升情況下，電機(jī)仍能維持較高溫度下所需要的高磁負(fù)荷；

5)采用薄絕緣的繞線，配合分?jǐn)?shù)槽繞組特點(diǎn)和繞組下線工藝，提高電機(jī)槽滿率，降低繞組電流密度和電機(jī)銅耗，提高電機(jī)效率，降低溫升。

然后，根據(jù)高功率密度機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立有限元仿真模型，采用單一控制變量法和有限元參數(shù)掃描法，分別改變氣隙長(zhǎng)度、線圈匝數(shù)和定子磁軛厚度等電磁參數(shù)，進(jìn)而得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 電機(jī)性能參數(shù)仿真分析

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，以電機(jī)性能、重量為目標(biāo)，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行了仿真分析，通過不斷的參數(shù)調(diào)整分析，最終選取了最優(yōu)方案，電機(jī)的電磁計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.2 空載特性

圖1是25 ℃溫度下轉(zhuǎn)速為1500 rpm下的空載反電勢(shì)仿真波形圖，線反電勢(shì)峰值為52.9 V。圖2為電機(jī)空載運(yùn)行下，A相反電勢(shì)的FFT分解結(jié)果，相電壓主要含有3次諧波電動(dòng)勢(shì)(線電壓不含三相諧波電動(dòng)勢(shì))，而其他諧波分量幾乎為零，反電勢(shì)正弦性好。

表2 電機(jī)電磁計(jì)算參數(shù)

圖1 空載反電勢(shì)波形圖

圖2 A相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)FFT分解結(jié)果

2.3 負(fù)載特性

圖3為負(fù)載磁密云圖，由圖3可以看出，在定子齒部磁密(定子齒1/3處)最大值為1.41 T，齒部軛部均未達(dá)到飽和(軟磁合金1J22飽和磁密為2.3 T)。圖4為轉(zhuǎn)矩仿真波形圖，由圖4可知，額定轉(zhuǎn)矩為7.04 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為0.69%。圖5為額定電流仿真波形圖，額定電流有效值為17.2 A。由結(jié)果可知，電機(jī)額定負(fù)載特性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 負(fù)載磁密云圖

圖4 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖5 額定電流仿真波形圖

2.4 過載特性

圖6為過載磁密云圖，圖6可以看出，定子齒部磁密(定子齒1/3處)最大值為2.2T，齒部軛部均未飽和。圖7為轉(zhuǎn)矩仿真波形圖，峰值轉(zhuǎn)矩為21.29 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為0.22%。由結(jié)果可知，電機(jī)過載倍數(shù)能夠達(dá)到三倍以上。

圖6 過載磁密云圖

圖7 輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖8為電機(jī)運(yùn)行在峰值負(fù)載下電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真結(jié)果。由圖8可知，永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值為4.5×105A/m，而所選磁鋼不可逆退磁場(chǎng)強(qiáng)大于1.5×106A/m。因此，電機(jī)在峰值負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁體不會(huì)發(fā)生不可逆退磁。

圖8 峰值運(yùn)行時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)電機(jī)電磁仿真計(jì)算結(jié)果，加工了一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm，功率為1100 W的機(jī)器人無框力矩電機(jī)。電機(jī)實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 電機(jī)實(shí)物圖

為了更加準(zhǔn)確地測(cè)試樣機(jī)性能參數(shù)，搭建了試驗(yàn)所需的對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)包含兩個(gè)直流電源(分別用于測(cè)試樣機(jī)供電和控制器供電)、控制器、變阻箱、整流橋、溫顯儀、扭矩傳感器、功率分析儀、電流鉗等設(shè)備。圖10為對(duì)拖試驗(yàn)原理框圖，圖11為對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。

圖10 試驗(yàn)原理框圖

圖11 對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

電機(jī)通過通用控制器驅(qū)動(dòng)空載旋轉(zhuǎn)，在74 VDC母線電壓下，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速最大能夠達(dá)到2092 rpm，滿足空載轉(zhuǎn)速不低于2000 rpm的要求。

圖12為負(fù)載運(yùn)行時(shí)交流側(cè)相電流與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，從圖12中可以看出，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩≥21 N·m，峰值電流<60 A，過載倍數(shù)≥300%。轉(zhuǎn)矩-電流曲線具有良好的線性度，飽和程度低，利于系統(tǒng)精確控制。

圖12 實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩-電流曲線

圖13為電機(jī)不同輸出功率下的效率實(shí)測(cè)結(jié)果，由圖13可知，隨著電機(jī)輸出功率的增大，電機(jī)效率先增大后減小，電機(jī)在額定功率(1100 W)時(shí)效率為87.3%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖13 實(shí)測(cè)輸出功率-效率曲線

電機(jī)重量實(shí)測(cè)值(含灌封及1.5 m安裝線)如圖14所示，電機(jī)重量為0.99 g，故電機(jī)最大峰值轉(zhuǎn)矩密度≥21 N·m/kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 電機(jī)重量實(shí)測(cè)圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)腿足式機(jī)器人無框力矩電機(jī)，通過理論分析與有限元仿真，完成了一款高功率密度、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)及電機(jī)實(shí)物的試制。搭建對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成電機(jī)性能測(cè)試，計(jì)算結(jié)果表明，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩密度≥21 N·m/kg，過載倍數(shù)≥300%，且所有性能指標(biāo)均達(dá)到要求。