Подробное объяснение ключевых параметров безрамных моментных двигателей роботов: как оценить плотность крутящего момента, пульсацию крутящего момента и постоянную двигателя

Почему эти три параметра имеют значение

Роботы-гуманоиды и коллаборативные роботы быстро переходят из лабораторий на производственные линии. Правильный выбор двигателя, являющегося основным компонентом совместной работы, напрямую определяет грузоподъемность робота, точность движений и выносливость. Среди множества типов двигателей Безрамный моментный двигатель  стал основным выбором благодаря своей компактной конструкции и возможности непосредственного встраивания в шарнирные модули — все 28 шарнирных приводов Tesla Optimus используют безрамные моментные двигатели в качестве основных приводных устройств.

Однако, когда вы сталкиваетесь с широким спектром технических характеристик продукта, рассмотрения только традиционных характеристик, таких как «номинальная мощность» или «номинальная скорость», недостаточно. Три более глубоких параметра, которые действительно определяют, сможет ли безрамный моментный двигатель работать в условиях роботизированного соединения, это:  плотность крутящего момента, пульсация крутящего момента и постоянная двигателя (км)  . Они отвечают на три основных вопроса: «Достаточно ли оно прочно?», «Достаточно ли оно стабильно?» и «Сможет ли оно поддерживать производительность?». В этой статье подробно описан каждый параметр, чтобы помочь инженерам и техническим энтузиастам понять истинное значение чисел в технических характеристиках.

I. Во-первых, поймите: что такое безрамный моментный двигатель?

Чтобы разобраться в параметрах, сначала нужно знать, как выглядит этот «основной компонент».

Безрамный моментный двигатель — это двигатель, «лишенный корпуса» — он состоит только из двух основных электромагнитных компонентов:  статора и ротора . У него нет корпуса, подшипников и выходного вала. Это означает, что он не может работать независимо, как обычный двигатель; вместо этого он должен быть непосредственно встроен в конструкцию шарнира робота: статор прикреплен к корпусу шарнира, а ротор напрямую соединен с нагрузочным валом.

Эта «безрамная» конструкция предлагает три ключевых преимущества:  плотность крутящего момента на единицу объема примерно на 30% выше, чем у традиционных двигателей, люфты в трансмиссии устранены, что приводит к увеличению жесткости примерно на 50%, а полая конструкция соответствует требованиям внутренней проводки робота.  По этим причинам он стал основным силовым компонентом для совместных модулей и модулей гуманоидных роботов.

II. Плотность крутящего момента – насколько «мощен» двигатель

Что такое плотность крутящего момента?

Проще говоря, плотность крутящего момента — это тот крутящий момент, который двигатель может выдать на единицу объема или веса. Обычно он выражается двумя способами: объемная плотность крутящего момента (Нм/л) и гравиметрическая плотность крутящего момента (Нм/кг).

Пространство суставов роботов крайне ограничено. Вы не можете бесконечно увеличивать диаметр двигателя, чтобы получить более высокий крутящий момент – это сделает соединение громоздким и трудным для интеграции. Таким образом, плотность крутящего момента по существу измеряет «компактность» электромагнитной конструкции: в данном пространстве двигатель с более сильным магнитным полем и более высоким выходом по току может выдавать больший крутящий момент.

Как оценить этот параметр?

При выборе двигателя вам следует  основывать свое решение на пиковом крутящем моменте в наихудших условиях эксплуатации и зарезервировать запас прочности в размере 10–20 %.  Для суставов гуманоидных роботов пиковый крутящий момент может превышать номинальный крутящий момент в 5–10 раз. Например, во время цикла ходьбы, когда одна нога поддерживает весь вес тела, двигатель тазобедренного сустава должен мгновенно выдавать крутящий момент, в несколько раз превышающий необходимый для ходьбы с постоянной скоростью.

Также обратите внимание, что плотность крутящего момента тесно связана с условиями охлаждения. Поскольку для отвода тепла безрамный двигатель опирается на механическую конструкцию, в которую он встроен, фактический постоянно доступный крутящий момент внутри герметичного соединения может составлять всего 50–70 % от значения, указанного на паспортной табличке. Поэтому при оценке характеристик плотности крутящего момента обязательно сверяйтесь с кривой снижения номинальных характеристик, приведенной в техническом описании продукта.

В настоящее время уровень плотности крутящего момента двигателей отечественного производства в Китае быстро улучшается. Например, безрамные моментные двигатели серии U имеют наружный диаметр от 16 до 200 мм и номинальный крутящий момент от 0,01 до 65 Нм, удовлетворяя разнообразные требования: от микросоединений до соединений, работающих в тяжелых условиях.

III. Пульсация крутящего момента – насколько «стабилен» двигатель

Что такое пульсация крутящего момента?

Даже если вы подаете на двигатель идеальный постоянный ток, его выходной крутящий момент не будет идеально гладкой прямой линией; будут небольшие периодические колебания – это  пульсации крутящего момента , обычно выражаемые в процентах от амплитуды пульсаций по отношению к номинальному крутящему моменту.

Существует два основных источника пульсаций крутящего момента:

• Зубчатый момент:  колебания, вызванные изменениями магнитного притяжения между зубьями/пазами статора и постоянными магнитами ротора. Это основной источник пульсаций крутящего момента и неотъемлемая характеристика двигателей с постоянными магнитами.

• Гармонический крутящий момент:  Электромагнитные гармонические компоненты, вызванные такими факторами, как несинусоидальное распределение обмотки и насыщение магнитной цепи.

Для робототехники практическое влияние пульсаций крутящего момента имеет решающее значение. Чрезмерные пульсации крутящего момента приводят к «заеданиям», проявляющимся в виде дрожания и нестабильности во время работы соединения на низкой скорости, что напрямую влияет на производительность в таких приложениях, как прецизионная сборка и медицинская хирургия.

Как оценить этот параметр?

Лучшие в отрасли уровни обычно требуют  пульсаций крутящего момента ниже 1%.  Для точных операций, таких как ловкие руки, пульсацию крутящего момента может даже потребоваться контролировать в пределах 2%.

Уменьшение пульсаций крутящего момента является одной из основных задач при проектировании двигателей. Общие инженерные методы включают в себя: оптимизацию комбинации полюс-паз, использование наклонных пазов или перекошенных полюсов, регулировку ширины постоянного магнита и коэффициента дуги, а также добавление вспомогательных пазов на кончиках зубьев. Однако обратите внимание, что часто существует компромисс между уменьшением зубчатого момента и увеличением выходного крутящего момента — некоторые конструкции, которые подавляют зубцовый момент (например, увеличение длины воздушного зазора), могут снизить выходной крутящий момент. Кроме того, для приложений с чрезвычайно строгими требованиями к пульсации крутящего момента производители могут предложить  безпазовые (с воздушным сердечником) бескорпусные моментные двигатели , которые полностью устраняют зубцовый крутящий момент за счет некоторой потери удельной мощности.

Таким образом, при оценке характеристик пульсаций крутящего момента речь идет не о том, «чем ниже, тем лучше», а о поиске оптимального баланса между «плавностью работы» и «выходным крутящим моментом».

IV. Постоянный пробег двигателя – может ли двигатель поддерживать производительность?

Что такое постоянная двигателя, км?

Постоянная двигателя Km, пожалуй, «наименее известная», но «наиболее практичная» из трех параметров. В технических описаниях многих продуктов это значение даже не указано напрямую, но его значение при выборе двигателя не меньше, чем крутящий момент и скорость.

Определение км:

Км = Кт / √Р

Где Kt — константа крутящего момента (крутящий момент, создаваемый на единицу тока), а R — сопротивление обмотки. Его физический смысл таков:  при условии рассеивания 1 Вт мощности резистивных потерь, какой крутящий момент может выдать двигатель?  Единица измерения — Нм/√Вт.

Почему это определение важно? Потому что при работе двигателя сопротивление обмотки выделяет тепло. Накопленное тепло повышает температуру, что в конечном итоге ограничивает возможность непрерывной работы двигателя. Более высокое значение Km означает, что при том же количестве выделяемого тепла (такой же рассеиваемой резистивной мощности) двигатель может развивать больший крутящий момент. Другими словами,  Km измеряет истинный выходной крутящий момент двигателя при температурных ограничениях.

Проведем аналогию: если плотность крутящего момента измеряет «взрывную мощность» двигателя, то Km измеряет «выносливость» двигателя. Двигатель может иметь очень высокий пиковый крутящий момент, но если сопротивление его обмотки также велико (тонкий провод, много витков), он будет быстро нагреваться во время длительной работы с сильным током, и его непрерывная выходная мощность будет ограничена – в этом случае его значение Km часто невелико.

Как оценить этот параметр?

При сравнении двигателей разных производителей или разных моделей километры являются более справедливым показателем, чем просто рассмотрение «номинальной мощности» или «пикового крутящего момента». Причины:

• Два двигателя одинакового объема могут иметь одинаковый пиковый крутящий момент, но если у одного из них значение Km значительно выше, это указывает на то, что он может поддерживать более стабильную работу в течение длительной работы и с меньшей вероятностью ухудшится из-за нагрева.

• Km сочетает выходной крутящий момент с тепловыми потерями, обеспечивая более реалистичную оценку производительности двигателя при непрерывной работе робота.

При практическом выборе можно поступить следующим образом:

1. Рассчитайте требуемый минимум Km:  учитывая момент нагрузки T и допустимые резистивные потери P, тогда Km_min = T / √P. Выберите подходящий двигатель со значением Km, превышающим этот минимум.

2. Обратите внимание на температуру испытания:  температура калибровки Km и Kt обычно составляет от 20°C до 40°C. Разные производители могут калибровать при разных температурах; чем выше температура, тем ниже значение Kt. При проведении перекрестных сравнений убедитесь, что условия калибровки соответствуют друг другу.

3. Упреждающий запрос данных.  Как упоминалось ранее, во многих таблицах данных значение км не указано напрямую. Рекомендуется заранее запросить этот параметр у поставщика в процессе выбора.

V. Взаимосвязи и совместное рассмотрение трех параметров

Плотность крутящего момента, пульсации крутящего момента и постоянная двигателя Km не являются изолированными показателями; у них есть неотъемлемые отношения и компромиссы в дизайне.

Когда двигатель стремится улучшить плотность крутящего момента (например, за счет увеличения плотности потока в воздушном зазоре), это может привести к увеличению пульсаций крутящего момента. И наоборот, чрезмерное стремление к низкой пульсации крутящего момента (например, использование конструкции без пазов) может снизить плотность крутящего момента. Таким образом, хорошая конструкция безрамного крутящего момента находит  оптимальную точку баланса  между этими тремя параметрами.

Вывод: отбор – это не игра с числами

Возвращаясь к повседневной работе инженера, при выборе компонентов легко прийти к выводу, что «чем больше параметров, тем лучше». Однако по-настоящему зрелая стратегия выбора определяет компромиссы, основанные на  реальных условиях эксплуатации  соединения робота:

• Тяжелые нагрузки на суставы нижних конечностей?  Уделяйте приоритетное внимание плотности крутящего момента  , чтобы обеспечить допустимую нагрузку и запас по перегрузке.

• Точная ловкая рука или хирургический робот?  Уделяйте приоритетное внимание пульсациям крутящего момента  , чтобы обеспечить плавность хода на низких скоростях.

• Промышленные роботы, работающие непрерывно в течение длительного времени?  Отдайте приоритет значению Km  , чтобы обеспечить термическую стабильность и долгосрочную надежность.

Поскольку индустрия гуманоидных роботов вступает в критическую фазу массового расширения производства в 2026 году, безрамные моментные двигатели отечественного производства в Китае быстро догоняют международный уровень по ключевым параметрам, таким как плотность крутящего момента и пульсация крутящего момента, при этом цены составляют лишь 50–70% от сопоставимых зарубежных продуктов. Для инженеров понимание параметров и понимание физического смысла чисел в технических характеристиках является ключевым шагом от «заставить это работать» к «заставить его работать хорошо».