大扭矩中低速无框伺服电机与小减速比减速器研制

20210827

制造业

通过课题牵引，大扭矩中低速无框电机突破了设计、研制、测试等关键技术，完成样机研制及性能测试，技术成熟度达到7级，主要技术指标达到国际先进水平。目前，具备了无框电机的理论分析、设计、仿真等产品研发能力，形成了稳定可靠的电机原材料供应及电机生产工艺，建设了与之配套的电机性能测试条件，同时拥有专业完善的伺服电机技术团队，科研实力雄厚，可扩展完成与课题成果相似的系列化高性能无框伺服电机的研发，整体上形成了一定的系列化无框电机产品研制能力。同样地，在精密传动机构方面，小减速比减速器突破了设计、热处理、加工、测试等关键技术，完成样机研制及性能测试，技术成熟度达到7级，主要技术指标达到国际先进水平。目前，具备了小减速比高承载减速器的理论分析、设计、仿真等产品研发能力，形成了稳定可靠的减速器原材料供应、材料热处理及精密加工厂家，建设了与之配套的减速器性能测试条件，同时拥有专业完善的精密传动技术团队，科研实力雄厚，可扩展完成与课题成果相似的系列化高性能行星减速器的研发，整体上形成了一定的系列化减速器产品研制能力。综上，无框伺服电机及小减速比减速器在设计、研发、测试等方面形成了完善的支撑条件，产品技术指标先进，成果转化在有序开展，整体处于转化过程的起始阶段。

电机和减速器作为两种重要的功能部件类产品，涉及的领域、环节众多，为了保证高性能无框电机及减速器技术的快速转化并形成一定的产业规模，拟合作方应具备如下基本条件：（1）资金方面，主要用于人力资源、研发、生产、场地及管理等费用，以及电机、减速器产品研制过程中所需的原材料，整体资金规模预计1000万元以上；（2）场地方面，涉及研发、生产场地，研发场地主要用于技术人员的产品研发、技术交流、对外合作等事宜，生产场地主要用于材料热处理、机械加工、装配调试、测试检验等，场地规模合计10000平方米以上；（3）设备方面，涉及热处理设备、加工设备、测试设备等，主要用于支撑产品的研制与测试，主要设备包括：绕线机、冲压机、数控车床、数控磨床、滚齿机，以及电机加载测试设备、减速器性能测试设备等；（4）人员方面，主要包括研发人员、生产人员、销售人员及管理人员，其中研发人员重点负责高性能电机与减速器的设计及工艺，生产人员主要负责产品的加工、检测、装调、测试等工作，人员规模预计100人以上。技术成果转化过程中，合作双方还可以开展深入的技术交流与合作，保证产品技术水平的不断提升及产品的升级换代。转化成果将辐射到智能机器人、精密伺服机构等领域，带动机器人产业的整体发展。

仅限国内转让

（1）经济效益方面：近年来，机器人产业发展如火如荼，包括服务机器人、工业机器人在内的机器人市场广阔。机器人核心功能部件，如关节模块、伺服电机、减速器等主要由国外厂商配套，产业利润多为国外厂商占据，造成了国内机器人产业实现实质性的跨越式发展具有较大的难度。本课题在高性能伺服电机、减速器方面取得的技术成果将有力支撑国内核心功能部件产业链发展与完善，为国内相关产业的发展带来可观的经济效益。预计未来三年，随着伺服电机、高性能减速器的成果转化和产业化，将产生千万元以上经济效益。产业规模将得到进一步扩大，为高端智能机器人提供稳定的、高质量的高端核心功能部件，有助于经营收入增长迈向新的台阶，形成产业化能力，提升单位在国内外机器人领域内的产业地位。同时，促进企业大幅度增长工业产值，推动相关产品转型升级，完善产业链拉动相关工业的增加值。（2）社会效益方面：在本课题的有效牵引下，充分发挥了军工企业在伺服电机、减速器等核心功能部件方面的技术优势，突破了电机、减速器等关键技术、形成系列化功能部件的国产化、产业化，并且加快了以航天技术为代表的军工科技与民用行业逐步融合，推进军民融合产业和行业科技的快速协调发展。同时，依托“产学研用”创新体系，强化了企业为主体、市场为导向，快速突破了核心技术瓶颈，打破了国外企业技术垄断，同时促进了科技成果的快速转化及相关产品产业化。

智能制造与机器人培育

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本科技成果来源于北京市科学技术委员会支持的北京市科技计划课题《大扭矩中低速无框伺服电机与小减速比减速器研制》。本课题重点针对仿人机器人高动态运动对高性能驱动、传动部件的迫切需求，在大扭矩中低速无框伺服电机和小减速比减速器的设计、研制及测试等方面开展技术攻关并取得一系列技术成果，主要表现在：（1）在无框伺服电机技术方面，突破了分数槽集中绕组无框伺服电机的极槽配合技术、分数槽集中绕组谐波分析及抑制技术、基于磁路法的参数化建模技术及关键参数优化关键技术，构建了大扭矩中低速无框伺服电机的设计原则，形成了大扭矩中低速无框伺服电机多目标优化设计方法。无框伺服电机采用270V内转子永磁伺服电机方案，定子极槽配合选择20极18槽，采用高槽满率的扁线绕组技术，定子铁心材料选择具有高饱和磁密特点的铁钴钒合金（1J22），转子采用表贴式结构，磁钢材料选择钕铁硼稀土永磁材料（牌号N40UH），保证伺服电机达到较高的转矩密度及较长的连续工作时间。通过样机研制及性能测试，两种规格的无框电机各项指标均满足或优于设计指标要求，定子外径均为85mm，额定转矩分别达到1.77 N??m 、2.5 N??m。（2）在小减速比减速器方面，突破了小减速比高承载减速器构型设计、齿廓优化设计及均载传动设计技术等关键技术，形成了小减速比高承载精密减速器设计方法。减速器采用两级行星减速器传动方案，行星减速器采用斜齿轮传动，保障了传动过程的连续平稳及承载能力，同时采用高强度比钛合金材料及基于拓扑优化方法的结构形式，实现了减速器小型轻量化、高承载、高转矩密度等特点。通过样机研制及性能测试，减速器各项指标均满足或优于设计指标要求，减速比24.4，外径69mm，重量0.495kg，传动效率高于90%。在应用前景方面，大扭矩中低速无框伺服电机和小减速比减速器能够应用于新一代高动态仿生机器人，如双足仿人机器人、仿生狗、仿生豹等，并可以扩展到军用或民用多种无人装备等，为提升电动无人装备的功率密度、实现运动能力的大幅提升具有重要意义。