Le moteur à coupelle creuse (moteur Micro sans noyau) est un moteur à courant continu spécial. Traditionnel Le moteur à courant continu est largement utilisé dans la production industrielle, les appareils électroménagers, les transports et d'autres domaines, composé de deux parties centrales du stator et du rotor, la partie stationnaire du moteur à courant continu est appelée stator, le rôle principal du stator est de générer un champ magnétique, composé du cadre, du pôle magnétique principal, du pôle d'inversion, du capuchon d'extrémité, du roulement et du dispositif à brosse. Les matériaux d'aimant de stator couramment utilisés comprennent le Ndfeb, le samarium cobalt, l'aluminium nickel cobalt et la ferrite. La partie qui tourne pendant le fonctionnement s'appelle le rotor, et son rôle principal est de produire un couple électromagnétique et une force électromotrice induite, qui est le moyeu du moteur à courant continu pour la conversion d'énergie, c'est pourquoi on l'appelle généralement l'induit, qui est composé d'un arbre rotatif, d'un noyau d'induit, d'un enroulement d'induit, d'un collecteur et d'un ventilateur.
Le moteur à coupelle creuse brise la forme structurelle du moteur à courant continu traditionnel, en utilisant un rotor sans noyau, et son enroulement d'induit est une bobine à coupelle creuse, de forme similaire à une coupelle d'eau, c'est pourquoi il est appelé « moteur à coupelle creuse ». Le moteur à coupelle creuse appartient au micromoteur à courant continu, à aimant permanent et servo. Cette nouvelle structure de rotor confère au moteur à coupelle creuse les excellentes caractéristiques suivantes : ① Caractéristiques d'économie d'énergie : la conception sans noyau élimine complètement la perte de puissance causée par la formation de courants de Foucault dans le noyau de fer, et l'efficacité de conversion d'énergie est très élevée, l'efficacité maximale est généralement supérieure à 70 %, et certains produits peuvent atteindre plus de 90 % (les moteurs à noyau de fer sont généralement de 70 %) ; (2) Caractéristiques de contrôle : démarrage et freinage rapides, réponse rapide, constante de temps mécanique inférieure à 28 millisecondes, certains produits peuvent atteindre moins de 10 millisecondes (les moteurs principaux durent généralement plus de 100 millisecondes) ; La vitesse peut être facilement ajustée de manière sensible dans l'état de fonctionnement à grande vitesse dans la zone de fonctionnement recommandée ; (3) Caractéristiques de traînée : La stabilité de fonctionnement est très fiable, la fluctuation de vitesse est très faible, en tant que micro-moteur, sa fluctuation de vitesse peut être facilement contrôlée à moins de 2 % ; ④ Caractéristiques de légèreté : par rapport au même moteur à noyau de puissance, son poids et son volume sont réduits de 1/3 à 1/2 et la densité énergétique est grandement améliorée. L'indicateur principal du moteur à coupelle creuse est la densité de puissance, c'est-à-dire le rapport entre la puissance de sortie et le poids ou le volume. Le rotor sans noyau de fer élimine les pertes par courants de Foucault et par hystérésis à l'extrémité moléculaire et améliore l'efficacité de la conversion d'énergie. Poids et volume réduits à l’extrémité du dénominateur.
La brosse est un élément important du moteur à balais , chargé de conduire le courant entre les pièces rotatives et les pièces fixes. Parce qu'il est davantage constitué de graphite, on l'appelle également balai de charbon. Dans le moteur à courant continu ordinaire, afin de maintenir le rotor en rotation, la direction du courant du rotor doit être modifiée en temps réel, de sorte que le collecteur et le balai de charbon doivent être utilisés. Le moteur sans balais annule le mode de commutation mécanique des balais, la position du rotor doit donc être détectée pour terminer la commutation électronique. Il existe deux manières courantes d'obtenir des informations sur la position du rotor : (1) le mode de contrôle sans capteur, lorsque le moteur tourne, la position du rotor est déterminée par la variable mesurable renvoyée par le moteur ; En mode de contrôle du capteur de position, la position du rotor du moteur est directement détectée par le capteur de position à l'intérieur du moteur. Les capteurs de position couramment utilisés sont les capteurs Hall, les codeurs photoélectriques, les transformateurs rotatifs, etc. La précision de détection du capteur Hall n’est pas élevée, mais le prix est bas ; La détection de position du codeur photoélectrique et du transformateur rotatif est précise et l'erreur est faible, et ils sont généralement utilisés pour les systèmes de contrôle haute performance, tels que le contrôle d'orientation du champ magnétique et le contrôle direct du couple.
Le moteur à coupelle creuse, selon sa structure, peut être divisé en deux types avec balais et sans balais. ① Moteur à coupelle creuse brossée (également connu sous le nom de moteur sans noyau brossé à courant continu, rotor sans noyau de fer) : utilisation d'un collecteur à brosse mécanique, généralement par la coque, d'un stator intérieur en matériau magnétique doux, d'un stator à aimant permanent, d'une composition d'armature de rotor à coupelle creuse. Lorsque le moteur de la brosse à coupelle creuse est alimenté, l'enroulement est traversé par un courant, générant un couple, le rotor commence à tourner, si le rotor tourne à un angle spécifique, la brosse utilise le collecteur mécanique pour changer la direction du courant, de sorte que la direction du couple de sortie reste inchangée, le rotor continue de tourner. Étant donné que le moteur à brosse à coupelle creuse utilise la commutation des brosses, il existe un certain frottement relatif pendant le fonctionnement du moteur, ce qui produira du bruit, des étincelles électriques et réduira la durée de vie du moteur. Généralement, le « moteur à coupelle creuse » domestique fait généralement référence au moteur à balais ; ② Moteur à coupelle creuse sans balais (également connu sous le nom de moteur sans balais à courant continu, stator sans noyau de fer) : utilisation de la commutation électronique, généralement par la coque, de matériaux magnétiques doux, de matériaux isolants et d'armature de coupelle creuse composée du stator et du rotor en acier à aimant permanent. Le moteur sans balais à coupelle creuse connecte différents enroulements au circuit en contrôlant la marche/arrêt des composants électroniques pour obtenir l'effet d'inversion. Ce mode de commutation confère au moteur sans balais à coupelle creuse les caractéristiques d'un rendement élevé, d'une faible fluctuation de couple, d'une durée de vie élevée, d'une structure compacte, d'un entretien facile, etc.
1.2. Barrière de noyau : processus d'enroulement
Le flux de processus du moteur à coupelle creuse est complexe et la difficulté de traitement est bien supérieure à celle d'un moteur à fente CC ordinaire. En prenant comme exemple le moteur à courant continu sans fente de Dingzhi Technology (c'est-à-dire ses produits de moteur à coupelle creuse), depuis l'installation de l'enroulement de la bobine avant, du roulement intermédiaire, du mandrin, de l'anneau de support et d'autres pièces principales, jusqu'à l'installation du couvercle arrière et la ligne de soudage des circuits imprimés, etc., impliquant près de 30 processus, la complexité est bien plus que celle des moteurs à fente CC ordinaires. La production de bobines doit passer par le processus de fil émaillé - enroulement - mise en forme par chauffage - dénudage du fil, connexion du fil commun - installation de la bobine, etc.
Parmi eux, la fabrication de bobines est l’un des processus fondamentaux du moteur à coupelle creuse. Les enroulements autoportants sans noyau sont constitués de fil dit émaillé, qui est un fil de cuivre isolé avec une couche de peinture à l'extérieur. Au cours du processus de fabrication, la peinture des fils adjacents est fusionnée en appliquant une pression et une température. Une bonne liaison (ruban ou fibre de verre) peut encore améliorer la résistance et la stabilité de forme du bobinage, ce qui est particulièrement important sous des charges de courant élevées.
La technologie de production de bobine de moteur à coupelle creuse est principalement divisée en trois catégories selon la méthode de formation de la bobine : 1) enroulement 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. 2) Technologie de production de bobinages. 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. En prenant comme exemple une coupelle creuse d'enroulement, le processus de fabrication peut être grossièrement divisé en les étapes suivantes : (1) Enroulement d'une bobine de billette de fil hexagonal : il est effectué sur la machine d'enroulement à groupe d'enroulement incliné ; ② La bobine vierge de fil est collée avec deux morceaux de ruban adhésif sensible à la pression, démoulé pour être aplati ; ③ Aplatissement : la plaque de forme est insérée dans la bobine d'ébauche de fil, et la bobine est aplatie, puis envoyée à la machine d'aplatissement pour s'aplatir et devenir une ébauche de fil plat. Façonner avec un grattoir en bambou. Coupez l'excédent de ruban en ne laissant qu'un seul accroc, celui-ci doit être laissé sur le côté légèrement surélevé du brin plat, afin que la bobine puisse former une rangée ; ④ Bobine : l'ébauche de fil plat est introduite dans la bobine de la machine à bobines à coupelles creuses, de sorte que l'ébauche de fil soit connectée à l'extrémité, et le ruban est collé sur la surface de la tête d'ébauche de fil pour devenir la bobine à coupelles creuses ; ⑤ Revêtement époxy : après avoir enduit l'adhésif époxy, mettez-le au four pour le durcir et le façonner. 3) Une technologie de production de moulage. La bobineuse enroule un fil émaillé sur une broche conformément à la loi via l'équipement d'automatisation, et enlève la bobine après l'enroulement dans une coupelle, formant à la fois, et ne nécessite pas de processus multiples tels que le laminage et l'aplatissement, avec un degré élevé d'automatisation.
Le processus de bobinage à l'étranger s'est développé très tôt, le degré d'automatisation est supérieur à celui du pays. 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. Le moteur à coupelle creuse peut être divisé en enroulement droit, en forme de selle et en enroulement incliné selon la méthode d'enroulement. En 1958, le Dr FF aulhaber (von Haber) d'Allemagne a développé la technologie d'enroulement de bobine à enroulement incliné et a obtenu la technologie brevetée de l'enroulement incliné de la bobine de rotor du moteur à coupelle creuse en 1965. L'Allemagne, la Suisse, le Japon et d'autres développements de moteurs à coupelle creuse plus tôt, dans le processus d'enroulement ont accumulé une riche expérience. Parmi les trois principaux moteurs à coupelle creuse au monde, Swiss Maxon utilise principalement une forme à enroulement droit et une forme de selle, tandis que l'allemand Faulhaber et Swiss Portescap utilisent principalement une forme à enroulement incliné. Le processus de bobinage droit est plus compliqué et il est principalement utilisé pour les structures à enroulements longs, souvent constituées de plusieurs enroulements. La forme de la selle peut réduire l'épaisseur de la bobine, réduire efficacement l'entrefer magnétique sur un moteur à haute densité de puissance, augmenter la longueur du champ magnétique de coupe et mieux utiliser le magnétisme du stator ; Enroulement oblique développé plus tôt, enroulement relativement simple, câblage serré, adapté à la production en gros lots.
L’enroulement est la principale barrière technique du moteur à coupelle creuse. ① Lien de conception : trois technologies principales à l'étranger sont nées dans les années 1960, le moteur à coupelle creuse domestique a démarré tardivement, moins de recherche, manque de combinaison de qualité de subdivision des matériaux, type de coupelle de rotor pour optimiser le moteur, manque de conception avant systématique, manque d'exigences personnalisées en matière de configuration du système d'entraînement du système et de capacités de conception de produits ; ② Lien de traitement : par rapport au moteur sans balais traditionnel, au moteur à balais, au servomoteur, la structure du moteur à coupelle creuse appartient à la structure à rainure sans dents, il n'y a pas de rainure fixe, tout le fil émaillé est un enroulement suspendu, il n'y a pas de support interne, c'est très difficile dans le processus et le rendement initial est faible. En termes de précision de bobinage, les exigences de précision des moteurs à coupelle creuse sont supérieures à celles des moteurs traditionnels. Le moteur à coupelle creuse lui-même est de petite taille et la tolérance d'erreur est inférieure à celle des moteurs à aimant permanent et des moteurs pas à pas ordinaires, et la précision du traitement affecte directement la stabilité du champ magnétique. La différence d'épaisseur de fil et de tours d'enroulement fait que la valeur de résistance d'enroulement, le courant de démarrage, la constante de vitesse et d'autres paramètres du moteur présentent de grandes différences. Pour cette raison, les fabricants nationaux doivent améliorer la précision, le rendement et l’automatisation des liens de production et de transformation. Par rapport à l’étranger, la Chine est également relativement faible en termes d’équipements de bobinage. L'équipement de bobinage peut être divisé en équipement automatique et manuel non automatique. Par rapport à l’étranger, le degré d’automatisation des équipements de bobinage en Chine est relativement faible. Les principaux fabricants mondiaux d'équipements de bobinage comprennent Meteor de Suisse, Tanaka Seiki Co., Ltd. du Japon et Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Les entreprises nationales sont encore dans un état relativement vacant en termes d'équipements et achètent davantage d'équipements de bobinage japonais, à des prix allant de centaines de milliers à des millions. Les entreprises relativement représentatives en Chine comprennent Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook, etc.
1.3 Applications en aval : les caractéristiques du moteur à coupelle creuse déterminent le scénario d'application en aval
Le moteur à coupelle creuse appartient au micromoteur, et les matières premières en amont sont similaires aux matières premières du micromoteur, notamment le cuivre, l'acier, l'acier magnétique, les roulements, les plastiques, etc. Le moteur à coupelle creuse était à l'origine utilisé dans l'aviation, l'aérospatiale, l'armée et d'autres industries de pointe, ces dernières années, son application s'est progressivement étendue aux industries civiles, telles que les appareils médicaux, l'électronique grand public, les outils électriques, l'automatisation industrielle et d'autres scénarios.
Les différentes performances du moteur à coupelle creuse correspondent à son application dans différents domaines : 1) les caractéristiques de petite taille, de légèreté et de rapport puissance/volume élevé le rendent adapté aux zones ayant des exigences de poids élevées, telles que divers types d'avions, etc., ce qui peut minimiser le poids de l'avion ; Il est également largement utilisé dans divers produits électroniques grand public, tels que les brosses à dents électriques et les ventilateurs électriques portables. 2) Les caractéristiques de démarrage et de freinage rapides et de réponse extrêmement rapide le rendent adapté aux domaines qui doivent obtenir un contrôle automatique rapide, tels que le réglage de la direction du missile avec des exigences de performance de contrôle élevées, le suivi du lecteur optique à haut débit, les équipements hautement sensibles, les robots industriels, etc. 3) Les caractéristiques d'efficacité de conversion d'énergie élevée et de longue durée de fonctionnement le rendent adapté à toutes sortes de domaines nécessitant des économies d'énergie et une durée de vie de la batterie, tels que les instruments portables et les équipements de travail sur le terrain.
Le robot humanoïde ouvre un nouvel océan bleu d'applications de moteurs à coupelles creuses. Selon le dernier développement d'Optimus, un robot humanoïde lancé par Tesla, chaque main comprend six lecteurs et 11 degrés de liberté, deux lecteurs pour le pouce et un lecteur pour chacun des quatre autres doigts, et la main peut transporter jusqu'à 20 livres. Le module d'articulation manuelle est principalement composé d'un moteur à coupelle creuse, d'un réducteur planétaire de précision, d'une vis à billes et d'un capteur. Le moteur à coupelle creuse permet au doigt de bouger, la boîte de vitesses planétaire de précision permet au manipulateur de se positionner avec plus de précision et d'utiliser plus de flexibilité, l'encodeur fournit un retour de position et un retour de vitesse de haute précision de la main, et le capteur permet au robot d'avoir une fonction de perception et une capacité de réaction de type humain. Selon Musk, le nombre de robots humanoïdes à l'avenir dépassera le nombre d'humains et devrait atteindre le niveau de 100 milliards d'unités à long terme. Le moteur à coupelle creuse est la solution technique dominante de la main du robot avec une grande certitude. Les robots humanoïdes utilisent 6 moteurs à coupelles creuses par main. Compte tenu de la situation finale, les robots humanoïdes devraient atteindre le niveau d'un milliard d'unités. Si la production de masse de robots humanoïdes atterrit, cela entraînera la croissance des revenus des entreprises liées aux moteurs à coupelles creuses.
