高效、高品质和高爆发力的弹跳仿人机器人关节电机的热控制问题研究

20250118

电力、热力、燃气及水生产和供应业

本项目针对仿人机器人关节电机在多场景下的磁路优化设计及高速化的相关科学问题开展研究，以解决仿人机器人关节电机损耗密度大的问题和多场景下应用工况复杂带来的系列问题为目的，分别针对多场景下基于多服役工作场景的电机磁路高效电机设计方法和驱动电机高速化过程中气隙磁场的演变规律及电机冷却结构分析实现了多场景、复杂工作模式下仿人机器人关节电机的优化设计并明确了电机内部的传热机理。本文的主要研究内容和研究成果如下： (1) 针对仿人机器人关节电机工作点复杂、电机全速域范围高效设计难的问题，提出了基于整机参数、多服役工作场景的沉浸式关节电机优化设计方法，增强了电机应用场景与设计方法之间的耦合关系，实现了电机的耗材成本与多工作点高效率的最优设计。 (2) 针对仿人机器人关节电机在不同场景下的高功率密度和高效设计问题开展研究，提出了基于环境温度与工作模式的迭代优化设计方法，探究了不同环境温度下的最优电机设计方案，实现了对不同服役场景下电机的高功率密度和高效设计。 (3) 考虑到环境温度对电机内温度的影响，继而影响材料特性，将不同工作状态和环境温度时电机内的温度作为优化设计的前置条件，开展计及环境温度的IEOP研究，实现在特定环境下的最高功率密度、最节材设计。经过对环境温度分别为0℃和25℃时两种优化方案的比较，发现永磁体用量降低28.9%，电机体积降低12.3%，凸显出寒冷地区的电机能够适应更高的损耗密度。 (4) 提出在永磁体端部增加涡流环结构，该结构能够减小永磁体涡流损耗，降低转子温升，同时平衡转子轴向温差，使永磁体热退磁的风险降低。涡流环选用不锈钢材料，通过对不同轴向长度的涡流环结构进行对比研究发现，永磁电机额定状态高速运行时，轴向长度为2mm、5mm和10mm的涡流环结构都可以减小永磁体涡流损耗。综合来看，轴向长度为2mm的涡流环结构对转子温度的降低效果最好。 (5)研究了NdFeB合金四种不同相组成的材质，通过调整合金元素含量保证有2%(体积分数)富Nd相，主相体积分数尽可能接近98%。采用了多合金工艺，优化主相、富稀土相、富硼相及杂质相对比例，弥补了补单一合金成分的缺陷，有效的提高磁体的矫顽力，改善退磁曲线方形度；同时研究了不同扩散物质对晶界组织的影响，确定了最佳的热处理工艺条件，探明了不同扩散源的扩散系数，并选择最佳的扩散源。

合作方应具备丰富的永磁电机加工经验，具备制备或采购特殊永磁体的能力

仅限国内转让

由于机器人核心零部件伺服电机的生产依赖于进口日本和德国等国家的品牌厂商电机，使得国产品牌机器人成本相比国外品牌机器人并无多大优势。本课题的实施能够打破机器人核心部件市场的被动局面，拓展我国的机器人市场，提高我国核心技术的发展和相关产品的竞争力。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

主要内容 本项目总体目标是针对高爆发力弹跳仿人机器人关节用新型永磁同步伺服电机开展工作，研究有限安装环境、复杂运行工况和多场景运动状态下的关节伺服电机高效率、高品质和高爆发力的设计与优化方法，主要开展了以下研究内容： 1、有限空间约束下高效率和高可靠关节永磁伺服电机服役性能的研究 2、多场景与多运动维度下高品质关节电机热特性与热健康管理的研究 3、新型绕组端部固化方法与强迫通风冷却系统的研究 创新点 本项目的核心创新点如下： （1）针对有限空间内关节电机高功率密度和高效率的设计难题，提出电池-驱动-关节电机-负载的多场协同全链式关节电机优化设计方法，突破以电机孤岛为模型的物理场分析方法，创新性的设计多场协同优化设计理论，提升高效率和高功率密度关节电机的服役性能，降低机器人的负重并解决电池续航的问题。 （2）建立多场景和机器人多运动维度下关机电机多场耦合数学模型，揭示不同运行环境和运行模式时电机内外流场运动规律和复杂热交换机理，解决由于复杂工况引起局部温度过高而导致电机热失效的问题，并提出基于热损伤因子的健康管理体系，确保在任何场景和运动模式下关节电机的安全运行提高其服役性能。 （3）建立风路—三维流场与温度场模拟的协同数学模型，从理论上揭示电机内部空气运动规律、热交换效率对电机定、转子温度分布的影响规律以及定转子通风结构适配性对局部高温的影响机理，提出电机磁路、风路的最优设计和三维热路路径的规划方法，满足关节电机在封闭空间内的热稳定运行。 （4）提出新型的绕组排列与固化方法和走行风的转子自扇强迫通风冷却结构，极大的降低绕组和永磁体的温度，提升关节电机的过载能力和转矩密度，增强膝关节动力，满足机器人超高爆发力的需求。 关键技术 本项目研究中突破的关键技术如下： （1）提出电池-驱动-关节电机-负载的多场协同全链式关节电机优化设计方法，突破以电机孤岛为模型的物理场分析方法，开展弹跳仿人机器人有限安装空间和电池长时续航要求下关节电机高效率和高功率密度协同实现的难题攻关工作； （2）建立多运行场景和机器人多运动模式下关节电机的电磁、热和流体的多场协同优化设计理论，实现关节电机高效率、高转矩密度、高过载能力的设计目标，增强弹跳仿人机器人的关节动力，满足机器人高爆发力和快速动态响应的需求； （3）开展关节电机绕组的新型固化方法与转子自扇强迫通风冷却结构的研究，研究不同冷却结构下电机内部空气的流动规律和热交换效率、提出最优的热路路径的规划方法，解决机器人在高爆发运动状态引起绕组和永磁体的高热问题。 学术贡献 本项目研究中做出的学术贡献如下 1）提出了电池-驱动-关节电机-负载的全链式多物理场一体化的新分析方法，创新性的开展多场协同优化的设计理论研究，解决关节电机效率、轻量化和转矩密度难以兼顾的难题； 2）提出了机器人多场景和多运动维度下关节电机内涡流场、流体场和温度场的协同分析方法，揭示不同运行模式对关节电机局部高温的影响机理； 3）提出了新型的绕组排列方式和固化方法，以及转子自扇强迫通风冷却结构，极大的降低绕组和永磁体的温度，提升关节电机的过载能力和转矩密度。 基于本项目的研究，项目组在《 IEEE Transactions on Transportation Electrification 》、《 IET Electric Power Applications》以及《电机与控制学报》上发表了三篇高水平学术论文，取得了一定的学术成果。 经济价值 由于机器人核心零部件伺服电机的生产依赖于进口日本和德国等国家的品牌厂商电机，使得国产品牌机器人成本相比国外品牌机器人并无多大优势。本课题的实施能够打破机器人核心部件市场的被动局面，拓展我国的机器人市场，提高我国核心技术的发展和相关产品的竞争力。