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 y los servicios médicos. 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 de los robots humanoides, el motor de copa hueca juega un papel importante en el sistema de control de movimiento del robot humanoide, como el componente central de la mano diestra del robot humanoide Tesla es el motor de copa hueca, un solo conjunto de robot 12 (6 en cada mano derecha). Este artículo tiene como objetivo discutir las características técnicas, el estado del mercado y las perspectivas futuras del motor de copa hueca a través de la investigación.
Qué es motor de copa hueca
1. Concepto y clasificación de 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 utiliza para que el rotor (como un marco de aluminio cerrado con jaula de ardilla) forme un par de rotación magnetoeléctrico, que consiste en convertir la fuerza generada por el flujo de corriente en el campo magnético en una acción giratoria. El principio es utilizar el campo magnético para forzar la corriente y hacer girar el motor.
El principio básico de rotación del motor: alrededor del imán permanente con un eje giratorio, 1 gira el imán (para que se genere el campo magnético giratorio), 2 según el principio de atracción heteropolar del polo N y el polo S, la misma repulsión polar, 3 el imán con un eje giratorio girará.
En un motor, en realidad es la corriente que fluye a través del cable la 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 da como resultado los polos N y S. Al insertar un núcleo de hierro en una bobina de alambre, las líneas del campo magnético se vuelven más fáciles de atravesar y pueden producir una fuerza magnética más fuerte.
La estructura del motor se compone principalmente de dos partes: estator y rotor.
Estator: 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 suele estar compuesto por un núcleo de hierro y bobinas. El devanado es la bobina del estator, normalmente compuesta por conductores y aislamiento, cuya función es generar un campo magnético cuando una corriente eléctrica lo atraviesa. El soporte es la estructura de soporte del estator, generalmente hecha de aleación de aluminio y otros materiales, con buena resistencia a la corrosión y solidez.
Rotor: Parte giratoria de un motor, cuya estructura principal incluye armadura, cojinetes y tapas de extremo. La armadura es la bobina del rotor, normalmente compuesta por conductores y aislamiento, cuya función es generar un campo magnético cuando una corriente eléctrica la atraviesa. Los rodamientos son la estructura de soporte del rotor, normalmente fabricados en acero o cerámica, con buena resistencia al desgaste y 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 copa hueca
En 1958, el Dr. FF Aulhaber desarrolló la tecnología de bobina de bobinado inclinado y obtuvo la patente correspondiente para el motor de copa hueca en 1965, lo que marcó la llegada del motor de copa hueca, y su diseño estructural creativo permite que el motor sea a la vez de menor tamaño y mayor eficiencia. El motor de copa hueca pertenece al servomotor de imán permanente de CC. La estructura del motor se muestra en la siguiente figura y está compuesta principalmente por estator y rotor. El estator está compuesto por una lámina de acero al silicio y un devanado de bobina, y la lámina de acero al silicio sin estructura de ranura dentada puede evitar el efecto de ranura dentada y reducir la pérdida de hierro y la pérdida por corrientes parásitas. El rotor está compuesto por un imán permanente, un eje giratorio y sus partes fijas, y el motor utiliza un imán permanente anular, que es fácil de procesar e instalar.
En comparación con los motores ordinarios, la característica más importante del rotor es que rompe la estructura del rotor del motor tradicional y utiliza un rotor sin núcleo, también conocido como rotor de copa hueca. El rotor es una estructura hueca en forma de copa rodeada de devanados e imanes. En los motores normales, la función del núcleo de hierro es principalmente: 1) concentrar y guiar el campo magnético: el núcleo de hierro está hecho de un material con alta permeabilidad magnética (como una lámina de acero al silicio), que puede concentrar y guiar el flujo magnético, mejorando así la intensidad del campo magnético y la eficiencia del motor; 2) Devanado 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 el funcionamiento del motor. En el motor de copa hueca se utiliza como rotor un cilindro hueco de pared delgada que se enrolla directamente dentro del devanado sin soporte de núcleo adicional. Ventajas del diseño sin núcleo: 1) Eliminación de corrientes parásitas y pérdidas por histéresis: el núcleo de hierro en un motor común producirá corrientes parásitas y pérdidas por histéresis en un campo magnético alterno, lo que reducirá la eficiencia del motor. El motor de copa hueca utiliza un rotor sin núcleo, que elimina por completo estas pérdidas, mejorando así la eficiencia de conversión de energía del motor. 2) Reducir el peso y el momento de inercia: el diseño sin núcleo reduce significativamente el peso del rotor, haciendo que todo el motor sea más liviano. Al mismo tiempo, la reducción del momento de inercia permite que el motor tenga una velocidad de respuesta más rápida y una mayor aceleración, lo cual es muy beneficioso para escenarios de aplicaciones que requieren arranques y paradas rápidos.
Al mismo tiempo, el diseño de precisión de la estructura del cilindro hueco y la disposición 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 copa hueca se puede dividir en dos tipos según su modo de conmutación: uno es el motor de escobillas de copa hueca, que adopta el modo de conmutación de escobillas de carbón mecánico; El otro es el motor sin escobillas de copa hueca, que reemplaza la conmutación de las escobillas por conmutación electrónica, evitando las chispas eléctricas y las partículas de tóner generadas durante el funcionamiento del motor de las escobillas, reduciendo el ruido y aumentando la vida útil del motor. De la comparación de diferentes productos de aparatos eléctricos 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 Hall detecta la señal del campo magnético del rotor, convierte la inversión mecánica en una inversión de señal electrónica y simplifica aún más la estructura física del motor de copa hueca.
3, ventajas del motor de copa hueca
El motor de copa hueca rompe la estructura del rotor del motor tradicional, reduce la pérdida de potencia causada por la formación de corrientes parásitas en el núcleo de hierro y su masa y momento de inercia se reducen considerablemente, reduciendo así la pérdida de energía mecánica del propio rotor. En resumen, el motor de copa hueca tiene las ventajas de alta densidad de potencia, larga vida útil, respuesta rápida, alto par máximo, buena disipación de calor, etc.
Alta densidad de potencia: la densidad de potencia del motor de copa hueca es la relación entre la potencia de salida y el peso o volumen. En términos de peso, el rotor sin núcleo es más ligero que el rotor con núcleo ordinario; En términos de eficiencia, el rotor sin núcleo elimina las corrientes parásitas y la pérdida de histéresis generadas por el rotor sin núcleo, mejora la eficiencia del micromotor y garantiza un par de salida y una potencia de salida altos. La eficiencia máxima de la mayoría de los motores de copa hueca es superior al 80%, mientras que la eficiencia máxima de la mayoría de los motores de CC con escobillas es generalmente de alrededor del 50%. Un menor peso y una mayor eficiencia permiten que los motores de copa hueca alcancen una mayor densidad de potencia. Por lo tanto, el motor de copa hueca es particularmente adecuado para aplicaciones alimentadas por baterías que requieren largos períodos de funcionamiento, como bombas de muestreo de aire portátiles, robots humanoides, manos biónicas, herramientas eléctricas portátiles y otras aplicaciones.
Alta densidad de par: el diseño sin núcleo reduce el peso del rotor y el momento de inercia, y el bajo momento de inercia significa que el motor puede acelerar y desacelerar más rápido, pudiendo así generar más par 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 un mayor par de torsión en un espacio limitado.
Larga vida útil: la cantidad de piezas de inversión del motor de copa hueca hace que la fluctuación de corriente y la inductancia del motor sean más pequeñas al invertir, lo que reduce en gran medida la corrosión eléctrica del sistema de inversión durante el proceso de inversión, para tener una vida útil más larga. Según los datos de la 'Investigación de aplicaciones de gestión personalizada de motores de copa hueca', la vida útil de los motores de CC con escobillas es generalmente de solo unos pocos cientos de horas, y la esperanza de vida de los motores de copa hueca suele estar entre 1000 y 3000 horas, lo que puede proporcionar un funcionamiento confiable durante más tiempo.
Velocidad de respuesta rápida: el motor tradicional tiene un momento de inercia relativamente grande debido a la existencia del núcleo de hierro, mientras que el motor de copa hueca es compacto y el rotor es una bobina autoportante en forma de copa, por lo que el peso es más liviano y su momento de inercia más pequeño también hace que el motor de copa hueca tenga características sensibles de ajuste de arranque y parada. Según el 'Progreso de la investigación sobre micromotores y bobinas de 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.
Par máximo alto: la relación entre el par máximo y el par continuo del motor de copa hueca es muy grande, porque el proceso de aumento de la corriente hasta la constante del par máximo no cambia, y la relación lineal entre la corriente y el par puede hacer que el micromotor produzca un par máximo grande. Después de que el motor de CC de núcleo ordinario alcanza la saturación, no importa que aumente la corriente, el par del motor de CC no aumentará.
Buena disipación de calor: la superficie del rotor de copa hueca tiene flujo de aire, mejor que el rendimiento de disipación de calor del rotor central, el alambre esmaltado del rotor central está incrustado en la ranura de la lámina de acero al silicio, el flujo de aire de la superficie de la bobina es menor, el aumento de temperatura es mayor, bajo las mismas condiciones de salida de potencia, el aumento de temperatura del motor de CC de copa hueca es menor.
4, el camino técnico del motor de copa hueca
El paso clave en la producción de motores de copa hueca es la producción de la bobina, por lo que el diseño de la bobina y el proceso de bobinado se convierten en sus barreras principales. El diámetro, el número de vueltas y la linealidad del cable afectan directamente los parámetros centrales del motor. La barrera central del devanado de bobinas se refleja directamente en el diseño de la bobina, porque los diferentes tipos de devanados tienen diferencias en la tasa de automatización y el consumo de cobre. Por otro lado, también se refleja en el equipo de bobinado y el método de bobinado, y la tasa de llenado de la ranura de la copa hueca bobinada por diferentes maquinarias de bobinado es diferente, lo que conduce a una dispersión diferente, lo que afecta 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 copa hueca se puede dividir en tipo de devanado recto, tipo de devanado oblicuo y tipo de montura.
Devanado recto: el cable de la bobina es paralelo al eje del motor, formando una estructura de devanado concentrado. La idea de diseño de la bobina de bobinado recto es enrollar primero el alambre esmaltado circular ordinario en la matriz de bobinado de acuerdo con el requisito del número de vueltas, y luego conectar el devanado en el eje central del cable, y luego usar el aglutinante en ambos extremos para curar y formar. Relativamente hablando, el final del devanado recto no produce par y aumenta el peso y la resistencia de la armadura.
Bobinado oblicuo: también conocido como bobinado alveolar, se utiliza el método de bobinado alveolar, dejando grifos en el medio, para poder enrollar continuamente es necesario hacer que el lado efectivo del elemento y el eje de la armadura tengan un cierto ángulo de inclinación. El tamaño final de este método de bobinado es pequeño, pero debido a que el bobinado continuo oblicuo requiere un cierto ángulo de línea, el alambre esmaltado se superpone y la tasa de llenado de la ranura es baja. En comparación con el tipo de bobinado recto, la armadura de devanado inclinado no tiene devanado final, lo que reduce el peso de la armadura y tiene las ventajas de un momento de inercia pequeño, una constante de tiempo pequeña, buenas características de arrastre y un par de salida grande. Faulhaber en Alemania y Portescap en Suiza utilizan principalmente bobinado inclinado.
Tipo de silla de montar: también conocido como devanado concéntrico o romboide, se utiliza el método de enrollar una bobina con forma y luego cablear, es decir, el alambre esmaltado autoadhesivo se enrolla en una matriz de devanado de formación especial y la copa de la armadura está hecha de múltiples disposiciones de conformación. Al enrollar, las dos capas de bobinas se disponen ordenadamente y se les da forma, lo que es conveniente para controlar el tamaño de la copa de la armadura después de remodelarla y mejorar la tasa de llenado de la ranura. Al mismo tiempo, este método tiene una alta eficiencia de producción y es adecuado para la producción en masa. El extremo de la armadura del devanado de la silla tiene menos capas superpuestas, un espacio de aire pequeño y una alta tasa de utilización del imán permanente, lo que mejora la densidad de potencia del motor. Algunos productos de Maxon en Suiza utilizan bobinado tipo silla de montar.
Punto de vista del proceso de bobinado: desde el punto de vista de la tecnología de producción, según el método de formación, la bobina se divide principalmente en tres categorías: bobinado manual, bobinado y producción de formado de una sola vez.
1) Cuerda manual. A través de una serie de procesos complejos, que incluyen inserción de pasadores, bobinado 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 bobinados. La tecnología de producción de bobinado es producción semiautomática, el alambre esmaltado primero se enrolla secuencialmente en el eje principal con una sección transversal en forma de diamante, y se retira después de alcanzar la longitud requerida, luego se aplana en una placa de alambre y, finalmente, la placa de alambre se enrolla en una bobina en forma de copa. De acuerdo con el proceso de bobinado 'equipo y proceso de producción de armadura de copa hueca de bobinado', la siguiente máquina bobinadora se puede configurar con 4 trabajadores para lograr una producción anual de 30.000 unidades, pero la limitación del bobinado es que es más adecuado para un diámetro de copa hueca de 20-30 mm, es difícil bobinar bobinas más pequeñas con un espacio entre grifos inferior a 7 mm, es decir, productos con un diámetro de menos de 10 ~ 12 mm. En general, la eficiencia de producción del proceso de bobinado es relativamente alta y puede cumplir con los requisitos de la producción a mediana escala. Sin embargo, su alta tasa de participación manual conduce a que la consistencia del producto terminado puede no ser tan buena como la producción automatizada, y es difícil cumplir con el tamaño más pequeño del devanado de la bobina de copa hueca.
3) Una tecnología de producción de moldeo. La máquina bobinadora a través del equipo de automatización será un alambre esmaltado de acuerdo con la regla de un husillo, la bobina se enrollará en una taza después de retirarla, una moldura, no es necesario enrollar y aplanar múltiples procesos, alto grado de automatización, por lo que la eficiencia de producción y la consistencia del producto terminado son mejores; Pero la correspondiente inversión inicial en equipos será mayor.
El proceso de bobinado en el extranjero se desarrolló temprano, el grado de automatización es mayor que el nacional. El sector nacional adopta principalmente la producción de bobinado, el proceso es más complicado, la intensidad de mano de obra de los trabajadores es grande, no se puede completar la bobina con un diámetro de alambre más grueso y la tasa de desperdicio es alta. Los países extranjeros utilizan principalmente tecnología de producción de bobinado único, alto grado de automatización, alta eficiencia de producción, rango de diámetro de bobina, buena calidad de bobina, disposición ajustada, tipos de motores y buen rendimiento.
Eslabones de cadenas industriales y aplicaciones posteriores.
Las materias primas incluyen cobre, acero, acero magnético, plástico, etc., las piezas incluyen cojinetes, escobillas, conmutadores, etc. Los tramos intermedios de la cadena industrial son los fabricantes de motores. La parte posterior de la cadena industrial es el extremo de la aplicación, y el motor de copa hueca tiene las características de alta sensibilidad, operación estable y fuerte control, lo que cumple con los estrictos requisitos del campo de accionamiento eléctrico de alta gama, por lo que se utiliza principalmente en la industria aeroespacial, equipos médicos, automatización industrial y robótica y otros campos de alta gama. Al mismo tiempo, el motor de copa hueca también se aplica gradualmente en el campo civil, como la automatización de oficinas, herramientas eléctricas, etc.
Un prometedor motor de copa hueca
El 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 utilizado en la industria aeroespacial, equipos médicos y otros campos, en la flexibilidad de la mano del robot humanoide también tiene un impacto significativo. Aunque las empresas extranjeras como Maxon y Faulhaber tienen actualmente la ventaja de ser las primeras en actuar, con la mejora continua del nivel técnico de los fabricantes nacionales y el rápido desarrollo del mercado de robots humanoides, los motores de copa hueca nacionales marcarán el comienzo de nuevas oportunidades de desarrollo.
