人形机器人依赖于高性能有刷直流电机来优化其运动。| 来源：Adobe Stock
人形机器人，其中一些旨在与人类密切互动，高度依赖于平稳、受控的关节和肢体运动。这使得为运动轴供电的有刷直流电机的选择至关重要。
除了高扭矩密度和响应速度外，效率对于实现长电池寿命至关重要。可靠性也很重要。实现自由运动需要集成多个运动轴，这最好通过与该领域的专家密切合作来完成。
在教育和治疗应用中，人形机器人被用来帮助在各种学科和要求中进行动手学习和发展。在工程学研究中，学生可以培养编程技能。而在健康和治疗环境中，患者可以通过人机交互接受康复护理。
人形机器人可以配备针对特定任务定制的“大脑”，并通过目标编程和人工智能进行支持。尽管进行了这种定制，但它们共享一个共同的人形，包括手或夹持器。
虽然可以添加传感器和工具以实现物理模块化，但人形机器人的电机技能要求在各种任务中仍然大体相似。
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人形机器人的灵活运动
对于机器人开发者来说，物理运动的普遍性使得单一的人形设计可以作为多种应用的基础。然而，为了实现这种规模的运动和广泛任务的实用性，人形机器人通常需要优化 20 个或更多个自由度。因此，为这些运动轴供电的执行器的运行性能至关重要。
设计和制造微型电机的 Portescap 最近为现有人形机器人设计指定了一种运动解决方案。机器人制造商需要与现有驱动器和控制器兼容，但希望提高扭矩密度并减轻重量。这将是通过优化运动控制、提高响应速度和降低惯性来提高机器人精度的关键。
机器人开发者还希望延长电池寿命，因此电机需要具有高效率。由于每个单元有 20 多个电机，并且机器人应用于各种环境，因此可靠性也是一个优先事项。每个机器人相对较多的电机数量，再加上最终用户市场的采购需求，意味着平衡成本与价值的需求也很重要。
工程团队确定有刷直流电机的特性最能满足这些要求。这种电机设计提供简单的控制，将确保与人形机器人的现有架构集成。
在实现 OEM 所需的成本点的同时，有刷直流电机的固有特性将非常适合人形机器人与人类的密切互动，其中低速高扭矩的优势将实现精细控制。
有刷直流电机的优势
像 Portescap Athlonix 系列这样的无芯直流电机可以提高动态性和效率。| 来源：Portescap
为什么选择有刷直流电机？它们提供了一些在机器人应用中非常有用的功能。以下是关于有刷直流电机设计的概述，特别是无芯直流电机的优势。
典型的有刷直流电机由一个外部定子组成，定子通常由永磁体或电磁绕组制成，以及一个内部转子组成，转子由带有线圈绕组的铁芯叠片制成。分段换向器和电刷控制转子绕组的通电顺序，以产生连续旋转。
无芯直流电机去掉了转子中的叠片铁芯。相反，转子绕组以倾斜或蜂窝状的方式缠绕，形成一个自支撑的空心圆柱体或“篮子”。由于没有铁芯来支撑绕组，因此它们通常用环氧树脂固定在一起。
定子由稀土磁体制成，例如钕、AlNiCo（铝镍钴）或 SmCo（钐钴）。它位于无芯转子内部。
无芯直流电机中使用的电刷可以由贵金属或石墨制成。贵金属电刷（银、金、铂或钯）与贵金属换向器配对。这种设计具有低接触电阻，通常用于低电流应用。
当使用烧结金属石墨电刷时，换向器由铜制成。铜石墨组合更适合需要更高功率和更高电流的应用。
无芯直流电机的结构比传统的铁芯直流电机具有几个优势。首先，消除铁芯显着降低了转子的质量和惯性，因此可以实现非常快的加速和减速率。
此外，没有铁芯意味着没有铁损，使无芯设计的效率显着高于传统直流电机（高达 90%）。无芯设计还降低了绕组电感，因此电刷和换向器之间的火花减少，从而延长了电机寿命并减少了电磁干扰 (EMI)。
电机齿槽效应是传统直流电机中由于永磁体和铁芯叠片之间的磁性相互作用而出现的问题，在无铁芯设计中由于没有叠片，因此也消除了齿槽效应。反过来，扭矩脉动非常低，这提供了平稳的电机旋转，振动和噪音最小。
由于这些电机通常用于高度动态的运动（高加速度和减速度），因此转子中的线圈必须能够承受高扭矩并消散峰值电流产生的大量热量。由于没有铁芯充当散热器，因此电机外壳通常包含端口以促进强制风冷。
无芯直流电机的紧凑设计使其适用于需要高功率重量比的应用，电机尺寸通常在 6 到 75 毫米（0.2 到 2.9 英寸）范围内，尽管尺寸低至 1 毫米（0.03 英寸）可用，功率额定值通常为 250 瓦或更低。
无芯设计对于电池供电设备来说是一个特别好的解决方案，因为它们在空载条件下消耗的电流极低。
无芯直流电机广泛应用于医疗应用，包括假肢、小型泵（如胰岛素泵）、实验室设备和 X 射线机。它们能够处理快速、动态的移动，也使其适用于机器人应用。
无芯直流电机的转子是空心的，并且自支撑，这减少了质量和惯性。| 来源：Portescap
无芯电机设计可以减轻重量
Portescap 指定了基于无芯设计的 16DCT Athlonix 电机。与传统的铁芯相比，这节省了大量的重量，并由于惯性降低而实现了更高的响应速度和更平稳的运动。
钕磁体还可以通过实现更强的磁场来提高扭矩密度，从而增强与电机绕组的相互作用。
无芯设计还被指定为通过消除与传统铁芯直流电机相关的磁滞和涡流损耗的影响来提高效率和降低能耗。贵金属换向可以通过降低电阻和最大限度地减少电刷换向器界面上的压降来提高效率。
电机优化的无铁芯结构允许更冷的运行和更高的功率密度。电机电感经过调整以匹配驱动器要求，确保最佳的速度和扭矩特性。
为了进一步减轻重量，工程师使用轻质、自支撑线圈定制了绕组。结合无芯设计和钕磁体，这些优势实现了电机直径高达 8% 的减小，同时提供了所需的扭矩。
为了进一步提高耐用性，以及提高扭矩传递，工程师还将小齿轮集成到电机轴中。这种方法将优化对齐并增强每个轴的控制，最大限度地减少间隙，这也将减少机械磨损。
由于机器人和运动工程团队之间的合作，开发人员能够实现目标尺寸和重量，以及每个轴所需的运动轮廓。
编辑注：本文转载自The Robot Report姊妹网站Motion Control Tips。
文章最初发布于 The Robot Report。
