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[知识] 【王大师出品】Why???无刷电机内置

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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-4-26 14:55:29

本帖最后由 swanglei 于 2018-4-26 14:53 编辑

      首先,对于刚入坑的小伙伴,在群里成天看到大家讨论无刷内置,心里一直在想这个无刷内置到底是个什么鬼?有这么神么?
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      所谓的无刷内置,其实就是将武器的外转子无刷电机通过魔改,装在武器的旋转轴上,其实真就这么简单的一个道理。但这里无刷电机内置难就难在这个魔改上面!之前不知道大家还记不记得我之前分享了一台1LB的横转格斗机器人的视频,他直接将转刀固定在了无刷电机的外转子上面,并且电机的定子尾座直接固定在顶板上。然后当时我在这个视频的下面备注了一句话,这样的设计是不可靠的,如果受到冲击,无刷电机的轴将受到很大的横向冲击,很有可能会报废掉整个电机轴。但如果要是想优化这个设计,可以使用加长轴的无刷电机,除了尾座的固定之外,在另外一端输出轴增加一个轴承,会起到一定的保护作用,其实就相当于给这个轴一定的保护。但这个其实还是一个最基本最基本的保护,在小公斤级别的还能用一用,但是如果上了30lb级别的再这么简单的优化就不够了,妥妥撞一下就弯了。
      我们上一季的MechBattle mini格斗机器人大赛中的追猎者其实就是一台2kg的滚筒内置,这是他的机器人的建造日志:MechBattle建造日志
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      严格意义上的无刷电机内置,其实目前主要是应用在竖转和滚筒类型的格斗机器人上面偏多。至于无刷电机内置,这个设计的好处其实主要有两点:第一是,可以节省格斗机器人的内部空间;第二是,增大电机拖动旋转类型武器的效率。常规的格斗机器人,我们以滚筒为例,武器的旋转,都是由各种传动带将电机的动力传输至滚筒的。也就是在机器人内部,武器的侧面会有一个传动轮,通过皮带连着后面的电机。那这个电机所占的内部空间就会比较吓人,在维修的时候,你真的恨不得把这个电机拿掉!
      另外一个问题就是传动效率的问题,这个我必须详细解释一下。我们知道在高强度的比赛当中,武器经过无数次的撞击,如果使用同步带或者链条,这些传动效率特别高的传动方式,可能直接使得电机的电调烧毁。因为在没有其他离合装置的保护下,武器的撞击几乎让电机堵转,瞬间的电流会剧增,用老司机的话讲,要么烧电机,要么烧电调,要么烧电池,就看哪个质量好!所以一般的武器传动都是用V型皮带或者圆带进行传动,当武器受到撞击,皮带与传动轮之间会产生打滑现象,使得电机堵转的概率大大下降,直接地保护了电机,保护了电调。所以使用了传递效率低的传动方式反而保证了整个格斗机器人的可靠性。但是为什么说使用无刷电机内置增大了武器的传动效率,这不是跟我刚才说的皮带打滑现象是完全冲突的么?没错,其实就是冲突的,但这句话应该这么理解,就是传递效率高了,同时对于电气系统工作的可靠性要求更高了。在保证了电气的可靠性的同时,肯定是传动效率越高越好。有的小伙伴可能还没彻底明白,我所说的传动效率增高是怎么回事,我再说得更直白一点!由于无刷电机内置,整个武器的旋转所受到的阻力仅是两端轴固定的轴承的径向摩擦力,同时我们也知道这个摩擦力是很小的,设计的时候几乎是将这个摩擦力等同于零来设计的。也就是说整个武器的旋转的动力来源就是定子线圈通电与外转子上面的磁铁之间的磁力产生的动力,并且这个动力是直接作用于武器的旋转,动力损失是最小的,所以说这种设计的传动效率是最高的。
      传动效率增高之后,对于整个机器人的电气系统其实还有一个好处,就是电机带负载的损耗是最小的。就比如说我们用同一个无刷电机分别以皮带传动和内置的方式,分别带动同一个武器旋转,你可以用电流表测一下两者工作时候的电流,肯定是皮带传动使用的电流会更大一些,道理很简单,就是这一部分的损耗是直接体现在电流上面的。由于电机内置传动效率增高了,其实在武器起转的时候也是有很大的影响的。相比皮带传动的方式,武器的起转惯量太大,如果说皮带与传动轮之间稍微松一点的话,武器的起转不会让电机直接堵转(无刷电机起转力矩很小)。也就是说,电机是能转起来的,而且在稍微滞后的皮带传动的拖动下,武器也是能转起来的,只不过就是武器的起转会比较慢而已。然而无刷电机内置的武器,由于传动效率的增高,无刷电机的起转和武器的起转就几乎是同步的,所以说同一个电机以不同的方式拖动一个武器旋转,皮带传动起转的概率会更高一些(皮带稍微松些的情况下),而且皮带传动还可以做减速设计,就更大程度上增加了作用于武器的旋转的力矩。那么内置的情况,可能就得用更大力矩的无刷电机,也就是低KV值的无刷来保证起转力矩,再或者就是在遥控器上设置武器通道的油门曲线,使得输出信号缓缓地提升,武器缓启动,而且人为地也要慢慢推油门,一不小心就电调保护了。

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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-4-26 14:55:30

无刷电机内置的要求

本帖最后由 swanglei 于 2018-4-26 14:57 编辑

      那么设计成无刷电机内置的格斗机器人要注意些什么呢?在结构方面共有两点:第一点是武器轴固定的刚性;第二点就是我之前提到的无刷电机的魔改,包括定子和转子。
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      那先来讲一下武器轴的固定刚性的问题。拆过无刷电机的人应该会知道,电机的定子矽钢片和磁钢之间的气隙得有多小啊?我们知道如果要是在武器撞击的时候,转子因为震动碰到矽钢片,磁钢肯定会碎掉的,那这电机就废了。所以我们必须通过结构固定的刚性,来保证电机定子转子以及武器旋转轴的同心度,从而保证在震动当中武器内部的电机不受到损伤。所以有些国外的大神甚至用7075航空级铝合金一体铣出来整个机架来保证结构的刚性牢度。但是这里我个人其实觉得没必要,首先一体铣对于设计的成熟度有要求,成本也比较高,而且最重要的是一体铣几乎决定了这个零件就只能有简单的几个加工面,内部的加工面就没有办法加工了,我是觉得可以通过设计优化结构,增强结构的刚性。另外,很多国外的大神武器的两端轴承都用的比较大,这个也是很容易理解的,我们知道轴承如果使用普通的滚珠轴承,估计会爆掉的,所以一般都是用的调心锥形轴承,既可以保证同心度又保证了在撞击瞬间冲击的可靠性。(滚珠轴承受力是点受力,锥形轴承受力是线型受力,内部是粗滚针)
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      其次是重头戏,就是这个无刷电机的魔改。首先是定子,定子需要改的最多,首先拆开无刷电机之后,需要摘掉定子中心两端的轴承(我个人推荐直接用一个细螺丝刀通过轴承中间的孔直接敲出去就好了,当然前提是这两个轴承就不要了)。然后第二步是拆掉定子的铝座,有大神推荐直接用热水先泡一泡整个定子,软化矽钢片和铝座之间的胶,然后再用拉马把铝座拔出来(但是要注意拉马卡的位置要小心,千万不要损坏到铜线圈)把铝座拔出之后,其实电机的定子就算是改装完了,这时候你就可以用一个更粗的钢轴替换掉原本很细的电机轴了。(电机的轴我们最好是不能让他受力的,只能武器两边的锥形轴承受力)
      紧接着是电机的转子。电机的转子的魔改第一步是先车掉转子与电机轴的连接。说实话直接车可能有些危险,因为往往这个连接是有镂空的,而且材料是7075比较硬的铝合金,搞不好转子就从车床的卡盘上掉下来或者严重的直接导致转子变形。所以我的经验是先用曲线锯将这个连接切掉,然后再上车床一点一点车掉。另外一点就是转子内部磁钢的保护,听Aiden以及我们内部群讨论出来的结果是,要在磁钢上面均匀得涂抹一层薄薄的AB胶(进口的),因为在比赛当中,转子上面的磁钢有可能会震裂,磁钢一旦震裂分离卡在内部气隙就会是灾难性的后果。所以要均匀涂一层AB胶,用来加固磁钢的保护,涂的时候建议将车好的转子放在车床上面慢速转起来,然后再均匀涂抹AB胶,这样做的目的是防止AB胶在操作期间因为重力流淌,如果这个AB胶在凝固期间并没有均匀的涂,电机高速旋转的动平衡会受到影响,大大降低电机轴承的寿命以及电机工作的稳定性。
      另外,其实还有我前面讲到的最重要的电气系统的可靠性,这部分其实我自己也还没有完全吃透,而且这是一个很负责软件优化工作,我们一般的选手是无法实现的,这可能的制作电调的厂家帮我们实现定制化的电调,所以这里我先不继续阐述下去了,如果真想知道,这里面大概的逻辑是你需要一个永远也怼不停的电调,就是电调检测电机发生换相出错,电机停下来仍然可以继续起转。
     

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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-4-26 14:58:04

      最后,还是那句话,希望大家的整体水平都能快速增长起来,以后站在国际的舞台之上跟国外的大神同台竞技,同时也将我们这个格斗机器人的行业的技术水平抬高起来,一些先进的技术、先进的设计理念我们也学习学习,大家共同进步。
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yybing110  见习技师

发表于 2018-4-26 18:52:50

大师又费心了,不过好多操作还是比较专业啊,有没有更小白一点的。 比如说整个外转子电机内置的,这样似乎难度小一点吧!
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hnyzcj  超级版主

发表于 2018-4-26 18:55:06

王大       牛
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-4-26 20:55:28

yybing110 发表于 2018-4-26 18:52
大师又费心了,不过好多操作还是比较专业啊,有没有更小白一点的。 比如说整个外转子电机内置的,这样似乎 ...

哈哈,对,这个是太专业了,我也尽量写得很直白~
Aiden那台机器就是电机直接内置的~你可以去看下!
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昶平  高级技师

发表于 2018-4-27 09:19:27

还有这操作 学习了
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-5-7 20:18:28

昶平 发表于 2018-4-27 09:19
还有这操作 学习了

恩,算是目前圈内最高级的玩法了!
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TimKim  初级技师

发表于 2018-11-8 11:56:26

本帖最后由 TimKim 于 2018-11-13 12:33 编辑

天哪!学习了,看过Aiden的那篇,写的很详细,想最近试一试。另外能不能发一个具体拆的视频,谢谢哈
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gada888  版主

发表于 2018-11-12 14:15:44

大师很忙
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