Humanoidrobotidest on saanud tehisintellekti vallas särav pärl.
Viimastel aastatel on humanoidrobotid saanud tehisintellekti vallas säravaks pärliks oma laialdase rakendusega paljudes valdkondades nagu arstiabi ja teenindus. Tööstuse arengu edasiseks edendamiseks on kohalikud omavalitsused võtnud kasutusele poliitikad humanoidrobotite ja nende põhikomponentide toetamise suurendamiseks. Humanoidrobotitööstuse ahelas mängib õõnsa tassi mootor humanoidroboti liikumisjuhtimissüsteemis olulist rolli, näiteks Tesla humanoidroboti osava käe põhikomponent on õõnsa tassi mootor, üks robotikomplekt 12 (mõlemal on 6 paremat kätt). Selle artikli eesmärk on arutada õõnsa tassi mootori tehnilisi omadusi, turuseisundit ja tulevikuväljavaateid läbi uuringu.
Mis on õõnsa tassi mootor
1. Mootori mõiste ja klassifikatsioon
Elektrimootor on seade, mis muudab elektrienergia mehaaniliseks energiaks. See kasutab pingestatud mähist (st staatori mähist) pöörleva magnetvälja genereerimiseks ja seda kasutatakse rootori (näiteks oravapuuriga suletud alumiiniumraami) jaoks, et moodustada magnetoelektriline pöörlemismoment, mis muudab magnetväljas voolu tekitatud jõu pöörlevaks tegevuseks. Põhimõte on kasutada magnetvälja, et sundida voolu mootori pöörlema panema.
Mootori pöörlemise põhiprintsiip: ümber pöörleva teljega püsimagneti, 1 pöörake magnetit (nii et tekiks pöörlev magnetväli), 2 N-pooluse ja S-pooluse heteropooli külgetõmbe põhimõttel, sama pooluse tõrjumine, 3 pöörleb pöörleva teljega magnet.
Mootoris tekitab magneti pöörlemise tegelikult läbi juhtme läbiv vool, mis tekitab selle ümber pöörleva magnetvälja (magnetjõu). Kui traat mähitakse mähisesse, sünteesitakse magnetjõud, moodustades suure magnetvälja voo (magnetvoo), mille tulemuseks on N- ja S-poolused. Raudsüdamiku sisestamisel traadi mähisesse muutuvad magnetvälja jooned kergemini läbitavaks ja võivad tekitada tugevama magnetjõu.
Mootori struktuur koosneb peamiselt kahest osast: staatorist ja rootorist.
Staator: mootori statsionaarne osa, mille põhikonstruktsioon sisaldab magnetpoolust, mähist ja kronsteini. Magnetpoolus on mootori osa, mis genereerib magnetvälja, mis koosneb tavaliselt raudsüdamikust ja mähistest. Mähis on staatoris olev mähis, mis koosneb tavaliselt juhtidest ja isolatsioonist, mille ülesanne on genereerida magnetvälja, kui seda läbib elektrivool. Klamber on staatori tugistruktuur, mis on tavaliselt valmistatud alumiiniumisulamist ja muudest materjalidest, millel on hea korrosioonikindlus ja tugevus.
Rootor: Mootori pöörlev osa, mille põhikonstruktsioon sisaldab armatuuri, laagreid ja otsakatteid. Armatuur on rootoris olev mähis, mis koosneb tavaliselt juhtidest ja isolatsioonist, mille ülesanne on genereerida magnetvälja, kui seda läbib elektrivool. Laagrid on rootori tugikonstruktsioon, mis on tavaliselt valmistatud terasest või keraamikast ning millel on hea kulumis- ja korrosioonikindlus. Otsakate on mootori otsastruktuur, mis on tavaliselt valmistatud alumiiniumisulamist ja muudest materjalidest ning millel on hea tihendus ja tugevus.
2, õõnsa tassi mootori määratlus ja klassifikatsioon
1958. aastal töötas Dr.FF aulhaber välja kaldmähise tehnoloogia ja sai 1965. aastal õõnsa tassi mootorile vastava patendi, mis tähistas õõnsa tassi mootori tulekut ning selle loominguline konstruktsioon võimaldab mootoril olla nii väiksemat suurust kui ka suuremat efektiivsust. Õõnestassi mootor kuulub alalisvoolu püsimagneti servomootorisse, mootori struktuur on näidatud järgmisel joonisel, mis koosneb peamiselt staatorist ja rootorist. Staator koosneb räniteraslehest ja mähisest ning räniterasest leht ilma hambasoonte struktuurita võib vältida hambasoonte efekti ning vähendada raua- ja pöörisvoolukadu. Rootor koosneb püsimagnetist, pöörlevast võllist ja selle fikseeritud osadest ning mootor kasutab rõngaspüsimagnetit, mida on lihtne töödelda ja paigaldada.
Võrreldes tavaliste mootoritega on rootori suurim omadus see, et see murrab oma struktuuris läbi traditsioonilise mootori rootori struktuuri ja kasutab südamikuta rootorit, mida tuntakse ka õõnsa tassi rootorina. Rootor on õõnes tassikujuline struktuur, mida ümbritsevad mähised ja magnetid. Tavalistes mootorites on raudsüdamiku roll peamiselt: 1) magnetvälja kontsentreerimine ja juhtimine: raudsüdamik on valmistatud suure magnetilise läbilaskvusega materjalist (nt räniterasest leht), mis suudab kontsentreerida ja juhtida magnetvoogu, parandades seeläbi mootori magnetvälja tugevust ja efektiivsust; 2) Tugimähis: raudsüdamik annab mähisele tugeva tugistruktuuri, tagades, et mähis säilitab mootori töötamise ajal stabiilse kuju ja asendi. Õõnestassi mootoris kasutatakse rootorina õhukeseseinalist õõnsat silindrit ja õõnessilinder keritakse otse mähise sisse ilma täiendava südamikutoeta. Südamikuta konstruktsiooni eelised: 1) Pöörisvoolu- ja hüstereesikadude kõrvaldamine: Tavalise mootori raudsüdamik tekitab vahelduvas magnetväljas pöörisvoolu ja hüstereesi kadusid, mis vähendab mootori efektiivsust. Õõnestassi mootoris on südamikuta rootor, mis välistab need kaod täielikult, parandades seeläbi mootori energia muundamise efektiivsust. 2) Vähendage kaalu ja inertsimomenti: südamikuvaba konstruktsioon vähendab oluliselt rootori kaalu, muutes kogu mootori kergemaks. Samal ajal võimaldab inertsmomendi vähendamine mootoril suuremat reageerimiskiirust ja suuremat kiirendust, mis on väga kasulik kiiret käivitamist ja seiskamist nõudvate rakenduste puhul.
Samal ajal saab õõnsa silindri konstruktsiooni ja mähiste paigutuse täppiskonstruktsiooniga optimeerida magnetvälja jaotust õõnsa tassi mootori sees, vähendada magnetleket ja energiakadusid ning veelgi parandada mootori tõhusust ja jõudlust.
Õõnestassi mootori võib selle kommutatsioonirežiimi järgi jagada kahte tüüpi: üks on õõnsa tassi harja mootor, mis kasutab mehaanilist süsinikharja kommutatsioonirežiimi; Teine on õõnsa tassiga harjadeta mootor, mis asendab harjakommutatsiooni elektroonilise kommutatsiooniga, vältides harjamootori töö käigus tekkivaid elektrisädemeid ja tooneriosakesi, vähendades müra ja pikendades mootori tööiga. Järgmisel joonisel Mingzhi elektriseadmete erinevate toodete võrdlusest on näha, et harjadeta õõnestassiga mootoris pole pintslit vaja, kuid Halli andur tuvastab rootori magnetvälja signaali, muudab mehaanilise ümbersuunamise elektrooniliseks signaali ümbersuunamiseks ja lihtsustab veelgi õõnestassi mootori füüsilist struktuuri.
3, õõnsa tassi mootori eelised
Õõnestassi mootor murrab läbi traditsioonilise mootori rootori struktuuri, vähendab võimsuskadu, mis on põhjustatud pöörisvoolu moodustumisest rauasüdamikus, ning selle mass ja inertsimoment vähenevad oluliselt, vähendades seeläbi rootori enda mehaanilist energiakadu. Kokkuvõtteks võib öelda, et õõnsa tassi mootori eelised on kõrge võimsustihedus, pikk kasutusiga, kiire reageerimine, kõrge tippmoment, hea soojuse hajumine ja nii edasi.
Suur võimsustihedus: õõnsa tassi mootori võimsustihedus on väljundvõimsuse ja kaalu või mahu suhe. Kaalu poolest on südamikuta rootor kergem kui tavaline südamikurootor; Tõhususe osas välistab südamikuta rootor pöörisvoolu ja südamikuta rootori tekitatud hüstereesikadu, parandab mikromootori efektiivsust ning tagab suure väljundpöördemomendi ja väljundvõimsuse. Enamiku õõnestassiga mootorite maksimaalne efektiivsus on üle 80%, samas kui enamiku harjade alalisvoolumootorite maksimaalne efektiivsus on üldiselt umbes 50%. Väiksem kaal ja suurem kasutegur võimaldavad õõnestassi mootoritel saavutada suuremat võimsustihedust. Seetõttu sobib õõnestassiga mootor eriti hästi akutoitel töötavate rakenduste jaoks, mis nõuavad pikka tööperioodi, nagu kaasaskantavad õhuproovivõtupumbad, humanoidrobotid, bioonilised käed, käeshoitavad elektrilised tööriistad ja muud rakendused.
Kõrge pöördemomendi tihedus: südamikuta konstruktsioon vähendab rootori kaalu ja inertsimomenti ning väike inertsimoment tähendab, et mootor suudab kiiremini kiirendada ja aeglustada, seega suudab lühikese aja jooksul genereerida rohkem pöördemomenti; Samal ajal muudab raudsüdamiku puudumine õõnsa tassi mootori kompaktsemaks, väiksemaks ja suudab piiratud ruumis pakkuda suuremat pöördemomenti.
Pikk kasutusiga: õõnsa tassi mootori ümberpööratavate detailide arv muudab voolu kõikumise ja mootori induktiivsuse tagurdamisel väiksemaks, vähendades oluliselt tagurdussüsteemi elektrilist korrosiooni tagurdamisprotsessi ajal, et tagada pikem kasutusiga. Vastavalt 'Õõnestopsiliste mootorite kohandatud haldamise rakendusuuringutele' olevatele andmetele on harjatud alalisvoolumootorite eluiga tavaliselt vaid mõnisada tundi ja õõnestassiga mootorite eeldatav eluiga on tavaliselt 1000–3000 tundi, mis võib tagada pikema töökindluse.
Kiire reageerimiskiirus: traditsioonilisel mootoril on raudsüdamiku olemasolu tõttu suhteliselt suur inertsimoment, samas kui õõnsa tassi mootor on kompaktne ja rootor on tassikujuline isekandev mähis, nii et kaal on kergem ja selle väiksem inertsimoment muudab ka õõnsa tassi mootoril tundlikud käivitus-seiskamisomadused. Vastavalt 'Õõnestopsi mikromootori ja mähise uurimise edenemisele' on üldise südamiku mootori mehaaniline ajakonstant umbes 100 ms, samas kui õõnsa tassi mootori mehaaniline ajakonstant on alla 28 ms ja mõne toote isegi alla 10 ms.
Kõrge maksimaalne pöördemoment: õõnsa tassi mootori maksimaalse pöördemomendi ja pideva pöördemomendi suhe on väga suur, kuna voolu tõusmise protsess maksimaalse pöördemomendi konstandini ei muutu ning voolu ja pöördemomendi vaheline lineaarne suhe võib panna mikromootori tootma suurt tippmomenti. Pärast seda, kui tavaline alalisvoolumootor jõuab küllastumiseni, ei suurene alalisvoolumootori pöördemoment sõltumata voolu suurendamisest.
Hea soojuse hajumine: õõnsa tassi rootori pinnal on õhuvool, mis on parem kui südamiku rootori soojuse hajumise jõudlus, südamiku rootori emailitud traat on manustatud räniterasest soonde, mähise pinna õhuvool on väiksem, temperatuuritõus on suurem, samadel väljundvõimsustel on õõnsa tassi alalisvoolumootori temperatuuritõus väiksem.
4, õõnsa tassi mootori tehniline tee
Õõnestopsi mootori tootmise võtmeetapp on mähise tootmine, nii et mähise projekteerimine ja mähisprotsess muutuvad selle peamisteks takistusteks. Traadi läbimõõt, pöörete arv ja lineaarsus mõjutavad otseselt mootori põhiparameetreid. Poolimähise südamikubarjäär kajastub otseselt mähise konstruktsioonis, kuna erinevatel mähiste tüüpidel on erinevused automatiseerimiskiiruses ja vasetarbimises. Teisest küljest kajastub see ka mähisseadmetes ja mähismeetodis ning erinevate mähismasinate poolt keritud õõnsa tassi soone täitumiskiirus on erinev, mis põhjustab erineva hõreduse, mis mõjutab otseselt mootorikadu, soojuse hajumist, võimsust ja nii edasi.
Mähise konstruktsiooni nurk: õõnsa tassi mootori mähise konstruktsiooni saab jagada sirge mähise tüübiks, kaldus mähise tüübiks ja sadulatüübiks.
Sirge mähis: mähise traat on paralleelne mootori teljega, moodustades kontsentreeritud mähisstruktuuri. Sirge mähisega mähise konstruktsiooniidee on kõigepealt kerida tavaline ümmargune emailitud traat mähisvormile vastavalt keerdude arvu nõudele ja seejärel ühendada mähis traadi südamiku võlli külge ning seejärel kasutada kõvenemiseks ja vormimiseks mõlemas otsas sideainet. Suhteliselt öeldes ei tekita sirge mähise ots pöördemomenti ning suurendab armatuuri kaalu ja armatuuri takistust.
Kaldus mähis: tuntud ka kui kärgmähis, kasutatakse kärgmähise meetodit, jättes kraanid keskele, pidevaks kerimiseks on vaja muuta elemendi efektiivne pool ja armatuuri telg teatud kaldenurgaks. Selle mähismeetodi otsa suurus on väike, kuid kuna kaldus mähise pidev mähis nõuab teatud joonenurka, kattub emailitud traat ja pilu täituvus on madal. Võrreldes sirge kerimise tüübiga, pole kaldmähise armatuuril otsamähist, mis vähendab armatuuri kaalu ning selle eelised on väike inertsimoment, väike ajakonstant, head tõmbeomadused ja suur väljundmoment. Faulhaber Saksamaal ja Portescap Šveitsis kasutavad enamasti kaldmähist.
Sadula tüüp: tuntud ka kui kontsentriline või rombiline mähis, kasutatakse vormitud mähise ja seejärel juhtmestiku mähimise meetodit, see tähendab, et isekleepuv emailitud traat keritakse spetsiaalsele vormimismähisele ja armatuuri tass on valmistatud mitmest vormingust. Kerimisel asetsevad kaks mähiste kihti korralikult ja vormitud, millega on mugav armatuuritopsi suurust pärast ümberkujundamist kontrollida ja pilu täituvust parandada. Samal ajal on sellel meetodil kõrge tootmistõhusus ja see sobib masstootmiseks. Sadulamähkimise armatuuri otsas on vähem kattuvaid kihte, väike õhuvahe ja püsimagneti kõrge kasutusmäär, mis parandab mootori võimsustihedust. Mõned Maxoni tooted Šveitsis kasutavad sadula tüüpi mähist.
Mähisprotsessi seisukohast: Tootmistehnoloogia seisukohast jaguneb mähis vastavalt vormimismeetodile peamiselt kolme kategooriasse: käsitsi mähis, mähis ja ühekordne vormimine.
1) Käsitsi mähis. Läbi mitmete keerukate protsesside, sealhulgas tihvtide sisestamise, käsitsi mähise, käsitsi juhtmestiku ja muude tootmisetappide. See sobib toodetele, mis nõuavad suurt kohandamist, kuid tootmise efektiivsus ja toote stabiilsus on piiratud.
2) Mähise tootmistehnoloogia. Mähise tootmistehnoloogia on poolautomaatne tootmine, emailitud traat keritakse esmalt järjestikku rombikujulise ristlõikega peavõlli külge ja see eemaldatakse pärast vajaliku pikkuse saavutamist ning seejärel tasandatakse traatplaadiks ja lõpuks keritakse traatplaat tassikujuliseks mähiseks. Vastavalt 'mähise õõnestopsi armatuuri tootmisprotsessile ja seadmete' mähimisprotsessile saab järgmise kerimismasina konfigureerida 4 töötajaga, et saavutada aastane toodang 30 000 ühikut, kuid mähise piirang on see, et see sobib rohkem 20-30 mm õõnsa tassi läbimõõduga, väiksemaid pooli on raske kerida kraani läbimõõduga 7 mm, mille kraanide vahe on alla 7 mm, mis on vähem kui 2 mm. Üldiselt on kerimisprotsessi tootmistõhusus suhteliselt kõrge ja see võib vastata keskmise mahuga tootmise nõuetele. Kuid selle kõrge käsitsi osalemise määr viib selleni, et valmistoote konsistents ei pruugi olla nii hea kui automatiseeritud tootmine ja õõnsa tassi mähise väiksemat suurust on raske täita.
3) Üks vormimise tootmistehnoloogia. Automaatikaseadmete kaudu kerimismasin on spindli reegli kohaselt emailitud traat, pärast eemaldamist mähitud tassi, üks vormimine, pole vaja mitut protsessi rullida ja lamendada, kõrge automatiseerituse tase, nii et tootmise efektiivsus ja valmistoote konsistents on paremad; Kuid vastav eelinvesteering seadmetesse on suurem.
Ülemere mähisprotsess arenes välja varakult, automatiseerituse aste on kõrgem kui kodumaisel. Kodumajapidamises kasutatakse peamiselt mähiste tootmist, protsess on keerulisem, töötajate töömahukus on suur, paksema traadi läbimõõduga mähist ei saa valmis ja vanaraua määr on kõrge. Välisriigid kasutavad peamiselt ühekordset haavatootmise tehnoloogiat, kõrget automatiseerimisastet, kõrget tootmistõhusust, pooli läbimõõdu vahemikku, head mähise kvaliteeti, tihedat paigutust, mootoritüüpe, head jõudlust.
Tööstusahela lingid ja allavoolu rakendused
Õõnestopsi mootorist ülesvoolu on toormaterjalid ja osad, toormaterjalide hulgas on vask, teras, magnetteras, plast jne, osade hulka kuuluvad laagrid, harjad, kommutaatorid jne. Tööstusketi keskmised ulatused on mootoritootjad. Tööstusahela allavoolu on rakendusots ning õõnestassi mootoril on kõrge tundlikkus, stabiilne töö ja tugev juhtimine, mis vastab kõrgekvaliteedilise elektriajami valdkonna rangetele nõuetele, seega kasutatakse seda peamiselt lennunduses, meditsiiniseadmetes, tööstusautomaatikas ja robootikas ning muudes tipptasemel valdkondades. Samal ajal rakendatakse õõnsa tassi mootorit järk-järgult ka tsiviilvaldkonnas, näiteks kontoriautomaatikas, elektritööriistades ja nii edasi.
Paljutõotav õõnsa tassi mootor
Õõnestassi mootor oma ainulaadse disainiga ilma raudsüdamikuta, millel on suur kiirus, kõrge efektiivsus, kõrge dünaamiline reaktsioon ja muud olulised eelised, mida kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses, meditsiiniseadmetes ja muudes valdkondades, humanoidroboti käte paindlikkus avaldab samuti olulist mõju. Kuigi ülemeremaade ettevõtetel, nagu Maxon ja Faulhaber, on praegu esikohal tegutseja eelis, kodumaiste tootjate tehnilise taseme pideva paranemise ja humanoidrobotite turu kiire arenguga avavad kodumaised õõnestassi mootorid uusi arenguvõimalusi.
