Der Hohlbechermotor (Micro Coreless Motor) ist ein spezieller Gleichstrommotor. Traditionell Gleichstrommotoren werden häufig in der industriellen Produktion, bei Haushaltsgeräten, im Transportwesen und in anderen Bereichen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei Kernteilen, dem Stator und dem Rotor. Der stationäre Teil des Gleichstrommotors wird Stator genannt. Zu den häufig verwendeten Materialien für Statormagnete gehören Ndfeb, Samarium-Kobalt, Aluminium-Nickel-Kobalt und Ferrit. Der Teil, der sich während des Betriebs dreht, wird Rotor genannt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, ein elektromagnetisches Drehmoment und eine induzierte elektromotorische Kraft zu erzeugen. Dies ist die Nabe des Gleichstrommotors für die Energieumwandlung. Daher wird er normalerweise als Anker bezeichnet, der aus rotierender Welle, Ankerkern, Ankerwicklung, Kommutator und Lüfter besteht.
Der Hohlbechermotor durchbricht in seiner Struktur die Strukturform des herkömmlichen Gleichstrommotors, indem er einen kernlosen Rotor verwendet, und seine Ankerwicklung ist eine Hohlbecherspule, die in der Form einem Wasserbecher ähnelt, weshalb er „Hohlbechermotor“ genannt wird. Der Hohlbechermotor gehört zu den Gleichstrom-, Permanentmagnet- und Servo-Mikromotoren. Durch diese neuartige Rotorstruktur weist der Hohlbechermotor die folgenden hervorragenden Eigenschaften auf: ① Energiesparende Eigenschaften: Durch das kernlose Design wird der durch die Bildung von Wirbelströmen im Eisenkern verursachte Leistungsverlust vollständig eliminiert, und der Energieumwandlungswirkungsgrad ist sehr hoch, der maximale Wirkungsgrad beträgt im Allgemeinen mehr als 70 % und einige Produkte können mehr als 90 % erreichen (Eisenkernmotoren sind im Allgemeinen 70 %); (2) Steuereigenschaften: schnelles Starten und Bremsen, schnelle Reaktion, mechanische Zeitkonstante von weniger als 28 Millisekunden, einige Produkte können weniger als 10 Millisekunden erreichen (Kernmotoren haben im Allgemeinen mehr als 100 Millisekunden); Die Geschwindigkeit kann im Hochgeschwindigkeitsbetrieb im empfohlenen Betriebsbereich leicht feinfühlig eingestellt werden; (3) Widerstandseigenschaften: Die Betriebsstabilität ist sehr zuverlässig, die Geschwindigkeitsschwankung ist sehr gering, da es sich um einen Mikromotor handelt, dessen Geschwindigkeitsschwankung leicht innerhalb von 2 % kontrolliert werden kann; ④ Leichte Eigenschaften: Im Vergleich zum Motor mit demselben Leistungskern werden Gewicht und Volumen um 1/3-1/2 reduziert und die Energiedichte erheblich verbessert. Der zentrale Indikator des Hohlbechermotors ist die Leistungsdichte, also das Verhältnis der Ausgangsleistung zum Gewicht bzw. Volumen. Der Rotor ohne Eisenkern eliminiert Wirbelströme und Hystereseverluste am molekularen Ende und verbessert die Energieumwandlungseffizienz. Reduziertes Gewicht und Volumen am Nennerende.
Der Pinsel ist ein wichtiger Bestandteil des Bürstenmotor , verantwortlich für die Stromleitung zwischen den rotierenden Teilen und den stationären Teilen. Da sie eher aus Graphit besteht, wird sie auch Kohlebürste genannt. Bei einem gewöhnlichen Gleichstrommotor muss die Richtung des Rotorstroms in Echtzeit geändert werden, um den Rotor in Drehung zu halten. Daher müssen der Kommutator und die Kohlebürste verwendet werden. Der bürstenlose Motor hebt den mechanischen Bürstenkommutierungsmodus auf, daher muss die Rotorposition erkannt werden, um die elektronische Kommutierung abzuschließen. Es gibt zwei gängige Möglichkeiten, Rotorpositionsinformationen zu erhalten: (1) sensorloser Steuerungsmodus: Wenn der Motor läuft, wird die Rotorposition durch die vom Motor rückgekoppelte messbare Variable bestimmt; Im Positionssensor-Steuerungsmodus wird die Position des Motorrotors direkt vom Positionssensor im Motor erfasst. Häufig verwendete Positionssensoren sind Hall-Sensoren, fotoelektrische Encoder, Drehtransformatoren usw. Die Erkennungsgenauigkeit des Hall-Sensors ist nicht hoch, aber der Preis ist niedrig; Die Positionserkennung des fotoelektrischen Encoders und des Drehtransformators ist genau und der Fehler gering. Sie werden im Allgemeinen für Hochleistungssteuerungssysteme wie die Ausrichtungssteuerung des Magnetfelds und die direkte Drehmomentsteuerung verwendet.
Hohlbechermotoren können je nach Struktur in zwei Arten von Bürsten- und bürstenlosen Motoren unterteilt werden. ① Gebürsteter Hohlbechermotor (auch bekannt als kernloser Gleichstrom-Bürstenmotor, Rotor ohne Eisenkern): Die Verwendung eines mechanischen Bürstenkommutators, im Allgemeinen durch das Gehäuse, den Innenstator aus weichmagnetischem Material, den Permanentmagnetstator und die Ankerzusammensetzung des Hohlbecherrotors. Wenn der Hohlschalenbürstenmotor mit Strom versorgt wird, fließt Strom durch die Wicklung und erzeugt ein Drehmoment. Der Rotor beginnt sich zu drehen. Wenn sich der Rotor um einen bestimmten Winkel dreht, ändert die Bürste mithilfe des mechanischen Kommutators die Richtung des Stroms, sodass die Richtung des Ausgangsdrehmoments unverändert bleibt und sich der Rotor weiter dreht. Da der Hohlbecherbürstenmotor die Bürstenkommutierung nutzt, entsteht beim Betrieb des Motors eine gewisse relative Reibung, die Geräusche und elektrische Funken erzeugt und die Lebensdauer des Motors verkürzt. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „Hohlbechermotor“ im Allgemeinen auf einen Bürstenmotor. ② Bürstenloser Hohlbechermotor (auch bekannt als bürstenloser, nutenloser Gleichstrommotor, Stator ohne Eisenkern): Die Verwendung elektronischer Kommutierung, im Allgemeinen durch das Gehäuse, weichmagnetische Materialien, Isoliermaterialien und Hohlbecheranker, bestehend aus Stator und permanentmagnetischem Stahlrotor. Der bürstenlose Hohlbechermotor verbindet verschiedene Wicklungen mit dem Stromkreis, indem er das Ein- und Ausschalten elektronischer Komponenten steuert, um den Effekt einer Umkehrung zu erzielen. Durch diesen Kommutierungsmodus zeichnet sich der bürstenlose Hohlbechermotor durch hohe Effizienz, geringe Drehmomentschwankungen, hohe Lebensdauer, kompakte Struktur, einfache Wartung usw. aus.
1.2. Kernbarriere: Wickelprozess
Der Prozessablauf eines Hohlbechermotors ist komplex und die Verarbeitungsschwierigkeiten sind weitaus größer als bei einem gewöhnlichen Gleichstrom-Schlitzmotor. Am Beispiel des DC-Nutenlosmotors von Dingzhi Technology (d. h. seiner Hohlbechermotorprodukte) ist die Komplexität von der Installation der vorderen Spulenwicklung, des Mittellagers, des Dorns, des Stützrings und anderer Kernteile bis hin zur Installation der hinteren Abdeckung und der Schweißlinie für Leiterplatten usw., die fast 30 Prozesse umfasst, weitaus größer als bei gewöhnlichen DC-Nutenmotoren. Die Spulenproduktion muss den Prozess des Lackierens des Drahtes, des Wickelns, des Erhitzens, des Formens, des Abisolierens des Drahtes, des Anschließens des gemeinsamen Drahtes, der Installation der Spule usw. durchlaufen.
Unter diesen ist die Spulenherstellung einer der Kernprozesse von Hohlbechermotoren. Kernlose selbsttragende Wicklungen bestehen aus sogenanntem Lackdraht, einem isolierten Kupferdraht mit einer Außenlackierung. Im Herstellungsprozess wird der Lack benachbarter Drähte durch Druck und Temperatur miteinander verschmolzen. Durch die richtige Verklebung (Klebeband oder Glasfaser) kann die Festigkeit und Formstabilität der Wicklung weiter verbessert werden, was insbesondere bei hohen Strombelastungen wichtig ist.
Die Produktionstechnologie für Hohlbechermotorspulen wird je nach Spulenformungsmethode hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: 1) Handaufzug. Durch eine Reihe komplexer Prozesse, einschließlich Stifteinfügung, manuelles Aufziehen, manuelle Verkabelung und andere Schritte zur Herstellung. 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. Am Beispiel eines gewickelten Hohlbechers lässt sich der Herstellungsprozess grob in die folgenden Schritte unterteilen: (1) Wickeln einer Sechskantdraht-Knüppelspule: Wird auf der Schrägwickelgruppenwickelmaschine durchgeführt; ② Die blanke Drahtspule wird mit zwei Stücken geformtem, druckempfindlichen Klebeband beklebt und zum Glätten aus der Form genommen. ③ Abflachen: Die Formplatte wird in die Drahtrohlingsspule eingeführt, die Spule wird abgeflacht und dann zur Abflachungsmaschine geschickt, um sie abzuflachen und zu einem flachen Drahtrohling zu machen. Mit einem Bambusschaber formen. Schneiden Sie das überschüssige Band ab und lassen Sie nur eine Schlaufe übrig. Die Schlaufe sollte auf der leicht erhöhten Seite des flachen Strangs belassen werden, damit die Rolle eine Reihe bilden kann; ④ Spule: Der Flachdrahtrohling wird in die Spule der Hohlbecherspulenmaschine eingeführt, so dass der Drahtrohling mit dem Ende verbunden wird und das Band auf die Oberfläche des Drahtrohlingkopfes geklebt wird, um die Hohlbecherspule zu bilden. ⑤ Formgebung mit Epoxidbeschichtung: Legen Sie den Epoxidklebstoff nach der Beschichtung zum Aushärten und Formen in den Ofen. 3) Eine Formproduktionstechnologie. Die Wickelmaschine wickelt einen emaillierten Draht gesetzeskonform über die Automatisierungsausrüstung auf eine Spindel und nimmt die Spule nach dem Aufwickeln in einen Becher ab, wobei sie sich auf einmal formt, und erfordert nicht mehrere Prozesse wie Rollen und Glätten, mit einem hohen Automatisierungsgrad.
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. Der Hohlbechermotor kann je nach Wickelmethode in gerade gewickelte, sattelförmige und geneigt gewickelte Motoren unterteilt werden. Im Jahr 1958 entwickelte Dr. FF Aulhaber (von Haber) aus Deutschland die Schrägwicklungsspulenwickeltechnologie und erhielt 1965 die Patenttechnologie für die Schrägwicklung der Rotorspule des Hohlbechermotors. Deutschland, die Schweiz, Japan und andere Hohlbechermotoren haben früher im Wickelprozess umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Unter den drei führenden Hohlbechermotoren der Welt verwendet der Schweizer Maxon meist eine gerade Wickelform und eine Sattelform, während der deutsche Faulhaber und der Schweizer Portescap meist eine geneigte Wickelform verwenden. Der Prozess der geraden Wicklung ist komplizierter und wird hauptsächlich für lange Wicklungsstrukturen verwendet, die häufig aus mehreren Wicklungen bestehen. Die Sattelform kann die Spulendicke reduzieren, den magnetischen Luftspalt bei Motoren mit hoher Leistungsdichte effektiv reduzieren, die Länge des Schneidmagnetfelds erhöhen und den Statormagnetismus besser nutzen. Schrägwicklung wurde früher entwickelt, relativ einfache Wicklung, enge Verkabelung, geeignet für die Großserienfertigung.
Die Wicklung ist die wichtigste technische Hürde des Hohlbechermotors. ① Design-Link: Drei Haupttechnologien in Übersee entstanden in den 1960er Jahren, der heimische Hohlbechermotor kam erst spät auf den Markt, weniger Forschung, fehlende Kombination von Materialunterteilungsqualität, Rotorbechertyp zur Optimierung des Motors, Mangel an systematischem Vorwärtsdesign, Mangel an kundenspezifischen Anforderungen an die Konfiguration des Systemantriebsschemas und an Produktdesignfähigkeiten; ② Verarbeitungsverbindung: Im Vergleich zum herkömmlichen bürstenlosen Motor, Bürstenmotor und Servomotor gehört die Struktur des Hohlbechermotors zur zahnlosen Rillenstruktur, es gibt keine feste Rille, der gesamte Lackdraht ist aufgehängt, es gibt keine interne Unterstützung, der Prozess ist sehr schwierig und die frühe Ausbeute ist gering. Hinsichtlich der Wickelgenauigkeit sind die Präzisionsanforderungen von Hohlbechermotoren höher als die von herkömmlichen Motoren. Der Hohlbechermotor selbst ist klein und die Fehlertoleranz ist geringer als bei gewöhnlichen Permanentmagnetmotoren und Schrittmotoren, und die Verarbeitungsgenauigkeit wirkt sich direkt auf die Stabilität des Magnetfelds aus. Der Unterschied in der Drahtstärke und den Wicklungswindungen führt dazu, dass der Wicklungswiderstandswert, der Anlaufstrom, die Drehzahlkonstante und andere Motorparameter große Unterschiede aufweisen. Aus diesem Grund müssen inländische Hersteller die Präzision, Ausbeute und Automatisierung der Produktions- und Verarbeitungsverbindungen verbessern. Im Vergleich zu Übersee ist China auch bei der Wickelausrüstung relativ schwach. Wickelgeräte können in automatische und manuelle nichtautomatische Geräte unterteilt werden. Im Vergleich zu Übersee ist der Automatisierungsgrad von Wickelanlagen in China relativ gering. Zu den weltweit führenden Herstellern von Wickelgeräten gehören Meteor aus der Schweiz, Tanaka Seiki Co., Ltd. aus Japan und Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Inländische Unternehmen befinden sich in Bezug auf Ausrüstung immer noch in einem relativ leeren Zustand und kaufen mehr japanische Wickelausrüstung zu Preisen zwischen Hunderttausenden und Millionen. Zu den relativ repräsentativen Unternehmen in China gehören Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook und so weiter.
1.3 Downstream-Anwendungen: Die Eigenschaften des Hohlbechermotors bestimmen das Downstream-Anwendungsszenario
Der Hohlbechermotor gehört zum Mikromotor, und die vorgelagerten Rohstoffe ähneln den Rohstoffen des Mikromotors, einschließlich Kupfer, Stahl, Magnetstahl, Lager, Kunststoff usw. Der Hohlbechermotor wurde ursprünglich in der Luft- und Raumfahrt, dem Militär und anderen Spitzenindustrien eingesetzt. In den letzten Jahren wurde seine Anwendung schrittweise auf zivile Industrien wie medizinische Geräte, Unterhaltungselektronik, Elektrowerkzeuge, industrielle Automatisierung und andere Szenarien ausgeweitet.
Die unterschiedliche Leistung des Hohlbechermotors entspricht seiner Anwendung in verschiedenen Bereichen: 1) Aufgrund seiner geringen Größe, seines geringen Gewichts und seines großen Leistungs-Volumen-Verhältnisses eignet er sich für Bereiche mit hohen Gewichtsanforderungen, z. B. verschiedene Flugzeugtypen usw., wodurch das Gewicht des Flugzeugs minimiert werden kann. Es wird auch häufig in verschiedenen Produkten der Unterhaltungselektronik verwendet, beispielsweise in elektrischen Zahnbürsten und tragbaren elektrischen Ventilatoren. 2) Die Eigenschaften des schnellen Startens und Bremsens und der extrem schnellen Reaktion machen es für Bereiche geeignet, in denen eine schnelle automatische Steuerung erforderlich ist, wie z. B. die Richtungsanpassung von Raketen mit hohen Anforderungen an die Steuerungsleistung, die Nachverfolgung optischer Laufwerke mit hoher Geschwindigkeit, hochempfindliche Geräte, Industrieroboter usw. 3) Die Eigenschaften der hohen Energieumwandlungseffizienz und der langen Laufzeit machen es für alle Arten von Bereichen geeignet, in denen Energieeinsparung und Batterielebensdauer erforderlich sind, z. B. tragbare Instrumente und Feldarbeitsgeräte.
Humanoider Roboter eröffnet einen neuen blauen Ozean von Anwendungen für Hohlbechermotoren. Laut der neuesten Entwicklung von Optimus, einem von Tesla veröffentlichten humanoiden Roboter, verfügt jede Hand über sechs Antriebe und 11 Freiheitsgrade, zwei Antriebe für den Daumen und einen Antrieb für jeden der anderen vier Finger, und die Hand kann bis zu 20 Pfund tragen. Das Handgelenkmodul besteht hauptsächlich aus einem Hohlschalenmotor, einem Präzisions-Planetengetriebe, einer Kugelumlaufspindel und einem Sensor. Der Hohlschalenmotor ermöglicht dem Finger die Möglichkeit, sich zu bewegen, das Präzisionsplanetengetriebe ermöglicht dem Manipulator eine genauere Positionierung und einen flexibleren Einsatz, der Encoder sorgt für eine hochpräzise Positionsrückmeldung und Geschwindigkeitsrückmeldung der Hand und der Sensor ermöglicht dem Roboter eine menschenähnliche Wahrnehmungsfunktion und Reaktionsfähigkeit. Laut Musk wird die Zahl der humanoiden Roboter in Zukunft die Zahl der Menschen übersteigen und langfristig voraussichtlich die Marke von 100 Milliarden Einheiten erreichen. Der Hohlbechermotor ist mit hoher Sicherheit die gängige technische Lösung der Roboterhand. Humanoide Roboter verwenden sechs Hohlbechermotoren pro Hand. Unter Berücksichtigung der Endsituation wird erwartet, dass humanoide Roboter das Niveau von einer Milliarde Einheiten erreichen werden. Wenn die Massenproduktion humanoider Roboter landet, wird dies zu einem Umsatzwachstum der mit Hohlbechermotoren verbundenen Unternehmen führen.
