Humanoide Roboter sind zu einer leuchtenden Perle auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz geworden.
In den letzten Jahren haben sich humanoide Roboter mit ihrer breiten Anwendung in vielen Bereichen wie der medizinischen Versorgung und dem Service zu einer leuchtenden Perle auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz entwickelt. Um die Entwicklung der Branche weiter voranzutreiben, haben die lokalen Regierungen Richtlinien eingeführt, um die Unterstützung für humanoide Roboter und ihre Schlüsselkomponenten zu erhöhen. In der Industriekette humanoider Roboter spielt der Hohlbechermotor eine wichtige Rolle im Bewegungssteuerungssystem des humanoiden Roboters. Beispielsweise ist die Kernkomponente der geschickten Hand des humanoiden Tesla-Roboters der Hohlbechermotor, eine einzelne Roboterbaugruppe 12 (6 für jede rechte Hand). Ziel dieses Artikels ist es, die technischen Eigenschaften, den Marktstatus und die Zukunftsaussichten von Hohlbechermotoren anhand der Forschung zu diskutieren.
Was ist Hohlbechermotor
1. Konzept und Klassifizierung des Motors
Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Es verwendet eine erregte Spule (d. h. die Statorwicklung), um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, und wird für den Rotor (z. B. einen geschlossenen Aluminiumrahmen mit Käfigläufer) verwendet, um ein magnetoelektrisches Drehmoment zu erzeugen, das die durch den Stromfluss im Magnetfeld erzeugte Kraft in eine rotierende Wirkung umwandeln soll. Das Prinzip besteht darin, das Magnetfeld zu nutzen, um den Strom so zu zwingen, dass er den Motor dreht.
Das Grundprinzip der Rotation des Motors: Um den Permanentmagneten mit rotierender Achse dreht sich 1 der Magnet (so dass ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird), 2 nach dem Prinzip der Heteropolanziehung des Nordpols und des Südpols die gleiche Polabstoßung, 3 der Magnet mit rotierender Achse dreht sich.
In einem Motor ist es tatsächlich der Strom, der durch den Draht fließt, der um ihn herum ein rotierendes Magnetfeld (Magnetkraft) erzeugt, das den Magneten in Drehung versetzt. Wenn der Draht zu einer Spule gewickelt wird, wird die magnetische Kraft synthetisiert, um einen großen magnetischen Feldfluss (magnetischen Fluss) zu bilden, der zu den Nord- und Südpolen führt. Durch das Einsetzen eines Eisenkerns in eine Drahtspule können die magnetischen Feldlinien leichter passieren und eine stärkere Magnetkraft erzeugen.
Die Struktur des Motors besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: Stator und Rotor.
Stator: der stationäre Teil des Motors, dessen Hauptstruktur den Magnetpol, die Wicklung und die Halterung umfasst. Der Magnetpol ist der Teil des Motors, der das Magnetfeld erzeugt und normalerweise aus einem Eisenkern und Spulen besteht. Die Wicklung ist die Spule im Stator, die normalerweise aus Leitern und Isolierung besteht und deren Aufgabe es ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Die Halterung ist die Stützstruktur des Stators, die normalerweise aus einer Aluminiumlegierung und anderen Materialien mit guter Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit besteht.
Rotor: Der rotierende Teil eines Motors, dessen Hauptstruktur Anker, Lager und Endkappen umfasst. Der Anker ist die Spule im Rotor, die normalerweise aus Leitern und Isolierung besteht und deren Aufgabe es ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Lager sind die Tragstruktur des Rotors, meist aus Stahl oder Keramik, mit guter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Die Endabdeckung ist die Endstruktur des Motors, die normalerweise aus einer Aluminiumlegierung und anderen Materialien besteht und eine gute Abdichtung und Festigkeit aufweist.
2, Definition und Klassifizierung des Hohlbechermotors
Dr. Der Hohlbechermotor gehört zum DC-Permanentmagnet-Servomotor. Die Motorstruktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt und besteht hauptsächlich aus Stator und Rotor. Der Stator besteht aus Siliziumstahlblech und Spulenwicklung, und das Siliziumstahlblech ohne Zahnrillenstruktur kann den Zahnrilleneffekt vermeiden und den Eisenverlust und Wirbelstromverlust reduzieren. Der Rotor besteht aus einem Permanentmagneten, einer rotierenden Welle und seinen festen Teilen, und der Motor verwendet einen Ringpermanentmagneten, der einfach zu verarbeiten und zu installieren ist.
Im Vergleich zu gewöhnlichen Motoren besteht das größte Merkmal des Rotors darin, dass er die Rotorstruktur des herkömmlichen Motors in seiner Struktur durchbricht und einen kernlosen Rotor verwendet, der auch als Hohlbecherrotor bezeichnet wird. Der Rotor ist eine hohle, becherförmige Struktur, die von Wicklungen und Magneten umgeben ist. Bei gewöhnlichen Motoren besteht die Aufgabe des Eisenkerns hauptsächlich darin, 1) das Magnetfeld zu konzentrieren und zu leiten: Der Eisenkern besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität (z. B. Siliziumstahlblech), das den Magnetfluss konzentrieren und leiten kann, wodurch die Magnetfeldstärke und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. 2) Stützwicklung: Der Eisenkern bietet eine starke Stützstruktur für die Wicklung und stellt sicher, dass die Wicklung während des Betriebs des Motors eine stabile Form und Position beibehält. Beim Hohlbechermotor wird der dünnwandige Hohlzylinder als Rotor verwendet und der Hohlzylinder ohne zusätzliche Kernunterstützung direkt in der Wicklung gewickelt. Vorteile des kernlosen Designs: 1) Eliminierung von Wirbelstrom- und Hystereseverlusten: Der Eisenkern in einem herkömmlichen Motor erzeugt Wirbelstrom- und Hystereseverluste in einem magnetischen Wechselfeld, was den Wirkungsgrad des Motors verringert. Der Hohlbechermotor verwendet einen kernlosen Rotor, der diese Verluste vollständig eliminiert und dadurch die Energieumwandlungseffizienz des Motors verbessert. 2) Reduzieren Sie Gewicht und Trägheitsmoment: Durch das kernlose Design wird das Gewicht des Rotors erheblich reduziert, wodurch der gesamte Motor leichter wird. Gleichzeitig ermöglicht die Reduzierung des Trägheitsmoments dem Motor eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit und eine höhere Beschleunigung, was für Anwendungsszenarien, die schnelles Starten und Stoppen erfordern, sehr vorteilhaft ist.
Gleichzeitig kann das präzise Design der Hohlzylinderstruktur und des Wicklungslayouts die Magnetfeldverteilung im Inneren des Hohlbechermotors optimieren, die magnetische Streuung und den Energieverlust reduzieren und die Effizienz und Leistung des Motors weiter verbessern.
Der Hohlbechermotor kann je nach Kommutierungsmodus in zwei Arten unterteilt werden: Der eine ist der Hohlbecherbürstenmotor, der den mechanischen Kohlebürsten-Kommutierungsmodus übernimmt; Der andere ist der bürstenlose Hohlbechermotor, der die Bürstenkommutierung durch eine elektronische Kommutierung ersetzt und so die beim Betrieb des Bürstenmotors entstehenden elektrischen Funken und Tonerpartikel vermeidet, den Lärm reduziert und die Lebensdauer des Motors erhöht. Aus dem Vergleich verschiedener Produkte von Mingzhi-Elektrogeräten in der folgenden Abbildung ist ersichtlich, dass im bürstenlosen Hohlbechermotor keine Bürste erforderlich ist, der Hall-Sensor jedoch das Rotormagnetfeldsignal erkennt, die mechanische Umkehr in eine elektronische Signalumkehr umwandelt und die physikalische Struktur des Hohlbechermotors weiter vereinfacht.
3, Vorteile des Hohlbechermotors
Der Hohlbechermotor durchbricht die Rotorstruktur des herkömmlichen Motors in seiner Struktur, reduziert den Leistungsverlust, der durch die Bildung von Wirbelströmen im Eisenkern verursacht wird, und seine Masse und sein Trägheitsmoment werden stark reduziert, wodurch der mechanische Energieverlust des Rotors selbst verringert wird. Zusammenfassend bietet der Hohlbechermotor die Vorteile einer hohen Leistungsdichte, einer langen Lebensdauer, einer schnellen Reaktion, eines hohen Spitzendrehmoments, einer guten Wärmeableitung usw.
Hohe Leistungsdichte: Die Leistungsdichte des Hohlbechermotors ist das Verhältnis der Ausgangsleistung zum Gewicht bzw. Volumen. Vom Gewicht her ist der kernlose Rotor leichter als der normale Kernrotor; Im Hinblick auf die Effizienz eliminiert der kernlose Rotor die durch den kernlosen Rotor erzeugten Wirbelströme und Hystereseverluste, verbessert die Effizienz des Mikromotors und sorgt für ein hohes Ausgangsdrehmoment und eine hohe Ausgangsleistung. Der maximale Wirkungsgrad der meisten Hohlbechermotoren liegt bei mehr als 80 %, während der maximale Wirkungsgrad der meisten Bürsten-Gleichstrommotoren im Allgemeinen bei etwa 50 % liegt. Durch geringeres Gewicht und höhere Effizienz erreichen Hohlbechermotoren eine höhere Leistungsdichte. Daher eignet sich der Hohlbechermotor besonders für batteriebetriebene Anwendungen, die eine lange Betriebsdauer erfordern, wie z. B. tragbare Luftprobenpumpen, humanoide Roboter, bionische Hände, handgehaltene Elektrowerkzeuge und andere Anwendungen.
Hohe Drehmomentdichte: Das kernlose Design reduziert das Gewicht des Rotors und das Trägheitsmoment, und das niedrige Trägheitsmoment bedeutet, dass der Motor schneller beschleunigen und abbremsen kann und so in kurzer Zeit mehr Drehmoment erzeugen kann; Gleichzeitig ist der Hohlbechermotor durch das Fehlen eines Eisenkerns kompakter und kleiner und kann auf begrenztem Raum ein höheres Drehmoment liefern.
Lange Lebensdauer: Die Anzahl der Umkehrteile des Hohlbechermotors verringert die Stromschwankung und die Induktivität des Motors beim Umkehren, wodurch die elektrische Korrosion des Umkehrsystems während des Umkehrvorgangs erheblich reduziert wird, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Den Daten in der „Anwendungsforschung zum kundenspezifischen Management von Hohlbechermotoren“ zufolge beträgt die Lebensdauer von Gleichstrommotoren mit Bürsten im Allgemeinen nur einige hundert Stunden, und die Lebenserwartung von Hohlbechermotoren liegt normalerweise zwischen 1000 und 3000 Stunden, was einen längeren zuverlässigen Betrieb ermöglichen kann.
Schnelle Reaktionsgeschwindigkeit: Der herkömmliche Motor hat aufgrund des Eisenkerns ein relativ großes Trägheitsmoment, während der Hohlbechermotor kompakt ist und der Rotor eine becherförmige, selbsttragende Spule ist, sodass das Gewicht geringer ist, und sein geringeres Trägheitsmoment sorgt auch dafür, dass der Hohlbechermotor über empfindliche Start-Stopp-Einstelleigenschaften verfügt. Laut dem „Forschungsfortschritt von Hohlbecher-Mikromotoren und -spulen“ beträgt die mechanische Zeitkonstante des allgemeinen Kernmotors etwa 100 ms, während die mechanische Zeitkonstante des Hohlbechermotors weniger als 28 ms und bei einigen Produkten sogar weniger als 10 ms beträgt.
Hohes Spitzendrehmoment: Das Verhältnis von Spitzendrehmoment und Dauerdrehmoment des Hohlbechermotors ist sehr groß, da der Prozess des Stromanstiegs auf die Spitzendrehmomentkonstante unverändert bleibt und die lineare Beziehung zwischen Strom und Drehmoment dazu führen kann, dass der Mikromotor ein großes Spitzendrehmoment erzeugt. Nachdem der Gleichstrommotor mit gewöhnlichem Kern die Sättigung erreicht hat, erhöht sich das Drehmoment des Gleichstrommotors nicht, unabhängig davon, ob der Strom erhöht wird.
Gute Wärmeableitung: Die Oberfläche des Hohlbecherrotors weist einen Luftstrom auf, der besser ist als die Wärmeableitungsleistung des Kernrotors. Der emaillierte Draht des Kernrotors ist in die Nut aus Siliziumstahlblech eingebettet. Der Luftstrom an der Spulenoberfläche ist geringer.
4, der technische Weg des Hohlbechermotors
Der entscheidende Schritt bei der Herstellung von Hohlbechermotoren ist die Herstellung der Spule, sodass Spulendesign und Wicklungsprozess zu den Haupthindernissen werden. Der Durchmesser, die Windungszahl und die Linearität des Drahtes wirken sich direkt auf die Kernparameter des Motors aus. Die Kernbarriere der Spulenwicklung spiegelt sich direkt im Spulendesign wider, da verschiedene Wicklungstypen Unterschiede in der Automatisierungsrate und im Kupferverbrauch aufweisen. Andererseits spiegelt sich dies auch in der Wickelausrüstung und der Wickelmethode wider, und die Füllrate der Hohlbecherrille, die von verschiedenen Wickelmaschinen gewickelt wird, ist unterschiedlich, was zu unterschiedlicher Spärlichkeit führt und sich direkt auf den Motorverlust, die Wärmeableitung, die Leistung usw. auswirkt.
Spulendesign Winkel: Das Wicklungsdesign des Hohlbechermotors kann in den Typ mit gerader Wicklung, den Typ mit schräger Wicklung und den Satteltyp unterteilt werden.
Gerade Wicklung: Der Draht der Spule verläuft parallel zur Achse des Motors und bildet eine konzentrierte Wicklungsstruktur. Die Konstruktionsidee der gerade gewickelten Spule besteht darin, zunächst den gewöhnlichen kreisförmigen Lackdraht entsprechend der Anforderung an die Anzahl der Windungen auf die Wickelmatrize zu wickeln, dann die Wicklung auf dem Kernschaft des Drahtes zu verbinden und dann das Bindemittel an beiden Enden zum Aushärten und Formen zu verwenden. Relativ gesehen erzeugt das Ende der geraden Wicklung kein Drehmoment und erhöht das Ankergewicht und den Ankerwiderstand.
Schrägwicklung: Auch als Wabenwicklung bekannt. Es wird die Wabenwickelmethode verwendet, bei der Abgriffe in der Mitte verbleiben. Um kontinuierlich wickeln zu können, ist es notwendig, die effektive Seite des Elements und die Ankerachse in einen bestimmten Neigungswinkel zu bringen. Die Endgröße dieser Wickelmethode ist klein, aber da die kontinuierliche Schrägwicklung einen bestimmten Linienwinkel erfordert, überlappt sich der Lackdraht und die Schlitzfüllrate ist gering. Im Vergleich zum Typ mit gerader Wicklung hat der geneigte Wicklungsanker keine Endwicklung, was das Ankergewicht reduziert und die Vorteile eines kleinen Trägheitsmoments, einer kleinen Zeitkonstante, guter Widerstandseigenschaften und eines großen Ausgangsdrehmoments bietet. Faulhaber in Deutschland und Portescap in der Schweiz verwenden meist Schrägwicklungen.
Satteltyp: Auch als konzentrische oder rhomboide Wicklung bekannt. Hierbei wird eine Formspule gewickelt und anschließend verdrahtet. Das heißt, der selbstklebende Lackdraht wird auf eine spezielle Formwickelmatrize gewickelt und der Ankerbecher besteht aus mehreren Formanordnungen. Beim Wickeln werden die beiden Spulenschichten sauber angeordnet und geformt, was praktisch ist, um die Größe des Ankerbechers nach der Umformung zu kontrollieren und die Schlitzfüllrate zu verbessern. Gleichzeitig weist dieses Verfahren eine hohe Produktionseffizienz auf und ist für die Massenproduktion geeignet. Das Ankerende der Sattelwicklung hat weniger überlappende Schichten, einen kleinen Luftspalt und eine hohe Ausnutzung des Permanentmagneten, was die Leistungsdichte des Motors verbessert. Einige Produkte von Maxon in der Schweiz verwenden Sattelwicklung.
Sicht des Wickelprozesses: Aus produktionstechnischer Sicht wird die Formungsmethode der Spule hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: manuelles Wickeln, Wickeln und einmalige Formungsproduktion.
1) Handaufzug. Durch eine Reihe komplexer Prozesse, einschließlich Stifteinfügung, manuelles Aufziehen, manuelle Verkabelung und andere Schritte zur Herstellung. Es eignet sich für Produkte, die ein hohes Maß an Individualisierung erfordern, die Produktionseffizienz und Produktstabilität sind jedoch begrenzt.
2) Wickelproduktionstechnologie. Bei der Wicklungsproduktionstechnologie handelt es sich um eine halbautomatische Produktion. Der Lackdraht wird zunächst nacheinander mit einem rautenförmigen Querschnitt auf die Hauptwelle gewickelt, nach Erreichen der erforderlichen Länge entfernt und dann zu einer Drahtplatte abgeflacht, und schließlich wird die Drahtplatte zu einer becherförmigen Spule gewickelt. Gemäß dem Wickelprozess „Hohlbecheranker wickeln und Ausrüstung“ kann die nächste Wickelmaschine mit 4 Arbeitern konfiguriert werden, um eine Jahresproduktion von 30.000 Einheiten zu erreichen. Die Einschränkung beim Wickeln besteht jedoch darin, dass es besser für Hohlbecherdurchmesser von 20 bis 30 mm geeignet ist. Es ist schwierig, kleinere Spulen mit einem Stufenabstand von weniger als 7 mm zu wickeln, d. h. Produkte mit einem Durchmesser von weniger als 10 bis 12 mm. Insgesamt ist die Produktionseffizienz des Wickelprozesses relativ hoch und kann den Anforderungen einer mittelgroßen Produktion gerecht werden. Allerdings führt die hohe manuelle Beteiligungsquote dazu, dass die Konsistenz des Endprodukts möglicherweise nicht so gut ist wie bei der automatisierten Produktion, und es ist schwierig, die kleinere Größe der Hohlbecherspulenwicklung zu erreichen.
3) Eine Formproduktionstechnologie. Die Wickelmaschine wird durch Automatisierungsgeräte mit einem emaillierten Draht nach der Regel einer Spindel umwickelt, die Spule wird nach dem Entfernen in einen Becher gewickelt, ein einziges Formen, keine Notwendigkeit, mehrere Prozesse zu rollen und zu glätten, hoher Automatisierungsgrad, so dass die Produktionseffizienz und die Konsistenz des Endprodukts besser sind; Die entsprechenden Vorabinvestitionen in die Ausrüstung werden jedoch höher ausfallen.
Der Wickelprozess im Ausland entwickelte sich früh, der Automatisierungsgrad ist höher als im Inland. Das Inland übernimmt hauptsächlich die Wicklungsproduktion, der Prozess ist komplizierter, die Arbeitsintensität der Arbeiter ist groß, die Spule kann nicht mit dickerem Drahtdurchmesser fertiggestellt werden und die Ausschussrate ist hoch. Im Ausland werden hauptsächlich einmalige Wickelproduktionstechnologien, ein hoher Automatisierungsgrad, eine hohe Produktionseffizienz, ein Spulendurchmesserbereich, eine gute Spulenqualität, eine enge Anordnung, Motortypen und eine gute Leistung verwendet.
Industrielle Kettenglieder und nachgelagerte Anwendungen
Dem Hohlbechermotor vorgeschaltet sind Rohstoffe und Teile, zu den Rohstoffen gehören Kupfer, Stahl, Magnetstahl, Kunststoff usw., zu den Teilen gehören Lager, Bürsten, Kommutatoren usw. Der mittlere Bereich der Industriekette sind Motorenhersteller. Das Ende der Industriekette ist das Anwendungsende, und der Hohlbechermotor zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit, stabilen Betrieb und starke Steuerung aus und erfüllt die strengen Anforderungen des High-End-Bereichs des Elektroantriebs. Daher wird er hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten, in der industriellen Automatisierung und Robotik sowie in anderen High-End-Bereichen eingesetzt. Gleichzeitig wird der Hohlbechermotor nach und nach auch im zivilen Bereich eingesetzt, beispielsweise in der Büroautomation, bei Elektrowerkzeugen usw.
Ein vielversprechender Hohlbechermotor
Der Hohlbechermotor mit seinem einzigartigen Design ohne Eisenkern weist eine hohe Geschwindigkeit, einen hohen Wirkungsgrad, ein hohes dynamisches Ansprechverhalten und andere bedeutende Vorteile auf und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten und anderen Bereichen eingesetzt. Auch die Flexibilität der humanoiden Roboterhand hat einen erheblichen Einfluss. Obwohl ausländische Unternehmen wie Maxon und Faulhaber derzeit den First-Mover-Vorteil haben, werden inländische Hohlbechermotoren mit der kontinuierlichen Verbesserung des technischen Niveaus inländischer Hersteller und der rasanten Entwicklung des Marktes für humanoide Roboter neue Entwicklungsmöglichkeiten eröffnen.
