Инженеры сделали полностью мягкий электродвигатель

Инженеры разработали полностью мягкий бесколлекторный электродвигатель. Его статор, ротор и даже магниты сделаны из силикона. В качестве обмотки используются трубки, заполненные жидким сплавом галлия и индия. Для демонстрации возможности практического применения электромотор применили в конструкциях воздушных и водяных насосов, а также для приведения в движение тележки на колесах. Статья с описанием двигателя опубликована в журнале Soft Robotics.

Роботов, состоящих полностью из мягких материалов, обычно разрабатывают для использования в областях, где требуется деликатное взаимодействие с окружающими объектами, в том числе для наблюдений за хрупкими морскими животными в их естественной среде обитания или в медицине при взаимодействии с человеком. Несмотря на то, что разработка подобных роботов ведется уже довольно давно, до сих пор одной из главных проблем остается выбор подходящего актуатора для них. Обычно применяемые в таких случаях пневматика и гидравлика не всегда подходят. Например, они не могут полноценно заменить электродвигатели для создания эффективного быстрого вращательного движения, а также требуют внешних или бортовых насосов для создания давления.

Этот пробел в компонентной базе решили устранить инженеры под руководством И Чэнь Мазумдар (Yi Chen Mazumdar) из Технологического института Джорджии. Они разработали четырехполюсный трехфазный синхронный бесколлекторный электродвигатель, состоящий полностью из мягких материалов. Внешний диаметр двигателя составляет 80 миллиметров, высота 40 миллиметров, а диаметр ротора 10 миллиметров. Статор изготавливается из мягкого легко деформируемого силикона. На нем расположены шесть катушек, в качестве обмоток на которых вместо медных проводов используются мягкие силиконовые трубки с внутренним диаметром 1,3 миллиметра. Они заполнены жидким при комнатной температуре проводящим сплавом галлия и индия.

На роторе расположены четыре мягких постоянных магнита, образующие вместе цилиндр. Они также изготовлены из силикона с добавлением намагниченных частиц неодима железа и бора. Магниты вставлены в оболочку из термопластичного полиуретана, внутренняя часть которой покрыта полиэтиленом и графитовой смазкой для снижения силы трения между соприкасающимися подвижными поверхностями. На внешней стороне полиуретановой оболочки расположены мягкие магнитные сенсоры, необходимые для контроля скорости и положения вращающегося ротора с постоянными магнитами.

Сенсоры представляют собой магнитные контакты, выполненные в виде гибких проводящих пластин с нанесенным на них слоем из силикона с добавлением углерода для проводимости и микрочастиц самария-кобальта для придания магнитных свойств. Во время вращения пластины сенсоров поочередно отклоняются или притягиваются магнитным полем четырех постоянных магнитов сердечника, размыкая и замыкая контакты.

Без нагрузки двигатель может развивать до 4000 оборотов в минуту и выдает крутящий момент до 3 миллиньютона на метр. Максимальная мощность, развиваемая двигателем, составляет 240 милливатт при 2000 оборотах в минуту и моменте силы 1,25 миллиньютона на метр. Вертикальное сжатие на 37,5 процента и радиальное растяжение на 25 процентов практически не влияют на скорость вращения и эффективность мотора. Однако радиальное сжатие более чем на 13 процентов приводит к остановке двигателя из-за возросших сил трения. Кроме этого, сжатие электромагнитных катушек вызывает изменение их сопротивления, которое может быть отслежено по изменению тока и использовано как способ управления состоянием двигателя. Например, нажатие на отдельные катушки можно использовать для выключения или изменения скорости вращения, что и реализовали авторы работы.

Для демонстрации возможностей мотора инженеры построили воздушный насос с мягким корпусом, мягкий водяной насос, а также испытали тягу электромотора под водой, прикрепив к ротору мягкий водяной винт. В последнем случае двигатель был установлен на салазки для снижения силы трения, в результате чего он развил скорость 4,4 сантиметра в секунду под действием тяги винта. Также разработчики продемонстрировали что мягкий электромотор может использоваться в конструкциях с жесткими элементами, в тех же задачах что и традиционные электромоторы. Например, мягкий электромотор привел в движение тележку на колесах с помощью приводного ремня и системы из шестерней, а также был использован в качестве двигателя в приводе водяного и воздушного насосов.

Ранее мы рассказывали о квадрокоптере SoBAR с мягкой надувной рамой, которая может поглощать энергию удара при столкновении дрона с препятствиями. Благодаря низкой скорости отскока дрон может быстро контроль над полетом после столкновения.