Мощные двигатели с высоким крутящим моментом необходимы для разработки человекоподобных роботов. И двигатели постоянного тока с щеточным приводом отвечают на этот вызов.
Под редакцией Майлз Будимир
Старший редактор
Роботы-гуманоиды, предназначенные для работы в тесном взаимодействии с людьми, в значительной степени зависят от плавных и контролируемых движений суставов и конечностей. Это делает выбор двигателей, приводящих в движение оси, критически важным. Наряду с высокой плотностью крутящего момента и быстродействием, ключевое значение имеет эффективность, обеспечивающая длительное время автономной работы, а также надежность. Обеспечение свободы передвижения требует интеграции множества осей движения, что лучше всего достигается при тесном сотрудничестве с экспертом в этой области.
В сфере образования и терапии роботы-гуманоиды используются для содействия практическому обучению и развитию по целому ряду предметов и требований. При изучении инженерных дисциплин студенты могут развивать навыки программирования, а в медицинских учреждениях и терапевтических учреждениях пациенты могут получать реабилитационную помощь благодаря взаимодействию с роботами-гуманоидами.
Роботы-гуманоиды могут быть оснащены «мозгом», адаптированным к их конкретным задачам, который поддерживается целенаправленным программированием и искусственным интеллектом. Несмотря на такую индивидуализацию, они имеют общую человекоподобную форму, включая руки или захваты. В то время как датчики и инструменты могут быть добавлены для обеспечения физической модульности, требования к двигательным навыкам человекоподобных роботов остаются в целом одинаковыми для различных задач.
Для разработчиков роботов общая универсальность физического движения позволяет использовать единую гуманоидную конструкцию в качестве основы для множества приложений. Однако для достижения такого масштаба перемещения и полезности для решения широко распространенных задач человекоподобным роботам обычно требуется оптимизировать 20 или более степеней свободы. Соответственно, эксплуатационные характеристики приводов, приводящих в движение эти оси, имеют решающее значение.
Компания Portescap, которая разрабатывает и производит миниатюрные двигатели, недавно разработала решение для перемещения существующего гуманоидного робота. Производителю роботов требовалась совместимость с существующими приводами и органами управления, но при этом он хотел увеличить крутящий момент и уменьшить массу. Это имело бы решающее значение для повышения точности робота за счет оптимизации управления движением, повышения скорости реакции и снижения инерции.
Разработчик робота также хотел продлить срок службы батареи, поэтому двигатели должны были обладать высокой эффективностью. Поскольку в каждом устройстве более 20 двигателей, а роботы используются в самых разных условиях, надежность также является приоритетом. Относительно большое количество двигателей на одного робота в сочетании с покупательским спросом на рынках конечных пользователей означало, что необходимость сбалансировать затраты и ценность также была важна.
Команда инженеров решила, что характеристики электродвигателя постоянного тока с щеточным приводом наилучшим образом соответствуют требованиям. Благодаря простоте управления, конструкция этого двигателя обеспечит интеграцию с существующей архитектурой humanoid. При достижении уровня затрат, требуемого производителем, присущие двигателю постоянного тока с щеточным приводом характеристики будут хорошо соответствовать тесному взаимодействию гуманоида с человеком, а преимущества высокого крутящего момента при низких оборотах обеспечат точное управление.
Общие сведения о матовых двигателях постоянного тока
Почему именно электродвигатели постоянного тока с щеточным приводом? Они обладают рядом функций, полезных в робототехнике. Ниже представлен обзор конструкции электродвигателей постоянного тока с щеточным приводом и, в частности, преимущества электродвигателей постоянного тока без сердечника.
Типичный двигатель постоянного тока с щеточным приводом состоит из внешнего статора, обычно состоящего либо из постоянного магнита, либо из электромагнитных обмоток, и внутреннего ротора, изготовленного из железных пластин с катушечными обмотками. Сегментированный коллектор и щетки управляют последовательностью подачи питания на обмотки ротора, обеспечивая непрерывное вращение.
В двигателях постоянного тока без сердечника отсутствует многослойный железный сердечник в роторе. Вместо этого обмотки ротора намотаны в виде сот, образуя самонесущий полый цилиндр или “корзину”. Поскольку обмотки не имеют железного сердечника, они часто скрепляются эпоксидной смолой. Статор изготовлен из редкоземельных магнитов, таких как неодим, AlNiCo (алюминий-никель-кобальт) или SmCo (самарий-кобальт), и расположен внутри ротора без сердечника.
Щетки, используемые в двигателях постоянного тока без сердечника, могут быть изготовлены из драгоценных металлов или графита. Щетки из драгоценных металлов (серебра, золота, платины или палладия) соединяются с коллекторами из драгоценных металлов. Такая конструкция имеет низкое контактное сопротивление и часто используется в слаботочных системах. При использовании спеченных металлографитовых щеток коллектор изготавливается из меди. Комбинация медь-графит больше подходит для применений, требующих более высокой мощности и тока.
Конструкция двигателей постоянного тока без сердечника обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными двигателями постоянного тока с железным сердечником. Во-первых, отсутствие железа значительно снижает массу и инерцию ротора, что позволяет добиться очень высоких скоростей разгона и торможения. Отсутствие железа также означает отсутствие потерь железа, что обеспечивает значительно более высокий КПД конструкций без сердечника (до 90%) по сравнению с традиционными двигателями постоянного тока. Конструкция без сердечника также снижает индуктивность обмотки, благодаря чему уменьшается искрение между щетками и коллектором, что увеличивает срок службы двигателя и снижает электромагнитные помехи (EMI).
Заклинивание двигателя, которое является проблемой в традиционных двигателях постоянного тока из-за магнитного взаимодействия постоянных магнитов и железных пластин, также устраняется, поскольку в конструкции без железа нет пластин. А пульсации крутящего момента, в свою очередь, чрезвычайно малы, что обеспечивает плавное вращение двигателя с минимальной вибрацией и шумом.
Поскольку эти двигатели часто используются для высокодинамичных перемещений (высокие ускорения и замедления), катушки в роторе должны выдерживать высокий крутящий момент и отводить значительное количество тепла, выделяемого пиковыми токами. Поскольку в корпусе двигателя отсутствует железный сердечник, который служил бы теплоотводом, в нем часто имеются отверстия для принудительного воздушного охлаждения.
Компактная конструкция двигателей постоянного тока без сердечника подходит для применений, требующих высокого соотношения мощности и габаритов, при этом размеры двигателей обычно находятся в диапазоне от 6 до 75 мм, хотя доступны размеры до 1 мм, а номинальная мощность обычно составляет 250 Вт или менее. Конструкции без сердечника являются особенно хорошим решением для устройств, работающих на батарейках, поскольку в режиме холостого хода они потребляют чрезвычайно низкий ток.
Двигатели постоянного тока без сердечника широко используются в медицине, включая протезирование, небольшие помпы (например, инсулиновые), лабораторное оборудование и рентгеновские аппараты. Их способность выполнять быстрые и динамичные движения также делает их идеальными для использования в роботизированных системах.
Двигатели без сердечника
Компания Portescap разработала двигатель Athlonix мощностью 16DCT, в основе которого лежит конструкция без сердечника. Это значительно снижает вес по сравнению с традиционным железным сердечником и обеспечивает большую отзывчивость и плавность хода благодаря уменьшенной инерции. Неодимовые магниты также увеличивают плотность крутящего момента за счет создания более сильного магнитного поля, улучшающего взаимодействие с обмотками двигателя.
Конструкция без сердечника также была разработана для повышения эффективности и снижения энергопотребления за счет устранения эффектов гистерезиса и потерь на вихревые токи, присущих обычным двигателям постоянного тока с железным сердечником. Коммутация с использованием драгоценных металлов также повышает эффективность за счет снижения сопротивления и минимизации падения напряжения на границе раздела щетка-коллектор.
Оптимизированная конструкция двигателей, не содержащая железа, позволила снизить температуру и повысить удельную мощность. Индуктивность двигателей была скорректирована в соответствии с требованиями привода, что обеспечило оптимальные характеристики скорости и крутящего момента.
Чтобы еще больше снизить вес, инженеры изготовили для обмоток легкие самонесущие катушки. В сочетании с конструкцией без сердечника и неодимовыми магнитами эти преимущества позволили уменьшить диаметр двигателя на 8% при обеспечении необходимого крутящего момента.
Для дальнейшего повышения долговечности, а также улучшения передачи крутящего момента инженеры также встроили зубчатую передачу в вал двигателя. Такой подход позволил оптимизировать центровку и улучшить управление на каждой оси, минимизировав люфт, что также уменьшило бы механический износ.
Благодаря сотрудничеству между командами робототехники и двигателестроения, разработчику удалось достичь целевых размеров и веса, а также требуемого профиля движения для каждой оси.
Выход из порта
www.portescap.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии