موتور جام توخالی (موتور میکرو) - آینده را با ربات های انسان نما کنترل کنید

روبات های انسان نما به مروارید درخشانی در زمینه هوش مصنوعی تبدیل شده اند.

در سال‌های اخیر، روبات‌های انسان‌نما با کاربرد گسترده خود در بسیاری از زمینه‌ها مانند مراقبت‌های پزشکی و خدمات، به مروارید درخشانی در زمینه هوش مصنوعی تبدیل شده‌اند. به منظور ارتقای بیشتر توسعه صنعت، دولت های محلی سیاست هایی را برای افزایش حمایت از ربات های انسان نما و اجزای کلیدی آنها معرفی کرده اند. در زنجیره صنعت ربات انسان نما، موتور فنجان توخالی نقش مهمی در سیستم کنترل حرکت ربات انسان نما ایفا می کند، مانند جزء اصلی دست ماهر ربات انسان نما تسلا موتور فنجان توخالی است، یک مجموعه ربات منفرد 12 (6 هر دست راست). هدف این مقاله بررسی ویژگی‌های فنی، وضعیت بازار و چشم‌انداز آینده موتور فنجان توخالی از طریق تحقیق است.

چیست موتور فنجان توخالی

1. مفهوم و طبقه بندی موتور

موتور الکتریکی وسیله ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. از یک سیم پیچ پرانرژی (یعنی سیم پیچ استاتور) برای تولید میدان مغناطیسی دوار استفاده می کند و برای روتور (مانند یک قاب آلومینیومی بسته در قفس سنجاب) استفاده می شود تا یک گشتاور چرخشی مغناطیسی الکتریکی ایجاد کند، که برای تبدیل نیروی ایجاد شده توسط جریان جریان در میدان مغناطیسی به یک عمل چرخشی است. اصل این است که از میدان مغناطیسی برای وادار کردن جریان برای چرخش موتور استفاده کنید.

اصل اصلی چرخش موتور: حول آهنربای دائمی با محور دوار، 1 آهنربا را بچرخانید (به طوری که میدان مغناطیسی دوار ایجاد شود)، 2 با توجه به اصل قطب N و جاذبه ناهم قطبی قطب S، همان دافعه قطب، 3 آهنربا با محور دوار بچرخد.

در موتور، در واقع جریان عبوری از سیم است که یک میدان مغناطیسی دوار (نیروی مغناطیسی) در اطراف آن ایجاد می کند که باعث چرخش آهنربا می شود. هنگامی که سیم به یک سیم پیچ پیچیده می شود، نیروی مغناطیسی برای تشکیل یک شار میدان مغناطیسی بزرگ (شار مغناطیسی) سنتز می شود که در نتیجه قطب های N و S ایجاد می شود. با قرار دادن یک هسته آهنی در یک سیم پیچ، خطوط میدان مغناطیسی راحت تر عبور می کنند و می توانند نیروی مغناطیسی قوی تری تولید کنند.

ساختار موتور عمدتا از دو بخش استاتور و روتور تشکیل شده است.

استاتور: قسمت ثابت موتور که ساختار اصلی آن شامل قطب مغناطیسی، سیم پیچ و براکت است. قطب مغناطیسی بخشی از موتور است که میدان مغناطیسی را ایجاد می کند که معمولاً از یک هسته آهنی و سیم پیچ تشکیل شده است. سیم پیچ سیم پیچی در استاتور است که معمولاً از هادی و عایق تشکیل شده است که نقش آن ایجاد میدان مغناطیسی در هنگام عبور جریان الکتریکی از آن است. براکت ساختار تکیه گاه استاتور است که معمولاً از آلیاژ آلومینیوم و سایر مواد ساخته شده است که مقاومت و استحکام خوبی در برابر خوردگی دارد.

روتور: قسمت دوار موتور که ساختار اصلی آن شامل آرمیچر، یاتاقان ها و کلاهک های انتهایی است. آرمیچر سیم پیچی در روتور است که معمولاً از هادی و عایق تشکیل شده است که نقش آن ایجاد میدان مغناطیسی در هنگام عبور جریان الکتریکی از آن است. یاتاقان ها ساختار پشتیبانی روتور هستند که معمولاً از فولاد یا سرامیک ساخته می شوند و مقاومت خوبی در برابر سایش و خوردگی دارند. پوشش انتهایی ساختار انتهایی موتور است که معمولاً از آلیاژ آلومینیوم و سایر مواد ساخته می شود و دارای آب بندی و استحکام خوبی است.

2، تعریف و طبقه بندی موتور فنجان توخالی

در سال 1958، Dr.FF aulhaber فناوری کویل سیم پیچ شیبدار را توسعه داد و در سال 1965 حق اختراع مربوط به موتور فنجان توخالی را به دست آورد، که نشان دهنده ظهور موتور فنجان توخالی است، و طراحی ساختاری خلاقانه آن باعث می شود که موتور هم اندازه کوچکتر و هم کارایی بیشتر داشته باشد. موتور جام توخالی متعلق به سروو موتور آهنربای دائم DC است، ساختار موتور در شکل زیر نشان داده شده است که عمدتا از استاتور و روتور تشکیل شده است. استاتور از ورق فولادی سیلیکونی و سیم پیچ تشکیل شده است و ورق فولادی سیلیکونی بدون ساختار شیار دندانی می تواند از اثر شیار دندان جلوگیری کند و اتلاف آهن و تلفات جریان گردابی را کاهش دهد. روتور از یک آهنربای دائمی، یک محور دوار و قطعات ثابت آن تشکیل شده است و موتور از آهنربای دائمی حلقه ای استفاده می کند که پردازش و نصب آن آسان است.

در مقایسه با موتورهای معمولی، بزرگترین ویژگی روتور این است که ساختار روتور موتورهای سنتی را در ساختار می شکند و از روتور بدون هسته استفاده می کند که به عنوان روتور جام توخالی نیز شناخته می شود. روتور یک ساختار فنجانی توخالی است که توسط سیم پیچ و آهنربا احاطه شده است. در موتورهای معمولی، نقش هسته آهنی عمدتاً عبارت است از: 1) تمرکز و هدایت میدان مغناطیسی: هسته آهنی از ماده ای با نفوذپذیری مغناطیسی بالا (مانند ورق فولادی سیلیکونی) ساخته شده است که می تواند شار مغناطیسی را متمرکز و هدایت کند و در نتیجه قدرت میدان مغناطیسی و کارایی موتور را بهبود بخشد. 2) سیم پیچ پشتیبانی: هسته آهنی یک ساختار پشتیبانی قوی برای سیم پیچ فراهم می کند و اطمینان حاصل می کند که سیم پیچ شکل و موقعیت ثابتی را در طول کار موتور حفظ می کند. در موتور جام توخالی، استوانه توخالی جدار نازک به عنوان روتور استفاده می شود و سیلندر توخالی مستقیماً در داخل سیم پیچ بدون پشتیبانی هسته اضافی پیچیده می شود. مزایای طراحی بدون هسته: 1) حذف تلفات جریان گردابی و هیسترزیس: هسته آهنی در یک موتور معمولی تلفات جریان گردابی و هیسترزیس را در میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کند که باعث کاهش راندمان موتور می شود. موتور کاپ توخالی از روتور بدون هسته استفاده می کند که این تلفات را کاملاً از بین می برد و در نتیجه راندمان تبدیل انرژی موتور را بهبود می بخشد. 2) کاهش وزن و ممان اینرسی: طراحی بدون هسته به طور قابل توجهی وزن روتور را کاهش می دهد و کل موتور را سبک تر می کند. در عین حال، کاهش گشتاور اینرسی به موتور اجازه می دهد تا سرعت پاسخ و شتاب بالاتری داشته باشد، که برای سناریوهای کاربردی که نیاز به استارت و توقف سریع دارند بسیار سودمند است.

در عین حال، طراحی دقیق ساختار سیلندر توخالی و طرح سیم پیچ می تواند توزیع میدان مغناطیسی را در موتور فنجان توخالی بهینه کند، نشت مغناطیسی و اتلاف انرژی را کاهش دهد و راندمان و عملکرد موتور را بیشتر بهبود بخشد.

موتور فنجان توخالی را می توان با توجه به حالت کموتاسیون آن به دو نوع تقسیم کرد: یکی موتور برس فنجان توخالی است که حالت کموتاسیون برس مکانیکی کربن را اتخاذ می کند. دیگری موتور براشلس کاپ توخالی است که کموتاسیون برس را با کموتاسیون الکترونیکی جایگزین می کند و از جرقه الکتریکی و ذرات تونر تولید شده در حین کار موتور برس جلوگیری می کند و باعث کاهش نویز و افزایش طول عمر موتور می شود. از مقایسه محصولات مختلف لوازم الکتریکی Mingzhi در شکل زیر می توان دریافت که در موتور کاپ توخالی بدون برس نیازی به برس نیست، اما سنسور هال سیگنال میدان مغناطیسی روتور را تشخیص می دهد، برگشت مکانیکی را به یک معکوس سیگنال الکترونیکی تبدیل می کند و ساختار فیزیکی موتور فنجان توخالی را بیشتر ساده می کند.

3، مزایای موتور فنجان توخالی

موتور فنجانی توخالی ساختار روتور موتور سنتی را در ساختار می شکند، اتلاف توان ناشی از تشکیل جریان گردابی در هسته آهنی را کاهش می دهد و جرم و ممان اینرسی آن تا حد زیادی کاهش می یابد و در نتیجه اتلاف انرژی مکانیکی خود روتور را کاهش می دهد. به طور خلاصه، موتور فنجان توخالی دارای مزایای چگالی توان بالا، عمر طولانی، پاسخ سریع، گشتاور اوج بالا، اتلاف گرما خوب و غیره است.

چگالی توان بالا: چگالی توان موتور فنجان توخالی نسبت توان خروجی به وزن یا حجم است. از نظر وزن، روتور غیر هسته ای سبک تر از روتور هسته معمولی است. از نظر کارایی، روتور بدون هسته جریان گردابی و تلفات هیسترزیس ایجاد شده توسط روتور بدون هسته را حذف می کند، کارایی میکروموتور را بهبود می بخشد و گشتاور خروجی و توان خروجی بالایی را تضمین می کند. حداکثر راندمان اکثر موتورهای فنجانی توخالی بیش از 80 درصد است، در حالی که حداکثر راندمان بیشتر موتورهای DC براش معمولاً حدود 50 درصد است. وزن کمتر و راندمان بالاتر به موتورهای فنجانی توخالی اجازه می دهد تا به چگالی توان بالاتری دست یابند. بنابراین، موتور فنجان توخالی مخصوصاً برای کاربردهایی که با باتری کار می‌کنند و به دوره‌های طولانی کار نیاز دارند، مانند پمپ‌های نمونه‌گیری هوای قابل حمل، روبات‌های انسان‌نما، دست‌های بیونیک، ابزارهای برقی دستی و سایر کاربردها مناسب است.

چگالی گشتاور بالا: طراحی بدون هسته وزن روتور و ممان اینرسی را کاهش می‌دهد و ممان اینرسی کم به این معنی است که موتور می‌تواند سریع‌تر شتاب و سرعت بگیرد، بنابراین می‌تواند گشتاور بیشتری را در مدت زمان کوتاهی تولید کند. در عین حال، عدم وجود یک هسته آهنی باعث می شود که موتور فنجان توخالی فشرده تر، کوچکتر و قادر به ارائه گشتاور خروجی بالاتر در یک فضای محدود باشد.

عمر طولانی: تعداد قطعات معکوس کننده موتور کاپ توخالی باعث می شود که نوسان جریان و اندوکتانس موتور در هنگام معکوس کردن کمتر شود و خوردگی الکتریکی سیستم معکوس در طول فرآیند معکوس به میزان زیادی کاهش یابد تا عمر طولانی تری داشته باشد. طبق داده‌های «تحقیق کاربردی مدیریت سفارشی موتورهای فنجانی توخالی»، عمر موتورهای DC برس خورده معمولاً تنها چند صد ساعت است و طول عمر موتورهای فنجانی توخالی معمولاً بین 1000 تا 3000 ساعت است که می‌تواند عملکرد قابل اعتماد بیشتری را ارائه دهد.

سرعت پاسخ سریع: موتور سنتی به دلیل وجود هسته آهنی دارای گشتاور نسبتا زیادی از اینرسی است، در حالی که موتور فنجان توخالی فشرده است و روتور یک سیم پیچ خود نگهدارنده فنجانی است، بنابراین وزن سبک تر است، و ممان اینرسی کوچکتر آن نیز باعث می شود موتور فنجان توخالی دارای ویژگی های تنظیم استارت-استاپ حساس باشد. با توجه به 'پیشرفت تحقیق میکرو موتور و کویل فنجان توخالی'، ثابت زمانی مکانیکی موتور هسته عمومی حدود 100 میلی‌ثانیه است، در حالی که ثابت زمانی مکانیکی موتور فنجان توخالی کمتر از 28 میلی‌ثانیه است و برخی محصولات حتی کمتر از 10 میلی‌ثانیه هستند.

گشتاور پیک بالا: نسبت پیک گشتاور و گشتاور پیوسته موتور فنجان توخالی بسیار زیاد است، زیرا روند افزایش جریان به نقطه اوج گشتاور ثابت بدون تغییر است و رابطه خطی بین جریان و گشتاور می تواند باعث شود که میکروموتور حداکثر گشتاور زیادی تولید کند. پس از اینکه موتور DC هسته معمولی به اشباع رسید، بدون توجه به افزایش جریان، گشتاور موتور DC افزایش نخواهد یافت.

اتلاف گرما خوب: سطح روتور فنجان توخالی دارای جریان هوا است، بهتر از عملکرد اتلاف حرارت روتور هسته، سیم لعابی روتور هسته در شیار ورق فولادی سیلیکونی تعبیه شده است، جریان هوای سطح سیم پیچ کمتر است، افزایش دما بزرگتر است، در شرایط مشابه خروجی توان، افزایش دمای فنجان کوچکتر DC افزایش دمای موتور توخالی کوچکتر است.

4، مسیر فنی موتور فنجان توخالی

مرحله کلیدی در تولید موتور فنجان توخالی تولید کویل است، بنابراین طراحی سیم پیچ و فرآیند سیم پیچی به موانع اصلی آن تبدیل می شود. قطر، تعداد دور و خطی بودن سیم به طور مستقیم بر پارامترهای هسته موتور تأثیر می گذارد. مانع اصلی سیم پیچ سیم پیچ به طور مستقیم در طراحی سیم پیچ منعکس می شود، زیرا انواع مختلف سیم پیچ در نرخ اتوماسیون و مصرف مس تفاوت دارند. از سوی دیگر، در تجهیزات سیم پیچی و روش سیم پیچ نیز منعکس می شود و میزان پر شدن شیار فنجان توخالی توسط ماشین آلات سیم پیچ مختلف متفاوت است که منجر به پراکندگی مختلف می شود که مستقیماً بر اتلاف موتور، اتلاف گرما، قدرت و غیره تأثیر می گذارد.

زاویه طراحی سیم پیچ: طراحی سیم پیچ موتور فنجان توخالی را می توان به نوع سیم پیچ مستقیم، نوع سیم پیچی مورب و نوع زین تقسیم کرد.

سیم پیچ مستقیم: سیم سیم پیچ موازی با محور موتور است و یک ساختار سیم پیچ متمرکز را تشکیل می دهد. ایده طراحی سیم پیچ مستقیم به این صورت است که ابتدا سیم لعابی دایره ای معمولی را بر روی قالب سیم پیچ بر حسب نیاز تعداد دور بپیچید و سپس سیم پیچ را روی محور هسته سیم وصل کنید و سپس از بایندر در دو سر برای پخت و فرم دادن استفاده کنید. به طور نسبی، انتهای سیم پیچ مستقیم هیچ گشتاوری تولید نمی کند و وزن آرمیچر و مقاومت آرمیچر را افزایش می دهد.

سیم پیچی اریب: که به نام سیم پیچی لانه زنبوری نیز شناخته می شود، از روش سیم پیچی لانه زنبوری استفاده می شود که شیرها را در وسط می گذارند، برای اینکه بتوان به طور مداوم باد کرد، باید سمت موثر المنت و محور آرمیچر را به یک زاویه شیب مشخص تبدیل کرد. اندازه انتهایی این روش سیم پیچی کوچک است، اما به دلیل اینکه سیم پیچ پیوسته مایل به زاویه خط مشخصی نیاز دارد، سیم های لعابی روی هم قرار می گیرند و سرعت پر شدن شکاف کم است. در مقایسه با نوع زخم مستقیم، آرمیچر سیم پیچ شیبدار بدون سیم پیچ انتهایی، وزن آرمیچر را کاهش می دهد و دارای مزایای ممان اینرسی کوچک، ثابت زمانی کوچک، ویژگی های کشش خوب و گشتاور خروجی زیاد است. Faulhaber در آلمان و Portescap در سوئیس بیشتر از سیم پیچی شیبدار استفاده می کنند.

نوع زین: که به سیم پیچی متحدالمرکز یا لوزی نیز معروف است، از روش سیم پیچی یک کلاف شکل و سپس سیم کشی استفاده می شود، یعنی سیم مینای خود چسب را روی قالب سیم پیچی شکل دهنده خاص پیچانده و فنجان آرمیچر را از آرایش های چندگانه می سازند. هنگام سیم پیچی، دو لایه سیم پیچ به صورت مرتب و منظم چیده شده اند، که برای کنترل اندازه فنجان آرمیچر پس از تغییر شکل و بهبود سرعت پر شدن شکاف راحت است. در عین حال این روش بازده تولید بالایی دارد و برای تولید انبوه مناسب است. انتهای آرمیچر سیم پیچ زین دارای لایه های همپوشانی کمتر، شکاف هوای کوچک و میزان استفاده بالای آهنربای دائمی است که چگالی توان موتور را بهبود می بخشد. برخی از محصولات Maxon در سوئیس از سیم پیچی از نوع زین استفاده می کنند.

از نقطه نظر فرآیند سیم پیچی: از نقطه نظر فناوری تولید، با توجه به روش شکل دهی کویل به طور عمده به سه دسته تقسیم می شود: سیم پیچ دستی، سیم پیچ و تولید یکباره شکل دهی.

1) سیم پیچ دستی. از طریق یک سری از فرآیندهای پیچیده، از جمله درج پین، سیم پیچ دستی، سیم کشی دستی و مراحل دیگر برای تولید. برای محصولاتی که به درجه بالایی از سفارشی سازی نیاز دارند، مناسب است، اما راندمان تولید و پایداری محصول محدود است.

2) فن آوری تولید سیم پیچ. تکنولوژی تولید سیم پیچ، تولید نیمه اتوماتیک است، سیم میناکاری شده ابتدا به صورت متوالی به محور اصلی با مقطع الماسی شکل پیچیده می شود و پس از رسیدن به طول مورد نیاز جدا می شود و سپس در صفحه سیمی صاف می شود و در نهایت ورق سیم به صورت کلاف فنجانی پیچیده می شود. با توجه به فرآیند سیم پیچی «فرایند تولید آرمیچر فنجان توخالی و تجهیزات»، دستگاه سیم پیچ بعدی را می توان با 4 کارگر پیکربندی کرد تا به خروجی سالانه 30000 واحد دست یابد، اما محدودیت سیم پیچ این است که برای قطر فنجان توخالی 20-30 میلی متر مناسب تر است، سیم پیچ های کوچکتر با قطر 7 میلی متر با محصولات کمتر از 7 میلی متر، با فاصله کمتر از شیر، دشوار است. 10 تا 12 میلی متر به طور کلی، راندمان تولید فرآیند سیم پیچ نسبتاً بالا است و می تواند الزامات تولید در مقیاس متوسط ​​را برآورده کند. با این حال، نرخ مشارکت دستی بالای آن منجر به سازگاری محصول نهایی می شود که ممکن است به خوبی تولید خودکار نباشد، و برآوردن اندازه کوچکتر سیم پیچ فنجان توخالی دشوار است.

3) فناوری تولید یک قالب. دستگاه سیم پیچ از طریق تجهیزات اتوماسیون یک سیم لعابی مطابق با قاعده دوک خواهد بود، سیم پیچ سیم پیچ به یک فنجان پس از برداشتن، یک قالب گیری، بدون نیاز به رول کردن و صاف کردن چندین فرآیند، درجه بالایی از اتوماسیون، بنابراین راندمان تولید و قوام محصول نهایی بهتر است. اما سرمایه گذاری اولیه مربوط به تجهیزات بالاتر خواهد بود.

فرآیند سیم پیچ در خارج از کشور توسعه یافته است، درجه اتوماسیون بالاتر از داخلی است. داخلی عمدتاً تولید سیم پیچ را اتخاذ می کند ، روند پیچیده تر است ، شدت کار کارگران زیاد است ، نمی توانند سیم پیچ را با قطر سیم ضخیم تر کامل کنند و میزان ضایعات بالا است. کشورهای خارجی عمدتاً از فناوری تولید زخم یک بار مصرف، درجه بالای اتوماسیون، راندمان تولید بالا، محدوده قطر سیم پیچ، کیفیت سیم پیچ خوب، آرایش محکم، انواع موتور، عملکرد خوب استفاده می کنند.

لینک های زنجیره ای صنعتی و برنامه های کاربردی پایین دستی

بالادست موتور کاپ توخالی مواد اولیه و قطعات، مواد اولیه شامل مس، فولاد، فولاد مغناطیسی، پلاستیک و غیره، قطعات شامل بلبرینگ، برس، کموتاتور و غیره می باشد. میانی زنجیره صنعتی موتورسازان هستند. پایین دست زنجیره صنعتی انتهای کاربرد است و موتور فنجان توخالی دارای ویژگی های حساسیت بالا، عملکرد پایدار و کنترل قوی است که الزامات سختگیرانه زمینه پیشرفته درایو الکتریکی را برآورده می کند، بنابراین عمدتا در هوافضا، تجهیزات پزشکی، اتوماسیون صنعتی و رباتیک و سایر زمینه های پیشرفته استفاده می شود. در عین حال، موتور جام توخالی نیز به تدریج در زمینه های عمرانی مانند اتوماسیون اداری، ابزار برقی و غیره اعمال می شود.

یک موتور فنجان توخالی امیدوارکننده

موتور جام توخالی با طراحی منحصر به فرد خود بدون هسته آهنی، نشان دادن سرعت بالا، راندمان بالا، پاسخ دینامیکی بالا و سایر مزایای قابل توجه، به طور گسترده در هوا فضا، تجهیزات پزشکی و سایر زمینه ها استفاده می شود، در انعطاف پذیری دست ربات انسان نما نیز تاثیر قابل توجهی دارد. اگرچه شرکت‌های خارج از کشور مانند Maxon و Faulhaber در حال حاضر مزیت حرکت اول را دارند، با بهبود مستمر سطح فنی تولیدکنندگان داخلی و توسعه سریع بازار ربات‌های انسان‌نما، موتورهای فنجانی توخالی داخلی فرصت‌های توسعه جدیدی را ایجاد خواهند کرد.