机器人关节电机设计与分析.pdf

机器人关节电机设计与分析金良宽(.贵州航天林泉电机有限公司贵州 贵阳.国家精密微特电机工程技术研究中心贵州 贵阳)摘 要:机器人关节电机是外骨骼机器人的核心部件需要满足体积小、效率高、功率密度高、温升低等要求 基于系统对电机的要求通常采用表贴式内转子永磁同步电机结构 针对该类型电机温升低的要求首先分析电机损耗的组成并采用 软件对电机进行优化设计其次采用 软件分析不同定子裂比下电机温升得出最优的定子裂比然后分析电机性能及温升最后制造样机并完成电机温升测试 通过仿真分析和实物测试各项性能满足外骨骼机器人关节电机要求关键词:关节电机 外骨骼 损耗 温升中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言随着科学技术的发展机器人受到人们越来越多的关注 其中外骨骼机器人在军事、医疗及工业等领域得到广泛应用机器人关节电机是外骨骼机器人的动力来源需要满足体积小、效率高、功率密 )根据故障结构的仿真分析对电机密封铜端盖进行了改进设计并对改进之后的密封腔体进行了非线性静力学分析验证了改进设计的可行性参考文献 金克帆王鸿东易宏等.海上无人装备关键技术与智能演进展望.中国舰船研究():.朱邦俊万正权徐秉汉等.半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构稳定性研究.船舶力学():.刘江.机械仿真实例详解.北京:机械工业出版社.丁源.中文版从入门到精通.北京:清华大学出版社.闻邦椿.机械设计手册.北京:机械工业出版社.作者简介:王光越()男湖北枣阳市人高级工程师硕士研究方向:水下机器人结构设计收稿日期:度高及温升低等要求 外骨骼机器人为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术又称作“可穿戴的机器人”人作为其操作者不能承受高温而外骨骼机器人温升主要来自驱动电机自身损耗而产生热量因此研究外骨骼机器人关节电机损耗及温升具有较大的实用价值 电机损耗研究分析电机运行会产生损耗而损耗以热能的形式散出并成为电机内部的主要热源 电机损耗主要由铜耗、铁耗及杂散损耗组成铜耗由电枢电流流过绕组引起的铁耗由于电机内部磁场变化引起杂质损耗又由风摩损耗和附加损耗组成 铜耗和铁耗可根据式()和式()计算杂质损耗根据经验取电机输出功率的 ()/.()式中:表示铜耗 表示电机相数 表示相电流有效值 表示相电阻表示铁耗/表示 时单位重量内的损耗 表示磁密表示电机电频率根据预估的电磁负荷由电动机的功率和转速可选定电动机的 由于外骨骼电机受空间限制电枢轴向长度 及定子外进 为可选最大值 改变定子内径 即改变定子内外径比例 /降低电机损耗优化电机设计 保证反电动势及输出转矩不变改变定转子比例 经过计算得到相关参数如表 所示表 不同定转子比例损耗分布项目 定子裂比 铜耗/铁耗/总损耗/铜耗占比/.图 是根据表 绘制的曲线图从图中可看出:)总损耗在定子裂比 时最小为 )随着定子裂比的增加总损耗先降低再呈现上升趋势)铜耗趋势与总损耗趋势一致为先减小后增加)铁耗随着定子裂比的增加呈现先增加后减小的趋势 J5 8=!J5I55图 不同定子裂比损耗分布曲线 电机温升研究分析通过等效热路可以对电机温度分布进行分析轴向热阻比径向热阻小得多为简化分析假设铁心中只在径向有热流()式中:表示储存在物体内的热量 为物体质量为比热容 为由热量 引起的温升图 为电机等效热路等效热路中共有 个节点其中节点表示电机损耗用一个圆圈表示圆圈内的数是节点号 与冷却流相连的热路为节点 到节点 3T3T3T3T3TI5I5DT0F430F430F43/K0F43/K0F430F43T!3T 3T3T3T 3T3T3S3S3S3S 3S3S3T3T3T3S3S3S3S3S3S3T3T3T3T3S3S3S3S3S3T3T3S3S3S图 电机等效热路温度场分析分为稳态场和瞬态场瞬态是指某一时刻的温度场稳态则是温度场内任意一点的温度不随时间变化而变化 结合外骨骼电机工况对不同定子内外径比例进行稳态温升仿真电机电枢绕组、机壳及磁钢温升如表 表 不同定子内外径比例温度分布项目定子裂比绕组温度/永磁体温度/机壳温度/.图 是不同定子内外径比例电机温度分布曲线图从图中可以看出:)绕组温度最高机壳温度最低)电机各部分温度趋势与电机总损耗趋势一致随着定子裂比的增加温度呈现先减小再增加的趋势)定子裂比为.时电机稳态温度最低机壳温度为.永磁体温度为.绕组温度为.43#!43#!-#图 不同定子裂比温度分布曲线 电机性能分析通过上述分析电机性能保持不变定子裂比为.时电机总损耗及发热情况较好结合工艺技术定子裂比选用.时电机最优 本文以表 所示的电机性能参数进行电机设计与温升分析及验证图 是有限元仿真模型电机极槽配合采用 槽表 电机参数项 目参 数额定电压额定功率额定转矩.额定转速 图 电机仿真模型图 是空载线反电动势仿真值有效值为 图 是空载线反电动势谐波畸变率柱状图 次谐波畸变率为 次谐波畸变率为 次谐波畸变率为 、次谐波畸变率为、总谐波畸变率为 反电动势正弦性良好采用电压源对本电机进行有限元仿真图 是额定转矩仿真值平均值为 转矩波动为.(.)额定转矩要求值为 本电机负载性能满足要求SNT7*O E V D FE 7P M U B H F75JNFNTA*(A 图 空载反电动势 图 谐波畸变率图 是额定电流仿真值有效值为.收敛后电流波形正弦性较好5P SR V FN/N5JNFNTBWHN/N$V SSFO U 5JNFNT1IBTFSNT1IBTF#SNT1IBTF$SNT图 额定转矩波形图 图 额定电流波形图1$#,D 图 电机结构根据系统安装结构及电机定转子尺寸开展电机结构设计结构布置如图 所示 电机温升校核采用 对电机温升进行校核输入铜耗为 铁耗为 杂散损耗为 环境温度为对本电机进行温度场仿真根据电机结构建立电机温度场仿真模型设置电机运行工况及对应的损耗参数 图 为电机各部分温度曲线图和温度云图机壳温度为 绕组高温度为 磁钢温度为 图 电机各部分温度分布图 为电机轴向温度分布云图电机轴向温度基本相等机壳轴向温度相差 绕组轴向温度相差 图 轴向温度分布云图本电机绕组温度最高温度为.磁钢温度最高温度为.本电机漆包线选用 级()绝缘磁钢牌号()电机温升理论分析满足要求 电机温升测试为了测试电机温升样机制造时在电机定子绕组内部镶嵌 贴片式温度传感器装配样机然后测试电机在额定工况.持续运行时的温度直至电机定子绕组温度达到稳定图 为电机定子及总成实物图图 为电机在额定工况持续运行时定子绕组温度变化曲线5 UJNFNJO图 电机实物图 图 电机温升测试结果从上述测试结果可知电机在额定工况下持续运行定子绕组稳态实测温度为 与仿真结果基本一致 结论本文结合电机性能需求设计电机额定转矩为.额定转速为 额定电流为 通过对比不同定子裂比下电机总损耗以及温升并结合工艺设计得出定子裂比为.铜耗占比为时电机效率最高、电机设计最优的结论最后制造样机完成电机绕组温升测试确认实测结果与设计结果基本一致 相关设计方法可为外骨骼机器人关节电机的设计与开发提供参考参考文献 柴虎侍才洪王贺燕等.外骨骼机器人的研究发展.医疗卫生装备():.姚光久谷爱昱江伟等.永磁直流电机温度场的分析与计算.电机技术():.王玉彬孙建鑫.分数槽集中绕组嵌入式永磁同步电机设计.电工技术学报():.唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社.徐玉婷.四足机器人用关节电机设计与分析.杭州:浙江大学:.初振奎.机器人用高过载永磁电机设计.沈阳:沈阳工业大学:.作者简介:金良宽()本科高级工程师研究方向:电机技术收稿日期: