腿足式機器人無框力矩電機設計與優(yōu)化

王 晟

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

機器人諸如行走、跑、彈跳等動作均由機器人關節(jié)電機驅動產(chǎn)生。機器人關節(jié)電機作為機器人的核心硬件，直接決定機器人的重要性能。本文研制的機器人關節(jié)電機，主要應用于腿足式機器人的關節(jié)上。腿足式機器人主要面向復雜JS作戰(zhàn)環(huán)境，進行快速機動、實時偵察、運輸救援以及高點奪控等作業(yè)任務。因此，險惡環(huán)境下腿足機器人對關節(jié)電機提出高要求。

機器人對電機總體要求為質量輕、體積小、扭矩大[1]。特別地，腿足式機器人一方面在快跑、彈跳時，需要電機具有瞬時爆發(fā)式功率輸出能力，因此關節(jié)電機需具備高過載能力、高動態(tài)響應能力；另一方面，腿足式機器人工作在復雜的JS作戰(zhàn)環(huán)境中，對關節(jié)電機提出高可靠性的要求。我國在關節(jié)電機上的研究起步較晚，并長期以跟隨模式發(fā)展，關節(jié)電機嚴重依賴美國科爾摩根TBM(S)系列無框電機、德國TQ公司研制的ILM系列無框電機、Aerotech公司研制的高性能無框力矩電機等。

因此，本文擬開發(fā)針對機器人的輕量化高力矩高轉速電機，攻關機器人關節(jié)電機的關鍵技術：高功率密度技術、高轉矩密度、高過載能力、高動態(tài)響應技術，研制出性能優(yōu)越的機器人關節(jié)電機，縮小我國機器人電機與國外先進機器人電機在轉矩/功率密度、電機動態(tài)性能等方面的差距，完善我國機器人核心元器件的長足發(fā)展。推動、加速國內先進機器人在軍事上的研發(fā)和應用，為我國高端機器人的發(fā)展提供重要支撐。

1 電機主要性能指標及主要參數(shù)設計

1.1 電機主要技術要求

本文所研制的電機主要為腿足式機器人在快跑及彈跳時提供瞬時爆發(fā)能力，相比于普通永磁同步電機，該電機具有高過載能力、高轉矩密度及高動態(tài)響應的特點。電機主要性能參數(shù)如表1所示，這些參數(shù)也是電機設計的主要依據(jù)。

表1 主要性能參數(shù)表

1.2 電機主要尺寸參數(shù)確定

永磁同步電機設計時，電機的線負荷A與氣隙磁密基波幅Bδ決定了電機在多個物理場的運行性能，電機主要尺寸關系如下[2]：

(1)

其中，CA為電機常數(shù)，Di1為電樞直徑即定子內徑，Lef為電樞有效長度，P′為電機的計算功率，n為電機轉速，α為計算極弧系數(shù)，KNm代表氣隙磁場波形系數(shù)，Kdp代表電繞組系數(shù)，A是電機的線負荷，Bδ為電機的氣隙磁密基波幅值。

由式(1)可知，在電機外徑尺寸及軸向尺寸的約束下，過高的線負荷，會使定子去磁效應明顯，用銅量增加，進而增加銅耗溫升。過高的氣隙磁密基波幅值會增加轉子及定子上的飽和程度，特別是定子齒部飽和最為嚴重，同時也會增加鐵耗引起效率降低，溫度升高。針對電機高過載特性，設計電機時，應當適當減小電機電負荷和增加電機的磁負荷。綜合考慮電機中各項約束因素后，預估電機內徑Di1取85 mm。

1.3 高功率密度及低轉矩波動設計

根據(jù)機器人關節(jié)電機高功率密度的應用需求，建立高功率密度機器人關節(jié)電機總體拓撲結構，從電機極槽配合、定轉子磁路結構、繞組結構、勵磁單元結構等方面進行拓撲結構設計：

1)采用分數(shù)槽集中繞組的結構形式及多極多槽配合方式，減小端部繞組，減小電機軸向尺寸和體積尺寸，提高電機出力密度，減小電機轉矩波動[3-4]；

2)采用表貼式轉子結構，提高氣隙磁密、提高電機磁負荷，進而提高電機轉矩密度；同時，表貼式永磁電機的磁鋼外圓形狀可控，便于優(yōu)化設計，通過選擇合適的磁鋼外圓形狀可提高電機氣隙磁密的正弦度，減小磁場諧波，進而有利于減小電機轉矩波動[5-6]；

3)采用具有高飽和磁感應強度的導磁材料(軟磁合金1J22)，提高電機定子齒部和軛部磁密，進一步提高磁負荷，并減小電機鐵耗；

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

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

然后，根據(jù)高功率密度機器人關節(jié)電機的拓撲結構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，分別改變氣隙長度、線圈匝數(shù)和定子磁軛厚度等電磁參數(shù)，進而得到最優(yōu)設計方案。

2 電機性能參數(shù)仿真分析

2.1 主要設計參數(shù)及計算結果

根據(jù)以上設計思路，以電機性能、重量為目標，利用ANSYS有限元分析軟件進行了仿真分析，通過不斷的參數(shù)調整分析，最終選取了最優(yōu)方案，電機的電磁計算參數(shù)如表2所示。

2.2 空載特性

圖1是25 ℃溫度下轉速為1500 rpm下的空載反電勢仿真波形圖，線反電勢峰值為52.9 V。圖2為電機空載運行下，A相反電勢的FFT分解結果，相電壓主要含有3次諧波電動勢(線電壓不含三相諧波電動勢)，而其他諧波分量幾乎為零，反電勢正弦性好。

表2 電機電磁計算參數(shù)

圖1 空載反電勢波形圖

圖2 A相感應電動勢FFT分解結果

2.3 負載特性

圖3為負載磁密云圖，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，齒部軛部均未達到飽和(軟磁合金1J22飽和磁密為2.3 T)。圖4為轉矩仿真波形圖，由圖4可知，額定轉矩為7.04 N·m，轉矩波動為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。由結果可知，電機額定負載特性滿足設計要求。

圖3 負載磁密云圖

圖4 電機輸出轉矩仿真波形

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為轉矩仿真波形圖，峰值轉矩為21.29 N·m，轉矩波動為0.22%。由結果可知，電機過載倍數(shù)能夠達到三倍以上。

圖6 過載磁密云圖

圖7 輸出轉矩仿真波形

圖8為電機運行在峰值負載下電機磁場強度分布仿真結果。由圖8可知，永磁體的磁場強度最大值為4.5×105A/m，而所選磁鋼不可逆退磁場強大于1.5×106A/m。因此，電機在峰值負載運行時永磁體不會發(fā)生不可逆退磁。

圖8 峰值運行時電機磁場強度分布圖

3 試驗驗證

根據(jù)電機電磁仿真計算結果，加工了一臺額定轉速為1500 rpm，功率為1100 W的機器人無框力矩電機。電機實物圖如圖9所示。

圖9 電機實物圖

為了更加準確地測試樣機性能參數(shù)，搭建了試驗所需的對拖試驗臺。試驗臺包含兩個直流電源(分別用于測試樣機供電和控制器供電)、控制器、變阻箱、整流橋、溫顯儀、扭矩傳感器、功率分析儀、電流鉗等設備。圖10為對拖試驗原理框圖，圖11為對拖試驗臺實物圖。

圖10 試驗原理框圖

圖11 對拖試驗臺實物圖

電機通過通用控制器驅動空載旋轉，在74 VDC母線電壓下，電機的空載轉速最大能夠達到2092 rpm，滿足空載轉速不低于2000 rpm的要求。

圖12為負載運行時交流側相電流與電機轉矩的關系曲線，從圖12中可以看出，電機峰值轉矩≥21 N·m，峰值電流<60 A，過載倍數(shù)≥300%。轉矩-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 實測轉矩-電流曲線

圖13為電機不同輸出功率下的效率實測結果，由圖13可知，隨著電機輸出功率的增大，電機效率先增大后減小，電機在額定功率(1100 W)時效率為87.3%，符合設計要求。

圖13 實測輸出功率-效率曲線

電機重量實測值(含灌封及1.5 m安裝線)如圖14所示，電機重量為0.99 g，故電機最大峰值轉矩密度≥21 N·m/kg，滿足設計要求。

圖14 電機重量實測圖

4 結論

本文針對某型號腿足式機器人無框力矩電機，通過理論分析與有限元仿真，完成了一款高功率密度、低轉矩波動、高動態(tài)響應的永磁同步電機的設計及電機實物的試制。搭建對拖實驗平臺，完成電機性能測試，計算結果表明，電機峰值轉矩密度≥21 N·m/kg，過載倍數(shù)≥300%，且所有性能指標均達到要求。