Humanoidni roboti postali su sjajni biser na području umjetne inteligencije.
Posljednjih godina humanoidni roboti postali su blistavi biser na području umjetne inteligencije sa svojom širokom primjenom u mnogim područjima poput medicinske skrbi i usluga. Kako bi dodatno promicali razvoj industrije, lokalne vlasti uvele su politike za povećanje podrške humanoidnim robotima i njihovim ključnim komponentama. U lancu industrije humanoidnih robota, motor sa šupljom šalicom igra važnu ulogu u sustavu upravljanja kretanjem humanoidnog robota, kao što je ključna komponenta spretne ruke Teslinog humanoidnog robota motor sa šupljom šalicom, jedan robotski sklop 12 (6 svaka desna ruka). Ovaj rad ima za cilj raspravljati o tehničkim karakteristikama, statusu na tržištu i budućim izgledima motora sa šupljom šalicom kroz istraživanje.
Što je motor šuplje čaše
1. Pojam i podjela motora
Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku. Koristi zavojnicu pod naponom (tj. namot statora) za stvaranje rotirajućeg magnetskog polja i koristi se za rotor (kao što je kavezno zatvoreni aluminijski okvir) za formiranje magnetoelektričnog rotacijskog momenta, koji pretvara silu generiranu protokom struje u magnetskom polju u rotirajuću radnju. Načelo je korištenje magnetskog polja za prisiljavanje struje kako bi se motor okretao.
Osnovno načelo rotacije motora: oko trajnog magneta s rotirajućom osi, 1 rotirajte magnet (tako da se generira rotirajuće magnetsko polje), 2 prema principu heteropolnog privlačenja N pola i S pola, odbijanje istog pola, 3 magnet s rotirajućom osi će se okretati.
U motoru je zapravo struja koja teče kroz žicu koja stvara rotirajuće magnetsko polje (magnetsku silu) oko nje koja uzrokuje rotaciju magneta. Kada se žica namota u zavojnicu, sintetizira se magnetska sila koja stvara veliki tok magnetskog polja (magnetski tok), što rezultira N i S polom. Umetanjem željezne jezgre u zavojnicu žice postaje lakše proći linije magnetskog polja i mogu proizvesti jaču magnetsku silu.
Struktura motora uglavnom se sastoji od dva dijela: statora i rotora.
Stator: nepomični dio motora, čija glavna struktura uključuje magnetski pol, namot i nosač. Magnetski pol je dio motora koji stvara magnetsko polje, koje se obično sastoji od željezne jezgre i zavojnica. Namot je zavojnica u statoru, obično sastavljena od vodiča i izolacije, čija je uloga stvaranje magnetskog polja kada kroz njega prolazi električna struja. Nosač je potporna struktura statora, obično izrađena od aluminijske legure i drugih materijala, s dobrom otpornošću na koroziju i čvrstoćom.
Rotor: Rotirajući dio motora, čija glavna struktura uključuje armaturu, ležajeve i završne poklopce. Armatura je zavojnica u rotoru, obično sastavljena od vodiča i izolacije, čija je uloga stvaranje magnetskog polja kada kroz njega prolazi električna struja. Ležajevi su potporna struktura rotora, obično izrađeni od čelika ili keramike, s dobrom otpornošću na habanje i koroziju. Završni poklopac je krajnja struktura motora, obično izrađena od aluminijske legure i drugih materijala, s dobrim brtvljenjem i čvrstoćom.
2, definicija i klasifikacija motora šuplje čaše
Godine 1958. Dr.FF aulhaber razvio je tehnologiju zavojnice s nagnutim namotajem i dobio relevantni patent za motor sa šupljom čašom 1965., označavajući pojavu motora sa šupljom čašom, a njegov kreativni strukturni dizajn omogućuje motoru manju veličinu i veću učinkovitost. Motor sa šupljom čašom pripada istosmjernom servo motoru s trajnim magnetom, struktura motora prikazana je na sljedećoj slici, uglavnom se sastoji od statora i rotora. Stator se sastoji od silikonskog čeličnog lima i namota zavojnice, a silikonski čelični lim bez strukture utora zuba može izbjeći učinak utora zuba i smanjiti gubitak željeza i gubitak vrtložne struje. Rotor se sastoji od permanentnog magneta, rotirajućeg vratila i njegovih fiksnih dijelova, a motor koristi prstenasti permanentni magnet koji se lako obrađuje i postavlja.
U usporedbi s običnim motorima, najveća značajka rotora je da probija strukturu rotora tradicionalnog motora u strukturi i koristi rotor bez jezgre, također poznat kao rotor sa šupljom čašom. Rotor je šuplja struktura u obliku šalice okružena namotima i magnetima. U običnim motorima, uloga željezne jezgre je uglavnom: 1) koncentriranje i vođenje magnetskog polja: željezna jezgra je izrađena od materijala s visokom magnetskom propusnošću (kao što je silikonski čelični lim), koji može koncentrirati i voditi magnetski tok, čime se poboljšava snaga magnetskog polja i učinkovitost motora; 2) Potporni namot: Željezna jezgra pruža snažnu potpornu strukturu za namot, osiguravajući da namot zadrži stabilan oblik i položaj tijekom rada motora. U motoru sa šupljom šalicom, šuplji cilindar tankih stijenki koristi se kao rotor, a šuplji cilindar je namotan izravno unutar namota bez dodatne potpore jezgre. Prednosti dizajna bez jezgre: 1) Uklanjanje vrtložnih struja i gubitaka na histerezi: Željezna jezgra u uobičajenom motoru proizvest će gubitke na vrtložne struje i histerezu u izmjeničnom magnetskom polju, što će smanjiti učinkovitost motora. Motor sa šupljom šalicom koristi rotor bez jezgre, koji potpuno eliminira te gubitke, čime se poboljšava učinkovitost pretvorbe energije motora. 2) Smanjite težinu i moment inercije: dizajn bez jezgre značajno smanjuje težinu rotora, čineći cijeli motor lakšim. U isto vrijeme, smanjenje momenta inercije omogućuje motoru veću brzinu odziva i veće ubrzanje, što je vrlo korisno za scenarije primjene koji zahtijevaju brzo pokretanje i zaustavljanje.
U isto vrijeme, precizni dizajn strukture šupljeg cilindra i raspored namota može optimizirati distribuciju magnetskog polja unutar šupljeg motora, smanjiti magnetsko curenje i gubitak energije i dodatno poboljšati učinkovitost i performanse motora.
Motor sa šupljom čašom može se podijeliti u dvije vrste prema načinu komutacije: jedan je motor s četkom sa šupljom čašom, koji prihvaća mehanički način komutacije karbonske četke; Drugi je motor bez četkica sa šupljom čašom, koji zamjenjuje komutaciju četkice elektroničkom komutacijom, izbjegavajući električnu iskru i čestice tonera koje se generiraju tijekom rada motora četkice, smanjujući buku i produžujući životni vijek motora. Iz usporedbe različitih proizvoda Mingzhi električnih uređaja na sljedećoj slici, može se vidjeti da nema potrebe za četkom u šupljem motoru bez četkica, ali Hallov senzor otkriva signal magnetskog polja rotora, pretvara mehanički preokret u elektronički preokret signala i dodatno pojednostavljuje fizičku strukturu motora sa šupljom čašom.
3, prednosti motora šuplje čaše
Motor sa šupljom čašom probija strukturu rotora tradicionalnog motora u strukturi, smanjuje gubitak snage uzrokovan stvaranjem vrtložnih struja u željeznoj jezgri, a njegova masa i moment inercije su uvelike smanjeni, čime se smanjuje gubitak mehaničke energije samog rotora. Ukratko, motor sa šupljom čašom ima prednosti velike gustoće snage, dugog vijeka trajanja, brzog odziva, visokog vršnog momenta, dobre disipacije topline i tako dalje.
Velika gustoća snage: Gustoća snage motora sa šupljom čašom je omjer izlazne snage prema težini ili volumenu. Što se tiče težine, rotor bez jezgre je lakši od običnog rotora s jezgrom; Što se tiče učinkovitosti, rotor bez jezgre eliminira vrtložne struje i gubitke na histerezi koje stvara rotor bez jezgre, poboljšava učinkovitost mikromotora i osigurava visok izlazni moment i izlaznu snagu. Maksimalna učinkovitost većine motora sa šupljom čašom je veća od 80%, dok je maksimalna učinkovitost većine istosmjernih motora s četkama općenito oko 50%. Manja težina i veća učinkovitost omogućuju motorima sa šupljom čašom postizanje veće gustoće snage. Stoga je motor sa šupljom čašom posebno prikladan za aplikacije koje se napajaju baterijama koje zahtijevaju duga razdoblja rada, kao što su prijenosne pumpe za uzorkovanje zraka, humanoidni roboti, bioničke ruke, ručni električni alati i druge primjene.
Visoka gustoća zakretnog momenta: dizajn bez jezgre smanjuje težinu rotora i moment inercije, a nizak moment inercije znači da motor može ubrzavati i usporavati brže, tako da može generirati više momenta u kratkom vremenu; U isto vrijeme, odsutnost željezne jezgre čini motor sa šupljom čašom kompaktnijim, manjim i sposobnim pružiti veći okretni moment u ograničenom prostoru.
Dug životni vijek: Broj dijelova za preokretanje motora sa šupljom čašom čini fluktuaciju struje i induktivitet motora manjim pri kretanju unazad, uvelike smanjujući električnu koroziju sustava za preokretanje tijekom procesa okretanja, tako da ima dulji vijek trajanja. Prema podacima u 'Application Research of Customized Management of hollow cup motors', život brušenih istosmjernih motora općenito je samo nekoliko stotina sati, a očekivani životni vijek motora sa šupljim šalicama obično je između 1000 i 3000 sati, što može osigurati duži pouzdani rad.
Brza brzina odziva: tradicionalni motor ima relativno veliki moment inercije zbog postojanja željezne jezgre, dok je motor sa šupljom čašom kompaktan, a rotor je samonoseća zavojnica u obliku čaše, tako da je težina manja, a njegov manji moment inercije također čini da motor sa šupljom čašom ima osjetljive karakteristike podešavanja start-stop. Prema 'Napretku istraživanja mikro motora i zavojnice sa šupljom čašom', mehanička vremenska konstanta motora s općom jezgrom je oko 100 ms, dok je mehanička vremenska konstanta motora sa šupljom čašom manja od 28 ms, a neki proizvodi su čak i manji od 10 ms.
Visoki vršni zakretni moment: Omjer vršnog zakretnog momenta i kontinuiranog zakretnog momenta motora sa šupljom čašom je vrlo velik, jer je proces porasta struje do konstante vršnog zakretnog momenta nepromijenjen, a linearni odnos između struje i zakretnog momenta može učiniti da mikromotor proizvede veliki vršni zakretni moment. Nakon što uobičajeni istosmjerni motor s jezgrom dosegne zasićenje, bez obzira na povećanje struje, okretni moment istosmjernog motora neće se povećati.
Dobro odvođenje topline: površina rotora sa šupljom šalicom ima protok zraka, bolji od performansi rasipanja topline rotora s jezgrom, emajlirana žica rotora s jezgrom je ugrađena u žlijeb silikonskog čeličnog lima, protok zraka na površini svitka je manji, porast temperature je veći, pod istim uvjetima izlazne snage, porast temperature istosmjernog motora sa šupljom šalicom je manji.
4, tehnički put motora šuplje čaše
Ključni korak u proizvodnji motora sa šupljom čašom je proizvodnja zavojnice, tako da dizajn zavojnice i proces namatanja postaju njegove glavne prepreke. Promjer, broj zavoja i linearnost žice izravno utječu na osnovne parametre motora. Prepreka jezgre namota zavojnice izravno se odražava na dizajn zavojnice, jer različite vrste namota imaju razlike u stopi automatizacije i potrošnji bakra. S druge strane, to se također odražava na opremu za namatanje i metodu namotavanja, a stopa punjenja utora šuplje čašice namotane različitim strojevima za namatanje je različita, što dovodi do različite rijetkosti, izravno utječući na gubitak motora, rasipanje topline, snagu i tako dalje.
Kut dizajna zavojnice: Dizajn namota motora sa šupljom šalicom može se podijeliti na ravni namot, kosi namot i sedlasti tip.
Ravno namotavanje: Žica zavojnice je paralelna s osi motora, tvoreći koncentriranu strukturu namota. Ideja dizajna ravno namotane zavojnice je prvo namotavanje obične kružne emajlirane žice na matricu za namatanje u skladu sa zahtjevom broja zavoja, a zatim povezivanje namota na jezgru žice, a zatim korištenje veziva na oba kraja za stvrdnjavanje i oblikovanje. Relativno govoreći, kraj ravnog namota ne proizvodi zakretni moment i povećava težinu armature i otpor armature.
Kosi namotaj: također poznat kao saćasti namotaj, koristi se saćasti namotaj, ostavljajući slavine u sredini, kako bi se moglo kontinuirano navijati, potrebno je napraviti efektivnu stranu elementa i os armature u određenom kutu nagiba. Krajnja veličina ove metode namatanja je mala, ali budući da kontinuirano namatanje u kosom namotu zahtijeva određeni linijski kut, emajlirana žica se preklapa, a stopa punjenja utora je niska. U usporedbi s ravnim namotanim tipom, nagnuta namotana armatura nema krajnje namotavanje, smanjujući težinu armature i ima prednosti malog momenta tromosti, male vremenske konstante, dobrih karakteristika otpora i velikog izlaznog momenta. Faulhaber u Njemačkoj i Portescap u Švicarskoj uglavnom koriste koso namotavanje.
Tip sedla: poznat i kao koncentrično ili romboidno namotavanje, koristi se metoda namotavanja oblikovane zavojnice, a zatim ožičenja, to jest, samoljepljiva emajlirana žica se namotava na posebnu matricu za namatanje, a šalica armature je izrađena od više oblika. Prilikom namatanja, dva sloja zavojnica su uredno raspoređena i oblikovana, što je zgodno za kontrolu veličine šalice armature nakon preoblikovanja i poboljšanje stope punjenja utora. Istodobno, ova metoda ima visoku proizvodnu učinkovitost i pogodna je za masovnu proizvodnju. Kraj armature namotaja sa sjedištem ima manje slojeva koji se preklapaju, mali zračni raspor i visoku stopu iskorištenja trajnog magneta, što poboljšava gustoću snage motora. Neki proizvodi tvrtke Maxon u Švicarskoj koriste namatanje u obliku sedla.
S gledišta procesa namotavanja: s gledišta proizvodne tehnologije, prema načinu oblikovanja svitak se uglavnom dijeli u tri kategorije: ručno namatanje, namatanje i proizvodnja jednokratnog oblikovanja.
1) Ručno navijanje. Kroz niz složenih procesa, uključujući umetanje igle, ručno namatanje, ručno ožičenje i druge korake u proizvodnji. Prikladan je za proizvode koji zahtijevaju visok stupanj prilagodbe, ali su učinkovitost proizvodnje i stabilnost proizvoda ograničeni.
2) Tehnologija proizvodnje namota. Tehnologija proizvodnje namota je poluautomatska proizvodnja, emajlirana žica se prvo uzastopno namotava na glavnu osovinu s poprečnim presjekom u obliku dijamanta, a uklanja se nakon postizanja potrebne duljine, a zatim se spljošti u žičanu ploču, a na kraju se žičana ploča namota u zavojnicu u obliku šalice. U skladu s procesom namotavanja 'procesa proizvodnje armature šuplje čašice i opreme', sljedeći stroj za namotavanje može se konfigurirati s 4 radnika kako bi se postigla godišnja proizvodnja od 30 000 jedinica, ali ograničenje namotavanja je to što je prikladnije za promjer šuplje čašice od 20-30 mm, teško je namotavati manje zavojnice s razmakom između slavina manjim od 7 mm, to jest, proizvode promjera manjeg od 10~12 mm. Općenito, proizvodna učinkovitost procesa namotavanja je relativno visoka i može zadovoljiti zahtjeve srednje velike proizvodnje. Međutim, njegova visoka ručna stopa sudjelovanja dovodi do toga da konzistencija gotovog proizvoda možda nije tako dobra kao automatizirana proizvodnja, a teško je zadovoljiti manju veličinu namota šuplje šalice.
3) Jedna tehnologija proizvodnje kalupa. Stroj za namatanje kroz opremu za automatizaciju bit će emajlirana žica prema pravilu vretena, namotavanje zavojnice u šalicu nakon uklanjanja, jedno oblikovanje, nema potrebe za valjanjem i izravnavanjem višestrukih procesa, visok stupanj automatizacije, tako da su učinkovitost proizvodnje i konzistencija gotovog proizvoda bolji; Ali odgovarajuće početno ulaganje u opremu bit će veće.
Inozemni proces namotavanja razvio se rano, stupanj automatizacije je viši od domaćeg. Domaći uglavnom usvajaju proizvodnju namotaja, proces je kompliciraniji, radni intenzitet radnika je velik, ne mogu dovršiti zavojnicu s debljim promjerom žice, a stopa otpada je visoka. Strane zemlje uglavnom koriste tehnologiju jednokratne proizvodnje namotaja, visok stupanj automatizacije, visoku učinkovitost proizvodnje, raspon promjera zavojnice, dobru kvalitetu zavojnice, čvrst raspored, tipove motora, dobre performanse.
Karike industrijskog lanca i nizvodne primjene
Uzvodno od motora sa šupljom šalicom su sirovine i dijelovi, sirovine uključuju bakar, čelik, magnetski čelik, plastiku itd., dijelovi uključuju ležajeve, četke, komutatore itd. Srednji dio industrijskog lanca su proizvođači motora. Nizvodno od industrijskog lanca je kraj primjene, a motor sa šupljom čašom ima karakteristike visoke osjetljivosti, stabilnog rada i snažne kontrole, što ispunjava stroge zahtjeve vrhunskog polja električnog pogona, tako da se uglavnom koristi u zrakoplovstvu, medicinskoj opremi, industrijskoj automatizaciji i robotici i drugim vrhunskim poljima. U isto vrijeme, motor sa šupljom čašom također se postupno primjenjuje u civilnom području, kao što je uredska automatizacija, električni alati i tako dalje.
Obećavajući motor sa šupljom čašom
Motor sa šupljom šalicom sa svojim jedinstvenim dizajnom bez željezne jezgre, koji pokazuje veliku brzinu, visoku učinkovitost, visok dinamički odziv i druge značajne prednosti, naširoko se koristi u zrakoplovstvu, medicinskoj opremi i drugim područjima, u humanoidnom robotu fleksibilnost ruke također ima značajan utjecaj. Iako inozemna poduzeća kao što su Maxon i Faulhaber trenutno imaju prednost prvog pokretača, uz kontinuirano poboljšanje tehničke razine domaćih proizvođača i brzi razvoj tržišta humanoidnih robota, domaći motori sa šupljom šalicom otvorit će nove razvojne mogućnosti.
