Линейные двигатели применяются в робототехнике, компрессорах, гидравлических системах, нефтедобычи и других отраслях. Они отличаются энергоэффективностью и высокой точностью. Все чаще линейные двигатели помещают в бионические протезы, они преобразуют энергию в движение по прямой, например, чтобы человек мог поднять вещь или открыть шкаф. Однако конструкция таких устройств сложна и требует серьезного подхода при создании. Ранее ученые ПНИПУ разработали собственный линейный двигатель для протезов, а теперь нашли способ улучшить его конструкцию, чтобы упростить производство и повысить характеристики готовых изделий.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления», №3 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Бионический протез с помощью чувствительных датчиков считывает электрических потенциал сохранившихся мышечных тканей руки, затем передает сигналы в микропроцессор. Это мощное устройство за доли секунды обрабатывает их и направляет нужную команду в двигатели, именно они приводят в движение части протеза.
Сейчас используют обычные двигатели вращения и передаточный механизм, чтобы преобразовать движение в линейное, то есть по прямой. А в случаях, когда требуется несколько степеней свободы, например, запястье человека наклоняется в двух направлениях и вращается, приходится встраивать три отдельных двигателя. Это усложняет конструкцию протеза, делает его тяжелым и шумным.
Ранее ученые ПНИПУ уже предложили заменять классические двигатели вращения на сферические и линейные, которые перекрывают эти недостатки. Следующий этап – оптимизировать конструкцию так, чтобы увеличить одну из основных характеристик протезов – тяговое усилие или по-другому вес, который способен выдержать протез.
Классические электродвигатели состоят из двух основных частей – статора и ротора. Первый – неподвижная часть, с внутренней стороны которой сделаны пазы, куда укладывается обмотка, питаемая током. Ротор отличается тем, что вращается. За счет их взаимодействия образуется магнитное поле, которое приводит в движение протез.
Сначала политехники усовершенствовали конструкцию пазов статора. Это позволило устранить проблемы в укладке обмотки, которые возникали при сборке. Новый паз состоит из двух частей, которые зажимают обмотку между собой и упрощают модульную сборку двигателя.
– Поcле изменения конструкции расчеты показали, что среднее тяговое усилие двигателя составило 10,3 Н, а размах колебания этого показателя – 21,05 Н. Последнее считается большим показателем, из-за него сложно определить, когда нужно начать тормозить или наоборот разгонять вторичный элемент, который является аналогом ротора в линейном двигателе. Применимо к протезам это выглядит, как лаг в системе управления. Будет сложно привести пальцы в желаемое положение, они будут перемещаться то слишком далеко, то недостаточно, – поясняет ведущий инженер кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ Александр Плюснин.
С помощью моделирования удалось выяснить, что сталь магнитопровода недоиспользуется, поскольку индукция (возбуждение электрического тока) в среднем составляет примерно 1,15 Тл, при значении насыщения стали в 1,8 Тл. Возникает вопрос, что лучше сделать с будущим протезом: уменьшить количество стали и сделать его легче или увеличить напряжение питания и повысить его мощность. Ученые ПНИПУ рассмотрели оба варианта.
– В первом случае мы уменьшили толщину паза для обмотки в статоре, благодаря этому количество витков увеличилось с 63 до 75. В результате такой оптимизации колебание тягового усилия упало почти до 50% от изначального. А вот само тяговое усилие при этом уменьшись с 10,3Н до 10,03Н, но это считается допустимой потерей, – рассказывает Александр Плюснин.
В качестве второго варианта совершенствования двигателя политехники оставили части статора неизменными, но увеличили питающее напряжение c 3,7 В до 7,4 В. Так тяговое усилие увеличилось до 22,2 Н.
– В данном случае увеличением колебаний тягового усилия можно пренебречь, так как двигатель способен работать и на более низком напряжении за счет системы управления. Мы выяснили, что увеличение напряжения питания позволит увеличить диапазон развиваемого усилия. При этом уменьшение магнитопровода лишь незначительно снизит вес. Второй вариант оптимизации конструкции подходит лучше, – объясняет старший преподаватель кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ Денис Опарин.
Ученые ПНИПУ предложили новую конструкцию пазов статора линейного двигателя для бионических протезов и выяснили, что увеличение напряжения питания увеличит диапазон развиваемого усилия. Применение на практике результатов исследования сделают бионический протез его более точным и удобным в использовании, а также упростят его производство с технологической точки зрения.
