محرك الكوب المجوف (محرك Micro coreless) هو محرك DC خاص. تقليدي يستخدم محرك DC على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي والأجهزة المنزلية والنقل وغيرها من المجالات، ويتألف من جزأين أساسيين من الجزء الثابت والدوار، ويسمى الجزء الثابت من محرك DC الجزء الثابت، والدور الرئيسي للجزء الثابت هو توليد مجال مغناطيسي، يتكون من الإطار، القطب المغناطيسي الرئيسي، القطب العكسي، غطاء النهاية، جهاز المحمل والفرشاة. تشمل المواد المغناطيسية الثابتة شائعة الاستخدام ندفيب وكوبالت السماريوم وكوبالت نيكل الألومنيوم والفريت. الجزء الذي يدور أثناء التشغيل يسمى الدوار، ودوره الرئيسي هو إنتاج عزم الدوران الكهرومغناطيسي والقوة الدافعة الكهربائية المستحثة، وهو محور محرك التيار المستمر لتحويل الطاقة، لذلك يطلق عليه عادةً عضو الإنتاج، والذي يتكون من عمود دوار، قلب عضو الإنتاج، ملف عضو الإنتاج، عاكس التيار والمروحة.
يخترق محرك الكوب المجوف الشكل الهيكلي لمحرك DC التقليدي من حيث الهيكل، باستخدام دوار بدون قلب، ولف عضو الإنتاج الخاص به عبارة عن ملف كوب مجوف، يشبه في الشكل كوب الماء، لذلك يطلق عليه 'محرك الكوب المجوف'. محرك الكوب المجوف ينتمي إلى محرك DC، المغناطيس الدائم، محرك سيرفو الصغير. هذا الهيكل الدوار الجديد يجعل محرك الكوب المجوف يتمتع بالخصائص الممتازة التالية: ① خصائص توفير الطاقة: التصميم الخالي من النواة يزيل تمامًا فقدان الطاقة الناتج عن تكوين تيارات دوامية في قلب الحديد، وكفاءة تحويل الطاقة عالية جدًا، والحد الأقصى للكفاءة بشكل عام أكثر من 70٪، ويمكن أن تصل بعض المنتجات إلى أكثر من 90٪ (المحركات الأساسية الحديدية بشكل عام 70٪)؛ (2) خصائص التحكم: التشغيل السريع والكبح، الاستجابة السريعة، ثابت الوقت الميكانيكي أقل من 28 مللي ثانية، يمكن أن تصل بعض المنتجات إلى أقل من 10 مللي ثانية (المحركات الأساسية بشكل عام أكثر من 100 مللي ثانية)؛ يمكن تعديل السرعة بسهولة وحساسية في ظل حالة التشغيل عالية السرعة في منطقة التشغيل الموصى بها؛ (3) خصائص السحب: استقرار التشغيل موثوق به للغاية، وتقلب السرعة صغير جدًا، كمحرك صغير، يمكن التحكم في تقلب سرعته بسهولة في حدود 2%؛ ④ خصائص خفيفة الوزن: بالمقارنة مع نفس المحرك الأساسي للطاقة، يتم تقليل وزنه وحجمه بمقدار 1/3-1/2، ويتم تحسين كثافة الطاقة بشكل كبير. المؤشر الأساسي للمحرك ذو الكوب المجوف هو كثافة الطاقة، أي نسبة طاقة الخرج إلى الوزن أو الحجم. يعمل الدوار الذي لا يحتوي على قلب حديدي على التخلص من التيار الدوامي وفقدان التباطؤ في الطرف الجزيئي ويحسن كفاءة تحويل الطاقة. انخفاض الوزن والحجم في نهاية المقام.
الفرشاة هي عنصر مهم في محرك مصقول ، مسؤول عن توصيل التيار بين الأجزاء الدوارة والأجزاء الثابتة. لأنها مصنوعة أكثر من الجرافيت، وتسمى أيضًا فرشاة الكربون. في محرك التيار المستمر العادي، من أجل الحفاظ على دوران الدوار، يجب تغيير اتجاه تيار الدوار في الوقت الفعلي، لذلك يجب استخدام العاكس وفرشاة الكربون. يقوم المحرك بدون فرش بإلغاء وضع تبديل الفرشاة الميكانيكية، لذلك يجب اكتشاف موضع الدوار لإكمال التبديل الإلكتروني. هناك طريقتان شائعتان للحصول على معلومات موضع الدوار: (1) وضع التحكم بدون مستشعر، عندما يكون المحرك قيد التشغيل، يتم تحديد موضع الدوار بواسطة المتغير القابل للقياس الذي يغذيه المحرك؛ وضع التحكم في مستشعر الموضع، يتم اكتشاف موضع دوار المحرك مباشرة بواسطة مستشعر الموضع داخل المحرك. أجهزة استشعار الموضع شائعة الاستخدام هي أجهزة استشعار القاعة وأجهزة التشفير الكهروضوئية والمحولات الدوارة وما إلى ذلك. دقة الكشف عن مستشعر القاعة ليست عالية، ولكن السعر منخفض؛ إن التشفير الكهروضوئي واكتشاف موضع المحول الدوار دقيق والخطأ صغير، ويستخدمان بشكل عام في أنظمة التحكم عالية الأداء، مثل التحكم في اتجاه المجال المغناطيسي والتحكم المباشر في عزم الدوران.
يمكن تقسيم محرك الكوب المجوف وفقًا لهيكله إلى نوعين من الفرشاة والفرش. ① محرك الكوب المجوف المصقول (المعروف أيضًا باسم المحرك بدون قلب DC المصقول، الدوار بدون قلب حديدي): استخدام مبدل الفرشاة الميكانيكية، بشكل عام عن طريق الصدفة، الجزء الثابت الداخلي من مادة مغناطيسية ناعمة، الجزء الثابت ذو المغناطيس الدائم، تكوين عضو المحرك الدوار ذو الكوب المجوف. عندما يتم تنشيط محرك فرشاة الكوب المجوف، يمر اللف بالتيار من خلاله، ويولد عزم الدوران، ويبدأ الدوار في التدوير، إذا تحول الدوار إلى زاوية معينة، تستخدم الفرشاة العاكس الميكانيكي لتغيير اتجاه التيار، بحيث لا يتغير اتجاه عزم الدوران الناتج، ويستمر الدوار في التدوير. نظرًا لأن محرك فرشاة الكوب المجوف يستخدم تخفيف الفرشاة، فهناك احتكاك نسبي معين أثناء تشغيل المحرك، مما يؤدي إلى إنتاج ضوضاء وشرارة كهربائية وتقليل عمر خدمة المحرك. بشكل عام، يشير 'محرك الكوب المجوف' المحلي عمومًا إلى محرك الفرشاة؛ ② محرك الكوب المجوف بدون فرش (المعروف أيضًا باسم محرك الكوب بدون فرش بدون فتحة DC، الجزء الثابت بدون قلب حديدي): استخدام التخفيف الإلكتروني، بشكل عام عن طريق القشرة، والمواد المغناطيسية الناعمة، والمواد العازلة وعضو الكوب المجوف المكون من الجزء الثابت والدوار الفولاذي المغناطيسي الدائم. يقوم المحرك بدون فرش ذو الكوب المجوف بتوصيل اللفات المختلفة بالدائرة عن طريق التحكم في تشغيل وإيقاف المكونات الإلكترونية لتحقيق تأثير العكس. وضع التبديل هذا يجعل المحرك بدون فرش ذو الكوب المجوف يتمتع بخصائص الكفاءة العالية، وتقلب عزم الدوران الصغير، وعمر الخدمة العالي، والهيكل المدمج، وسهولة الصيانة وما إلى ذلك.
1.2. الحاجز الأساسي: عملية اللف
إن تدفق العملية للمحرك ذو الكوب المجوف معقد، وصعوبة المعالجة أكبر بكثير من تلك الخاصة بمحرك DC العادي. بأخذ محرك DC بدون فتحات لتكنولوجيا Dingzhi (أي منتجات محرك الكوب المجوف) كمثال، من لف الملف الأمامي، المحمل الأوسط، الشياق، حلقة الدعم وتركيب الأجزاء الأساسية الأخرى، إلى تركيب الغطاء الخلفي وخط لحام لوحة الدائرة، وما إلى ذلك، والتي تتضمن ما يقرب من 30 عملية، التعقيد هو أكثر بكثير من محركات DC العادية ذات الشقوق. يحتاج إنتاج اللفائف إلى المرور بعملية الأسلاك المطلية بالمينا - اللف - التشكيل بالتسخين - تجريد الأسلاك، توصيل السلك المشترك - تركيب الملف وما إلى ذلك.
من بينها، يعد تصنيع الملف أحد العمليات الأساسية لمحرك الكوب المجوف. اللفات ذاتية الدعم بدون قلب مصنوعة مما يسمى بالسلك المطلي بالمينا، وهو سلك نحاسي معزول مع طبقة من الطلاء من الخارج. في عملية التصنيع، يتم دمج طلاء الأسلاك المتجاورة معًا عن طريق الضغط ودرجة الحرارة. يمكن أن يؤدي الربط الصحيح (الشريط أو الألياف الزجاجية) إلى تحسين قوة واستقرار شكل الملف، وهو أمر مهم بشكل خاص في ظل الأحمال الحالية العالية.
تنقسم تكنولوجيا إنتاج لفائف المحرك ذات الكوب المجوف بشكل أساسي إلى ثلاث فئات وفقًا لطريقة تشكيل الملف: 1) اللف اليدوي. من خلال سلسلة من العمليات المعقدة، بما في ذلك إدخال الدبوس، واللف اليدوي، والأسلاك اليدوية وخطوات الإنتاج الأخرى. 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. بأخذ الكوب المجوف الملتوي كمثال، يمكن تقسيم عملية التصنيع بشكل تقريبي إلى الخطوات التالية: (1) لف ملف البليت السلك السداسي: يتم تنفيذه على آلة لف مجموعة اللف المائلة؛ ② يتم لصق ملف السلك الفارغ بقطعتين من الشريط الحساس للضغط، ويتم تسويته؛ ③ التسطيح: يتم إدخال لوحة الشكل في ملف السلك الفارغ، ويتم تسطيح الملف، ثم يتم إرسالها إلى آلة التسطيح لتسطيح وتصبح سلكًا مسطحًا فارغًا. شكل باستخدام مكشطة الخيزران. قم بقطع الشريط الزائد، مع ترك وصلة وصل واحدة فقط، ويجب ترك وصلة الجر على الجانب المرتفع قليلاً من الشريط المسطح، بحيث يمكن للبكرة أن تشكل صفًا؛ ④ الملف: يتم تغذية السلك المسطح الفارغ في ملف آلة لفائف الكوب المجوف، بحيث يتم توصيل السلك الفارغ بالنهاية، ويتم لصق الشريط على سطح رأس السلك الفارغ ليصبح ملف الكوب المجوف؛ ⑤ طلاء تشكيل الإيبوكسي: بعد طلاء لاصق الإيبوكسي، ضعه في الفرن للمعالجة والتشكيل. 3) تكنولوجيا إنتاج صب واحد. تقوم آلة اللف بلف سلك مطلي بالمينا إلى مغزل حسب القانون من خلال معدات التشغيل الآلي، وتنزع الملف بعد لفه في كوب، وتشكل في وقت واحد، ولا تحتاج إلى عمليات متعددة مثل الدرفلة والتسطيح، مع درجة عالية من التشغيل الآلي.
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. يمكن تقسيم محرك الكوب المجوف إلى جرح مستقيم وشكل سرج وجرح مائل وفقًا لطريقة اللف. في عام 1958، قام الدكتور إف إف أولهابر (فون هابر) من ألمانيا بتطوير تقنية لف لفائف اللف المائلة، وحصل على براءة اختراع تكنولوجيا اللف المائل للملف الدوار لمحرك الكوب المجوف في عام 1965. وقد اكتسبت ألمانيا وسويسرا واليابان وغيرها من دول تطوير محرك الكوب المجوف في وقت سابق، في عملية اللف خبرة غنية. من بين المحركات الثلاثة الرائدة في العالم، يستخدم Swiss Maxon في الغالب شكل الجرح المستقيم وشكل السرج، ويستخدم Faulhaber الألماني وSwiss Portescap في الغالب شكل الجرح المائل. تعتبر عملية اللف المستقيم أكثر تعقيدًا، وتستخدم في الغالب لهياكل اللف الطويلة، وغالبًا ما تكون مصنوعة من لفات متعددة. يمكن لشكل السرج أن يقلل من سماكة الملف، ويقلل فجوة الهواء المغناطيسية بشكل فعال على المحرك عالي الكثافة للطاقة، ويزيد من طول قطع المجال المغناطيسي، والاستفادة بشكل أفضل من مغناطيسية الجزء الثابت؛ تم تطوير اللف المائل في وقت سابق، وهو عبارة عن لف بسيط نسبيًا، وأسلاك ضيقة، ومناسبة لإنتاج كميات كبيرة.
اللف هو الحاجز التقني الأساسي لمحرك الكوب المجوف. ① رابط التصميم: ثلاث تقنيات رئيسية في الخارج نشأت في الستينيات، بدأ محرك الكوب المجوف المحلي في وقت متأخر، وأبحاث أقل، وعدم وجود مزيج من درجة تقسيم المواد، ونوع الكوب الدوار لتحسين المحرك، والافتقار إلى التصميم الأمامي المنهجي، والافتقار إلى المتطلبات المخصصة لتكوين مخطط محرك النظام وقدرات تصميم المنتج؛ ② رابط المعالجة: بالمقارنة مع المحرك التقليدي بدون فرش، ومحرك الفرشاة، ومحرك مؤازر، فإن هيكل محرك الكوب المجوف ينتمي إلى هيكل الأخدود بلا أسنان، ولا يوجد أخدود ثابت، وجميع الأسلاك المطلية بالمينا معلقة، ولا يوجد دعم داخلي، إنها صعبة للغاية في العملية، والعائد المبكر منخفض. من حيث دقة اللف، فإن متطلبات الدقة للمحركات ذات الأكواب المجوفة أعلى من متطلبات المحركات التقليدية. محرك الكوب المجوف نفسه صغير الحجم، والتسامح مع الخطأ أقل من محرك المغناطيس الدائم العادي ومحركات السائر، وتؤثر دقة المعالجة بشكل مباشر على استقرار المجال المغناطيسي. إن الاختلاف في سمك السلك ودورات اللف يجعل قيمة مقاومة اللف وتيار البدء وثبات السرعة ومعلمات المحرك الأخرى لها اختلافات كبيرة. ولهذا السبب، يحتاج المصنعون المحليون إلى تحسين الدقة والإنتاجية والأتمتة في روابط الإنتاج والمعالجة. بالمقارنة مع الخارج، فإن الصين أيضًا ضعيفة نسبيًا من حيث معدات اللف. يمكن تقسيم معدات اللف إلى معدات أوتوماتيكية ويدوية وغير أوتوماتيكية. بالمقارنة مع الخارج، فإن درجة أتمتة معدات اللف في الصين منخفضة نسبيًا. تشمل الشركات المصنعة الرائدة عالميًا لمعدات اللف شركة Meteor of Switzerland، وشركة Tanaka Seiki Co., Ltd. اليابانية، وشركة Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. لا تزال الشركات المحلية في حالة شاغرة نسبيًا من حيث المعدات، وتقوم بشراء المزيد من معدات اللف اليابانية، بأسعار تتراوح من مئات الآلاف إلى الملايين. الشركات الممثلة نسبيًا في الصين تشمل Zhongspecial Technology، Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD.، Qinlian Technology، Kunshan Cook وما إلى ذلك.
1.3 التطبيقات النهائية: تحدد خصائص محرك الكوب المجوف سيناريو التطبيق النهائي
ينتمي محرك الكوب المجوف إلى المحرك الصغير، والمواد الخام الأولية تشبه المواد الخام للمحرك الصغير، بما في ذلك النحاس والفولاذ والفولاذ المغناطيسي والمحامل والبلاستيك وما إلى ذلك. تم استخدام محرك الكوب المجوف في الأصل في الطيران والفضاء والصناعات العسكرية وغيرها من الصناعات المتطورة، في السنوات الأخيرة، توسع تطبيقه تدريجيًا ليشمل الصناعات المدنية، مثل الأجهزة الطبية والإلكترونيات الاستهلاكية وأدوات الطاقة والأتمتة الصناعية وسيناريوهات أخرى.
يتوافق الأداء المختلف للمحرك ذو الكوب المجوف مع تطبيقه في مجالات مختلفة: 1) خصائص الحجم الصغير، الوزن الخفيف، ونسبة الطاقة الكبيرة إلى الحجم تجعله مناسبًا للمناطق ذات متطلبات الوزن العالي، مثل الأنواع المختلفة من الطائرات، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تقلل من وزن الطائرة؛ كما أنها تستخدم على نطاق واسع في مختلف المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية، مثل فرشاة الأسنان الكهربائية والمراوح الكهربائية المحمولة. 2) خصائص التشغيل السريع والكبح والاستجابة السريعة للغاية تجعلها مناسبة للمناطق التي تحتاج إلى تحقيق تحكم تلقائي سريع، مثل تعديل اتجاه الصاروخ مع متطلبات أداء التحكم العالي، ومتابعة محرك الأقراص الضوئية عالي السرعة، والمعدات الحساسة للغاية، والروبوتات الصناعية، وما إلى ذلك. 3) خصائص كفاءة تحويل الطاقة العالية ووقت التشغيل الطويل تجعلها مناسبة لجميع أنواع المجالات التي تتطلب توفير الطاقة وعمر البطارية، مثل الأدوات المحمولة ومعدات العمل الميداني.
يفتح الروبوت البشري محيطًا أزرق جديدًا من تطبيقات محرك الكوب المجوف. ووفقا لأحدث تطورات أوبتيموس، وهو روبوت ذو شكل بشري أطلقته شركة تيسلا، تشتمل كل يد على ستة محركات و11 درجة من الحرية، ومحركين للإبهام ومحرك واحد لكل من الأصابع الأربعة الأخرى، ويمكن لليد أن تحمل ما يصل إلى 20 رطلا. تتكون وحدة المفصل اليدوي بشكل أساسي من محرك ذو كوب مجوف، ومخفض كوكبي دقيق، ولولب كروي، وجهاز استشعار. يمكّن محرك الكوب المجوف الإصبع من القدرة على الحركة، ويمكّن صندوق التروس الكوكبي الدقيق المناول من تحديد موضعه بشكل أكثر دقة واستخدام أكثر مرونة، ويوفر المشفر ردود فعل عالية الدقة للموضع وردود فعل سريعة لليد، ويمكّن المستشعر الروبوت من الحصول على وظيفة إدراكية وقدرة على التفاعل تشبه الإنسان. وبحسب ماسك، فإن عدد الروبوتات البشرية في المستقبل سيتجاوز عدد البشر، ومن المتوقع أن يصل إلى مستوى 100 مليار وحدة على المدى الطويل. محرك الكوب المجوف هو الحل التقني السائد ليد الروبوت بدرجة عالية من اليقين. تستخدم الروبوتات البشرية 6 محركات ذات أكواب مجوفة لكل يد، مع الأخذ في الاعتبار الوضع النهائي، من المتوقع أن تصل الروبوتات التي تشبه البشر إلى مستوى مليار وحدة، إذا كان الإنتاج الضخم لهبوط الروبوتات البشرية، سيسحب نمو إيرادات المؤسسات ذات الصلة بمحركات الأكواب المجوفة.
