Humanoidní roboti se stali zářivou perlou na poli umělé inteligence.
Humanoidní roboti se v posledních letech stali zářivou perlou na poli umělé inteligence se svým širokým uplatněním v mnoha oborech jako je lékařská péče a služby. S cílem dále podporovat rozvoj tohoto odvětví zavedly místní vlády politiku na zvýšení podpory humanoidních robotů a jejich klíčových komponent. V průmyslovém řetězci humanoidních robotů hraje dutý pohárový motor důležitou roli v systému řízení pohybu humanoidního robota, jako je základní součást obratné ruky humanoidního robota Tesla je dutý pohárkový motor, jedna robotická sestava 12 (6 každá pravá ruka). Tento článek si klade za cíl diskutovat o technických charakteristikách, stavu trhu a budoucích vyhlídkách motoru s dutým hrncem prostřednictvím výzkumu.
co je motor s dutým pohárem
1. Pojem a klasifikace motoru
Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Využívá napájenou cívku (tj. vinutí statoru) ke generování rotujícího magnetického pole a používá se pro rotor (jako je uzavřený hliníkový rám v kleci nakrátko) k vytvoření magnetoelektrického rotačního momentu, který má přeměnit sílu generovanou tokem proudu v magnetickém poli na rotační akci. Princip spočívá ve využití magnetického pole k vynucení proudu, aby se motor otáčel.
Základní princip rotace motoru: kolem permanentního magnetu s rotující osou, 1 rotovat magnetem (tak, aby bylo generováno rotující magnetické pole), 2 podle principu přitahování heteropólu N pólu a S pólu, stejné odpuzování pólů, 3 magnet s rotující osou se bude otáčet.
V motoru je to vlastně proud procházející drátem, který kolem něj vytváří rotující magnetické pole (magnetickou sílu), které způsobuje otáčení magnetu. Když je drát navinut do cívky, magnetická síla je syntetizována tak, aby vytvořila velký tok magnetického pole (magnetický tok), jehož výsledkem jsou póly N a S. Vložením železného jádra do cívky drátu se magnetické siločáry stanou snáze průchodné a mohou produkovat silnější magnetickou sílu.
Konstrukce motoru se skládá převážně ze dvou částí: statoru a rotoru.
Stator: stacionární část motoru, jejíž hlavní konstrukce obsahuje magnetický pól, vinutí a držák. Magnetický pól je část motoru, která generuje magnetické pole, které se obvykle skládá z železného jádra a cívek. Vinutí je cívka ve statoru, obvykle složená z vodičů a izolace, jejímž úkolem je generovat magnetické pole, když jím prochází elektrický proud. Držák je nosná konstrukce statoru, obvykle vyrobená z hliníkové slitiny a jiných materiálů, s dobrou odolností proti korozi a pevností.
Rotor: Rotační část motoru, jejíž hlavní konstrukce zahrnuje kotvu, ložiska a koncové víka. Kotva je cívka v rotoru, obvykle složená z vodičů a izolace, jejímž úkolem je generovat magnetické pole, když jí prochází elektrický proud. Ložiska jsou nosnou konstrukcí rotoru, obvykle vyrobena z oceli nebo keramiky, s dobrou odolností proti opotřebení a korozi. Koncový kryt je koncová konstrukce motoru, obvykle vyrobená z hliníkové slitiny a jiných materiálů, s dobrým těsněním a pevností.
2, dutý pohár motoru definice a klasifikace
V roce 1958 vyvinul Dr.FF aulhaber technologii šikmé cívky a v roce 1965 získal příslušný patent na motor s dutou miskou, což znamenalo nástup motoru s dutou miskou a jeho kreativní konstrukční design umožňuje motoru mít menší rozměry a vyšší účinnost. Motor s dutým hrncem patří ke stejnosměrnému servomotoru s permanentními magnety, struktura motoru je znázorněna na následujícím obrázku, složený převážně ze statoru a rotoru. Stator se skládá z plechu z křemíkové oceli a vinutí cívky a plech z křemíkové oceli bez struktury drážky zubu může zabránit efektu drážky zubu a snížit ztráty železa a ztráty vířivými proudy. Rotor se skládá z permanentního magnetu, rotačního hřídele a jeho pevných částí a motor využívá prstencový permanentní magnet, který se snadno zpracovává a instaluje.
Ve srovnání s běžnými motory je největší vlastností rotoru to, že svou konstrukcí proráží strukturu rotoru tradičního motoru a používá rotor bez jádra, také známý jako rotor s dutou miskou. Rotor je dutá konstrukce ve tvaru misky obklopená vinutími a magnety. V běžných motorech je role železného jádra hlavně: 1) koncentrovat a vést magnetické pole: železné jádro je vyrobeno z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou (jako je plech z křemíkové oceli), který dokáže koncentrovat a vést magnetický tok, čímž se zlepšuje síla magnetického pole a účinnost motoru; 2) Nosné vinutí: Železné jádro poskytuje silnou nosnou konstrukci pro vinutí a zajišťuje, že vinutí si během provozu motoru udržuje stabilní tvar a polohu. V motoru s dutým hrncem je tenkostěnný dutý válec použit jako rotor a dutý válec je navíjen přímo uvnitř vinutí bez dodatečné podpory jádra. Výhody bezjádrového provedení: 1) Eliminace ztrát vířivými proudy a hystereze: Železné jádro v běžném motoru bude produkovat vířivé proudy a hysterezní ztráty ve střídavém magnetickém poli, což sníží účinnost motoru. Motor s dutým hrncem využívá bezjádrový rotor, který zcela eliminuje tyto ztráty, čímž zlepšuje účinnost přeměny energie motoru. 2) Snížení hmotnosti a momentu setrvačnosti: konstrukce bez jádra výrazně snižuje hmotnost rotoru, díky čemuž je celý motor lehčí. Snížení momentu setrvačnosti zároveň umožňuje motoru rychlejší odezvu a vyšší zrychlení, což je velmi výhodné pro scénáře aplikací, které vyžadují rychlý start a zastavení.
Současně může přesný design struktury dutého válce a uspořádání vinutí optimalizovat rozložení magnetického pole uvnitř motoru s dutým pohárem, snížit magnetický únik a ztráty energie a dále zlepšit účinnost a výkon motoru.
Motor s dutým pohárkem lze rozdělit do dvou druhů podle jeho komutačního režimu: jedním je motor s dutým pohárkem, který využívá režim komutace mechanického uhlíkového kartáče; Druhým je bezkomutátorový motor s dutým hrncem, který nahrazuje komutaci kartáče elektronickou komutací, zabraňuje elektrické jiskře a částicím toneru vznikajícím během provozu motoru kartáče, snižuje hluk a zvyšuje životnost motoru. Z porovnání různých produktů elektrospotřebičů Mingzhi na následujícím obrázku je vidět, že v bezkomutátorovém motoru s dutým pohárkem není potřeba kartáč, ale Hallův senzor detekuje signál magnetického pole rotoru, přemění mechanickou reverzaci na elektronickou reverzaci signálu a dále zjednodušuje fyzickou strukturu motoru s dutou miskou.
3, výhody dutého motoru
Motor s dutou miskou proráží strukturu rotoru tradiční konstrukce motoru, snižuje ztrátu výkonu způsobenou tvorbou vířivých proudů v železném jádru a jeho hmotnost a moment setrvačnosti jsou značně sníženy, čímž se snižují ztráty mechanické energie samotného rotoru. Stručně řečeno, motor s dutým hrncem má výhody vysoké hustoty výkonu, dlouhé životnosti, rychlé odezvy, vysokého špičkového točivého momentu, dobrého odvodu tepla a tak dále.
Vysoká hustota výkonu: Hustota výkonu motoru s dutým pohárem je poměr výstupního výkonu k hmotnosti nebo objemu. Z hlediska hmotnosti je rotor bez jádra lehčí než rotor s běžným jádrem; Pokud jde o účinnost, bezjádrový rotor eliminuje vířivé proudy a ztráty hystereze generované bezjádrovým rotorem, zlepšuje účinnost mikromotoru a zajišťuje vysoký výstupní točivý moment a výstupní výkon. Maximální účinnost většiny motorů s dutou miskou je více než 80 %, zatímco maximální účinnost většiny kartáčových stejnosměrných motorů je obecně kolem 50 %. Nižší hmotnost a vyšší účinnost umožňují motorům s dutým pohárem dosáhnout vyšší hustoty výkonu. Proto je motor s dutým hrncem zvláště vhodný pro aplikace napájené bateriemi, které vyžadují dlouhou dobu provozu, jako jsou přenosná čerpadla pro odběr vzorků vzduchu, humanoidní roboti, bionické ruce, ruční elektrické nářadí a další aplikace.
Vysoká hustota točivého momentu: konstrukce bez jádra snižuje hmotnost rotoru a moment setrvačnosti a nízký moment setrvačnosti znamená, že motor může rychleji zrychlovat a zpomalovat, a tak je schopen generovat více točivého momentu v krátkém čase; Současně absence železného jádra činí motor s dutým hrncem kompaktnějším, menším a schopným poskytovat vyšší točivý moment v omezeném prostoru.
Dlouhá životnost: Počet otočných kusů motoru s dutou miskou snižuje kolísání proudu a indukčnost motoru při reverzaci, což výrazně snižuje elektrickou korozi reverzního systému během procesu reverzace, takže má delší životnost. Podle údajů v 'Aplikačním výzkumu přizpůsobeného řízení motorů s dutou miskou' je životnost kartáčovaných stejnosměrných motorů obecně jen několik stovek hodin a očekávaná životnost motorů s dutou miskou je obvykle mezi 1000 a 3000 hodin, což může zajistit delší spolehlivý provoz.
Vysoká rychlost odezvy: tradiční motor má relativně velký moment setrvačnosti díky existenci železného jádra, zatímco motor s dutou miskou je kompaktní a rotor je samonosná cívka ve tvaru misky, takže hmotnost je lehčí a díky menšímu momentu setrvačnosti má motor s dutou miskou také citlivé charakteristiky nastavení start-stop. Podle 'Pokroku výzkumu mikromotoru a cívky s dutou miskou' je mechanická časová konstanta motoru s obecným jádrem asi 100 ms, zatímco mechanická časová konstanta motoru s dutou miskou je menší než 28 ms a některé produkty jsou dokonce menší než 10 ms.
Vysoký špičkový točivý moment: Poměr špičkového točivého momentu a trvalého točivého momentu motoru s dutou miskou je velmi velký, protože proces nárůstu proudu na konstantu špičkového točivého momentu se nemění a lineární vztah mezi proudem a točivým momentem může způsobit, že mikromotor produkuje velký špičkový točivý moment. Poté, co běžný stejnosměrný motor s jádrem dosáhne nasycení, bez ohledu na to, jak se zvýší proud, točivý moment stejnosměrného motoru se nezvýší.
Dobrý odvod tepla: povrch dutého miskovitého rotoru má proudění vzduchu, lepší než odvod tepla jádrového rotoru, smaltovaný drát jádrového rotoru je zapuštěn v drážce plechu z křemíkové oceli, proudění vzduchu na povrchu cívky je menší, nárůst teploty je větší, za stejných podmínek výkonu je nárůst teploty stejnosměrného motoru s dutým hrncem menší.
4, technická cesta motoru s dutým pohárem
Klíčovým krokem při výrobě motoru s dutou miskou je výroba cívky, takže její hlavní bariérou se stávají konstrukce cívky a proces navíjení. Průměr, počet závitů a linearita drátu přímo ovlivňují parametry jádra motoru. Hlavní bariéra vinutí cívky se přímo odráží v konstrukci cívky, protože různé typy vinutí mají rozdíly v rychlosti automatizace a spotřebě mědi. Na druhé straně se to také odráží v navíjecím zařízení a metodě navíjení a rychlost plnění duté miskovité drážky navinuté různými navíjecími stroji je různá, což vede k různým řídkým, přímo ovlivňujícím ztrátám motoru, odvodu tepla, výkonu atd.
Konstrukce cívky Úhel: Konstrukce vinutí motoru s dutou miskou lze rozdělit na typ s přímým vinutím, typ šikmého vinutí a typ sedla.
Přímé vinutí: Drát cívky je rovnoběžný s osou motoru a tvoří koncentrovanou strukturu vinutí. Konstrukční myšlenkou přímo vinuté cívky je nejprve navinout obyčejný kruhový smaltovaný drát na navíjecí matrici podle požadavku na počet závitů a poté připojit vinutí na hřídel jádra drátu a poté použít pojivo na obou koncích k vytvrzení a tvarování. Relativně řečeno, konec přímého vinutí nevytváří žádný točivý moment a zvyšuje hmotnost kotvy a odpor kotvy.
Šikmé navíjení: známé také jako voštinové navíjení, používá se metoda voštinového navíjení s ponecháním kohoutků uprostřed, aby bylo možné plynule navíjet, je nutné udělat účinnou stranu prvku a osu kotvy do určitého úhlu náklonu. Koncová velikost tohoto způsobu vinutí je malá, ale protože kontinuální vinutí se šikmým vinutím vyžaduje určitý úhel čáry, smaltovaný drát se překrývá a rychlost plnění štěrbiny je nízká. Ve srovnání s typem s přímým vinutím nemá kotva se šikmým vinutím žádné koncové vinutí, což snižuje hmotnost kotvy a má výhody malého momentu setrvačnosti, malé časové konstanty, dobrých vlastností odporu a velkého výstupního točivého momentu. Faulhaber v Německu a Portescap ve Švýcarsku většinou používají šikmé vinutí.
Sedlový typ: také známý jako soustředné nebo kosočtverečné vinutí, používá se metoda navíjení tvarované cívky a následného zapojení, to znamená, že samolepicí smaltovaný drát je navinut na speciální tvarovací navíjecí matrici a miska kotvy je vyrobena z více tvarových uspořádání. Při navíjení jsou dvě vrstvy cívek uspořádány úhledně a tvarovány, což je vhodné pro kontrolu velikosti misky kotvy po přetváření a zlepšení rychlosti plnění štěrbiny. Zároveň má tato metoda vysokou efektivitu výroby a je vhodná pro hromadnou výrobu. Konec kotvy sedlového vinutí má méně překrývajících se vrstev, malou vzduchovou mezeru a vysokou míru využití permanentního magnetu, což zlepšuje hustotu výkonu motoru. Některé výrobky společnosti Maxon ve Švýcarsku používají vinutí sedlového typu.
Z hlediska procesu navíjení: Z hlediska technologie výroby se svitek podle způsobu tváření dělí především do tří kategorií: ruční navíjení, navíjení a výroba jednorázového tváření.
1) Ruční navíjení. Prostřednictvím řady složitých procesů, včetně vkládání kolíků, ručního navíjení, ručního zapojení a dalších kroků k výrobě. Je vhodný pro produkty vyžadující vysoký stupeň přizpůsobení, ale efektivita výroby a stabilita produktu jsou omezené.
2) Technologie výroby vinutí. Technologie výroby vinutí je poloautomatická výroba, smaltovaný drát je nejprve postupně navíjen na hlavní hřídel s kosočtvercovým průřezem a po dosažení požadované délky je odstraněn a následně zploštěn do drátěného plátu a nakonec je drátěný plát navinut do miskovité cívky. Podle procesu navíjení 'výrobního procesu a zařízení navíjecí duté misky' může být další navíjecí stroj konfigurován se 4 pracovníky, aby bylo dosaženo ročního výkonu 30 000 jednotek, ale omezení navíjení je, že je vhodnější pro průměr dutého pohárku 20-30 mm, je obtížné navíjet menší cívky s roztečí závitů, která je menší než 2 mm s průměrem 10 až 2 mm s průměrem 7 mm. Celkově je výrobní účinnost procesu navíjení poměrně vysoká a může splňovat požadavky středně velké výroby. Jeho vysoká míra ručního zapojení však vede k tomu, že konzistence hotového produktu nemusí být tak dobrá jako automatizovaná výroba a je obtížné splnit menší velikost vinutí duté misky.
3) Technologie výroby jedné formy. Navíjecí stroj přes automatizační zařízení bude smaltovaný drát podle pravidla vřetena, navíjení cívky do šálku po odstranění, jeden výlisek, není třeba válet a vyrovnávat více procesů, vysoký stupeň automatizace, takže efektivita výroby a konzistence hotového výrobku jsou lepší; Ale odpovídající počáteční investice do vybavení bude vyšší.
Zámořský proces navíjení se vyvinul brzy, stupeň automatizace je vyšší než domácí. Domácí převážně přijímají výrobu vinutí, proces je složitější, pracovní náročnost pracovníků je velká, nemůže dokončit cívku se silnějším průměrem drátu a míra šrotu je vysoká. Zahraniční země používají hlavně jednorázovou technologii výroby vinutí, vysoký stupeň automatizace, vysokou efektivitu výroby, rozsah průměrů cívek, dobrou kvalitu cívek, těsné uspořádání, typy motorů, dobrý výkon.
Průmyslové řetězové články a následné aplikace
Před motorem s dutým hrncem jsou suroviny a díly, mezi suroviny patří měď, ocel, magnetická ocel, plast atd., díly zahrnují ložiska, kartáče, komutátory atd. Střední tah průmyslového řetězce tvoří výrobci motorů. Po proudu průmyslového řetězce je aplikační konec a motor s dutým hrncem má vlastnosti vysoké citlivosti, stabilního provozu a silného ovládání, které splňuje přísné požadavky špičkové oblasti elektrického pohonu, takže se používá hlavně v letectví, lékařském vybavení, průmyslové automatizaci a robotice a dalších špičkových oborech. Současně se motor s dutým hrncem postupně uplatňuje také v civilní oblasti, jako je kancelářská automatizace, elektrické nářadí a tak dále.
Slibný motor s dutým pohárem
Dutý hrncový motor se svou jedinečnou konstrukcí bez železného jádra, vykazující vysokou rychlost, vysokou účinnost, vysokou dynamickou odezvu a další významné výhody, široce používaný v letectví, lékařském vybavení a dalších oborech, v humanoidním robotu má také významný vliv flexibilita ruky. Přestože zámořské podniky, jako jsou Maxon a Faulhaber, mají v současnosti výhodu prvního tahu, s neustálým zlepšováním technické úrovně domácích výrobců a rychlým rozvojem trhu s humanoidními roboty přinesou domácí motory s dutým pohárem nové možnosti vývoje.
