أصبحت الروبوتات البشرية لؤلؤة ساطعة في مجال الذكاء الاصطناعي.
في السنوات الأخيرة ، أصبحت الروبوتات البشرية لؤلؤة ساطعة في مجال الذكاء الاصطناعي مع تطبيقها الواسع في العديد من المجالات مثل الرعاية الطبية والخدمة. من أجل زيادة تعزيز تطوير الصناعة ، أدخلت الحكومات المحلية سياسات لزيادة دعم الروبوتات البشرية ومكوناتها الرئيسية. في سلسلة صناعة الروبوت البشرية ، يلعب محرك الكأس المجوفة دورًا مهمًا في نظام التحكم في الحركة في الروبوت البشري ، مثل المكون الأساسي في Tesla Humanoid Robot Dexterous Hand هو محرك الكأس المجوف ، وهي مجموعة روبوت واحدة 12 (6 كل اليد اليمنى). تهدف هذه الورقة إلى مناقشة الخصائص التقنية وحالة السوق والآفاق المستقبلية لمحرك الكأس المجوفة من خلال البحث.
ما هو محرك كوب جوفاء
1. مفهوم وتصنيف المحرك
المحرك الكهربائي هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. يستخدم ملفًا نشطًا (أي لف العنصر) لإنشاء مجال مغناطيسي دوار ويستخدم للدوار (مثل إطار الألمنيوم المغلق من السنجاب) لتشكيل عزم دوران مغناطيسي ، وهو تحويل القوة الناتجة عن التدفق الحالي في المجال المغناطيسي إلى عمل دوري. المبدأ هو استخدام المجال المغناطيسي لإجبار التيار على جعل المحرك يدور.
المبدأ الأساسي لدوران المحرك: حول المغناطيس الدائم مع محور دوار ، 1 تدوير المغناطيس (بحيث يتم إنشاء المجال المغناطيسي الدوار) ، 2 وفقًا لمبدأ القطب N وجذب القطب S -heteropole ، وهو نفس القطب ، و 3 سوف يدور المغناطيس مع محور دوار.
في المحرك ، يكون التيار يتدفق عبر السلك في الواقع هو الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا (قوة مغناطيسية) حوله يتسبب في تدوير المغناطيس. عندما يتم جرح السلك في لفائف ، يتم تصنيع القوة المغناطيسية لتشكيل تدفق حقل مغناطيسي كبير (تدفق مغناطيسي) ، مما يؤدي إلى أعمدة N و S. من خلال إدخال نواة حديدية في ملف من الأسلاك ، تصبح خطوط المجال المغناطيسي أسهل في المرور ويمكن أن تنتج قوة مغناطيسية أقوى.
يتكون هيكل المحرك بشكل أساسي من جزأين: الجزء الثابت والدوار.
الجزء الثابت: الجزء الثابت من المحرك ، الذي يشمل الهيكل الرئيسي له القطب المغناطيسي ، اللف والقوس. القطب المغناطيسي هو جزء من المحرك الذي يولد المجال المغناطيسي ، والذي يتكون عادة من نواة حديدية وملفات. لف الملف في الجزء الثابت ، وعادة ما يتكون من الموصلات والعزل ، الذي يهدف دوره لتوليد مجال مغناطيسي عندما يمر التيار الكهربائي عبره. القوس هو بنية الدعم للجهة الثابتة ، وعادة ما تكون مصنوعة من سبيكة الألومنيوم والمواد الأخرى ، مع مقاومة جيدة للتآكل وقوة.
الدوار: الجزء الدوار من المحرك ، يتضمن الهيكل الرئيسي التسليح والمحامل وقبعات النهاية. التسليح هو الملف في الدوار ، وعادة ما يتكون من الموصلات والعزل ، الذي يهدف دوره لتوليد مجال مغناطيسي عندما يمر التيار الكهربائي عبره. المحامل هي هيكل دعم الدوار ، وعادة ما يكون مصنوع من الصلب أو السيراميك ، مع ارتداء جيد ومقاومة للتآكل. الغطاء النهائي هو الهيكل النهائي للمحرك ، وعادة ما يكون مصنوع من سبيكة الألمنيوم والمواد الأخرى ، مع ختم جيد وقوة.
2 ، تعريف محرك الكأس المجوفة وتصنيفه
في عام 1958 ، طور Dr.ff Aulhaber تقنية ملف اللف المائل وحصل على براءة الاختراع ذات الصلة لمحرك الكأس المجوفة في عام 1965 ، مما يمثل ظهور محرك الكأس المجوفة ، وتصميمه الهيكلي الإبداعي يسمح للمحرك بأن يكون حجمًا أصغر وكفاءة أكبر. ينتمي محرك الكوب المجوف إلى محرك الأقلام الدائم DC ، ويظهر هيكل المحرك في الشكل التالي ، ويتألف بشكل أساسي من الجزء الثابت والدوار. يتكون الجزء الثابت من ورقة من الصلب السيليكون واللف لفائف ، ويمكن أن تتجنب ورقة الصلب السيليكون بدون هيكل أخدود الأسنان تأثير أخدود الأسنان وتقليل فقدان الحديد وفقدان تيار الدوامة. يتكون الدوار من مغناطيس دائم ، وعمود دوار وأجزاء ثابتة له ، ويستخدم المحرك مغناطيسًا دائم الحلقة ، يسهل معالجته وتثبيته.
بالمقارنة مع المحركات العادية ، فإن أكبر ميزة في الدوار هي أنه يخترق بنية الدوار للمحرك التقليدي في الهيكل ، ويستخدم دوار بدون نواة ، والمعروف أيضًا باسم دوار كوب جوفاء. الدوار عبارة عن هيكل مجوف على شكل كوب محاط باللفات والمغناطيس. في المحركات العادية ، يكون دور النواة الحديدية أساسًا: 1) التركيز على المجال المغناطيسي وتوجيهه: يتكون قلب الحديد من مادة ذات نفاذية مغناطيسية عالية (مثل ورقة الصلب السيليكون) ، والتي يمكن أن تركز وتوجيه التدفق المغناطيسي ، وبالتالي تحسين قوة المجال المغناطيسي وكفاءة المحرك ؛ 2) الدعم لفه: يوفر النواة الحديدية هيكل دعم قوي لللف ، مما يضمن أن اللف يحافظ على شكل مستقر وموضع أثناء تشغيل المحرك. في محرك الكوب المجوف ، يتم استخدام الأسطوانة المجوفة ذات الجدران الرقيقة كدوار ، ويتم جرح الأسطوانة المجوفة مباشرة داخل اللف دون دعم أساسي إضافي. مزايا التصميم القاسي: 1) القضاء على تيار الدوامة والخسائر التباطؤ: سوف ينتج عن قلب الحديد في محرك مشترك خسائر دوامة وتبطيف في مجال مغناطيسي بالتناوب ، مما يقلل من كفاءة المحرك. يستخدم محرك الكأس المجوفة دوارًا عديمة القدر ، والذي يزيل هذه الخسائر تمامًا ، مما يحسن كفاءة تحويل الطاقة للمحرك. 2) تقليل وزن ولحظة الجمود: التصميم الخالي من النواة يقلل بشكل كبير من وزن الدوار ، مما يجعل المحرك بالكامل أخف وزنا. في الوقت نفسه ، يتيح تقليل لحظة القصور الذاتي للمحرك أن يكون له سرعة استجابة أسرع وتسارع أعلى ، وهو مفيد للغاية لسيناريوهات التطبيق التي تتطلب بدءًا سريعًا وتوقف.
في الوقت نفسه ، يمكن للتصميم الدقيق لهيكل الأسطوانة المجوفة وتخطيط اللف إلى تحسين توزيع المجال المغناطيسي داخل محرك الكوب المجوف ، ويقلل من التسرب المغناطيسي وفقدان الطاقة ، ويزيد من تحسين كفاءة المحرك وأداء المحرك.
يمكن تقسيم محرك الكأس المجوف إلى نوعين وفقًا لوضع تخفيفه: أحدهما هو محرك فرشاة الكوب المجوف ، الذي يتبنى وضع تخفيف فرشاة الكربون الميكانيكي ؛ والآخر هو المحرك المجوف الكأس بدون فرش ، والذي يحل محل الفرشاة بالتخفيف الإلكتروني ، وتجنب شرارة الكهرباء وجزيئات الحبر المتولدة أثناء تشغيل محرك الفرشاة ، مما يقلل من الضوضاء وزيادة عمر خدمة المحرك. من مقارنة المنتجات المختلفة للأجهزة الكهربائية Mingzhi في الشكل التالي ، يمكن ملاحظة أنه لا توجد حاجة لفرشاة في محرك الكوب المجوف بدون فرش ، لكن مستشعر القاعة يكتشف إشارة المجال المغناطيسي الدوار ، ويحول الانعكاس الميكانيكي إلى انعكاس إشارة إلكترونية ، ويبسيط أيضًا الهيكل الفعلي لمحاكة الكأس المجوفة.
3 ، مزايا محرك الكأس المجوفة
يقلل محرك الكأس المجوفة عبر بنية الدوار للمحرك التقليدي في الهيكل ، ويقلل من فقدان الطاقة الناجم عن تكوين تيار الدوامة في قلب الحديد ، ويتم تقليل كتلته ولحظة الجمود إلى حد كبير ، مما يقلل من فقدان الطاقة الميكانيكية للدوار نفسه. باختصار ، يتمتع محرك الكأس المجوفة بمزايا كثافة الطاقة العالية ، وحياة الخدمة الطويلة ، والاستجابة السريعة ، وعزم الدوران الذروة العالي ، وتبديد الحرارة الجيد وما إلى ذلك.
كثافة الطاقة العالية: كثافة الطاقة لمحرك الكوب المجوف هي نسبة طاقة الخرج إلى الوزن أو الحجم. من حيث الوزن ، فإن الدوار غير النووي أخف من الدوار الأساسي العادي ؛ من حيث الكفاءة ، يزيل الدوار الخالي من فقدان تيار الدوامة والتباطري الناتج عن الدوار بلا عيب ، ويحسن كفاءة micromotor ، ويضمن عزم دوران الناتج المرتفع. أقصى كفاءة لمعظم محركات الكأس المجوفة هو أكثر من 80 ٪ ، في حين أن الحد الأقصى لفعالية معظم محركات DC الفرشاة هو حوالي 50 ٪. يتيح انخفاض الوزن والكفاءة العالية محركات الكأس المجوفة لتحقيق كثافة طاقة أعلى. لذلك ، فإن محرك الكأس المجوفة مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تعمل بالطاقة البطارية التي تتطلب فترات طويلة من التشغيل ، مثل مضخات أخذ العينات المحمولة ، والروبوتات البشرية ، والأيدي البايونية ، وأدوات الطاقة اليدوية والتطبيقات الأخرى.
كثافة عزم الدوران العالية: يقلل التصميم بلا جدوى من وزن الدوار ولحظة الجمود ، واللحظة المنخفضة من الجمود تعني أن المحرك يمكن أن يتسارع وتبطيل بشكل أسرع ، وبالتالي القدرة على توليد المزيد من عزم الدوران في وقت قصير ؛ في الوقت نفسه ، فإن عدم وجود قلب حديدي يجعل محرك الكأس المجوفة أكثر إحكاما وأصغر وقادرًا على توفير ناتج عزم الدوران أعلى في مساحة محدودة.
عمر الخدمة الطويل: إن عدد القطع العكسية لمحرك الكأس المجوف يجعل التقلبات الحالية وحث المحرك أصغر عند الانعكاس ، مما يقلل بشكل كبير من التآكل الكهربائي لنظام الانعكاس أثناء عملية الانعكاس ، حتى يكون لها حياة أطول. وفقًا للبيانات الموجودة في البحث عن إدارة مخصصة لمحركات الكأس المجوفة '، فإن عمر محركات DC المصقولة عمومًا فقط بضع مئات من الساعات ، وعادة ما يتراوح متوسط عمر محركات الكأس المجوفة بين 1000 و 3000 ساعة ، مما قد يوفر عملية موثوقة أطول.
سرعة الاستجابة السريعة: يحتوي المحرك التقليدي على لحظة كبيرة نسبيًا من الجمود بسبب وجود جوهر حديدي ، في حين أن محرك الكوب المجوف مضغوط ، والدوار هو ملف مدعوم ذاتيًا على شكل كوب ، وبالتالي فإن الوزن أخف وزناً ، ولحظةه الأصغر من القصور الذاتي أيضًا يجعل محرك الكأس المجمل خصائص تعديل حساسة للبدء. وفقًا للتقدم البحثي للمحرك المجوف والملف ، فإن الثابت في الوقت الميكانيكي للمحرك الأساسي العام هو حوالي 100 مللي ثانية ، في حين أن ثابت الوقت الميكانيكي لمحرك الكأس المجوف أقل من 28 مللي ثانية ، وبعض المنتجات أقل من 10 مللي ثانية.
عزم الدوران العالي الذروة: نسبة عزم الدوران الذروة وعزم الدوران المستمر لمحرك الكوب المجوف كبير جدًا ، لأن عملية الصعود الحالي إلى ثابت عزم الدوران لا تتغير ، ويمكن للعلاقة الخطية بين التيار وعزم الدوران أن تجعل micromotor ينتج عزم دوران كبير. بعد أن يصل محرك DC الأساسي العادي إلى التشبع ، بغض النظر عن زيادة التيار ، فإن عزم الدوران لمحرك DC لن يزداد.
تبديد الحرارة الجيد: سطح دوار الكوب المجوف يحتوي على تدفق هواء ، أفضل من أداء تبديد الحرارة للدوار الأساسي ، يتم تضمين السلك المينا للدوار الأساسي في أخدود ورقة الصلب السيليكون ، وتدفق سطح الملف للملف أقل ، وارتفاع درجة الحرارة أكبر ، في ظل ظروف إخراج الطاقة نفسها ، ارتفاع درجة حرارة محرك كوب DC أصغر.
4 ، المسار الفني لمحرك كأس جوفاء
تتمثل الخطوة الرئيسية في إنتاج محرك الكأس المجوفة في إنتاج الملف ، لذا فإن تصميم الملف وعملية التعويذة تصبح حواجز أساسية. يؤثر القطر وعدد المنعطفات وخطية السلك بشكل مباشر على المعلمات الأساسية للمحرك. ينعكس الحاجز الأساسي للف الملف مباشرة في تصميم الملف ، لأن أنواع اللف المختلفة لها اختلافات في معدل الأتمتة واستهلاك النحاس. من ناحية أخرى ، فإنه ينعكس أيضًا في معدات اللف وطريقة التعويذة ، ومعدل ملء جرح أخدود الكأس المجوفة بواسطة آلات متعرج مختلفة يختلف ، مما يؤدي إلى مختلف ، مما يؤثر بشكل مباشر على فقدان المحرك وتبديد الحرارة والطاقة وما إلى ذلك.
زاوية تصميم الملف: يمكن تقسيم التصميم المتعرج لمحرك الكوب المجوف إلى نوع متعرج مستقيم ونوع متعرج مائل ونوع السرج.
لف مستقيم: سلك الملف موازٍ لمحور المحرك ، ويشكل بنية متعرج مركزة. تتمثل فكرة تصميم ملف الجرح المستقيم أولاً في رياح الأسلاك الدائرية العادية على المموت المتعرج وفقًا لمتطلبات عدد المنعطفات ، ثم قم بتوصيل اللف على العمود الأساسي للسلك ، ثم استخدم الموسع في كلا الطرفين للعلاج والشكل. نسبيا ، لا تنتج نهاية اللف المستقيم أي عزم الدوران ، ويزيد من وزن التسليح ومقاومة المحطات.
اللف المائل: المعروف أيضًا باسم اللف العسل ، يتم استخدام طريقة لف العسل ، تاركًا الصنابير في الوسط ، من أجل أن تكون قادرة على الرياح بشكل مستمر ، من الضروري جعل الجانب الفعال من العنصر ومحور التسليح في زاوية إمالة معينة. الحجم النهائي لطريقة الارتداد هذه صغيرة ، ولكن لأن اللف المستمر المائل يتطلب زاوية خط معينة ، يتداخل الأسلاك الموسمية ، ومعدل ملء الفتحة منخفض. بالمقارنة مع نوع الجرح المستقيم ، فإن تسليح اللف لا ينتهي ، مما يقلل من وزن التسليح ، ولديه مزايا لحظة صغيرة من الجمود ، وخصائص السحب الجيدة ، وخصائص السحب الجيدة وعزم الدوران الكبير. تستخدم Faulhaber في ألمانيا و Portescap في سويسرا في الغالب اللفح المائل.
نوع السرج: المعروف أيضًا باسم اللف المركز أو الرومويد ، يتم استخدام طريقة لف لفائف الشكل ثم الأسلاك ، أي أن السلك المينا ذاتيًا غير اللصق يتم جرحه على موت متشكيل خاص ، ويتم تصنيع كوب التسليح من ترتيبات تشكيل متعددة. عند اللف ، يتم ترتيب طبقتين من الملفات بدقة وشكل ، وهو مريح للتحكم في حجم كوب التسليح بعد إعادة تشكيل وتحسين معدل ملء الفتحة. في الوقت نفسه ، تتمتع هذه الطريقة بكفاءة إنتاج عالية وهي مناسبة للإنتاج الضخم. تتميز نهاية التسليح المتعجزة بالسرج إلى طبقات متداخلة أقل ، وفجوة الهواء الصغيرة ومعدل الاستخدام العالي للمغناطيس الدائم ، مما يحسن كثافة الطاقة للمحرك. بعض منتجات Maxon في سويسرا تستخدم لف نوع السرج.
وجهة نظر عملية اللف: من وجهة نظر تكنولوجيا الإنتاج ، يتم تقسيم طريقة تشكيل الملف بشكل رئيسي إلى ثلاث فئات: الإنتاج اليدوي والتعرج وتشكيل لمرة واحدة.
1) لف اليدوي. من خلال سلسلة من العمليات المعقدة ، بما في ذلك إدخال الدبوس ، واللف اليدوي ، والأسلاك اليدوية وغيرها من الخطوات لإنتاجها. إنه مناسب للمنتجات التي تتطلب درجة عالية من التخصيص ، ولكن كفاءة الإنتاج واستقرار المنتج محدودة.
2) تعزيز تكنولوجيا الإنتاج. تقنية الإنتاج المتعرجة هي إنتاج شبه آلي ، ويتم سلك المينا أولاً بشكل متتابع إلى العمود الرئيسي مع مقطع عرضي على شكل الماس ، ويتم إزالته بعد الوصول إلى الطول المطلوب ، ثم يتم تسويته في لوحة سلك ، وأخيراً يتم جرح لوحة السلك في ملف مزور كوب. وفقًا لعملية الإنتاج والمعدات المتعلقة بمسامي الكأس المجوفة ، يمكن تكوين آلة اللف التالية مع 4 عمال لتحقيق ناتج سنوي يبلغ 30،000 وحدة ، ولكن الحد من لفه هو أنه أكثر ملاءمة لقطعة كأس من 20 إلى 30 ملمًا ، فمن الصعب أن تتراجع عن مستحضرات الصنبور أقل من 7 ملم. بشكل عام ، تكون كفاءة الإنتاج لعملية الارتفاع مرتفعة نسبيًا ، ويمكن أن تلبي متطلبات الإنتاج المتوسط. ومع ذلك ، فإن معدل المشاركة اليدوي المرتفع يؤدي إلى اتساق المنتج النهائي قد لا يكون جيدًا مثل الإنتاج الآلي ، ومن الصعب تلبية الحجم الأصغر للف لفائف الكأس المجوفة.
3) تقنية إنتاج صب واحد. ستكون آلة التعويذة عبر معدات الأتمتة سلكًا مميتًا وفقًا لحكم المغزل ، والفائف التي ترفع كوبًا بعد الإزالة ، وتلقيح واحد ، ولا حاجة إلى التداول في عمليات متعددة ، ودرجة عالية من الأتمتة ، وبالتالي فإن كفاءة الإنتاج واتساق المنتج النهائي أفضل ؛ لكن الاستثمار المقدم في المعدات مقدمًا سيكون أعلى.
تطورت عملية اللف في الخارج في وقت مبكر ، ودرجة الأتمتة أعلى من المحلية. تتبنى المنزلي بشكل أساسي إنتاج اللف ، والعملية أكثر تعقيدًا ، وكثافة العمالة للعمال كبيرة ، ولا يمكن أن تكمل الملف بقطر الأسلاك السميكة ، ومعدل الخردة مرتفع. تستخدم الدول الأجنبية تقنية إنتاج الجروح لمرة واحدة ، ودرجة عالية من الأتمتة ، وكفاءة الإنتاج العالية ، ونطاق قطر الملف ، وجودة الملف الجيد ، والترتيب الضيق ، وأنواع المحركات ، والأداء الجيد.
روابط السلسلة الصناعية وتطبيقات المصب
تشمل محرك كوب جوفاء مواد وقطع غيار ، وتشمل المواد الخام النحاس والصلب والفولاذ المغناطيسي والبلاستيك وما إلى ذلك ، وتشمل الأجزاء المحامل ، والفرش ، والركاب ، وما إلى ذلك. تتمثل نهاية السلسلة الصناعية في نهاية التطبيق ، ويحتوي محرك الكأس المجوف على خصائص الحساسية العالية ، والتشغيل المستقر والتحكم القوي ، والذي يفي بالمتطلبات الصارمة للحقل الراقي للسيارة الكهربائية ، لذلك يتم استخدامه بشكل أساسي في الفضاء والمعدات الطبية والأتمتة الصناعية والروبوتات وغيرها من الحقول المتطورة. في الوقت نفسه ، يتم تطبيق محرك الكأس المجوفة أيضًا تدريجياً في المجال المدني ، مثل أتمتة المكاتب وأدوات الطاقة وما إلى ذلك.
محرك كوب مجوف واعد
محرك كوب هولو مع تصميمه الفريد بدون جوهر حديدي ، يظهر السرعة العالية ، والكفاءة العالية ، والاستجابة الديناميكية العالية وغيرها من المزايا المهمة ، وتستخدم على نطاق واسع في الفضاء والمعدات الطبية وغيرها من الحقول ، في مرونة يد الروبوت البشري أيضا تأثير كبير. على الرغم من أن المؤسسات الخارجية مثل Maxon و Faulhaber لديها ميزة المحرك الأول في الوقت الحالي ، مع التحسين المستمر للمستوى الفني للمصنعين المحليين والتطور السريع لسوق الروبوت البشري ، فإن محركات كأس المجوفة المحلية ستدخل فرصًا جديدة للتنمية.
