Les robots humanoïdes sont devenus une perle brillante dans le domaine de l’intelligence artificielle.
Ces dernières années, les robots humanoïdes sont devenus une perle brillante dans le domaine de l’intelligence artificielle avec leur large application dans de nombreux domaines tels que les soins et services médicaux. Afin de promouvoir davantage le développement de l'industrie, les gouvernements locaux ont introduit des politiques visant à accroître le soutien aux robots humanoïdes et à leurs composants clés. Dans la chaîne industrielle des robots humanoïdes, le moteur à coupelle creuse joue un rôle important dans le système de contrôle de mouvement du robot humanoïde, tel que le composant central de la main adroite du robot humanoïde Tesla est le moteur à coupelle creuse, un seul assemblage de robot 12 (6 de chaque main droite). Cet article vise à discuter des caractéristiques techniques, de l’état du marché et des perspectives d’avenir du moteur à coupelle creuse à travers la recherche.
Qu'est-ce que moteur à coupelle creuse
1. Concept et classification du moteur
Un moteur électrique est un appareil qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Il utilise une bobine sous tension (c'est-à-dire l'enroulement du stator) pour générer un champ magnétique rotatif et est utilisé pour le rotor (comme un cadre en aluminium fermé à cage d'écureuil) pour former un couple de rotation magnétoélectrique, qui consiste à convertir la force générée par le flux de courant dans le champ magnétique en une action de rotation. Le principe est d’utiliser le champ magnétique pour forcer le courant à faire tourner le moteur.
Le principe de base de la rotation du moteur : autour de l'aimant permanent avec un axe de rotation, 1 faites tourner l'aimant (pour que le champ magnétique tournant soit généré), 2 selon le principe de l'attraction hétéropôle du pôle N et du pôle S, la même répulsion du pôle, 3 l'aimant avec un axe de rotation tournera.
Dans un moteur, c’est en fait le courant circulant dans le fil qui crée un champ magnétique tournant (force magnétique) autour de lui et qui fait tourner l’aimant. Lorsque le fil est enroulé dans une bobine, la force magnétique est synthétisée pour former un flux de champ magnétique important (flux magnétique), résultant en pôles N et S. En insérant un noyau de fer dans une bobine de fil, les lignes de champ magnétique deviennent plus faciles à traverser et peuvent produire une force magnétique plus forte.
La structure du moteur est principalement composée de deux parties : le stator et le rotor.
Stator : partie fixe du moteur dont la structure principale comprend le pôle magnétique, le bobinage et le support. Le pôle magnétique est la partie du moteur qui génère le champ magnétique, généralement composé d'un noyau de fer et de bobines. Le bobinage est la bobine du stator, généralement composée de conducteurs et d'isolant, dont le rôle est de générer un champ magnétique lorsqu'un courant électrique le traverse. Le support est la structure de support du stator, généralement en alliage d'aluminium et d'autres matériaux, avec une bonne résistance à la corrosion et une bonne résistance.
Rotor : partie rotative d'un moteur dont la structure principale comprend l'induit, les roulements et les embouts. L'induit est la bobine du rotor, généralement composée de conducteurs et d'isolants, dont le rôle est de générer un champ magnétique lorsqu'un courant électrique la traverse. Les roulements constituent la structure de support du rotor, généralement en acier ou en céramique, offrant une bonne résistance à l'usure et à la corrosion. Le couvercle d'extrémité est la structure d'extrémité du moteur, généralement en alliage d'aluminium et d'autres matériaux, avec une bonne étanchéité et une bonne résistance.
2, définition et classification du moteur à coupelle creuse
En 1958, le Dr FF Aulhaber a développé la technologie des bobines à enroulement incliné et a obtenu le brevet correspondant pour le moteur à coupelle creuse en 1965, marquant l'avènement du moteur à coupelle creuse, et sa conception structurelle créative permet au moteur d'être à la fois plus petit et plus efficace. Le moteur à coupelle creuse appartient au servomoteur à aimant permanent CC, la structure du moteur est illustrée dans la figure suivante, principalement composée d'un stator et d'un rotor. Le stator est composé d'une tôle d'acier au silicium et d'un enroulement de bobine, et la tôle d'acier au silicium sans structure de rainure dentaire peut éviter l'effet de rainure dentaire et réduire la perte de fer et la perte par courants de Foucault. Le rotor est composé d'un aimant permanent, d'un arbre rotatif et de ses parties fixes, et le moteur utilise un aimant permanent en anneau, facile à traiter et à installer.
Par rapport aux moteurs ordinaires, la plus grande caractéristique du rotor est qu'il brise la structure du rotor du moteur traditionnel et utilise un rotor sans noyau, également connu sous le nom de rotor à coupelle creuse. Le rotor est une structure creuse en forme de coupe entourée d'enroulements et d'aimants. Dans les moteurs ordinaires, le rôle du noyau de fer est principalement : 1) concentrer et guider le champ magnétique : le noyau de fer est constitué d'un matériau à haute perméabilité magnétique (comme une tôle d'acier au silicium), qui peut concentrer et guider le flux magnétique, améliorant ainsi l'intensité du champ magnétique et l'efficacité du moteur ; 2) Enroulement de support : le noyau de fer fournit une structure de support solide pour l'enroulement, garantissant que l'enroulement conserve une forme et une position stables pendant le fonctionnement du moteur. Dans le moteur à coupelle creuse, le cylindre creux à paroi mince est utilisé comme rotor et le cylindre creux est enroulé directement à l'intérieur de l'enroulement sans support de noyau supplémentaire. Avantages de la conception sans noyau : 1) Élimination des pertes par courants de Foucault et par hystérésis : Le noyau de fer d'un moteur commun produira des pertes par courants de Foucault et par hystérésis dans un champ magnétique alternatif, ce qui réduira l'efficacité du moteur. Le moteur à coupelle creuse utilise un rotor sans noyau, qui élimine complètement ces pertes, améliorant ainsi l'efficacité de conversion d'énergie du moteur. 2) Réduire le poids et le moment d'inertie : la conception sans noyau réduit considérablement le poids du rotor, rendant l'ensemble du moteur plus léger. Dans le même temps, la réduction du moment d'inertie permet au moteur d'avoir une vitesse de réponse plus rapide et une accélération plus élevée, ce qui est très bénéfique pour les scénarios d'application nécessitant un démarrage et un arrêt rapides.
Dans le même temps, la conception précise de la structure du cylindre creux et la disposition des enroulements peuvent optimiser la répartition du champ magnétique à l'intérieur du moteur à coupelle creuse, réduire les fuites magnétiques et la perte d'énergie, et améliorer encore l'efficacité et les performances du moteur.
Le moteur à coupelle creuse peut être divisé en deux types en fonction de son mode de commutation : l'un est le moteur à brosse à coupelle creuse, qui adopte le mode de commutation mécanique à balais de carbone ; L'autre est le moteur sans balais à coupelle creuse, qui remplace la commutation des balais par une commutation électronique, évitant les étincelles électriques et les particules de toner générées pendant le fonctionnement du moteur à balais, réduisant ainsi le bruit et augmentant la durée de vie du moteur. De la comparaison des différents produits des appareils électriques Mingzhi dans la figure suivante, on peut voir qu'il n'y a pas besoin de balai dans le moteur à coupelle creuse sans balais, mais le capteur Hall détecte le signal du champ magnétique du rotor, transforme l'inversion mécanique en une inversion de signal électronique et simplifie encore la structure physique du moteur à coupelle creuse.
3, avantages du moteur à coupelle creuse
Le moteur à coupelle creuse traverse la structure du rotor du moteur traditionnel, réduit la perte de puissance causée par la formation de courants de Foucault dans le noyau de fer, et sa masse et son moment d'inertie sont considérablement réduits, réduisant ainsi la perte d'énergie mécanique du rotor lui-même. En résumé, le moteur à coupelle creuse présente les avantages d'une densité de puissance élevée, d'une longue durée de vie, d'une réponse rapide, d'un couple maximal élevé, d'une bonne dissipation thermique, etc.
Densité de puissance élevée : la densité de puissance du moteur à coupelle creuse est le rapport entre la puissance de sortie et le poids ou le volume. En termes de poids, le rotor sans noyau est plus léger que le rotor à noyau ordinaire ; En termes d'efficacité, le rotor sans noyau élimine les pertes par courants de Foucault et par hystérésis générées par le rotor sans noyau, améliore l'efficacité du micromoteur et garantit un couple de sortie et une puissance de sortie élevés. Le rendement maximum de la plupart des moteurs à coupelle creuse est supérieur à 80 %, tandis que le rendement maximum de la plupart des moteurs à courant continu à balais est généralement d'environ 50 %. Un poids inférieur et un rendement plus élevé permettent aux moteurs à coupelle creuse d'atteindre une densité de puissance plus élevée. Par conséquent, le moteur à coupelle creuse est particulièrement adapté aux applications alimentées par batterie qui nécessitent de longues périodes de fonctionnement, telles que les pompes d'échantillonnage d'air portables, les robots humanoïdes, les mains bioniques, les outils électriques portatifs et d'autres applications.
Densité de couple élevée : la conception sans noyau réduit le poids du rotor et le moment d'inertie, et le faible moment d'inertie signifie que le moteur peut accélérer et décélérer plus rapidement, pouvant ainsi générer plus de couple en peu de temps ; Dans le même temps, l'absence de noyau de fer rend le moteur à coupelle creuse plus compact, plus petit et capable de fournir un couple plus élevé dans un espace limité.
Longue durée de vie : le nombre de pièces d'inversion du moteur à coupelle creuse réduit la fluctuation de courant et l'inductance du moteur lors de l'inversion, réduisant considérablement la corrosion électrique du système d'inversion pendant le processus d'inversion, de manière à avoir une durée de vie plus longue. Selon les données de la « Recherche d'applications sur la gestion personnalisée des moteurs à coupelle creuse », la durée de vie des moteurs à courant continu à balais n'est généralement que de quelques centaines d'heures, et l'espérance de vie des moteurs à coupelle creuse est généralement comprise entre 1 000 et 3 000 heures, ce qui peut fournir un fonctionnement fiable plus long.
Vitesse de réponse rapide : le moteur traditionnel a un moment d'inertie relativement important en raison de l'existence du noyau de fer, tandis que le moteur à coupelle creuse est compact et le rotor est une bobine autoportante en forme de coupelle, de sorte que le poids est plus léger, et son moment d'inertie plus petit confère également au moteur à coupelle creuse des caractéristiques de réglage start-stop sensibles. Selon les « progrès de la recherche sur le micromoteur et la bobine à coupelle creuse », la constante de temps mécanique du moteur à noyau général est d'environ 100 ms, tandis que la constante de temps mécanique du moteur à coupelle creuse est inférieure à 28 ms, et certains produits sont même inférieurs à 10 ms.
Couple de pointe élevé : le rapport entre le couple de pointe et le couple continu du moteur à coupelle creuse est très grand, car le processus de montée du courant jusqu'à la constante de couple de pointe est inchangé et la relation linéaire entre le courant et le couple peut amener le micromoteur à produire un couple de pointe élevé. Une fois que le moteur à courant continu à noyau ordinaire atteint la saturation, quelle que soit l'augmentation du courant, le couple du moteur à courant continu n'augmentera pas.
Bonne dissipation thermique: la surface du rotor à coupelle creuse a un flux d'air, meilleur que les performances de dissipation thermique du rotor central, le fil émaillé du rotor central est intégré dans la rainure de la tôle d'acier au silicium, le flux d'air de la surface de la bobine est moindre, l'augmentation de la température est plus grande, dans les mêmes conditions de puissance de sortie, l'augmentation de la température du moteur à courant continu à coupelle creuse est plus petite.
4, le chemin technique du moteur à coupelle creuse
L'étape clé dans la production d'un moteur à coupelle creuse est la production de bobines, de sorte que la conception de la bobine et le processus d'enroulement deviennent ses principaux obstacles. Le diamètre, le nombre de tours et la linéarité du fil affectent directement les paramètres fondamentaux du moteur. La barrière centrale du bobinage de bobine se reflète directement dans la conception de la bobine, car les différents types de bobinage présentent des différences en termes de taux d'automatisation et de consommation de cuivre. D'autre part, cela se reflète également dans l'équipement d'enroulement et la méthode d'enroulement, et le taux de remplissage de la rainure de la coupelle creuse enroulée par différentes machines d'enroulement est différent, ce qui conduit à des différences clairsemées, affectant directement la perte du moteur, la dissipation thermique, la puissance, etc.
Angle de conception de la bobine : la conception de l'enroulement du moteur à coupelle creuse peut être divisée en type d'enroulement droit, type d'enroulement oblique et type de selle.
Enroulement droit : le fil de la bobine est parallèle à l’axe du moteur, formant une structure d’enroulement concentrée. L'idée de conception de la bobine à enroulement droit est d'enrouler d'abord le fil émaillé circulaire ordinaire sur la matrice d'enroulement en fonction des exigences du nombre de tours, puis de connecter l'enroulement sur l'arbre central du fil, puis d'utiliser le liant aux deux extrémités pour durcir et se former. Relativement parlant, l’extrémité de l’enroulement droit ne produit aucun couple et augmente le poids et la résistance de l’induit.
Enroulement oblique : également connu sous le nom d'enroulement en nid d'abeille, la méthode d'enroulement en nid d'abeille est utilisée, laissant les robinets au milieu, afin de pouvoir enrouler en continu, il est nécessaire de faire en sorte que le côté efficace de l'élément et l'axe de l'armature aient un certain angle d'inclinaison. La taille finale de cette méthode d'enroulement est petite, mais comme l'enroulement continu à enroulement oblique nécessite un certain angle de ligne, le fil émaillé se chevauche et le taux de remplissage de la fente est faible. Par rapport au type à enroulement droit, l'induit à enroulement incliné n'a pas d'enroulement d'extrémité, ce qui réduit le poids de l'induit et présente les avantages d'un faible moment d'inertie, d'une faible constante de temps, de bonnes caractéristiques de traînée et d'un couple de sortie élevé. Faulhaber en Allemagne et Portescap en Suisse utilisent majoritairement des bobinages inclinés.
Type de selle : également connu sous le nom d'enroulement concentrique ou rhomboïde, la méthode d'enroulement d'une bobine façonnée puis de câblage est utilisée, c'est-à-dire que le fil émaillé auto-adhésif est enroulé sur une matrice d'enroulement de formation spéciale et que la coupelle d'armature est constituée de plusieurs arrangements de mise en forme. Lors de l'enroulement, les deux couches de bobines sont soigneusement disposées et façonnées, ce qui est pratique pour contrôler la taille de la coupelle d'armature après remodelage et améliorer le taux de remplissage des fentes. En même temps, cette méthode présente une efficacité de production élevée et convient à la production de masse. L'extrémité de l'armature d'enroulement en selle présente moins de couches superposées, un petit entrefer et un taux d'utilisation élevé de l'aimant permanent, ce qui améliore la densité de puissance du moteur. Certains produits de Maxon en Suisse utilisent un remontage de type selle.
Point de vue du processus d'enroulement : Du point de vue de la technologie de production, selon la méthode de formage de la bobine, elle est principalement divisée en trois catégories : l'enroulement manuel, l'enroulement et la production de formage unique.
1) Remontage manuel. Grâce à une série de processus complexes, notamment l'insertion des broches, le remontage manuel, le câblage manuel et d'autres étapes de production. Il convient aux produits nécessitant un haut degré de personnalisation, mais l’efficacité de la production et la stabilité du produit sont limitées.
2) Technologie de production de bobinage. La technologie de production de bobinage est une production semi-automatique, le fil émaillé est d'abord enroulé séquentiellement sur l'arbre principal avec une section transversale en forme de losange, et il est retiré après avoir atteint la longueur requise, puis aplati en une plaque métallique, et enfin la plaque métallique est enroulée en une bobine en forme de coupe. Selon le processus de bobinage « processus et équipement de production d'armatures à coupelles creuses d'enroulement », la bobineuse suivante peut être configurée avec 4 travailleurs pour atteindre une production annuelle de 30 000 unités, mais la limitation du bobinage est qu'elle est plus appropriée pour un diamètre de coupelle creuse de 20 à 30 mm, il est difficile d'enrouler des bobines plus petites avec un espacement des prises inférieur à 7 mm, c'est-à-dire des produits d'un diamètre inférieur à 10 ~ 12 mm. Dans l’ensemble, l’efficacité de production du processus de bobinage est relativement élevée et peut répondre aux exigences d’une production à moyenne échelle. Cependant, son taux de participation manuelle élevé conduit à ce que la cohérence du produit fini puisse ne pas être aussi bonne que la production automatisée, et il est difficile de respecter la plus petite taille de l'enroulement de la bobine à coupelle creuse.
3) Une technologie de production de moulage. La bobineuse via un équipement d'automatisation sera un fil émaillé selon la règle d'une broche, une bobine s'enroulant dans une tasse après le retrait, un moulage, pas besoin de rouler et d'aplatir plusieurs processus, un degré élevé d'automatisation, de sorte que l'efficacité de la production et la cohérence du produit fini sont meilleures ; Mais l’investissement initial correspondant en équipement sera plus élevé.
Le processus de bobinage à l'étranger s'est développé très tôt, le degré d'automatisation est supérieur à celui national. Le pays adopte principalement la production de bobinages, le processus est plus compliqué, l'intensité de travail des travailleurs est importante, ne peut pas terminer la bobine avec un diamètre de fil plus épais et le taux de rebut est élevé. Les pays étrangers utilisent principalement une technologie de production à enroulement unique, un degré élevé d'automatisation, une efficacité de production élevée, une plage de diamètres de bobine, une bonne qualité de bobine, une disposition serrée, des types de moteurs et de bonnes performances.
Maillons de la chaîne industrielle et applications en aval
L'amont du moteur à coupelle creuse est constitué de matières premières et de pièces, les matières premières comprennent le cuivre, l'acier, l'acier magnétique, le plastique, etc., les pièces comprennent les roulements, les balais, les collecteurs, etc. Les tronçons intermédiaires de la chaîne industrielle sont les fabricants de moteurs. L'aval de la chaîne industrielle est l'extrémité de l'application, et le moteur à coupelle creuse présente les caractéristiques d'une sensibilité élevée, d'un fonctionnement stable et d'un contrôle fort, qui répond aux exigences strictes du domaine haut de gamme de l'entraînement électrique, il est donc principalement utilisé dans l'aérospatiale, les équipements médicaux, l'automatisation industrielle et la robotique et d'autres domaines haut de gamme. Dans le même temps, le moteur à coupelle creuse est également progressivement appliqué dans le domaine civil, tel que la bureautique, les outils électriques, etc.
Un moteur à coupelle creuse prometteur
Moteur à coupelle creuse avec sa conception unique sans noyau de fer, montrant une vitesse élevée, un rendement élevé, une réponse dynamique élevée et d'autres avantages significatifs, largement utilisé dans l'aérospatiale, les équipements médicaux et d'autres domaines, dans la flexibilité de la main du robot humanoïde a également un impact significatif. Bien que les entreprises étrangères telles que Maxon et Faulhaber aient actuellement l'avantage d'être les premières, avec l'amélioration continue du niveau technique des fabricants nationaux et le développement rapide du marché des robots humanoïdes, les moteurs nationaux à coupelle creuse ouvriront la voie à de nouvelles opportunités de développement.
