El motor de copa hueca (motor micro sin núcleo) es un motor de CC especial. Tradicional El motor de CC se usa ampliamente en la producción industrial, electrodomésticos, transporte y otros campos, y está compuesto por dos partes centrales del estator y el rotor, la parte estacionaria del motor de CC se llama estator, la función principal del estator es generar un campo magnético, compuesto por el marco, el polo magnético principal, el polo de inversión, la tapa del extremo, el cojinete y el dispositivo de cepillo. Los materiales magnéticos del estator comúnmente utilizados incluyen Ndfeb, samario cobalto, aluminio, níquel, cobalto y ferrita. La parte que gira durante la operación se llama rotor, y su función principal es producir par electromagnético y fuerza electromotriz inducida, que es el centro del motor de CC para la conversión de energía, por lo que generalmente se le llama armadura, que se compone de un eje giratorio, núcleo de armadura, devanado de armadura, conmutador y ventilador.
El motor de copa hueca rompe la forma estructural del motor de CC tradicional, utilizando un rotor sin núcleo, y su devanado de armadura es una bobina de copa hueca, similar en forma a una taza de agua, por lo que se llama 'motor de copa hueca'. El motor de copa hueca pertenece al micromotor servo de imán permanente y CC. Esta novedosa estructura de rotor hace que el motor de copa hueca tenga las siguientes excelentes características: ① Características de ahorro de energía: el diseño sin núcleo elimina por completo la pérdida de energía causada por la formación de corrientes parásitas en el núcleo de hierro, y la eficiencia de conversión de energía es muy alta, la eficiencia máxima es generalmente superior al 70% y algunos productos pueden alcanzar más del 90% (los motores con núcleo de hierro son generalmente del 70%); (2) Características de control: arranque y frenado rápidos, respuesta rápida, constante de tiempo mecánica de menos de 28 milisegundos, algunos productos pueden alcanzar menos de 10 milisegundos (los motores centrales generalmente tienen más de 100 milisegundos); La velocidad se puede ajustar fácilmente y con sensibilidad en el estado de funcionamiento a alta velocidad en el área de operación recomendada; (3) Características de arrastre: la estabilidad de operación es muy confiable, la fluctuación de velocidad es muy pequeña, como micromotor, su fluctuación de velocidad se puede controlar fácilmente dentro del 2%; ④ Características de peso ligero: en comparación con el mismo motor de núcleo de potencia, su peso y volumen se reducen entre 1/3 y 1/2 y la densidad de energía mejora considerablemente. El indicador principal del motor de copa hueca es la densidad de potencia, es decir, la relación entre la potencia de salida y el peso o volumen. El rotor sin núcleo de hierro elimina las corrientes parásitas y la pérdida por histéresis en el extremo molecular y mejora la eficiencia de conversión de energía. Peso y volumen reducidos en el extremo del denominador.
El cepillo es un componente importante del Motor con escobillas , encargado de conducir la corriente entre las partes giratorias y las partes estacionarias. Debido a que está más hecho de grafito, también se le llama escobilla de carbón. En el motor de CC normal, para mantener el rotor en rotación, es necesario cambiar la dirección de la corriente del rotor en tiempo real, por lo que es necesario utilizar el conmutador y la escobilla de carbón. El motor sin escobillas cancela el modo de conmutación de las escobillas mecánicas, por lo que es necesario detectar la posición del rotor para completar la conmutación electrónica. Hay dos formas comunes de obtener información sobre la posición del rotor: (1) modo de control sin sensores, cuando el motor está en funcionamiento, la posición del rotor está determinada por la variable medible retroalimentada por el motor; En el modo de control del sensor de posición, la posición del rotor del motor es detectada directamente por el sensor de posición dentro del motor. Los sensores de posición más utilizados son sensores Hall, codificadores fotoeléctricos, transformadores rotativos, etc. La precisión de detección del sensor Hall no es alta, pero el precio es bajo; La detección de posición del codificador fotoeléctrico y del transformador giratorio es precisa y el error es pequeño, y generalmente se utilizan para sistemas de control de alto rendimiento, como el control de orientación del campo magnético y el control de par directo.
El motor de copa hueca según su estructura se puede dividir en dos tipos con cepillo y sin cepillo. ① Motor de copa hueca con escobillas (también conocido como motor sin núcleo con escobillas de CC, rotor sin núcleo de hierro): El uso de un conmutador de escobillas mecánico, generalmente por la carcasa, estator interno de material magnético suave, estator de imán permanente, composición de armadura del rotor de copa hueca. Cuando se energiza el motor del cepillo de copa hueca, el devanado pasa corriente, generando torque, el rotor comienza a girar, si el rotor gira a un ángulo específico, el cepillo usa el conmutador mecánico para cambiar la dirección de la corriente, de modo que la dirección del torque de salida no cambia, el rotor continúa girando. Debido a que el motor de cepillo de copa hueca utiliza la conmutación de cepillo, existe una cierta fricción relativa durante el funcionamiento del motor, lo que producirá ruido, chispas eléctricas y reducirá la vida útil del motor. Generalmente, el 'motor de copa hueca' doméstico generalmente se refiere al motor de cepillo; ② Motor de copa hueca sin escobillas (también conocido como motor CC sin escobillas y ranura, estator sin núcleo de hierro): El uso de conmutación electrónica, generalmente mediante la carcasa, materiales magnéticos blandos, materiales aislantes y una armadura de copa hueca compuesta por el estator y el rotor de acero magnético permanente. El motor sin escobillas de copa hueca conecta diferentes devanados al circuito controlando el encendido y apagado de los componentes electrónicos para lograr el efecto de inversión. Este modo de conmutación hace que el motor sin escobillas de copa hueca tenga las características de alta eficiencia, pequeña fluctuación de par, alta vida útil, estructura compacta, fácil mantenimiento, etc.
1.2. Barrera central: proceso de bobinado
El flujo del proceso del motor de copa hueca es complejo y la dificultad de procesamiento es mucho mayor que la del motor ranurado de CC ordinario. Tomando como ejemplo el motor CC sin ranura de Dingzhi Technology (es decir, sus productos de motor de copa hueca), desde el devanado de la bobina frontal, el cojinete central, el mandril, el anillo de soporte y otras piezas centrales, hasta la instalación de la cubierta trasera y la línea de soldadura de la placa de circuito, etc., que involucran casi 30 procesos, la complejidad es mucho mayor que la de los motores CC ranurados comunes. La producción de bobinas debe pasar por el proceso de alambre esmaltado, bobinado, moldeado por calentamiento, pelado de cables, conexión del cable común, instalación de la bobina, etc.
Entre ellos, la fabricación de bobinas es uno de los procesos centrales del motor de copa hueca. Los devanados autoportantes sin núcleo están hechos del llamado alambre esmaltado, que es un alambre de cobre aislado con una capa de pintura en el exterior. En el proceso de fabricación, la pintura de los cables adyacentes se fusiona aplicando presión y temperatura. Una unión adecuada (cinta o fibra de vidrio) puede mejorar aún más la resistencia y la estabilidad de la forma del devanado, lo cual es especialmente importante bajo cargas de corriente elevadas.
La tecnología de producción de bobinas de motor de copa hueca se divide principalmente en tres categorías según el método de formación de la bobina: 1) bobinado manual. A través de una serie de procesos complejos, que incluyen inserción de pasadores, bobinado manual, cableado manual y otros pasos para producir. 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. Tomando como ejemplo una copa hueca de bobinado, el proceso de fabricación se puede dividir aproximadamente en los siguientes pasos: (1) Bobinado de bobina de palanquilla de alambre hexagonal: se lleva a cabo en la máquina bobinadora del grupo de bobinado inclinado; ② La bobina de alambre en blanco se pega con dos trozos de cinta sensible a la presión con forma, y se desmolda para aplanarla; ③ Aplanamiento: la placa de forma se inserta en la bobina de alambre en blanco, y la bobina se aplana y luego se envía a la máquina aplanadora para aplanar y convertirse en un alambre en bruto plano. Dale forma con un raspador de bambú. Corta el exceso de cinta, dejando solo un nudo, el nudo debe quedar en el lado ligeramente elevado del hilo plano, para que el carrete pueda formar una fila; ④ Bobina: el alambre plano se introduce en la bobina de la máquina de bobina de copa hueca, de modo que el alambre en bruto se conecta al extremo y la cinta se pega en la superficie del cabezal del alambre en bruto para convertirse en la bobina de copa hueca; ⑤ Revestimiento con forma de epoxi: después de recubrir el adhesivo epoxi, colóquelo en el horno para curarlo y darle forma. 3) Una tecnología de producción de moldeo. La máquina bobinadora enrolla un alambre esmaltado en un huso de acuerdo con la ley a través del equipo de automatización, y retira la bobina después de enrollarla en una copa, formándola a la vez, y no requiere múltiples procesos como enrollado y aplanado, con un alto grado de automatización.
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. El motor de copa hueca se puede dividir en devanado recto, en forma de silla de montar y devanado inclinado según el método de devanado. En 1958, el Dr.FF Aulhaber (von Haber) de Alemania desarrolló la tecnología de bobinado de bobinado inclinado y obtuvo la tecnología patentada del bobinado inclinado de la bobina del rotor del motor de copa hueca en 1965. Alemania, Suiza, Japón y otros desarrollos anteriores de motores de copa hueca han acumulado una rica experiencia en el proceso de bobinado. Entre los tres principales motores de copa hueca del mundo, el suizo Maxon utiliza principalmente forma de bobinado recto y forma de silla de montar, y el alemán Faulhaber y el suizo Portescap utilizan principalmente forma de bobinado inclinado. El proceso de bobinado recto es más complicado y se utiliza principalmente para estructuras de bobinado largo, a menudo hechas de múltiples bobinados. La forma de la silla de montar puede reducir el espesor de la bobina, reducir eficazmente el entrehierro magnético en motores de alta densidad de potencia, aumentar la longitud del campo magnético de corte y hacer un mejor uso del magnetismo del estator; Bobinado oblicuo desarrollado anteriormente, bobinado relativamente simple, cableado apretado, adecuado para producción de grandes lotes.
El bobinado es la principal barrera técnica del motor de copa hueca. ① Vínculo de diseño: tres tecnologías principales en el extranjero se originaron en la década de 1960, el motor de copa hueca nacional comenzó tarde, menos investigación, falta de combinación de grado de subdivisión de materiales, tipo de copa de rotor para optimizar el motor, falta de diseño avanzado sistemático, falta de requisitos personalizados de configuración del esquema de accionamiento del sistema y capacidades de diseño del producto; ② Enlace de procesamiento: en comparación con el motor sin escobillas tradicional, el motor con cepillo y el servomotor, la estructura del motor de copa hueca pertenece a la estructura de ranura sin dientes, no hay ranura fija, todo el alambre esmaltado está suspendido, no hay soporte interno, es muy difícil en el proceso y el rendimiento inicial es bajo. En términos de precisión del devanado, los requisitos de precisión de los motores de copa hueca son mayores que los de los motores tradicionales. El motor de copa hueca en sí es de tamaño pequeño y la tolerancia al error es menor que la de los motores de imanes permanentes y motores paso a paso ordinarios, y la precisión del procesamiento afecta directamente la estabilidad del campo magnético. La diferencia en el grosor del cable y las vueltas del devanado hace que el valor de la resistencia del devanado, la corriente de arranque, la constante de velocidad y otros parámetros del motor tengan grandes diferencias. Debido a esto, los fabricantes nacionales necesitan mejorar la precisión, el rendimiento y la automatización en los eslabones de producción y procesamiento. En comparación con el extranjero, China también es relativamente débil en términos de equipos de bobinado. Los equipos de bobinado se pueden dividir en equipos no automáticos automáticos y manuales. En comparación con el extranjero, el grado de automatización de los equipos de bobinado en China es relativamente bajo. Los principales fabricantes mundiales de equipos de bobinado incluyen Meteor de Suiza, Tanaka Seiki Co., Ltd. de Japón y Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Las empresas nacionales todavía están relativamente vacías en términos de equipos y compran más equipos de bobinado japoneses, con precios que oscilan entre cientos de miles y millones. Las empresas relativamente representativas en China incluyen Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook, etc.
1.3 Aplicaciones aguas abajo: las características del motor de copa hueca determinan el escenario de aplicación aguas abajo
El motor de copa hueca pertenece al micromotor, y las materias primas aguas arriba son similares a las materias primas del micromotor, incluido cobre, acero, acero magnético, cojinetes, plásticos, etc. El motor de copa hueca se utilizó originalmente en la aviación, aeroespacial, militar y otras industrias de vanguardia; en los últimos años, su aplicación se expandió gradualmente a industrias civiles, como dispositivos médicos, electrónica de consumo, herramientas eléctricas, automatización industrial y otros escenarios.
El diferente rendimiento del motor de copa hueca corresponde a su aplicación en diferentes campos: 1) las características de tamaño pequeño, peso ligero y gran relación potencia-volumen lo hacen adecuado para áreas con requisitos de peso elevados, como varios tipos de aeronaves, etc., que pueden minimizar el peso de la aeronave; También se utiliza ampliamente en diversos productos electrónicos de consumo, como cepillos de dientes eléctricos y ventiladores eléctricos portátiles. 2) Las características de arranque y frenado rápidos y respuesta extremadamente rápida lo hacen adecuado para áreas que necesitan lograr un control automático rápido, como ajuste de dirección de misiles con altos requisitos de rendimiento de control, seguimiento de unidades ópticas de alta velocidad, equipos altamente sensibles, robots industriales, etc. 3) Las características de alta eficiencia de conversión de energía y tiempo de funcionamiento prolongado lo hacen adecuado para todo tipo de campos que requieren ahorro de energía y duración de la batería, como instrumentos portátiles y equipos de trabajo de campo.
El robot humanoide abre un nuevo océano azul de aplicaciones de motores de copa hueca. Según el último desarrollo de Optimus, un robot humanoide lanzado por Tesla, cada mano incluye seis impulsos y 11 grados de libertad, dos impulsos para el pulgar y un impulso para cada uno de los otros cuatro dedos, y la mano puede transportar hasta 20 libras. El módulo de articulación manual se compone principalmente de un motor de copa hueca, un reductor planetario de precisión, un husillo de bolas y un sensor. El motor de copa hueca permite que el dedo tenga la capacidad de moverse, la caja de cambios planetaria de precisión permite que el manipulador se posicione con mayor precisión y sea más flexible, el codificador proporciona retroalimentación de posición de alta precisión y retroalimentación de velocidad de la mano, y el sensor permite que el robot tenga una función de percepción y capacidad de reacción similar a la humana. Según Musk, la cantidad de robots humanoides en el futuro superará la cantidad de humanos y se espera que alcance el nivel de 100 mil millones de unidades a largo plazo. El motor de copa hueca es la solución técnica principal de la mano robótica con alta certeza. Los robots humanoides utilizan 6 motores de copa hueca por mano, considerando la situación final, se espera que los robots humanoides alcancen el nivel de mil millones de unidades, si la producción en masa de robots humanoides aterriza, impulsará el crecimiento de los ingresos de las empresas relacionadas con motores de copa hueca.
