一种基于多孔水凝胶的无框电机及其散热方法

本发明涉及无框电机，尤其涉及一种基于多孔水凝胶的无框电机及其散热方法。

背景技术：

1、随着具身智能技术的不断发展，人形机器人作为继pc、智能手机和新能源汽车之后的下一代计算终端，因其具备高度的灵活性和与人类相似的运动模式，成为了具身智能技术的重要载体，尤其在智能制造、医疗辅助、家政服务等方面展现了巨大的潜力，正逐渐成为一个具有广阔市场应用前景的颠覆性产业。

2、在人形机器人的设计中，关节驱动系统是实现其灵活运动的核心部分。无框电机因其高效、紧凑和集成度高的特性，成为了驱动人形机器人关节运动的首选动力源。然而，尽管无框电机具备诸多优势，其运行过程中的热管理问题仍然是一个重要挑战，特别是在高负载和长时间运行的场景下，热损耗对电机性能的影响不容忽视。

3、在无框电机的工作过程中，涡流效应和焦耳效应会引发热量积累，导致定子和转子温度上升，进而降低电机的输出扭矩和功率。此外，绕组电阻随温度上升而增大，进一步增加了焦耳热损耗，使电机整体效率显著降低，能量利用率下降。在长期高温运行的条件下，绕组的绝缘材料会逐渐老化，导致电机内部短路的风险增加。转子和定子材料在高温下的机械性能也会下降，导致结构强度减弱，容易引发机械故障。特别是在高动态响应的人形机器人关节应用中，电机经常处于频繁启动、停止和加速的状态，这种热疲劳效应可能加速电机的老化过程。因此，解决无框电机的热损耗问题至关重要。

4、目前针对无框电机的散热方案中，风冷散热常因搭载风扇而使电机整体体积和重量剧增，液冷散热需要设计多条冷却液循环流道，当驱动系统中的电机数量较多时会大幅增加冷却液泵的功率消耗量和系统复杂性。而人形机器人往往具有多个关节模组，因此上述方法对于无框电机在人形机器人中的应用都是不利的。为了保持无框电机在长时间运行中的稳定性，急需开发一种小巧、简单、高效、便于集成的散热方案来解决热损耗问题。

技术实现思路

1、为了解决无框电机运行过程中热损耗剧烈、热疲劳严重、散热系统复杂等问题，本发明的目的在于提供一种基于多孔水凝胶的无框电机及其散热方法，通过简单的方法在电机内部制备紧贴绕组的多孔水凝胶，通过多孔水凝胶毛细力作用与冷却液相变原理实现冷却液在电机绕组与后密封壳之间的循环，并在后密封壳通过石墨烯导热带将热量传导至冷却设备，从而实现高效散热。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明包括包括前密封壳、热端水凝胶、电机转子、电机定子、内侧石墨烯导热带、冷端水凝胶、外侧石墨烯导热带和后密封壳；

4、所述电机定子的前端、后端分别安装有前密封壳、后密封壳，前密封壳、电机定子和后密封壳均呈环状，电机转子同轴心地设置在电机定子内侧，前密封壳与电机定子的一端配合嵌装形成若干个轴向分布的槽位，每个槽位内部均设有热端水凝胶，后密封壳与电机定子的另一端配合嵌装，后密封壳内在靠近电机定子后端处设有环形的冷端水凝胶，冷端水凝胶和热端水凝胶相接触，冷端水凝胶环形的内外侧分别设有内侧石墨烯导热带、外侧石墨烯导热带；

5、每个热端水凝胶上均设有一个腔体结构作为热端水凝胶内空腔，冷端水凝胶上设有若干个腔体结构，一个腔体结构作为一个冷端水凝胶内空腔，热端水凝胶内空腔与冷端水凝胶内空腔相互连通而形成散热空腔且内部装有冷却液。

6、所述电机定子包括定子铁芯和绕组，定子铁芯内侧沿周向间隔均布有多个定子槽，绕组绕制在定子铁芯定子槽间的齿上，前密封壳内侧沿周向间隔均布有多个指向后密封壳的密封插板，密封插板嵌装到定子槽的槽口处并将槽口处密封使得定子槽内形成用于安装热端水凝胶的槽位。

7、所述冷端水凝胶与每个热端水凝胶上的腔体结构正对的位置均设有一个腔体结构作为一个冷端水凝胶内空腔，一个冷端水凝胶内空腔与一个热端水凝胶内空腔相互连通而形成一个散热空腔且内部装有冷却液。

8、所述冷端水凝胶环形的内周面和内侧石墨烯导热带紧密接触，冷端水凝胶前端面和电机定子槽位内的热端水凝胶紧密接触，冷端水凝胶环形的外周面和后端面和外侧石墨烯导热带紧密接触，所述内侧石墨烯导热带、冷端水凝胶、外侧石墨烯导热带被后密封壳包覆在内并密封连接于电机定子后端面。

9、所述后密封壳侧壁设有开口，内侧石墨烯导热带和外侧石墨烯导热带通过开口向外延伸合并，伸出的部分作为石墨烯导热带外伸端并与外置散热器贴合。

10、所述无框电机整体呈环状，电机转子沿指向前密封壳或后密封壳方向连接输出轴。

11、所述热端水凝胶和冷端水凝胶均为多孔水凝胶，多孔水凝胶采用以下方法制备：

12、s1、将聚乙烯醇加入水中进行搅拌得到水凝胶前驱体；

13、s2、在水凝胶前驱体中加入纳米铜颗粒，采用超声分散器插入水凝胶前驱体中进行振动，得到固化后的水凝胶作为多孔水凝胶。

14、所述聚乙烯醇与水的质量比例为1：5～10。

15、所述纳米铜颗粒为粒径60～100nm的纳米铜颗粒，所述纳米铜颗粒与水凝胶前驱体的质量比例为1：7～9。

16、当无框电机工作时，电机定子温度升高，热端水凝胶中的冷却液受热后进行吸热汽化变为热蒸汽进而进入热端水凝胶内空腔，热蒸汽受内部气压作用从热端水凝胶内空腔流向冷端水凝胶内空腔，冷端水凝胶温度较低，热蒸汽到冷端水凝胶内空腔中受冷液化为冷凝液，并释放出吸收的热量，冷端水凝胶吸收热量，并将热量通过内侧石墨烯导热带和外侧石墨烯导热带传递给外置散热器，冷凝液被冷端水凝胶吸收受多孔水凝胶毛细力的作用从冷端水凝胶流回热端水凝胶，由此循环往复实现散热。

17、本发明的有益效果为：

18、1)通过水凝胶实现了紧贴电机热源的毛细结构的制造。电机热量产生主要在于绕组，绕组由多股线圈缠绕而成，其表面凹凸不平，因此每个绕组之间的空隙结构均不规则。若直接采用毛细热管填充在绕组之间，一方面无法做到热管表面与线圈的紧密贴合，另一方面热管外密封材料存在多余的热阻，使散热效率大打折扣；若在绕组间直接制造毛细结构，目前工业领域制造毛细结构大多采用铜粉末烧结的方法，烧结过程中的高温会损坏电机。因此，使用水凝胶制造绕组间毛细结构既实现了毛细结构和绕组的紧密贴合，又可以避免制造过程中对电机的破坏。

19、2)多孔水凝胶的导热率高且制备方法简单。目前应用较广泛的多孔水凝胶制造方法通常是将水凝胶置于真空装置内，在固化过程中通过负压将胶中的气泡抽出来实现内部孔隙的制造。而该方法固化速度慢，步骤繁琐，同时难以在多孔水凝胶中制造用于气体流动的空腔。通过本发明提出的超声振动铜颗粒法可实现微孔隙的快速制造，同时超声振动产生的热会加速水凝胶中水分的蒸发，加快固化速度。此外，多孔水凝胶中分布大量的纳米铜颗粒，可以改善水凝胶的导热性能。

20、3)本发明提出的散热方案结构简单，便于制造和集成。当一个驱动系统中有多个电机需要散热，风冷散热常因搭载风扇而使整体体积和重量剧增，液冷散热需要设计多条冷却液循环流道，增大泵的功率消耗且系统复杂，这些方法对于无框电机在人形机器人中的应用都是不利的。而本散热方案通过石墨烯导热带将热量从电机导出，在多个电机的系统中，只需将石墨烯导热带连至同一散热器，即可实现多个电机同步降温，系统简单可靠且保证了高散热性能。