Электродвигатели для отечественной робототехники и беспилотных аппаратов

Преимущества электродвигателей в робототехнике и беспилотных системах

До 90% современных робототехнических комплексов (РТК) и беспилотных авиационных систем (БАС) используют электродвигатели в качестве тягового устройства. Это обусловлено несколькими причинами: быстрое прототипирование, относительно низкая стоимость и удобство в управлении. Выбор подходящего электродвигателя или генератора зависит от условий эксплуатации и необходимых механических характеристик.

Типы электродвигателей и их особенности

Среди множества существующих электродвигателей наиболее изучены и часто используются четыре типа:

1. Двигатели постоянного тока;
2. Асинхронные двигатели;
3. Синхронные электродвигатели на постоянных магнитах;
4. Синхронные реактивные двигатели.

Основные параметры электрических машин

При выборе электродвигателя необходимо учитывать следующие параметры:

1. Мощность электродвигателя
2. Номинальная частота вращения
3. Момент электродвигателя
4. Момент инерции ротора
5. Номинальное напряжение
6. Электрическая постоянная времени
7. Механическая характеристика
8. Коэффициент полезного действия

Перспективы электрического транспорта

С увеличением интереса к электрическому транспорту важно выбирать передовые решения в области электроприводов. По прогнозам аналитиков, в ближайшие 5-10 лет каждый продаваемый автомобиль будет гибридным или полностью электрическим. Согласно Bloomberg New Energy Finance, стоимость электроавтомобилей станет дешевле обычных к 2025-2030 годам без государственных субсидий, а к 2050 году их доля продаж может достигнуть 65-70%. Однако выбор подходящего электродвигателя для автомобилей остается сложной задачей. Современные коммерческие электромобили в основном оснащены асинхронными двигателями или двигателями на постоянных магнитах.

Применение синхронных бесколлекторных электродвигателей

Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами используются не только в автомобилестроении, но и в других отраслях, таких как:

1. Бытовая техника
2. Радиоуправляемые модели
3. Станки числового программного управления
4. Опорно-поворотные устройства
5. Беспилотные авиационные системы (БАС)

Эти двигатели особенно востребованы в сферах, где важны компактные размеры и низкое энергопотребление. Они могут быть изготовлены практически любого размера благодаря отсутствию технологических ограничений.

Преимущества синхронных бесколлекторных электродвигателей

Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами являются перспективными в диапазоне малых и средних мощностей благодаря высоким эксплуатационным характеристикам. Они обеспечивают простоту конструкции, отсутствие потерь на возбуждение и высокую стабильность скорости вращения ротора. Эти качества делают их незаменимыми в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения и других приложениях, где стабильность скорости имеет первостепенное значение.

Разработки АО «НПО «Андроидная техника»

С 2018 года АО «НПО «Андроидная техника» разрабатывает собственные решения в области синхронных бесколлекторных электродвигателей серии AT Drive и аксиальных бесколлекторных электродвигателей AX Drive.

Бесколлекторные электродвигатели производства АО «НПО «Андроидная техника»

Применение электродвигателей в современных РТК и системах

Эти электродвигатели хорошо зарекомендовали себя в современных РТК Маркер, коллаборативных манипуляторах, опорно-поворотных устройствах и системах точного позиционирования. Синхронные бесколлекторные электродвигатели являются основой линейки сервоприводов ХАРЗА, производства ООО «ИнноДрайв». Сервоприводы используются в системах высокоточного позиционирования, включая экстремальные условия — высокие и низкие температуры, агрессивные среды, высокая влажность.

Вклад в развитие технологий производства

Мировые производственные компании и университеты активно участвуют в развитии технологий и поиске оптимальных конструктивных решений электродвигателей с радиальным и аксиальным магнитным потоком. Это приводит к росту публикационной активности и выполнению исследований в области новых материалов и оптимизации дизайна электродвигателей.

Влияние санкций на развитие электродвигателей

В условиях санкционных ограничений необходимо наращивать научно-технический и технологический задел по перспективным направлениям развития электродвигателестроения. Одним из таких направлений является разработка и производство электродвигателей для БАС.

Преимущества электродвигателей для БАС

Применение электродвигателей в БАС обусловлено рядом причин:

Перспективы рынка БАС

Согласно оценкам Drone Industry Insight, опубликованным в апреле 2022 года, мировой рынок БАС вырастет до 41,3 млрд долларов к 2026 году. Объем российского рынка БАС, по распоряжению правительства РФ от 21.06.2023 №1630-р, составит 50 млрд рублей к 2026 году, а рынок двигателей для БАС достигнет 16 млрд рублей. Разработка и массовое производство российских электродвигателей для БАС становится актуальным.

Разработка электродвигателей БАС в «НПО «Андроидная техника»

В «НПО «Андроидная техника» с 2023 года ведется разработка электродвигателей БАС под маркой АТБ, которые представлены в таблице:

Электродвигатели БАС под маркой АТБ

В настоящее время разработаны и испытаны три типа электродвигателей: АТБ-3115, АТБ-8009 и АТБ-13715.

Электродвигатели БАС производства АО «НПО «Андроидная техника»

Основные характеристики разработанных АТБ электродвигателей представлены в таблице:

Характеристики двигателей АТБ 3115, АТБ 8010, АТБ 13715

Эти электродвигатели спроектированы таким образом, чтобы их присоединительные размеры позволяли заменять зарубежные аналоги без дополнительных переходников или адаптеров. Оптимизация конструкции позволяет сократить массу и повысить КПД. Механическая характеристика может быть скорректирована для достижения наибольшей эффективности совместно с винтом.

Сравнение с зарубежными аналогами

Электродвигатели для БАС способны работать в пиковом режиме ограниченное время, так как под нагрузкой температура обмоток достигает 95-115°C и более. Анализ электродвигателей T-motor и Brotherhobby показывает, что T-motor демонстрируют более высокую эффективность по показателю тяги и затраченной энергии.

Электродвигатели T-motor демонстрируют выше эффективность в диапазоне 2,75-5,00 г/Вт. Значительная часть мощности BrotherHobby теряется на нагрев обмоток статора и не участвует в полезной работе. По результатам стендовых испытаний, электродвигатели Brotherhobby могут работать в пиковом режиме 10-30 сек, вместо заявленных 60 сек, с фактической температурой обмоток 115-120°C.

Отношение тяги к затраченной мощности электродвигателей до 1800 Вт (пунктирной линией показаны пределы характеристик электродвигателей Brotherhobby)

Эффективность электродвигателей мощностью до 1800 Вт (пунктирной линией показаны пределы характеристик электродвигателей Brotherhobby)

Локализация производства высокотехнологичных решений

Четыре года назад АО «НПО «Андроидная техника» выбрало курс на локализацию производства высокотехнологичных решений и создание отечественных компонентов робототехники. С февраля 2022 года предприятие разработало 18 новых типоразмеров

Вывод

Развитие и совершенствование отечественных электродвигателей для робототехники и беспилотных аппаратов является стратегически важной задачей в условиях глобальных изменений и санкционных ограничений. Современные синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами демонстрируют высокие эксплуатационные характеристики и могут быть адаптированы для различных применений, от бытовой техники до высокоточных систем в робототехнике и беспилотных авиационных системах.

Разработки АО «НПО «Андроидная техника» и других отечественных компаний подтверждают, что российские предприятия способны создавать конкурентоспособные и инновационные решения в области электродвигателей. Примеры успешного применения синхронных бесколлекторных электродвигателей в РТК Маркер и других системах свидетельствуют о высоком потенциале этих технологий.

Важным шагом для дальнейшего развития является наращивание научно-технического задела, локализация производства и совершенствование технологических процессов. Это позволит не только снизить зависимость от импортных компонентов, но и создать условия для дальнейшего роста и развития отечественной промышленности в сфере робототехники и беспилотных систем.

В перспективе, развитие отечественных электродвигателей позволит России занять ведущие позиции на мировом рынке высоких технологий, обеспечивая конкурентоспособность и устойчивое развитие национальной экономики.