מנוע גביע חלול (מיקרו מנוע) - שלטו על העתיד עם רובוטים דמויי אדם

רובוטים דמויי אדם הפכו לפנינה נוצצת בתחום הבינה המלאכותית.

בשנים האחרונות רובוטים דמויי אדם הפכו לפנינה נוצצת בתחום הבינה המלאכותית עם יישומם הרחב בתחומים רבים כמו טיפול רפואי ושירות. על מנת לקדם עוד יותר את התפתחות התעשייה, ממשלות מקומיות הציגו מדיניות להגברת התמיכה ברובוטים דמויי אדם ומרכיבי המפתח שלהם. בשרשרת תעשיית הרובוטים דמויי האדם, מנוע הכוסות החלול ממלא תפקיד חשוב במערכת בקרת התנועה של הרובוט האנושי, כגון מרכיב הליבה של יד מיומנות הרובוט האנושי של טסלה הוא מנוע הכוס החלול, מכלול רובוט יחיד 12 (6 כל יד ימין). מאמר זה נועד לדון במאפיינים הטכניים, מצב השוק והסיכויים העתידיים של מנוע כוס חלול באמצעות המחקר.

מה זה מנוע כוס חלול

1. מושג וסיווג מנוע

מנוע חשמלי הוא מכשיר הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. הוא משתמש בסליל מופעל (כלומר, פיתול הסטטור) כדי ליצור שדה מגנטי מסתובב ומשמש עבור הרוטור (כגון מסגרת אלומיניום סגורה של כלוב סנאי) ליצירת מומנט סיבובי מגנו-אלקטרי, שנועד להמיר את הכוח שנוצר על ידי זרימת הזרם בשדה המגנטי לפעולה סיבובית. העיקרון הוא להשתמש בשדה המגנטי כדי לאלץ את הזרם לגרום למנוע להסתובב.

העיקרון הבסיסי של סיבוב המנוע: מסביב למגנט הקבוע עם ציר מסתובב, 1 סובב את המגנט (כך שנוצר השדה המגנטי המסתובב), 2 לפי עיקרון הקוטב N ומשיכה ההטרופולית של קוטב S, אותה דחיית קוטב, 3 המגנט עם ציר מסתובב יסתובב.

במנוע, בעצם הזרם הזורם דרך החוט הוא שיוצר סביבו שדה מגנטי מסתובב (כוח מגנטי) שגורם למגנט להסתובב. כאשר החוט מלופף לתוך סליל, הכוח המגנטי מסונתז ליצירת שטף שדה מגנטי גדול (שטף מגנטי), וכתוצאה מכך הקטבים N ו-S. על ידי הכנסת ליבת ברזל לתוך סליל של תיל, קווי השדה המגנטי הופכים קלים יותר למעבר ויכולים לייצר כוח מגנטי חזק יותר.

מבנה המנוע מורכב בעיקרו משני חלקים: סטטור ורוטור.

סטטור: החלק הנייח של המנוע, שהמבנה העיקרי שלו כולל את הקוטב המגנטי, הפיתול והתושבת. הקוטב המגנטי הוא החלק של המנוע שיוצר את השדה המגנטי, המורכב בדרך כלל מליבת ברזל וסלילים. הפיתול הוא הסליל בסטטור, המורכב לרוב ממוליכים ובידוד, שתפקידו ליצור שדה מגנטי כאשר זרם חשמלי עובר דרכו. התושבת היא מבנה התמיכה של הסטטור, עשוי בדרך כלל מסגסוגת אלומיניום וחומרים אחרים, בעל עמידות וחוזק בפני קורוזיה טובים.

רוטור: החלק המסתובב של מנוע, שהמבנה העיקרי שלו כולל אבזור, מיסבים ומכסי קצה. האבזור הוא הסליל ברוטור, המורכב לרוב ממוליכים ובידוד, שתפקידו ליצור שדה מגנטי כאשר זרם חשמלי עובר דרכו. מיסבים הם מבנה התמיכה של הרוטור, עשוי בדרך כלל מפלדה או קרמיקה, עם עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה. כיסוי הקצה הוא מבנה הקצה של המנוע, עשוי בדרך כלל מסגסוגת אלומיניום וחומרים אחרים, עם אטימה וחוזק טובים.

2, הגדרה וסיווג מנוע כוס חלולה

בשנת 1958, Dr.FF aulhaber פיתח את טכנולוגיית סליל הפיתול המשופע והשיג את הפטנט הרלוונטי עבור מנוע הכוס החלולה בשנת 1965, המציין את הופעתו של מנוע הכוס החלולה, והעיצוב המבני היצירתי שלו מאפשר למנוע להיות גם בגודל קטן יותר וגם ביעילות רבה יותר. מנוע הכוס החלול שייך למנוע סרוו מגנט קבוע DC, מבנה המנוע מוצג באיור הבא, מורכב בעיקר מסטטור ורוטור. הסטטור מורכב מיריעת פלדת סיליקון וסליל, ויריעת פלדת סיליקון ללא מבנה חריץ שיניים יכולה למנוע את אפקט חריץ השיניים ולהפחית את אובדן הברזל ואובדן זרם המערבולת. הרוטור מורכב ממגנט קבוע, ציר מסתובב וחלקיו הקבועים, והמנוע משתמש במגנט קבוע טבעת, שקל לעבד ולהתקין.

בהשוואה למנועים רגילים, התכונה הגדולה ביותר של הרוטור היא שהוא פורץ דרך מבנה הרוטור של המנוע המסורתי במבנהו, ומשתמש ברוטור ללא ליבה, הידוע גם כרוטור כוס חלול. הרוטור הוא מבנה חלול בצורת כוס מוקף בפיתולים ומגנטים. במנועים רגילים, תפקידה של ליבת הברזל הוא בעיקר: 1) לרכז ולהנחות את השדה המגנטי: ליבת הברזל עשויה מחומר בעל חדירות מגנטית גבוהה (כגון פלדת סיליקון), שיכול לרכז ולהנחות את השטף המגנטי, ובכך לשפר את חוזק השדה המגנטי ויעילות המנוע; 2) פיתול תמיכה: ליבת הברזל מספקת מבנה תמיכה חזק לליפוף, המבטיחה שהפיתול שומר על צורה ומיקום יציב במהלך פעולת המנוע. במנוע הספל החלול, הצילינדר החלול בעל הדופן הדק משמש כרוטור, והגליל החלול כרוך ישירות בתוך הפיתול ללא תמיכת ליבה נוספת. יתרונות תכנון חסר ליבה: 1) ביטול הפסדי זרם מערבול והיסטרזיס: ליבת הברזל במנוע נפוץ תייצר הפסדי זרם מערבולת והיסטרזיס בשדה מגנטי לסירוגין, מה שיפחית את יעילות המנוע. מנוע הכוס החלול משתמש ברוטור ללא ליבה, אשר מבטל לחלוטין את ההפסדים הללו, ובכך משפר את יעילות המרת האנרגיה של המנוע. 2) הפחת את המשקל ואת מומנט האינרציה: העיצוב נטול הליבה מפחית משמעותית את משקל הרוטור, מה שהופך את המנוע כולו לקל יותר. יחד עם זאת, הפחתת מומנט האינרציה מאפשרת למנוע לקבל מהירות תגובה מהירה יותר ותאוצה גבוהה יותר, מה שמועיל מאוד עבור תרחישי יישום הדורשים התנעה ועצירה מהירה.

יחד עם זאת, העיצוב המדויק של מבנה הגליל החלול ופריסה המתפתלת יכולים לייעל את חלוקת השדה המגנטי בתוך מנוע הכוס החלולה, להפחית את הדליפה המגנטית ואובדן האנרגיה, ולשפר עוד יותר את היעילות והביצועים של המנוע.

ניתן לחלק את מנוע הכוס החלול לשני סוגים על פי מצב המעבר שלו: האחד הוא מנוע מברשת הכוס החלולה, שמאמץ את מצב העברת מברשת הפחמן המכנית; השני הוא המנוע חסר המברשות של הכוס החלולה, המחליף את העברת המברשת בקומוטציה אלקטרונית, תוך הימנעות מהניצוץ החשמלי וחלקיקי הטונר הנוצרים במהלך פעולת מנוע המברשת, מפחית את הרעש ומגדיל את חיי השירות של המנוע. מהשוואה בין מוצרים שונים של מכשירי חשמל של Mingzhi באיור הבא, ניתן לראות כי אין צורך במברשת במנוע הכוס החלולה ללא מברשות, אך חיישן ה- Hall מזהה את אות השדה המגנטי של הרוטור, הופך את ההיפוך המכני להיפוך אות אלקטרוני, ומפשט עוד יותר את המבנה הפיזי של המנוע של הכוס החלולה.

3, יתרונות מנוע כוס חלולה

מנוע הספל החלול פורץ את מבנה הרוטור של המנוע המסורתי במבנהו, מפחית את אובדן הכוח הנגרם מהיווצרות זרם מערבולת בליבת הברזל, ומסתו ומומנט האינרציה שלו מופחתים מאוד, ובכך מפחיתים את אובדן האנרגיה המכנית של הרוטור עצמו. לסיכום, למנוע הספל החלול יש את היתרונות של צפיפות הספק גבוהה, חיי שירות ארוכים, תגובה מהירה, שיא מומנט גבוה, פיזור חום טוב וכן הלאה.

צפיפות הספק גבוהה: צפיפות ההספק של מנוע הכוס החלולה היא היחס בין הספק המוצא למשקל או לנפח. מבחינת משקל, הרוטור שאינו הליבה קל יותר מרוטור הליבה הרגיל; מבחינת יעילות, הרוטור נטול ליבות מבטל זרם מערבולת ואובדן היסטרזה הנוצרים על ידי הרוטור חסר הליבה, משפר את היעילות של המיקרו-מנוע ומבטיח מומנט יציאה והספק גבוהים. היעילות המקסימלית של רוב מנועי הכוס החלולה היא יותר מ-80%, בעוד שהיעילות המקסימלית של רוב מנועי ה-DC המברשת היא בדרך כלל סביב 50%. משקל נמוך יותר ויעילות גבוהה יותר מאפשרים למנועי כוסות חלולים להשיג צפיפות הספק גבוהה יותר. לכן, מנוע הכוס החלול מתאים במיוחד ליישומים המופעלים על ידי סוללה הדורשים תקופות פעולה ארוכות, כגון משאבות דגימת אוויר ניידות, רובוטים דמויי אדם, ידיים ביוניות, כלי עבודה ידניים ויישומים אחרים.

צפיפות מומנט גבוהה: העיצוב חסר הליבה מפחית את משקל הרוטור ואת מומנט האינרציה, ומומנט האינרציה הנמוך פירושו שהמנוע יכול להאיץ ולהאט מהר יותר, וכך הוא מסוגל לייצר מומנט רב יותר בזמן קצר; יחד עם זאת, היעדר ליבת ברזל הופך את מנוע הספל החלול לקומפקטי יותר, קטן יותר ומסוגל לספק תפוקת מומנט גבוהה יותר בחלל מוגבל.

חיי שירות ארוכים: מספר חלקי היפוך של מנוע הספל החלול מקטין את תנודת הזרם ואת השראות המנוע בעת היפוך, מה שמפחית מאוד את הקורוזיה החשמלית של מערכת ההיפוך במהלך תהליך ההיפוך, כדי לקבל חיים ארוכים יותר. על פי הנתונים ב'מחקר יישומים של ניהול מותאם אישית של מנועי כוס חלולה', החיים של מנועי DC מוברש הם בדרך כלל רק כמה מאות שעות, ותוחלת החיים של מנועי כוס חלולה היא בדרך כלל בין 1000 ל-3000 שעות, מה שיכול לספק פעולה אמינה ארוכה יותר.

מהירות תגובה מהירה: למנוע המסורתי יש מומנט אינרציה גדול יחסית בגלל קיומה של ליבת הברזל, בעוד שמנוע הכוס החלול הוא קומפקטי, והרוטור הוא סליל בצורת כוס, כך שהמשקל קל יותר, ומומנט האינרציה הקטן יותר שלו גם גורם למנוע הכוס החלול להיות בעל מאפייני כוונון רגישים של התחלה-עצירה. על פי 'התקדמות המחקר של מיקרו מנוע וסליל כוס חלול', קבוע הזמן המכני של מנוע הליבה הכללי הוא כ-100ms, בעוד שקבוע הזמן המכני של מנוע הכוס החלול הוא פחות מ-28ms, ומוצרים מסוימים הם אפילו פחות מ-10ms.

מומנט שיא גבוה: היחס בין שיא המומנט והמומנט המתמשך של מנוע הכוס החלולה הוא גדול מאוד, מכיוון שתהליך הזרם העולה לקבוע שיא המומנט אינו משתנה, והקשר הליניארי בין הזרם למומנט יכול לגרום למנוע לייצר שיא מומנט גדול. לאחר שמנוע DC הליבה הרגיל מגיע לרוויה, לא משנה שהזרם גדל, המומנט של מנוע DC לא יגדל.

פיזור חום טוב: לפני השטח של רוטור הכוס החלול יש זרימת אוויר, טוב יותר מביצועי פיזור החום של רוטור הליבה, חוט האמייל של רוטור הליבה מוטבע בחריץ יריעת הפלדה של סיליקון, זרימת האוויר של פני הסליל קטנה יותר, עליית הטמפרטורה גדולה יותר, באותם תנאי תפוקת הספק, עליית הטמפרטורה של כוס ה-DC חלולה יותר.

4, הנתיב הטכני של מנוע כוס חלול

השלב המרכזי בייצור של מנוע כוס חלול הוא ייצור של סליל, כך שעיצוב הסליל ותהליך הפיתול הופכים למחסומי הליבה שלו. הקוטר, מספר הסיבובים והלינאריות של החוט משפיעים ישירות על פרמטרי הליבה של המנוע. מחסום הליבה של סליל סליל בא לידי ביטוי ישירות בעיצוב הסליל, מכיוון שלסוגי סלילה שונים יש הבדלים בקצב האוטומציה ובצריכת הנחושת. מצד שני, זה בא לידי ביטוי גם בציוד הליפוף ושיטת הפיתול, וקצב המילוי של חריץ הכוס החלול שנפצע על ידי מכונות סלילה שונות שונה, מה שמוביל לדלילות שונה, המשפיעה ישירות על אובדן המנוע, פיזור החום, הספק וכן הלאה.

זווית עיצוב סליל: ניתן לחלק את עיצוב המתפתל של מנוע כוס חלול לסוג סלילה ישר, סוג סלילה אלכסוני וסוג אוכף.

פיתול ישר: חוט הסליל מקביל לציר המנוע ויוצר מבנה מתפתל מרוכז. הרעיון העיצובי של הסליל המפותל הישר הוא תחילה ללפף את חוט האמייל העגול הרגיל על התבנית המתפתלת בהתאם לדרישת מספר הסיבובים, ולאחר מכן לחבר את הפיתול על פיר הליבה של החוט, ולאחר מכן להשתמש בקלסר בשני הקצוות כדי לרפא וליצור. באופן יחסי, קצה הפיתול הישר אינו מייצר מומנט, ומגדיל את משקל האבזור והתנגדות האבזור.

פיתול אלכסוני: ידוע גם בשם פיתול חלת דבש, נעשה שימוש בשיטת פיתול חלת הדבש, משאירים ברזים באמצע, על מנת שניתן יהיה ללפף באופן רציף, יש צורך להפוך את הצד האפקטיבי של האלמנט ואת ציר האבזור לזווית הטיה מסוימת. גודל הקצה של שיטת סלילה זו הוא קטן, אך מכיוון שהליפוף המתמשך בפיתול האלכסוני דורש זווית קו מסוימת, חוט האמייל חופף, וקצב מילוי החריצים נמוך. בהשוואה לסוג הפצע הישר, לאבזור המתפתל המשופע אין פיתול קצה, מה שמפחית את משקל האבזור, ויש לו את היתרונות של מומנט אינרציה קטן, קבוע זמן קטן, מאפייני גרירה טובים ומומנט פלט גדול. פאולהבר בגרמניה ופורטסקאפ בשוויץ משתמשים בעיקר בפיתול משופע.

סוג האוכף: ידוע גם כפיתול קונצנטרי או מעוין, נעשה שימוש בשיטה של ​​ליפוף סליל מעוצב ולאחר מכן בחיווט, כלומר, חוט האמייל הדביק העצמי מלופף על תבנית מתפתלת מיוחדת, וגביע האבזור עשוי מסידורי עיצוב מרובים. בעת הליפול, שתי שכבות הסלילים מסודרות בצורה מסודרת ומעוצבת, מה שנוח לשלוט בגודל כוס האבזור לאחר עיצוב מחדש ולשפר את קצב מילוי החריצים. יחד עם זאת, לשיטה זו יעילות ייצור גבוהה ומתאימה לייצור המוני. לקצה אבזור מתפתל האוכף יש פחות שכבות חופפות, מרווח אוויר קטן ושיעור ניצול גבוה של מגנט קבוע, מה שמשפר את צפיפות ההספק של המנוע. חלק מהמוצרים של Maxon בשוויץ משתמשים בפיתול מסוג אוכף.

נקודת מבט של תהליך סלילה: מנקודת מבט של טכנולוגיית הייצור, על פי שיטת היווצרות של הסליל מחולק בעיקר לשלוש קטגוריות: סלילה ידנית, סלילה וייצור חד פעמי.

1) סלילה ידנית. באמצעות סדרה של תהליכים מורכבים, כולל הכנסת פינים, סלילה ידנית, חיווט ידני ועוד שלבים לייצור. הוא מתאים למוצרים הדורשים מידה גבוהה של התאמה אישית, אך יעילות הייצור ויציבות המוצר מוגבלות.

2) טכנולוגיית ייצור מתפתל. טכנולוגיית הייצור המתפתל היא ייצור חצי אוטומטי, החוט המצופה אמייל נכרך תחילה ברצף אל הפיר הראשי עם חתך בצורת יהלום, והוא מוסר לאחר הגעה לאורך הנדרש, ולאחר מכן משטחים לצלחת תיל, ולבסוף לוחית התיל נלכדת לסליל בצורת כוס. על פי 'תהליך ייצור אבזור ספל חלול מתפתל וציוד', ניתן להגדיר את מכונת הליפוף הבאה עם 4 עובדים כדי להשיג תפוקה שנתית של 30,000 יחידות, אך המגבלה של הליפוף היא שהיא מתאימה יותר לקוטר כוס חלולה של 20-30 מ'מ, קשה לגלגל סלילים קטנים יותר עם מרווח ברז של פחות מ-1 מ'מ בקוטר של פחות מ-1 מ'מ. בסך הכל, יעילות הייצור של תהליך הפיתול גבוהה יחסית, והיא יכולה לעמוד בדרישות של ייצור בקנה מידה בינוני. עם זאת, שיעור ההשתתפות הידני הגבוה שלו מוביל לכך שהעקביות של המוצר המוגמר לא תהיה טובה כמו ייצור אוטומטי, וקשה לעמוד בגודל הקטן יותר של סליל הכוס החלול.

3) טכנולוגיית ייצור דפוס אחת. מכונת סלילה באמצעות ציוד אוטומציה תהיה חוט אמייל על פי הכלל של ציר, סליל מתפתל לתוך כוס לאחר הסרה, יציקה אחת, אין צורך לגלגל ולשטח מספר תהליכים, רמה גבוהה של אוטומציה, כך שיעילות הייצור ועקביות המוצר המוגמר טובים יותר; אבל ההשקעה המקבילה בציוד מראש תהיה גבוהה יותר.

תהליך הפיתול בחו'ל התפתח מוקדם, מידת האוטומציה גבוהה מהבית. המקומיים מאמצים בעיקר ייצור מתפתל, התהליך מסובך יותר, עוצמת העבודה של העובדים גדולה, לא יכולה להשלים את הסליל בקוטר חוט עבה יותר, ושיעור הגרוטאות גבוה. מדינות זרות משתמשות בעיקר בטכנולוגיית ייצור פצע חד פעמי, רמה גבוהה של אוטומציה, יעילות ייצור גבוהה, טווח קוטר סליל, איכות סליל טובה, סידור הדוק, סוגי מנועים, ביצועים טובים.

קישורי שרשרת תעשייתיים ויישומים במורד הזרם

במעלה הזרם של מנוע הכוס החלולה הם חומרי גלם וחלקים, חומרי הגלם כוללים נחושת, פלדה, פלדה מגנטית, פלסטיק וכו', חלקים כוללים מיסבים, מברשות, קומוטטורים וכו'. האמצעים של השרשרת התעשייתית הם יצרני מנועים. במורד השרשרת התעשייתית הוא קצה היישום, ולמנוע הכוס החלול יש מאפיינים של רגישות גבוהה, פעולה יציבה ושליטה חזקה, העומדת בדרישות המחמירות של תחום ההנעה החשמלית הגבוהה, ולכן הוא משמש בעיקר בתעופה וחלל, ציוד רפואי, אוטומציה תעשייתית ורובוטיקה ותחומים מתקדמים אחרים. במקביל, מנוע הכוס החלול מיושם בהדרגה בתחום האזרחי, כגון אוטומציה משרדית, כלי עבודה חשמליים וכן הלאה.

מנוע כוס חלול מבטיח

מנוע כוס חלול עם העיצוב הייחודי שלו ללא ליבת ברזל, מראה מהירות גבוהה, יעילות גבוהה, תגובה דינמית גבוהה ויתרונות משמעותיים נוספים, בשימוש נרחב בתעופה וחלל, ציוד רפואי ותחומים אחרים, ברובוט דמוי אדם יש גם השפעה משמעותית לגמישות הידיים. למרות שלארגונים בחו'ל כמו Maxon ו-Faulhaber יש את היתרון הראשון כיום, עם השיפור המתמשך של הרמה הטכנית של יצרנים מקומיים והפיתוח המהיר של שוק הרובוטים דמויי האדם, מנועים מקומיים לכוסות חלולים יפתחו הזדמנויות פיתוח חדשות.