转动惯量和功率的关系公式
报告出品方:中泰证券
以下为报告原文节选
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1、人形机器人关键环节拆解
关键环节:线性执行器+灵巧手
灵巧手:相较具有20+个自由度的人手,特斯拉人形机器人灵巧手基于应用场景,保留11个自由度,在简化工序、优化成本的同时达到较佳的性能:单手6个执行器,可使用工具,实现小物件的准确抓取,举起20磅的重量。手部执行器:空心杯电机+精密减速器+蜗轮蜗杆+绳驱
线性执行器: 参考人体膝关节结构,通过四个连杆+四个枢纽进行机械模拟,即可实现较好的动能转换;特斯拉optimus通过手臂、腿上的线性执行器,对图示关节进行操控,模拟人类四肢运动。
2、核心部件1:空心杯电机
空心杯电机的特点
定子为永磁体:产生磁场;转子含有安装在轴上的铁芯,线圈缠绕在开槽铁芯上,起到集中、增强流量的作用。
最大特点:转子不含铁芯,而是形似杯状的线圈绕组,没有结构支撑,完全由导线绕制而成。
转子通过连接板(换向盘,固定导线和传递力矩)与换向器和主轴连接(通过滚珠轴承支持)。
空心杯电机:优势
无齿槽效应:没有铁芯的开槽与永磁体相互反应,即便在低速也能平稳运行,低振动,低噪音,均匀扭矩可以轻易控制在任意位置的转子。
无铁损:铁芯会改变磁场,当轴旋转时磁滞回路被穿过,能量被消耗, 绕组线圈磁场的影响可忽略,磁化是恒定、不变的,功率损耗更小,效率更高。
结构设计紧凑:永磁体置于中心,导致气隙中的高磁通密度,并可通过强磁体进一步增强,产生的扭矩增加,没有铁芯,转子质量惯量低,机械时间常数仅为几毫秒响应速度快。
安全、可靠性:电机的电刷和换向器之间发生电弧和火花的可能性较小,转子表面有空气流动,相较铁芯转子散热性能好。
空心杯电机的结构拆解
Maxon空心杯电机(RE35)及其衍生产品类别
不同的应用场景,对运行条件、功率和成本有不同的诉求,空心杯电芯的结构部件有多种衍生;
用量:根据灵活程度的需求,常规单手搭载六件,即每个手指一颗/拇指两颗,单台人形机器人,预计搭载12件空心杯电机。
空心杯电机:材料选型
永磁体材料
AlNiCo和NdFeB均具有较高的剩余磁性; AlNiCo具有陡峭的退磁曲线,产生的气隙较窄,线圈绕组的厚度可做得非常薄(但电流密度变小,产生的力也变小); 稀土磁铁具有非常高的矫顽场强,即很难消磁;其产生的气隙更大,线圈绕组需要做得更粗,整体更坚固;
不同永磁体的特点和性能存在差异,在保证产生的磁场稳定的同时,需根据应用场景对工作温度、环境的要求,合理的配置永磁材料,达到电机的性能和成本效应最大化。
空心杯电机:材料选型
➢ 电刷
贵金属电刷:适用小电流、低电压,适用连续运行模式, 低摩擦、噪声, 低电池干涉, 适用小型电机, 价格便宜。
石墨电刷:适用高电流、峰值电流,适用启停、反转运行模式,高摩擦、无负载电流,电损耗、噪声更高, 价格更贵。
石墨电刷(>26mm,>10W)更适用于大电机,贵金属电刷更适用于小电机(<13mm);
➢ 轴承
滚珠轴承:适用于较高的轴向和径向负载, 适用于所有运行模式,使用于大型电机,价格更贵、若无预加负载。
套筒轴承:适用于连续高转速的运行模式,适用于小型电机, 低摩擦、低噪声,价格便宜。
轴承的使用一定情况下也会影响电机寿命。
空心杯电机:壁垒
线圈绕组
➢ 典型的绕组方式(直线形、马鞍形、斜绕形)
直线形: 六角线环状的绕线方式,更适用于长尺寸,长径比大的线圈柱体绕组;
马鞍形: 具备热塑性, 斜方形式的绕线方式,Maxon 主 要采用此种方法;
斜绕形:,在圆柱体对角线上进行绕线排布,多见于Faulhaber的产品;
➢ 漆包线结构
➢ 无铁芯的自支持线圈绕组由漆包线绕制而成;
➢ 在线圈绕组的制备过程中,通过外加压力和加热,使得相邻的漆包线熔融并相互连接,同时复合高分子溶质溢出,冷却后获得一定的硬度和稳定性;
➢ 可在柱体缠绕粘合带(胶带或玻璃纤维)以增强绕组的强度和形状稳定性,避免高电流负载造成的漆包线软化。
➢ 直线形 Vs 马鞍形&斜绕形
直线形:上下两端部的绕组不产生力矩,却增加了电枢的整体重量,受限于此,常于线圈匝数要求较少的场景; 马鞍形&斜绕形:无端部绕组,导线利用率高,重量优化,同等条件下具备转动惯量、时间常数小,输出力矩大等优势,为目前海外厂商主流的线型设计;
➢ 马鞍形 Vs 斜绕式
马鞍形:线圈几何形状规整,相互独立排列,铜线间不发生干涉;端部重叠率低,线圈厚度较薄,磁场气隙小,即永磁体定子的利用效率提高,同等面积下磁通量增大。根据转矩常数公式a,同输出功率,转矩输出能力强; 磁场切割长度增加,同等情况材料耗费小,即铜线总长减小,内阻降低;根据公式,铜损随电阻减少,输出效率提升。
空心杯电机的设计要点在于追求小型化的同时提供效率更高、更大的输出,线圈绕组设计是核心影响因子,包括绕线方式(排布、槽满率等)、绕组参数(节距、匝数、抽头数等),掌握相关工艺的先进入者,存在先发优势。
绕组设备
➢ 空心杯电机的绕线工艺
绕卷式生产工艺流程:优势在于设备简单,外形规整,但步骤繁琐、工艺复杂导致废品率、时间损耗高,不适合大批量自动化生产,人工劳动强度大;
➢ 一次成型生产工艺:自动化程度高,一次性绕制成型,在生产效率和成本上具备优势。
➢ 绕线运动规划:包括路径设计及速度控制,前者意味着合理规划形状和运动模式,提高线圈绕组质量;后者直接影响铜线轨迹、线圈精度和效率。
➢ 抽头:整个线圈绕组分为多个部分,每个部分留有抽头,其与一个换向片相连,因此通过对各抽头的通/断电,可起到控制线圈磁场的方向和旋转方向的作用。
➢ 一次绕线设备-机械结构设计
➢ 主轴模块&摆线机构:线圈轨迹通过主轴的转动和线嘴的移动达成,主轴通常按匀速转动,摆线机构能否保证一定的速度和位置精度完成对于动作,决定了绕线轨迹的准确性;
➢ 辅助机制:抽头产生,加工过程主轴、摆线运动在指定位置暂停,导线被拉出一定长度,对位置精度控制亦有要求;
➢ 海外空心杯电机生产设备供应商核心玩家为瑞士Meteor与日本Nippon Serbig,其技术成熟度高,产品系列齐全,可靠性高,受限于产能及技术保密,设备获取存在一定壁垒;
➢ 我国设备厂商起步晚于海外20-30年,在生产技术水平相比存在一定的差距,目前仍以卷绕式生产设备为主。
产品丰富性
➢ 小型化
➢ Maxon:外径规格可选4-90mm,产品矩阵丰富;
➢ Faulhaber:无刷无齿槽电机外径低至3mm,同时提供匹配其应用的高度紧凑齿轮箱、速度控制器配件。
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