Humanoide robotter er blevet en lysende perle inden for kunstig intelligens.
I de senere år er humanoide robotter blevet en lysende perle inden for kunstig intelligens med deres brede anvendelse inden for mange områder såsom medicinsk pleje og service. For yderligere at fremme udviklingen af industrien har lokale regeringer indført politikker for at øge støtten til humanoide robotter og deres nøglekomponenter. I den humanoide robotindustrikæde spiller den hule kopmotor en vigtig rolle i den humanoide robots bevægelseskontrolsystem, såsom kernekomponenten i Teslas humanoide robots fingerfærdige hånd er hulkopmotoren, en enkelt robotsamling 12 (6 hver højre hånd). Dette papir har til formål at diskutere de tekniske karakteristika, markedsstatus og fremtidsudsigter for hulkopmotor gennem forskningen.
Hvad er hul kop motor
1. Koncept og klassificering af motor
En elektrisk motor er en enhed, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. Den bruger en strømførende spole (det vil sige statorviklingen) til at generere et roterende magnetfelt og bruges til rotoren (såsom en lukket aluminiumsramme med egernbur) til at danne et magnetoelektrisk rotationsmoment, som skal konvertere kraften, der genereres af strømmen i magnetfeltet, til en roterende handling. Princippet er at bruge magnetfeltet til at tvinge strømmen til at få motoren til at rotere.
Grundprincippet for motorens rotation: rundt om permanentmagneten med en roterende akse, 1 roter magneten (sådan det roterende magnetiske felt genereres), 2 i henhold til princippet om N-polen og S-polens heteropol-attraktion, den samme polafstødning, 3 magneten med en roterende akse vil rotere.
I en motor er det faktisk strømmen, der løber gennem ledningen, der skaber et roterende magnetfelt (magnetisk kraft) omkring den, der får magneten til at rotere. Når ledningen er viklet ind i en spole, syntetiseres den magnetiske kraft til at danne en stor magnetisk feltflux (magnetisk flux), hvilket resulterer i N- og S-polerne. Ved at indsætte en jernkerne i en trådspole bliver magnetfeltlinjerne nemmere at passere igennem og kan producere en stærkere magnetisk kraft.
Motorens struktur består hovedsageligt af to dele: stator og rotor.
Stator: den stationære del af motoren, hvis hovedstruktur inkluderer den magnetiske pol, vikling og beslag. Den magnetiske pol er den del af motoren, der genererer magnetfeltet, som normalt er sammensat af en jernkerne og spoler. Viklingen er spolen i statoren, normalt sammensat af ledere og isolering, hvis rolle er at generere et magnetfelt, når en elektrisk strøm passerer gennem den. Beslaget er statorens støttestruktur, normalt lavet af aluminiumslegering og andre materialer, med god korrosionsbestandighed og styrke.
Rotor: Den roterende del af en motor, hvis hovedstruktur omfatter anker, lejer og endestykker. Armaturet er spolen i rotoren, normalt sammensat af ledere og isolering, hvis rolle er at generere et magnetfelt, når en elektrisk strøm passerer gennem det. Lejer er rotorens støttestruktur, normalt lavet af stål eller keramik, med god slid- og korrosionsbestandighed. Endedækslet er motorens endestruktur, normalt lavet af aluminiumslegering og andre materialer, med god tætning og styrke.
2, hul kop motor definition og klassificering
I 1958 udviklede Dr.FF aulhaber den skrå viklingsspoleteknologi og opnåede det relevante patent for hulkopmotoren i 1965, hvilket markerede fremkomsten af hulkopmotoren, og dens kreative strukturelle design gør det muligt for motoren at være både mindre størrelse og større effektivitet. Den hule kopmotor tilhører DC permanentmagnet servomotoren, motorstrukturen er vist i følgende figur, hovedsageligt sammensat af stator og rotor. Statoren er sammensat af siliciumstålplade og spolevikling, og siliciumstålpladen uden tandrillestruktur kan undgå tandrilleeffekten og reducere jerntab og hvirvelstrømtab. Rotoren er sammensat af en permanent magnet, en roterende aksel og dens faste dele, og motoren bruger en ring permanent magnet, som er let at behandle og installere.
Sammenlignet med almindelige motorer er det største træk ved rotoren, at den bryder gennem den traditionelle motors rotorstruktur og bruger en rotor uden kerne, også kendt som en hulkoprotor. Rotoren er en hul kopformet struktur omgivet af viklinger og magneter. I almindelige motorer er jernkernens rolle hovedsageligt: 1) koncentrere og styre magnetfeltet: Jernkernen er lavet af et materiale med høj magnetisk permeabilitet (såsom siliciumstålplade), som kan koncentrere og styre den magnetiske flux og derved forbedre den magnetiske feltstyrke og effektiviteten af motoren; 2) Støttevikling: Jernkernen giver en stærk støttestruktur til viklingen, hvilket sikrer, at viklingen bevarer en stabil form og position under driften af motoren. I hulkopmotoren bruges den tyndvæggede hulcylinder som rotoren, og hulcylinderen er viklet direkte inde i viklingen uden yderligere kernestøtte. Fordele ved kerneløst design: 1) Eliminering af hvirvelstrøms- og hysteresetab: Jernkernen i en almindelig motor vil producere hvirvelstrøms- og hysteresetab i et vekslende magnetfelt, hvilket vil reducere motorens effektivitet. Den hule kopmotor bruger en kerneløs rotor, som fuldstændigt eliminerer disse tab, og derved forbedrer motorens energiomdannelseseffektivitet. 2) Reducer vægt og inertimoment: Det kernefrie design reducerer rotorens vægt betydeligt, hvilket gør hele motoren lettere. Samtidig tillader reduktionen af inertimomentet, at motoren har en hurtigere reaktionshastighed og højere acceleration, hvilket er meget fordelagtigt for anvendelsesscenarier, der kræver hurtig start og stop.
Samtidig kan præcisionsdesignet af den hule cylinderstruktur og viklingslayoutet optimere magnetfeltfordelingen inde i den hule kopmotor, reducere den magnetiske lækage og energitab og yderligere forbedre motorens effektivitet og ydeevne.
Den hule kopmotor kan opdeles i to slags i henhold til dens kommuteringstilstand: den ene er den hule kopbørstemotor, som anvender den mekaniske kulbørstekommuteringstilstand; Den anden er den børsteløse motor med hule kop, som erstatter børstekommuteringen med elektronisk kommutering, hvilket undgår de elektriske gnister og tonerpartikler, der genereres under driften af børstemotoren, hvilket reducerer støjen og øger motorens levetid. Fra sammenligningen af forskellige produkter af Mingzhi elektriske apparater i den følgende figur, kan det ses, at der ikke er behov for en børste i den børsteløse hulkopmotor, men Hall-sensoren registrerer rotormagnetfeltsignalet, forvandler den mekaniske vending til en elektronisk signalvending og forenkler yderligere den fysiske struktur af den hule kopmotor.
3, hul kop motor fordele
Den hule kopmotor bryder gennem rotorstrukturen af den traditionelle motor i struktur, reducerer effekttabet forårsaget af dannelsen af hvirvelstrøm i jernkernen, og dens masse og inertimoment reduceres kraftigt, hvorved det mekaniske energitab af rotoren selv reduceres. Sammenfattende har den hule kopmotor fordelene ved høj effekttæthed, lang levetid, hurtig respons, højt spidsmoment, god varmeafledning og så videre.
Høj effekttæthed: Effekttætheden af den hule kopmotor er forholdet mellem udgangseffekten og vægten eller volumen. Med hensyn til vægt er ikke-kernerotoren lettere end den almindelige kernerotor; Med hensyn til effektivitet eliminerer den kerneløse rotor hvirvelstrøm og hysteresetab genereret af den kerneløse rotor, forbedrer effektiviteten af mikromotoren og sikrer højt udgangsmoment og udgangseffekt. Den maksimale virkningsgrad for de fleste hulkopmotorer er mere end 80 %, mens den maksimale virkningsgrad for de fleste børste-DC-motorer generelt er omkring 50 %. Lavere vægt og højere effektivitet gør det muligt for hulkopmotorer at opnå højere effekttæthed. Derfor er den hule kopmotor særligt velegnet til batteridrevne applikationer, der kræver lange driftsperioder, såsom bærbare luftprøveudtagningspumper, humanoide robotter, bioniske hænder, håndholdt elværktøj og andre applikationer.
Høj momenttæthed: Det kerneløse design reducerer rotorens vægt og inertimomentet, og det lave inertimoment betyder, at motoren kan accelerere og decelerere hurtigere og dermed være i stand til at generere mere moment på kort tid; Samtidig gør fraværet af en jernkerne den hule kopmotor mere kompakt, mindre og i stand til at levere højere drejningsmoment på et begrænset rum.
Lang levetid: Antallet af reverserende stykker af den hule kopmotor gør strømudsvinget og induktansen af motoren mindre ved reversering, hvilket i høj grad reducerer den elektriske korrosion af vendesystemet under reverseringsprocessen for at have en længere levetid. Ifølge dataene i 'Application Research of Customized Management of hulkopmotorer' er levetiden for børstede jævnstrømsmotorer generelt kun et par hundrede timer, og den forventede levetid for hulkopmotorer er normalt mellem 1000 og 3000 timer, hvilket kan give længere pålidelig drift.
Hurtig reaktionshastighed: Den traditionelle motor har et relativt stort inertimoment på grund af eksistensen af jernkernen, mens den hule kopmotor er kompakt, og rotoren er en kopformet selvbærende spole, så vægten er lettere, og dens mindre inertimoment gør også, at den hule kopmotor har følsomme start-stop-justeringskarakteristika. Ifølge 'Forskningsfremskridt for hul kop mikromotor og spole' er den mekaniske tidskonstant for den generelle kernemotor omkring 100ms, mens den mekaniske tidskonstant for hulkopmotoren er mindre end 28ms, og nogle produkter er endda mindre end 10ms.
Højt spidsmoment: Forholdet mellem spidsmoment og kontinuerligt drejningsmoment for den hule kopmotor er meget stort, fordi processen med strømmen, der stiger til spidsmomentkonstanten, er uændret, og det lineære forhold mellem strømmen og drejningsmomentet kan få mikromotoren til at producere et stort spidsmoment. Efter at den almindelige kerne DC-motor når mætning, uanset strømmen øges, vil DC-motorens drejningsmoment ikke stige.
God varmeafledning: overfladen af den hule koprotor har luftstrøm, bedre end kernerotorens varmeafledningsydelse, den emaljerede ledning af kernerotoren er indlejret i siliciumstålpladerillen, spolens overfladeluftstrøm er mindre, temperaturstigningen er større, under samme strømudgangsmotorforhold, er den hule temperaturkop DC-stigningen mindre.
4, den tekniske vej af hul kop motor
Nøgletrinet i produktionen af hulkopmotor er produktionen af spole, så spoledesign og viklingsproces bliver dens kernebarrierer. Diameteren, antallet af omdrejninger og lineariteten af ledningen påvirker direkte motorens kerneparametre. Kernebarrieren for spolevikling afspejles direkte i spoledesign, fordi forskellige viklingstyper har forskelle i automatiseringshastighed og kobberforbrug. På den anden side afspejles det også i viklingsudstyret og viklingsmetoden, og fyldningshastigheden af den hule koprille, der er viklet af forskellige viklingsmaskiner, er forskellig, hvilket fører til forskellig sparsomhed, der direkte påvirker motortabet, varmeafledning, strøm og så videre.
Spole design Vinkel: Vinduet design af hul kop motor kan opdeles i lige viklingstype, skrå viklingstype og sadeltype.
Lige vikling: Spolens ledning er parallel med motorens akse og danner en koncentreret viklingsstruktur. Designideen med den lige viklede spole er først at vikle den almindelige cirkulære emaljerede ledning på viklingsmatricen i henhold til kravet om antallet af omdrejninger og derefter forbinde viklingen på ledningens kerneaksel og derefter bruge bindemidlet i begge ender til at hærde og forme. Relativt set producerer enden af den lige vikling intet drejningsmoment og øger ankervægten og ankermodstanden.
Skrå vikling: også kendt som honeycomb vikling, anvendes honeycomb viklingsmetoden, der efterlader haner i midten, for at kunne vinde kontinuerligt, er det nødvendigt at lave den effektive side af elementet og ankeraksen til en vis vippevinkel. Slutstørrelsen af denne viklingsmetode er lille, men fordi den skrå vikling kontinuerlige vikling kræver en vis linievinkel, overlapper den emaljerede ledning, og spaltefyldningshastigheden er lav. Sammenlignet med den lige viklede type har det skråtstillede anker ingen endevikling, hvilket reducerer ankervægten og har fordelene ved lille inertimoment, lille tidskonstant, gode trækegenskaber og stort udgangsmoment. Faulhaber i Tyskland og Portescap i Schweiz bruger for det meste skrå vikling.
Sadeltype: også kendt som koncentrisk eller rhomboid vikling, metoden til vikling af en formet spole og derefter ledninger bruges, det vil sige, at den selvklæbende emaljerede ledning er viklet på en speciel formende viklingsmatrice, og ankerkoppen er lavet af flere formningsarrangementer. Ved vikling er de to lag af spoler arrangeret pænt og formet, hvilket er praktisk til at kontrollere størrelsen af armaturkoppen efter omformning og forbedre spaltefyldningshastigheden. Samtidig har denne metode høj produktionseffektivitet og er velegnet til masseproduktion. Den sadelviklede armaturende har færre overlappende lag, lille luftspalte og høj udnyttelsesgrad af permanent magnet, hvilket forbedrer motorens effekttæthed. Nogle produkter fra Maxon i Schweiz bruger saddel-type vikling.
Oprulningsprocessynspunkt: Fra et produktionsteknologisk synspunkt er spolens formgivningsmetode hovedsageligt opdelt i tre kategorier: manuel vikling, vikling og engangsformningsproduktion.
1) Manuel oprulning. Gennem en række komplekse processer, herunder pin indsættelse, manuel vikling, manuel ledninger og andre trin til at producere. Den er velegnet til produkter, der kræver en høj grad af tilpasning, men produktionseffektiviteten og produktstabiliteten er begrænset.
2) Vikle produktionsteknologi. Vikleproduktionsteknologien er semi-automatisk produktion, den emaljerede ledning vikles først sekventielt til hovedakslen med et diamantformet tværsnit, og den fjernes efter at have nået den nødvendige længde og derefter fladt ind i en trådplade, og til sidst vikles trådpladen ind i en kopformet spole. I henhold til produktionsprocessen og udstyr til produktion af 'opvikling af hul koparmatur' kan den næste spolemaskine konfigureres med 4 arbejdere for at opnå en årlig produktion på 30.000 enheder, men begrænsningen af opvikling er, at den er mere velegnet til en hul kopdiameter på 20-30 mm, det er vanskeligt at vikle mindre spoler med en tapafstand på mindre end 1 mm i diameter på mindre end 1 mm, mindre end 1 mm. Samlet set er produktionseffektiviteten af viklingsprocessen relativt høj, og den kan opfylde kravene til mellemskala produktion. Imidlertid fører dets høje manuelle deltagelsesrate til, at det færdige produkts konsistens måske ikke er så god som automatiseret produktion, og det er vanskeligt at opfylde den mindre størrelse af den hule kopspolevikling.
3) En støbningsproduktionsteknologi. Oprulningsmaskine gennem automatiseringsudstyr vil være en emaljeret ledning i henhold til reglen om en spindel, spole vikling i en kop efter fjernelse, en støbning, ingen grund til at rulle og flad flere processer, høj grad af automatisering, så produktionseffektiviteten og det færdige produkts konsistens er bedre; Men den tilsvarende forudgående udstyrsinvestering vil være højere.
Oversøiske viklingsproces udviklet tidligt, graden af automatisering er højere end indenlandsk. Den indenlandske hovedsagelig vedtager viklingsproduktion, processen er mere kompliceret, arbejdsintensiteten for arbejdere er stor, kan ikke fuldføre spolen med tykkere tråddiameter, og skrothastigheden er høj. Udenlandske lande bruger hovedsageligt engangsproduktionsteknologi, høj grad af automatisering, høj produktionseffektivitet, spolediameterområde, god spolekvalitet, stramt arrangement, motortyper, god ydeevne.
Industrielle kædeled og downstream-applikationer
Opstrøms for hulkopmotoren er råmaterialer og dele, råmaterialer omfatter kobber, stål, magnetisk stål, plast osv., dele omfatter lejer, børster, kommutatorer osv. Den midterste del af industrikæden er motorproducenter. Nedstrøms for den industrielle kæde er applikationsenden, og den hule kopmotor har karakteristika af høj følsomhed, stabil drift og stærk kontrol, som opfylder de strenge krav til high-end-området for elektrisk drev, så det bruges hovedsageligt i rumfart, medicinsk udstyr, industriel automation og robotteknologi og andre high-end felter. Samtidig anvendes den hule kopmotor også gradvist på det civile område, såsom kontorautomation, elværktøj og så videre.
En lovende hulkopmotor
Hul kopmotor med sit unikke design uden jernkerne, der viser høj hastighed, høj effektivitet, høj dynamisk respons og andre væsentlige fordele, meget udbredt i rumfart, medicinsk udstyr og andre områder, i den humanoide robot hånd fleksibilitet har også en betydelig indvirkning. Selvom oversøiske virksomheder som Maxon og Faulhaber har den første-mover-fordel på nuværende tidspunkt, med den kontinuerlige forbedring af det tekniske niveau hos indenlandske producenter og den hurtige udvikling af det humanoide robotmarked, vil indenlandske hulkopmotorer indvarsle nye udviklingsmuligheder.
