集萃智造分享 | 服务机器人电机设计需要注意什么？

与应用局限于工厂等指定场所的工业用机器人相比，服务机器人因着眼于感知、决策与执行高技术，完成有益于人类的服务工作，所覆盖的场景和可实现的功能将十分广泛，拥有更多想象空间。

作为机器人的动力来源，电机直接影响其有效负载、工作半径等关键参数，其设计上的技术选择和性能取舍将直接关系机器人的性能和应用范围，服务机器人市场的潜在应用也将对电机设计提出更多要求。

基于集萃智造多年的电机研究和产品设计经验，我们发现目前无刷电机因体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定、实现智能化、换相方式灵活、免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境等一系列优点而广泛应用于机器人领域，在服务机器人的应用中前景可观。

目前，受产品小型化、轻量化等要求影响，机器人产品电机空间一般比较受限。此时在进行机器人电机设计时，使用尽可能小的空间提供尽可能高的功率输出就是我们的目标，因此功率密度是我们在设计电机的重要考虑因素之一。

图 | 电机的传动系统

一般在进行服务机器人的设计时，为减小体积、重量，节约布局空间， 无框电机方案是进行电机设计的主流选择。

这里根据计算公式，气隙半径与扭矩成正相关，气隙半径越大，扭矩值越大。扭矩的平方值与气隙半径的三次方值成正相关关系，所以为提高功率扭矩密度，气隙半径的选择很关键。

考虑到服务机器人的应用场景需求，电机的低速平稳性和短时过载能力一般需要多做考虑。

在低速平稳性这项重要考量指标上，对其造成影响的主要原因是电机低速运行时的脉动转矩，包括电动势或电流非正弦引起的纹波转矩和齿槽转矩。其中，非正弦引起的纹波转矩主要由电流换向、电磁因素、电枢反应等原因造成。

永磁电机齿槽转矩影响可以通过电机设计进行改善，目前在设计电机时，主要改善的方法有：（1）优化极槽数组合；（2）采用斜极和斜槽；（3）优化极弧系数；（4）采用不等厚磁极；（5）磁极分段布置。其他方法基于成本等因素考虑使用较少。

目前的服务机器人领域，特别是足式机器人等应用场景，对电机的短时过载能力和峰值扭矩密度要求更高。言下之意，在做此类电机的挑选时，关键需要考虑的是，电机设计者如何处理温度这一变量。

在冷却方案的选择上，服务机器人的电机追求扭矩输出密度，即单位体积或质量下的输出功率，这意味着油冷水冷等增加整机质量的冷却方式不太可能作为优选。