أصبحت الروبوتات البشرية لؤلؤة مشرقة في مجال الذكاء الاصطناعي.
في السنوات الأخيرة، أصبحت الروبوتات البشرية لؤلؤة مشرقة في مجال الذكاء الاصطناعي مع تطبيقها الواسع في العديد من المجالات مثل الرعاية والخدمات الطبية. ومن أجل مواصلة تعزيز تطوير الصناعة، أدخلت الحكومات المحلية سياسات لزيادة الدعم للروبوتات البشرية ومكوناتها الرئيسية. في سلسلة صناعة الروبوتات البشرية، يلعب محرك الكوب المجوف دورًا مهمًا في نظام التحكم في الحركة للروبوت البشري، مثل المكون الأساسي لليد البارعة لروبوت تسلا البشري هو محرك الكوب المجوف، مجموعة روبوت واحدة 12 (6 لكل يد يمنى). تهدف هذه الورقة إلى مناقشة الخصائص التقنية وحالة السوق والآفاق المستقبلية لمحرك الكوب المجوف من خلال البحث.
ما هو محرك كوب مجوف
1. مفهوم وتصنيف المحرك
المحرك الكهربائي هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. يستخدم ملفًا نشطًا (أي ملف الجزء الثابت) لتوليد مجال مغناطيسي دوار ويستخدم للدوار (مثل إطار الألومنيوم المغلق على شكل قفص سنجابي) لتشكيل عزم دوران كهربائي مغناطيسي، وهو تحويل القوة الناتجة عن التدفق الحالي في المجال المغناطيسي إلى حركة دوارة. المبدأ هو استخدام المجال المغناطيسي لإجبار التيار على دوران المحرك.
المبدأ الأساسي لتدوير المحرك: حول المغناطيس الدائم مع محور دوار، 1 قم بتدوير المغناطيس (بحيث يتم إنشاء المجال المغناطيسي الدوار)، 2 وفقًا لمبدأ الجذب غير المتجانس للقطب N والقطب S، نفس تنافر القطب، 3 سوف يدور المغناطيس ذو المحور الدوار.
في المحرك، التيار الذي يتدفق عبر السلك هو الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا (قوة مغناطيسية) حوله هو الذي يتسبب في دوران المغناطيس. عندما يتم لف السلك في ملف، يتم تصنيع القوة المغناطيسية لتكوين تدفق مجال مغناطيسي كبير (التدفق المغناطيسي)، مما يؤدي إلى ظهور القطبين N وS. عن طريق إدخال نواة حديدية في ملف من الأسلاك، يصبح مرور خطوط المجال المغناطيسي أسهل ويمكن أن تنتج قوة مغناطيسية أقوى.
يتكون هيكل المحرك بشكل أساسي من جزأين: الجزء الثابت والدوار.
الجزء الثابت: الجزء الثابت من المحرك، ويتضمن هيكله الرئيسي القطب المغناطيسي والملف والقوس. القطب المغناطيسي هو جزء المحرك الذي يولد المجال المغناطيسي، والذي يتكون عادة من قلب حديدي وملفات. الملف هو الملف الموجود في الجزء الثابت، ويتكون عادة من موصلات وعوازل، ودورها هو توليد مجال مغناطيسي عندما يمر تيار كهربائي من خلاله. الدعامة هي هيكل دعم للجزء الثابت، وعادة ما تكون مصنوعة من سبائك الألومنيوم ومواد أخرى، مع مقاومة جيدة للتآكل وقوة.
الدوار: الجزء الدوار من المحرك، ويشتمل هيكله الرئيسي على عضو الإنتاج والمحامل والأغطية الطرفية. عضو الإنتاج هو الملف الموجود في العضو الدوار، ويتكون عادةً من موصلات وعوازل، ويتمثل دورها في توليد مجال مغناطيسي عندما يمر تيار كهربائي من خلاله. المحامل هي هيكل دعم الدوار، وعادة ما تكون مصنوعة من الفولاذ أو السيراميك، مع مقاومة جيدة للتآكل والتآكل. الغطاء النهائي هو الهيكل النهائي للمحرك، وعادة ما يكون مصنوعًا من سبائك الألومنيوم ومواد أخرى، مع ختم وقوة جيدين.
2، تعريف وتصنيف محرك الكوب المجوف
في عام 1958، قام Dr.FF aulhaber بتطوير تقنية ملف اللف المائل وحصل على براءة الاختراع ذات الصلة لمحرك الكوب المجوف في عام 1965، مما يمثل ظهور محرك الكوب المجوف، كما أن تصميمه الهيكلي الإبداعي يسمح للمحرك بأن يكون أصغر حجمًا وأكثر كفاءة. ينتمي محرك الكوب المجوف إلى محرك سيرفو ذو المغناطيس الدائم DC، ويظهر هيكل المحرك في الشكل التالي، ويتكون بشكل أساسي من الجزء الثابت والدوار. يتكون الجزء الثابت من صفائح فولاذية من السيليكون ولفائف ملفوفة، ويمكن لصفائح الفولاذ السيليكونية بدون هيكل أخدود الأسنان تجنب تأثير أخدود الأسنان وتقليل فقدان الحديد وفقدان التيار الدوامي. يتكون الدوار من مغناطيس دائم، وعمود دوار وأجزائه الثابتة، ويستخدم المحرك مغناطيسًا دائمًا حلقيًا، وهو سهل المعالجة والتركيب.
بالمقارنة مع المحركات العادية، فإن أكبر ميزة للدوار هي أنه يخترق هيكل الدوار للمحرك التقليدي في الهيكل، ويستخدم دوارًا بدون قلب، يُعرف أيضًا باسم الدوار الكوب المجوف. الدوار عبارة عن هيكل مجوف على شكل كوب محاط باللفات والمغناطيس. في المحركات العادية، يتمثل دور القلب الحديدي بشكل أساسي في: 1) تركيز المجال المغناطيسي وتوجيهه: يتكون القلب الحديدي من مادة ذات نفاذية مغناطيسية عالية (مثل صفائح الفولاذ السيليكونية)، والتي يمكنها تركيز وتوجيه التدفق المغناطيسي، وبالتالي تحسين قوة المجال المغناطيسي وكفاءة المحرك؛ 2) دعم اللف: يوفر القلب الحديدي هيكل دعم قوي لللف، مما يضمن أن اللف يحافظ على شكل وموضع ثابت أثناء تشغيل المحرك. في المحرك ذو الكوب المجوف، يتم استخدام الأسطوانة المجوفة ذات الجدران الرقيقة كدوار، ويتم لف الأسطوانة المجوفة مباشرة داخل اللف دون دعم أساسي إضافي. مزايا التصميم بدون قلب: 1) القضاء على خسائر التيار الدوامي والتباطؤ: سوف ينتج القلب الحديدي في المحرك المشترك خسائر تيار إيدي والتباطؤ في مجال مغناطيسي متناوب، مما يقلل من كفاءة المحرك. يستخدم المحرك ذو الكوب المجوف دوارًا بدون قلب، والذي يزيل هذه الخسائر تمامًا، وبالتالي تحسين كفاءة تحويل الطاقة للمحرك. 2) تقليل الوزن ولحظة القصور الذاتي: التصميم الخالي من النواة يقلل بشكل كبير من وزن الدوار، مما يجعل المحرك بأكمله أخف وزنًا. في الوقت نفسه، يسمح تقليل عزم القصور الذاتي للمحرك بالحصول على سرعة استجابة أسرع وتسارع أعلى، وهو أمر مفيد جدًا لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب بدء وتوقف سريعين.
في الوقت نفسه، يمكن للتصميم الدقيق لهيكل الأسطوانة المجوفة وتخطيط اللف تحسين توزيع المجال المغناطيسي داخل محرك الكوب المجوف، وتقليل التسرب المغناطيسي وفقدان الطاقة، وزيادة تحسين كفاءة وأداء المحرك.
يمكن تقسيم محرك الكوب المجوف إلى نوعين وفقًا لوضع التبديل الخاص به: أحدهما هو محرك فرشاة الكوب المجوف، والذي يعتمد وضع تخفيف فرشاة الكربون الميكانيكية؛ والآخر هو المحرك بدون فرش ذو الكوب المجوف، والذي يستبدل تبديل الفرشاة بالتبديل الإلكتروني، وتجنب الشرارة الكهربائية وجزيئات الحبر المتولدة أثناء تشغيل محرك الفرشاة، مما يقلل الضوضاء ويزيد من عمر خدمة المحرك. من مقارنة المنتجات المختلفة لأجهزة Mingzhi الكهربائية في الشكل التالي، يمكن ملاحظة أنه ليست هناك حاجة لفرشاة في محرك الكوب المجوف بدون فرش، لكن مستشعر Hall يكتشف إشارة المجال المغناطيسي الدوار، ويحول الانعكاس الميكانيكي إلى انعكاس إشارة إلكترونية، ويزيد من تبسيط الهيكل المادي للمحرك الكوب المجوف.
3 ، مزايا محرك الكوب المجوف
يخترق محرك الكوب المجوف الهيكل الدوار للمحرك التقليدي في الهيكل، ويقلل من فقدان الطاقة الناتج عن تكوين تيار إيدي في قلب الحديد، ويتم تقليل كتلته ولحظة القصور الذاتي بشكل كبير، وبالتالي تقليل فقدان الطاقة الميكانيكية للدوار نفسه. باختصار، يتميز المحرك ذو الكوب المجوف بمزايا كثافة الطاقة العالية، وعمر الخدمة الطويل، والاستجابة السريعة، وعزم الدوران العالي، وتبديد الحرارة الجيد وما إلى ذلك.
كثافة الطاقة العالية: كثافة الطاقة للمحرك ذو الكوب المجوف هي نسبة طاقة الخرج إلى الوزن أو الحجم. من حيث الوزن، فإن الدوار غير الأساسي أخف من الدوار الأساسي العادي؛ فيما يتعلق بالكفاءة، فإن الدوار عديم القلب يزيل التيار الدوامي وفقدان التباطؤ الناتج عن الدوار عديم القلب، ويحسن كفاءة المحرك الصغير، ويضمن عزم دوران عالي وطاقة خرج عالية. تبلغ الكفاءة القصوى لمعظم المحركات ذات الأكواب المجوفة أكثر من 80%، بينما تبلغ الكفاءة القصوى لمعظم محركات التيار المستمر ذات الفرشاة حوالي 50% بشكل عام. يسمح الوزن المنخفض والكفاءة العالية للمحركات ذات الأكواب المجوفة بتحقيق كثافة طاقة أعلى. ولذلك، فإن محرك الكوب المجوف مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تعمل بالبطارية والتي تتطلب فترات تشغيل طويلة، مثل مضخات أخذ عينات الهواء المحمولة، والروبوتات البشرية، والأيدي الإلكترونية، وأدوات الطاقة المحمولة باليد وغيرها من التطبيقات.
كثافة عزم الدوران العالية: التصميم بدون قلب يقلل من وزن الدوار ولحظة القصور الذاتي، ولحظة القصور الذاتي المنخفضة تعني أن المحرك يمكنه التسارع والتباطؤ بشكل أسرع، وبالتالي يكون قادرًا على توليد المزيد من عزم الدوران في وقت قصير؛ وفي الوقت نفسه، فإن عدم وجود قلب حديدي يجعل المحرك ذو الكوب المجوف أكثر إحكاما وأصغر حجمًا وقادرًا على توفير عزم دوران أعلى في مساحة محدودة.
عمر الخدمة الطويل: إن عدد القطع العكسية للمحرك ذو الكوب المجوف يجعل التقلب الحالي وتحريض المحرك أصغر عند الرجوع، مما يقلل بشكل كبير من التآكل الكهربائي لنظام العكس أثناء عملية العكس، وذلك للحصول على عمر أطول. وفقًا للبيانات الواردة في 'بحث تطبيقي للإدارة المخصصة للمحركات ذات الأكواب المجوفة'، فإن عمر محركات التيار المستمر المصقولة يبلغ عمومًا بضع مئات من الساعات فقط، ويتراوح متوسط العمر المتوقع للمحركات ذات الأكواب المجوفة عادة بين 1000 و3000 ساعة، مما يمكن أن يوفر تشغيلًا موثوقًا لفترة أطول.
سرعة الاستجابة السريعة: يتمتع المحرك التقليدي بلحظة قصور ذاتي كبيرة نسبيًا بسبب وجود قلب حديدي، في حين أن محرك الكوب المجوف مدمج، والدوار عبارة عن ملف ذاتي الدعم على شكل كوب، وبالتالي فإن الوزن أخف، كما أن لحظة القصور الذاتي الأصغر تجعل محرك الكوب المجوف يتمتع بخصائص ضبط بدء التشغيل الحساسة. وفقًا لـ 'تقدم البحث في المحرك الصغير والملف المجوف'، يبلغ ثابت الوقت الميكانيكي للمحرك الأساسي العام حوالي 100 مللي ثانية، في حين أن ثابت الوقت الميكانيكي للمحرك ذو الكوب المجوف أقل من 28 مللي ثانية، وبعض المنتجات حتى أقل من 10 مللي ثانية.
عزم الدوران العالي: نسبة عزم الدوران الأقصى وعزم الدوران المستمر للمحرك ذو الكوب المجوف كبيرة جدًا، لأن عملية ارتفاع التيار إلى ثابت عزم الدوران الأقصى لم تتغير، والعلاقة الخطية بين التيار وعزم الدوران يمكن أن تجعل المحرك الصغير ينتج ذروة عزم دوران كبيرة. بعد أن يصل محرك DC الأساسي العادي إلى التشبع، بغض النظر عن زيادة التيار، لن يزيد عزم دوران محرك DC.
تبديد جيد للحرارة: سطح الدوار الكوب المجوف لديه تدفق هواء، أفضل من أداء تبديد الحرارة للدوار الأساسي، السلك المطلي بالمينا للدوار الأساسي مدمج في أخدود صفائح الفولاذ السيليكون، تدفق الهواء لسطح الملف أقل، ارتفاع درجة الحرارة أكبر، في ظل نفس ظروف إخراج الطاقة، ارتفاع درجة حرارة محرك DC ذو الكوب المجوف أصغر.
4، المسار الفني للمحرك ذو الكوب المجوف
الخطوة الأساسية في إنتاج محرك الكوب المجوف هي إنتاج الملف، لذلك يصبح تصميم الملف وعملية اللف هي الحواجز الأساسية. يؤثر القطر وعدد اللفات وخطية السلك بشكل مباشر على المعلمات الأساسية للمحرك. ينعكس الحاجز الأساسي لملف الملف بشكل مباشر في تصميم الملف، لأن أنواع اللف المختلفة لها اختلافات في معدل الأتمتة واستهلاك النحاس. من ناحية أخرى، ينعكس ذلك أيضًا في معدات اللف وطريقة اللف، ويختلف معدل ملء أخدود الكوب المجوف بواسطة آلات لف مختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف مختلف، مما يؤثر بشكل مباشر على فقدان المحرك، وتبديد الحرارة، والطاقة، وما إلى ذلك.
زاوية تصميم الملف: يمكن تقسيم التصميم المتعرج للمحرك ذو الكأس المجوف إلى نوع اللف المستقيم ونوع اللف المائل ونوع السرج.
اللف المستقيم: سلك الملف موازي لمحور المحرك، مما يشكل هيكل لف مركز. تتمثل فكرة تصميم الملف ذو الملف المستقيم في لف السلك المطلي بالمينا الدائري العادي أولاً على قالب اللف وفقًا لمتطلبات عدد اللفات، ثم توصيل اللف على العمود الأساسي للسلك، ثم استخدام الموثق عند كلا الطرفين للمعالجة والتشكيل. نسبيًا، نهاية الملف المستقيم لا تنتج أي عزم دوران، وتزيد من وزن عضو الإنتاج ومقاومة عضو الإنتاج.
اللف المائل: المعروف أيضًا باسم لف قرص العسل، يتم استخدام طريقة لف قرص العسل، مع ترك الصنابير في المنتصف، من أجل التمكن من اللف المستمر، من الضروري جعل الجانب الفعال للعنصر ومحور المحرك في زاوية ميل معينة. الحجم النهائي لطريقة اللف هذه صغير، ولكن نظرًا لأن اللف المستمر المائل يتطلب زاوية خط معينة، فإن السلك المطلي بالمينا يتداخل، ويكون معدل ملء الفتحة منخفضًا. بالمقارنة مع نوع الجرح المستقيم، فإن عضو الإنتاج المائل لا يحتوي على ملف نهائي، مما يقلل من وزن عضو الإنتاج، وله مزايا لحظة القصور الذاتي الصغيرة، وثبات الوقت الصغير، وخصائص السحب الجيدة وعزم دوران الإخراج الكبير. تستخدم شركة Faulhaber في ألمانيا وPortescap في سويسرا في الغالب اللف المائل.
نوع السرج: المعروف أيضًا باسم اللف متحدة المركز أو المعيني، يتم استخدام طريقة لف ملف على شكل ثم توصيل الأسلاك، أي أن السلك المطلي بالمينا ذاتي اللصق يتم لفه على قالب لف تشكيل خاص، وكوب المحرك مصنوع من ترتيبات تشكيل متعددة. عند اللف، يتم ترتيب طبقتين من الملفات بشكل أنيق، وهو أمر مناسب للتحكم في حجم كوب المحرك بعد إعادة التشكيل وتحسين معدل ملء الفتحة. وفي الوقت نفسه، تتمتع هذه الطريقة بكفاءة إنتاجية عالية ومناسبة للإنتاج الضخم. تحتوي نهاية عضو المحرك المتعرج على عدد أقل من الطبقات المتداخلة، وفجوة هوائية صغيرة، ومعدل استخدام مرتفع للمغناطيس الدائم، مما يحسن كثافة طاقة المحرك. تستخدم بعض منتجات Maxon في سويسرا لفًا من نوع السرج.
وجهة نظر عملية اللف: من وجهة نظر تكنولوجيا الإنتاج، وفقًا لطريقة تشكيل الملف، يتم تقسيم الملف بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: اللف اليدوي، واللف، وإنتاج التشكيل لمرة واحدة.
1) اللف اليدوي. من خلال سلسلة من العمليات المعقدة، بما في ذلك إدخال الدبوس، واللف اليدوي، والأسلاك اليدوية وخطوات الإنتاج الأخرى. وهي مناسبة للمنتجات التي تتطلب درجة عالية من التخصيص، ولكن كفاءة الإنتاج واستقرار المنتج محدودة.
2) لف تكنولوجيا الإنتاج. تقنية إنتاج اللف هي إنتاج شبه تلقائي، حيث يتم أولاً لف السلك المطلي بالمينا بشكل متسلسل على العمود الرئيسي بمقطع عرضي على شكل ماسي، ويتم إزالته بعد الوصول إلى الطول المطلوب، ثم يتم تسويته في لوحة سلكية، وأخيرًا يتم لف لوحة السلك في ملف على شكل كوب. وفقًا لعملية اللف 'عملية ومعدات إنتاج عضو الكوب المجوف الملتوي'، يمكن تكوين آلة اللف التالية مع 4 عمال لتحقيق إنتاج سنوي يبلغ 30.000 وحدة، ولكن قيود اللف هي أنها أكثر ملاءمة لقطر الكوب المجوف 20-30 مم، من الصعب لف ملفات أصغر مع تباعد الصنبور أقل من 7 مم، أي المنتجات التي يبلغ قطرها أقل من 10 ~ 12 مم. بشكل عام، كفاءة الإنتاج لعملية اللف عالية نسبيًا، ويمكنها تلبية متطلبات الإنتاج المتوسط الحجم. ومع ذلك، فإن معدل المشاركة اليدوية المرتفع يؤدي إلى أن المنتج النهائي قد لا يكون بنفس جودة الإنتاج الآلي، ومن الصعب تلبية الحجم الأصغر لملف الكوب المجوف.
3) تكنولوجيا إنتاج صب واحد. آلة اللف من خلال معدات التشغيل الآلي ستكون عبارة عن سلك مطلي بالمينا وفقًا لقاعدة المغزل، ولف الملف في كوب بعد الإزالة، وقولبة واحدة، ولا حاجة إلى لف وتسطيح عمليات متعددة، ودرجة عالية من الأتمتة، وبالتالي فإن كفاءة الإنتاج واتساق المنتج النهائي أفضل؛ لكن الاستثمار في المعدات الأولية المقابلة سيكون أعلى.
تم تطوير عملية اللف في الخارج مبكرًا، ودرجة الأتمتة أعلى من المحلية. يعتمد الإنتاج المحلي بشكل أساسي على إنتاج اللف، والعملية أكثر تعقيدًا، وكثافة اليد العاملة للعمال كبيرة، ولا يمكن إكمال الملف بقطر سلك أكثر سمكًا، ومعدل الخردة مرتفع. تستخدم الدول الأجنبية بشكل أساسي تكنولوجيا إنتاج الجروح لمرة واحدة، ودرجة عالية من الأتمتة، وكفاءة إنتاج عالية، ونطاق قطر الملف، وجودة ملف جيدة، وترتيب محكم، وأنواع المحركات، والأداء الجيد.
روابط السلسلة الصناعية والتطبيقات النهائية
الجزء العلوي من محرك الكوب المجوف هو المواد الخام والأجزاء، وتشمل المواد الخام النحاس والصلب والفولاذ المغناطيسي والبلاستيك وما إلى ذلك، وتشمل الأجزاء المحامل والفرش والمبدلات وما إلى ذلك. الروافد الوسطى للسلسلة الصناعية هي الشركات المصنعة للمحركات. الجزء السفلي من السلسلة الصناعية هو نهاية التطبيق، ويتميز محرك الكوب المجوف بخصائص الحساسية العالية والتشغيل المستقر والتحكم القوي، والذي يلبي المتطلبات الصارمة للمجال المتطور للمحرك الكهربائي، لذلك فهو يستخدم بشكل رئيسي في الفضاء الجوي والمعدات الطبية والأتمتة الصناعية والروبوتات وغيرها من المجالات المتطورة. في الوقت نفسه، يتم أيضًا تطبيق محرك الكوب المجوف تدريجيًا في المجال المدني، مثل أتمتة المكاتب والأدوات الكهربائية وما إلى ذلك.
محرك كوب مجوف واعد
محرك الكوب المجوف بتصميمه الفريد بدون قلب حديدي، يُظهر السرعة العالية والكفاءة العالية والاستجابة الديناميكية العالية وغيرها من المزايا المهمة، ويستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والمعدات الطبية وغيرها من المجالات، كما أن مرونة يد الروبوت البشري لها تأثير كبير أيضًا. على الرغم من أن الشركات الخارجية مثل Maxon وFauhaber تتمتع بميزة المحرك الأول في الوقت الحاضر، مع التحسين المستمر للمستوى الفني للمصنعين المحليين والتطور السريع لسوق الروبوتات البشرية، فإن المحركات ذات الأكواب المجوفة المحلية ستفتح فرص تطوير جديدة.
