Los robots humanoides se han convertido en una perla brillante en el campo de la inteligencia artificial.
En los últimos años, los robots humanoides se han convertido en una perla brillante en el campo de la inteligencia artificial con su amplia aplicación en muchos campos, como la atención médica y el servicio. Para promover aún más el desarrollo de la industria, los gobiernos locales han introducido políticas para aumentar el apoyo a los robots humanoides y sus componentes clave. En la cadena de la industria del robot humanoide, el motor de la copa hueca juega un papel importante en el sistema de control de movimiento del robot humanoide, como el componente central de la mano del robot humanoide Tesla es el motor de la copa hueca, un solo robot ensamblaje 12 (6 cada mano derecha). Este documento tiene como objetivo discutir las características técnicas, el estado del mercado y las perspectivas futuras del motor de la copa hueca a través de la investigación.
Qué es motor de copa hueca
1. Concepto y clasificación del motor
Un motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Utiliza una bobina energizada (es decir, el devanado del estator) para generar un campo magnético giratorio y se usa para el rotor (como un marco de aluminio cerrado de la jaula ardilla) para formar un torque rotacional magnetoeléctrico, que es convertir la fuerza generada por el flujo de corriente en el campo magnético en una acción giratoria. El principio es usar el campo magnético para obligar a la corriente a que el motor gire.
El principio básico de la rotación del motor: alrededor del imán permanente con un eje giratorio, 1 gire el imán (de modo que se genera el campo magnético giratorio), 2 según el principio del polo n y la atracción heteropole del polo S, la misma repulsión del polo, 3 el imán con un eje giratorio girará.
En un motor, en realidad es la corriente que fluye a través del cable que crea un campo magnético giratorio (fuerza magnética) a su alrededor que hace que el imán gire. Cuando el cable se enrolla en una bobina, la fuerza magnética se sintetiza para formar un gran flujo de campo magnético (flujo magnético), lo que resulta en los polos N y S. Al insertar un núcleo de hierro en una bobina de alambre, las líneas de campo magnético se vuelven más fáciles de pasar y pueden producir una fuerza magnética más fuerte.
La estructura del motor se compone principalmente de dos partes: estator y rotor.
Estator: la parte estacionaria del motor, cuya estructura principal incluye el polo magnético, el devanado y el soporte. El polo magnético es la parte del motor que genera el campo magnético, que generalmente se compone de un núcleo de hierro y bobinas. El devanado es la bobina en el estator, generalmente compuesta por conductores y aislamiento, cuyo papel es generar un campo magnético cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. El soporte es la estructura de soporte del estator, generalmente hecha de aleación de aluminio y otros materiales, con buena resistencia y resistencia de corrosión.
Rotor: la parte giratoria de un motor, cuya estructura principal incluye armadura, rodamientos y tapas finales. La armadura es la bobina en el rotor, generalmente compuesta por conductores y aislamiento, cuyo papel es generar un campo magnético cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Los rodamientos son la estructura de soporte del rotor, generalmente hecha de acero o cerámica, con buen desgaste y resistencia a la corrosión. La cubierta final es la estructura final del motor, generalmente hecha de aleación de aluminio y otros materiales, con buen sellado y resistencia.
2, definición y clasificación del motor de la copa hueca
En 1958, el Dr.FF Aulhaber desarrolló la tecnología de bobina de devanado inclinada y obtuvo la patente relevante para el motor de la copa hueca en 1965, marcando el advenimiento del motor de la copa hueca, y su diseño estructural creativo permite que el motor sea tanto de menor tamaño como mayor eficiencia. El motor de copa hueca pertenece al servomotor de servomagro de imán permanente de CC, la estructura del motor se muestra en la siguiente figura, compuesta principalmente de estator y rotor. El estator está compuesto por la lámina de acero de silicio y el devanado de la bobina, y la lámina de acero de silicio sin estructura de la ranura del diente puede evitar el efecto de la ranura del diente y reducir la pérdida de hierro y la pérdida de corriente de remolino. El rotor está compuesto por un imán permanente, un eje giratorio y sus piezas fijas, y el motor usa un imán permanente de anillo, que es fácil de procesar e instalar.
En comparación con los motores ordinarios, la característica más importante del rotor es que se rompe a través de la estructura del rotor del motor tradicional en la estructura, y utiliza un rotor de no núcleo, también conocido como rotor de copa hueca. El rotor es una estructura en forma de copa hueca rodeada de devanados e imanes. En los motores ordinarios, el papel del núcleo de hierro es principalmente: 1) concentrarse y guiar el campo magnético: el núcleo de hierro está hecho de un material con alta permeabilidad magnética (como la lámina de acero de silicio), que puede concentrarse y guiar el flujo magnético, mejorando así la resistencia al campo magnético y la eficiencia del motor; 2) Bobinado de soporte: el núcleo de hierro proporciona una fuerte estructura de soporte para el devanado, asegurando que el devanado mantenga una forma y posición estables durante la operación del motor. En el motor de la copa hueca, el cilindro hueco de paredes delgadas se usa como rotor, y el cilindro hueco se enrolla directamente dentro del devanado sin soporte de núcleo adicional. Ventajas del diseño sin núcleo: 1) Eliminación de las pérdidas de corriente deult e histéresis: el núcleo de hierro en un motor común producirá pérdidas de corriente deult e histéresis en un campo magnético alterno, lo que reducirá la eficiencia del motor. El motor de la copa hueca utiliza un rotor sin correos, que elimina por completo estas pérdidas, mejorando así la eficiencia de conversión de energía del motor. 2) Reduzca el peso y el momento de la inercia: el diseño sin núcleo reduce significativamente el peso del rotor, lo que hace que todo el motor sea más ligero. Al mismo tiempo, la reducción del momento de la inercia permite que el motor tenga una velocidad de respuesta más rápida y una mayor aceleración, lo cual es muy beneficioso para los escenarios de aplicación que requieren arranque rápido y parada.
Al mismo tiempo, el diseño de precisión de la estructura del cilindro hueco y el diseño del devanado pueden optimizar la distribución del campo magnético dentro del motor de copa hueca, reducir la fuga magnética y la pérdida de energía, y mejorar aún más la eficiencia y el rendimiento del motor.
El motor de la copa hueca se puede dividir en dos tipos de acuerdo con su modo de conmutación: uno es el motor de cepillo de copa hueca, que adopta el modo de conmutación de cepillo de carbono mecánico; El otro es el motor sin escobillas huecas, que reemplaza la conmutación del cepillo con conmutación electrónica, evitando la chispa eléctrica y las partículas de tóner generadas durante la operación del motor del cepillo, reduciendo el ruido y aumentando la vida útil del motor. A partir de la comparación de diferentes productos de los electrodomésticos de Mingzhi en la siguiente figura, se puede ver que no hay necesidad de un cepillo en el motor de copa hueca sin escobillas, pero el sensor del salón detecta la señal de campo magnético del rotor, convierte la inversión mecánica en una inversión de señal electrónica y simplifica aún más la estructura física del motor de la copa de hueco.
3, ventajas de motor de taza hueca
El motor de copa hueca se rompe a través de la estructura del rotor del motor tradicional en la estructura, reduce la pérdida de potencia causada por la formación de la corriente de Foucault en el núcleo de hierro, y su masa y momento de inercia se reducen considerablemente, reduciendo así la pérdida de energía mecánica del rotor en sí. En resumen, el motor de la copa hueca tiene las ventajas de alta densidad de potencia, larga vida útil, respuesta rápida, torque máximo, buena disipación de calor, etc.
Densidad de alta potencia: la densidad de potencia del motor de copa hueca es la relación de la potencia de salida al peso o volumen. En términos de peso, el rotor no es más ligero que el rotor de núcleo ordinario; En términos de eficiencia, el rotor sin núcleo elimina la corriente de remolino y la pérdida de histéresis generada por el rotor sin núcleo, mejora la eficiencia del micromotor y garantiza un alto par de salida y potencia de salida. La máxima eficiencia de la mayoría de los motores de copa hueca es más del 80%, mientras que la eficiencia máxima de la mayoría de los motores de CC de cepillo es generalmente de alrededor del 50%. Un menor peso y una mayor eficiencia permiten que los motores de copa hueca logren una mayor densidad de potencia. Por lo tanto, el motor Hollow Cup es particularmente adecuado para aplicaciones con batería que requieren largos períodos de operación, como bombas de muestreo de aire portátiles, robots humanoides, manos biónicas, herramientas eléctricas de mano y otras aplicaciones.
Alta densidad de par: el diseño sin correos reduce el peso del rotor y el momento de la inercia, y el bajo momento de inercia significa que el motor puede acelerarse y desacelerarse más rápido, lo que puede generar más torque en poco tiempo; Al mismo tiempo, la ausencia de un núcleo de hierro hace que el motor de copa hueca sea más compacto, más pequeño y capaz de proporcionar una mayor salida de par en un espacio limitado.
Vida útil larga: el número de piezas de inversión del motor de copa hueca hace que la fluctuación actual y la inductancia del motor sean más pequeñas al revertir, reduciendo en gran medida la corrosión eléctrica del sistema de inversión durante el proceso de inversión, para tener una vida más larga. Según los datos en la 'investigación de la aplicación de la gestión personalizada de los motores de la copa hueca', la vida de los motores de CC cepillados generalmente es de solo unos pocos cientos de horas, y la esperanza de vida de los motores de copa hueca suele ser entre 1000 y 3000 horas, lo que puede proporcionar una operación más larga confiable.
Velocidad de respuesta rápida: el motor tradicional tiene un momento relativamente grande de inercia debido a la existencia del núcleo de hierro, mientras que el motor de la copa hueca es compacta, y el rotor es una bobina de auto soporte en forma de taza, por lo que el peso es más ligero, y su momento de inercia más pequeño también hace que el motor de la copa hueca tenga características sensibles de ajuste de inicio. Según el 'progreso de la investigación del micro motor y la bobina de la copa hueca', la constante de tiempo mecánica del motor de núcleo general es de aproximadamente 100 ms, mientras que la constante de tiempo mecánica del motor de copa hueca es inferior a 28 ms, y algunos productos son incluso inferiores a 10 ms.
Alto torque máximo: la relación de torque máximo y par continuo del motor de copa hueca es muy grande, porque el proceso de corriente que se eleva a la constante de torque máximo no cambia, y la relación lineal entre la corriente y el torque puede hacer que el micromotor produzca un par máximo grande. Después de que el centro de CC del núcleo ordinario alcanza la saturación, sin importar que la corriente aumente, el par del motor de CC no aumentará.
Buena disipación de calor: la superficie del rotor de la copa hueca tiene flujo de aire, mejor que el rendimiento de disipación de calor del rotor del núcleo, el cable esmaltado del rotor del núcleo está incrustado en el surco de la lámina de acero de silicio, el flujo de aire de la superficie de la bobina es menor, el aumento de la temperatura es más grande, bajo las condiciones de salida de potencia de la potencia, el aumento de la temperatura del motor de la taza de copa hollow es menor.
4, el camino técnico del motor de la copa hueca
El paso clave en la producción de motores de copa hueca es la producción de bobina, por lo que el diseño de la bobina y el proceso de devanado se convierten en sus barreras centrales. El diámetro, el número de giros y la linealidad del cable afectan directamente los parámetros centrales del motor. La barrera central del devanado de la bobina se refleja directamente en el diseño de la bobina, porque los diferentes tipos de devanado tienen diferencias en la tasa de automatización y el consumo de cobre. Por otro lado, también se refleja en el equipo de devanado y el método de devanado, y la velocidad de llenado de la ranura de la copa hueca herida por diferentes maquinaria de devanado es diferente, lo que conduce a diferentes escasas, afectando directamente la pérdida del motor, la disipación de calor, la potencia, etc.
Ángulo de diseño de la bobina: el diseño de devanado del motor de la copa hueca se puede dividir en el tipo de devanado recto, el tipo de devanado oblicuo y el tipo de silla de montar.
Devanado recto: el alambre de la bobina es paralelo al eje del motor, formando una estructura de devanado concentrada. La idea de diseño de la bobina enrollada es primero enrollar el alambre de esmalte circular ordinario sobre el troquel de devanado de acuerdo con el requisito de la cantidad de giros, y luego conectar el devanado en el eje del núcleo del cable, y luego use la aglutinante en ambos extremos para curar y formar. Hablando relativamente, el final del devanado recto no produce torque y aumenta el peso de la armadura y la resistencia de la armadura.
Bobino oblicuo: también conocido como devanado de panal, se usa el método de devanado de panal, dejando los grifos en el medio, para poder enrollar continuamente, es necesario hacer el lado efectivo del elemento y el eje de la armadura en un cierto ángulo de inclinación. El tamaño final de este método de devanado es pequeño, pero debido a que el devanado oblicuo de devanado continuo requiere un cierto ángulo de línea, el cable esmaltado se superpone y la velocidad de llenado de la ranura es baja. En comparación con el tipo de herida recta, la armadura inclinada del devanado no tiene devanado final, reduciendo el peso de la armadura y tiene las ventajas de un pequeño momento de inercia, una pequeña constante de tiempo, buenas características de arrastre y gran torque de salida. Faulhaber en Alemania y Portescap en Suiza usa principalmente devanadas inclinadas.
Tipo de silla de montar: también conocido como devanado concéntrico o romboides, el método de bobina de una bobina en forma y luego se usa el cableado, es decir, el alambre esmaltado autoadhesivo se enrolla en una dieda de bobinado de formación especial, y la copa de armadura está hecha de múltiples arreglos de modelado. Cuando se agotan, las dos capas de bobinas están dispuestas cuidadosamente y se forman, lo cual es conveniente para controlar el tamaño de la copa de armadura después de remodelar y mejorar la velocidad de llenado de la ranura. Al mismo tiempo, este método tiene una alta eficiencia de producción y es adecuada para la producción en masa. El extremo de la armadura de devanado de la silla tiene menos capas superpuestas, un pequeño espacio de aire y una alta tasa de utilización de imán permanente, lo que mejora la densidad de potencia del motor. Algunos productos de Maxon en Suiza usan devanados de tipo silla de montar.
Punto de vista del proceso de devanado: desde el punto de vista de la tecnología de producción, de acuerdo con el método de formación de la bobina, se divide principalmente en tres categorías: devanado manual, devanado y producción de formación única.
1) Bobinado manual. A través de una serie de procesos complejos, que incluyen inserción de pin, devanado manual, cableado manual y otros pasos para producir. Es adecuado para productos que requieren un alto grado de personalización, pero la eficiencia de producción y la estabilidad del producto son limitadas.
2) Tecnología de producción de devanado. La tecnología de producción de devanado es de producción semiautomática, el cable esmaltado se enrolla primero secuencialmente al eje principal con una sección transversal en forma de diamante, y se retira después de alcanzar la longitud requerida, y luego se flita en una placa de alambre, y finalmente la placa de alambre se enrolla en una copa en forma de copa. De acuerdo con el proceso de producción y el proceso de producción de la armadura de la copa hueca de la bobinado, la próxima máquina de devanado se puede configurar con 4 trabajadores para lograr una producción anual de 30,000 unidades, pero la limitación del devanado es que es más adecuado para 20-30 mm de diámetro de la copa Hollow, es difícil enrollar las bobinas más pequeñas con un espacio más pequeño con menos de 7 mm, es decir, los productos con un diámetro de un diámetro de 10 ~ 12 mm. En general, la eficiencia de producción del proceso de devanado es relativamente alta, y puede cumplir con los requisitos de producción a mediana escala. Sin embargo, su alta tasa de participación manual conduce a la consistencia del producto terminado puede no ser tan bueno como la producción automatizada, y es difícil cumplir con el tamaño más pequeño del devanado de la bobina de la copa hueca.
3) Una tecnología de producción de moldeo. La máquina de devanar a través de equipos de automatización será un alambre esmaltado de acuerdo con la regla de un huso, la bobina en una taza después de la extracción, una moldura, no es necesario rodar y aplanar múltiples procesos, alto grado de automatización, por lo que la eficiencia de producción y la consistencia terminada del producto son mejores; Pero la inversión de equipo inicial correspondiente será mayor.
El proceso de devanado en el extranjero se desarrolló temprano, el grado de automatización es más alto que el nacional. El doméstico adopta principalmente la producción de devanado, el proceso es más complicado, la intensidad laboral de los trabajadores es grande, no puede completar la bobina con un diámetro de alambre más grueso y la tasa de chatarra es alta. Los países extranjeros utilizan principalmente la tecnología de producción de heridas únicas, alto grado de automatización, alta eficiencia de producción, rango de diámetro de bobina, buena calidad de bobina, arreglo apretado, tipos de motor, buen rendimiento.
Enlaces de cadena industrial y aplicaciones aguas abajo
La corriente aguas arriba del motor de la copa hueca es las materias primas y las piezas, las materias primas incluyen cobre, acero, acero magnético, plástico, etc., las piezas incluyen rodamientos, cepillos, conmutadores, etc. Los tramos medios de la cadena industrial son fabricantes de motores. La corriente aguas abajo de la cadena industrial es el extremo de la aplicación, y el motor de la copa hueca tiene las características de alta sensibilidad, operación estable y control fuerte, que cumple con los requisitos estrictos del campo de alta gama de la unidad eléctrica, por lo que se utiliza principalmente en equipos médicos, automatización industrial y robótica y otros campos de alta gama. Al mismo tiempo, el motor Hollow Cup también se aplica gradualmente en el campo civil, como la automatización de oficinas, las herramientas eléctricas, etc.
Un prometedor motor de taza hueca
Motor de copa hueca con su diseño único sin núcleo de hierro, que muestra alta velocidad, alta eficiencia, alta respuesta dinámica y otras ventajas significativas, ampliamente utilizadas en equipos aeroespaciales, médicos y otros campos, en la flexibilidad manual del robot humanoide también tiene un impacto significativo. Aunque las empresas en el extranjero como Maxon y Faulhaber tienen la ventaja de primer movimiento en la actualidad, con la mejora continua del nivel técnico de los fabricantes nacionales y el rápido desarrollo del mercado de robots humanoides, los motores nacionales de la Copa Hollow invertirán las nuevas oportunidades de desarrollo.
