機器人關節電機設計與分析

金良寬

(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

隨著科學技術的發展,機器人受到人們越來越多的關注。其中,外骨骼機器人在軍事、醫療及工業等領域得到廣泛應用,機器人關節電機是外骨骼機器人的動力來源,需要滿足體積小、效率高、功率密度高及溫升低等要求。外骨骼機器人為操作者的人提供一種可穿戴的機械機構的綜合技術,又稱作“可穿戴的機器人”[1]。人作為其操作者不能承受高溫,而外骨骼機器人溫升主要來自驅動電機自身損耗而產生熱量,因此,研究外骨骼機器人關節電機損耗及溫升具有較大的實用價值。

1 電機損耗研究分析

電機運行會產生損耗,而損耗以熱能的形式散出,并成為電機內部的主要熱源[2]。電機損耗主要由銅耗、鐵耗及雜散損耗組成,銅耗由電樞電流流過繞組引起的,鐵耗由于電機內部磁場變化引起,雜質損耗又由風摩損耗和附加損耗組成。銅耗和鐵耗可根據式(1)[3]和式(2)計算,雜質損耗根據經驗取電機輸出功率的2%。

Pcu=mI2R

(1)

PFe=p10/50B2f1.5～2

(2)

式中:Pcu表示銅耗;m表示電機相數;I表示相電流有效值;R表示相電阻;PFe表示鐵耗;P10/50表示B=1T,f=50 Hz時,單位重量內的損耗;B表示磁密;f表示電機電頻率。

表1 不同定轉子比例損耗分布

圖1是根據表1繪制的曲線圖,從圖中可看出:1)總損耗在定子裂比0.62時最小,為15.91 W;2)隨著定子裂比的增加,總損耗先降低,再呈現上升趨勢;3)銅耗趨勢與總損耗趨勢一致,為先減小后增加;4)鐵耗隨著定子裂比的增加,呈現先增加后減小的趨勢。

圖1 不同定子裂比損耗分布曲線

2 電機溫升研究分析

通過等效熱路可以對電機溫度分布進行分析,軸向熱阻比徑向熱阻小得多,為簡化分析,假設鐵心中只在徑向有熱流。

Qth=mCpΘ

(3)

式中:Qth表示儲存在物體內的熱量;m為物體質量;Cp為比熱容;Θ為由熱量Qth引起的溫升[6]。

圖2為電機等效熱路,等效熱路中共有21個節點,其中節點表示電機損耗,用一個圓圈表示,圓圈內的數是節點號。與冷卻流相連的熱路為節點18到節點21。

圖2 電機等效熱路

溫度場分析分為穩態場和瞬態場,瞬態是指某一時刻的溫度場,穩態則是溫度場內任意一點的溫度不隨時間變化而變化。結合外骨骼電機工況,對不同定子內外徑比例進行穩態溫升仿真,電機電樞繞組、機殼及磁鋼溫升如表2。

表2 不同定子內外徑比例溫度分布

圖3是不同定子內外徑比例電機溫度分布曲線圖,從圖中可以看出:1)繞組溫度最高,機殼溫度最低;2)電機各部分溫度趨勢與電機總損耗趨勢一致,隨著定子裂比的增加,溫度呈現先減小再增加的趨勢;3)定子裂比為0.62時,電機穩態溫度最低,機殼溫度為78.2 ℃,永磁體溫度為91.1 ℃,繞組溫度為94.3 ℃。

圖3 不同定子裂比溫度分布曲線

3 電機性能分析

通過上述分析,電機性能保持不變,定子裂比為0.54～0.65時,電機總損耗及發熱情況較好,結合工藝技術,定子裂比選用0.6時電機最優。本文以表3所示的電機性能參數進行電機設計與溫升分析及驗證。

表3 電機參數

圖4是有限元仿真模型,電機極槽配合采用20P18槽。

圖4 電機仿真模型

圖5是空載線反電動勢仿真值,有效值為15.98 V。

圖5 空載反電動勢 圖6 諧波畸變率

圖6是空載線反電動勢諧波畸變率柱狀圖,3次諧波畸變率為0.02%,5次諧波畸變率為0.88%,7次諧波畸變率為0.28%,9、11次諧波畸變率為0.03%、0.02%,總諧波畸變率為1.04%,反電動勢正弦性良好。

采用電壓源對本電機進行有限元仿真,圖7是額定轉矩仿真值,平均值為407 mNm,轉矩波動為9.4 mNm(1.2%),額定轉矩要求值為400 mNm,本電機負載性能滿足要求。

圖7 額定轉矩波形圖 圖8 額定電流波形圖

圖8是額定電流仿真值,有效值為4.38 A,收斂后電流波形正弦性較好。

根據系統安裝結構及電機定轉子尺寸,開展電機結構設計,結構布置如圖9所示。

圖9 電機結構

4 電機溫升校核

采用motorCAD對電機溫升進行校核,輸入銅耗為8.5 W,鐵耗為8 W,雜散損耗為2.3 W,環境溫度為20 ℃,對本電機進行溫度場仿真。

根據電機結構建立電機溫度場仿真模型,設置電機運行工況及對應的損耗參數。圖10為電機各部分溫度曲線圖和溫度云圖,機殼溫度為80.7 ℃,繞組高溫度為98.3 ℃,磁鋼溫度為94.4 ℃。

圖10 電機各部分溫度分布

圖11為電機軸向溫度分布云圖,電機軸向溫度基本相等,機殼軸向溫度相差0.4 ℃,繞組軸向溫度相差1.1 ℃。

圖11 軸向溫度分布云圖

本電機繞組溫度最高溫度為98.7 ℃,磁鋼溫度最高溫度為94.4 ℃,本電機漆包線選用F級(155 ℃)絕緣,磁鋼牌號N45SH(150 ℃),電機溫升理論分析滿足要求。

5 電機溫升測試

為了測試電機溫升,樣機制造時在電機定子繞組內部鑲嵌PT1000貼片式溫度傳感器,裝配樣機,然后測試電機在額定工況0.4 Nm&2800 rpm持續運行時的溫度,直至電機定子繞組溫度達到穩定,圖12為電機定子及總成實物圖,圖13為電機在額定工況持續運行時定子繞組溫度變化曲線。

圖12 電機實物圖 圖13 電機溫升測試結果

從上述測試結果可知,電機在額定工況下持續運行,定子繞組穩態實測溫度為100 ℃,與仿真結果基本一致。

6 結論

本文結合電機性能需求,設計電機額定轉矩為0.4 Nm,額定轉速為2800 rpm,額定電流為4.38 A。通過對比不同定子裂比下電機總損耗以及溫升,并結合工藝設計,得出定子裂比為0.6,銅耗占比為50%時,電機效率最高、電機設計最優的結論,最后制造樣機完成電機繞組溫升測試,確認實測結果與設計結果基本一致。相關設計方法可為外骨骼機器人關節電機的設計與開發提供參考。