Robot humanoid telah menjadi mutiara cemerlang di bidang kecerdasan buatan.
Dalam beberapa tahun terakhir, robot humanoid telah menjadi mutiara cemerlang di bidang kecerdasan buatan dengan penerapannya yang luas di berbagai bidang seperti perawatan dan layanan medis. Untuk lebih mendorong pengembangan industri ini, pemerintah daerah telah memperkenalkan kebijakan untuk meningkatkan dukungan terhadap robot humanoid dan komponen utamanya. Dalam rantai industri robot humanoid, motor hollow cup memegang peranan penting dalam sistem kendali gerak robot humanoid, seperti komponen inti tangan cekatan robot humanoid Tesla adalah motor hollow cup, rakitan robot tunggal 12 (masing-masing 6 tangan kanan). Makalah ini bertujuan untuk membahas karakteristik teknis, status pasar dan prospek masa depan motor hollow cup melalui penelitian.
Apa motor cangkir berongga
1. Konsep dan klasifikasi motorik
Motor listrik adalah suatu alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Ia menggunakan kumparan berenergi (yaitu belitan stator) untuk menghasilkan medan magnet yang berputar dan digunakan untuk rotor (seperti rangka aluminium tertutup sangkar tupai) untuk membentuk torsi rotasi magnetoelektrik, yaitu mengubah gaya yang dihasilkan oleh aliran arus dalam medan magnet menjadi aksi berputar. Prinsipnya menggunakan medan magnet untuk memaksa arus agar motor berputar.
Prinsip dasar putaran motor: mengelilingi magnet permanen yang sumbu putarnya, 1 memutar magnet (sehingga timbul medan magnet berputar), 2 menurut prinsip tarik-menarik heteropol kutub N dan kutub S, tolakan kutub yang sama, 3 magnet dengan sumbu putar akan berputar.
Pada sebuah motor, sebenarnya arus yang mengalir melalui kawatlah yang menimbulkan medan magnet berputar (gaya magnet) disekitarnya yang menyebabkan magnet berputar. Ketika kawat dililitkan menjadi kumparan, gaya magnet disintesis membentuk fluks medan magnet (fluks magnet) yang besar, sehingga menghasilkan kutub N dan S. Dengan memasukkan inti besi ke dalam kumparan kawat, garis-garis medan magnet menjadi lebih mudah dilewati dan dapat menghasilkan gaya magnet yang lebih kuat.
Struktur motor terutama terdiri dari dua bagian: stator dan rotor.
Stator: bagian diam dari motor, struktur utamanya meliputi kutub magnet, belitan dan braket. Kutub magnet merupakan bagian motor yang menghasilkan medan magnet, yang biasanya terdiri dari inti besi dan kumparan. Belitan adalah kumparan pada stator, biasanya terdiri dari konduktor dan insulasi, yang berperan untuk menghasilkan medan magnet ketika arus listrik melewatinya. Braket merupakan struktur pendukung stator, biasanya terbuat dari paduan aluminium dan bahan lainnya, dengan ketahanan dan kekuatan korosi yang baik.
Rotor: Bagian motor yang berputar, struktur utamanya meliputi jangkar, bantalan, dan penutup ujung. Armature adalah kumparan pada rotor, biasanya terdiri dari konduktor dan insulasi, yang berperan untuk menghasilkan medan magnet ketika arus listrik melewatinya. Bantalan merupakan struktur pendukung rotor, biasanya terbuat dari baja atau keramik, dengan ketahanan aus dan korosi yang baik. Penutup ujung adalah struktur ujung motor, biasanya terbuat dari paduan aluminium dan bahan lainnya, dengan penyegelan dan kekuatan yang baik.
2, definisi dan klasifikasi motor berongga
Pada tahun 1958, Dr.FF aulhaber mengembangkan teknologi kumparan belitan miring dan memperoleh paten yang relevan untuk motor mangkuk berongga pada tahun 1965, menandai munculnya motor cangkir berongga, dan desain struktural kreatifnya memungkinkan motor menjadi berukuran lebih kecil dan lebih besar efisiensi. Motor cangkir berongga milik motor servo magnet permanen DC, struktur motor ditunjukkan pada gambar berikut, terutama terdiri dari stator dan rotor. Stator terdiri dari lembaran baja silikon dan gulungan kumparan, dan lembaran baja silikon tanpa struktur alur gigi dapat menghindari efek alur gigi dan mengurangi kehilangan besi dan kehilangan arus eddy. Rotor terdiri dari magnet permanen, poros berputar dan bagian tetapnya, dan motor menggunakan magnet permanen cincin, yang mudah diproses dan dipasang.
Dibandingkan dengan motor biasa, fitur terbesar dari rotor adalah ia menembus struktur rotor motor tradisional dalam strukturnya, dan menggunakan rotor tanpa inti, juga dikenal sebagai rotor mangkuk berongga. Rotor adalah struktur berongga berbentuk cangkir yang dikelilingi oleh belitan dan magnet. Pada motor biasa, peran inti besi terutama: 1) memusatkan dan mengarahkan medan magnet: inti besi terbuat dari bahan dengan permeabilitas magnet tinggi (seperti lembaran baja silikon), yang dapat memusatkan dan memandu fluks magnet, sehingga meningkatkan kekuatan medan magnet dan efisiensi motor; 2) Belitan pendukung: Inti besi memberikan struktur pendukung yang kuat untuk belitan, memastikan belitan mempertahankan bentuk dan posisi stabil selama pengoperasian motor. Pada motor berongga, silinder berongga berdinding tipis digunakan sebagai rotor, dan silinder berongga dililitkan langsung ke dalam belitan tanpa penyangga inti tambahan. Keuntungan dari desain tanpa biji: 1) Penghapusan kerugian arus eddy dan histeresis: Inti besi pada motor biasa akan menghasilkan kerugian arus eddy dan histeresis dalam medan magnet bolak-balik, yang akan mengurangi efisiensi motor. Motor mangkuk berongga menggunakan rotor tanpa biji, yang menghilangkan kerugian ini sepenuhnya, sehingga meningkatkan efisiensi konversi energi motor. 2) Mengurangi bobot dan momen inersia: desain bebas inti secara signifikan mengurangi bobot rotor, membuat seluruh motor lebih ringan. Pada saat yang sama, pengurangan momen inersia memungkinkan motor memiliki kecepatan respons lebih cepat dan akselerasi lebih tinggi, yang sangat bermanfaat untuk skenario aplikasi yang memerlukan start dan stop cepat.
Pada saat yang sama, desain presisi struktur silinder berongga dan tata letak belitan dapat mengoptimalkan distribusi medan magnet di dalam motor cangkir berongga, mengurangi kebocoran magnet dan kehilangan energi, dan selanjutnya meningkatkan efisiensi dan kinerja motor.
Motor cangkir berongga dapat dibagi menjadi dua jenis sesuai dengan mode pergantiannya: satu adalah motor sikat cangkir berongga, yang mengadopsi mode pergantian sikat karbon mekanis; Yang lainnya adalah motor tanpa sikat berongga, yang menggantikan pergantian sikat dengan pergantian elektronik, menghindari percikan listrik dan partikel toner yang dihasilkan selama pengoperasian motor sikat, mengurangi kebisingan dan meningkatkan masa pakai motor. Dari perbandingan berbagai produk peralatan listrik Mingzhi pada gambar berikut, terlihat bahwa motor cangkir berongga tanpa sikat tidak memerlukan sikat, tetapi sensor Hall mendeteksi sinyal medan magnet rotor, mengubah pembalikan mekanis menjadi pembalikan sinyal elektronik, dan selanjutnya menyederhanakan struktur fisik motor cangkir berongga.
3, keunggulan motor cangkir berongga
Motor mangkuk berongga menerobos struktur rotor motor tradisional dalam struktur, mengurangi kehilangan daya yang disebabkan oleh pembentukan arus eddy pada inti besi, dan massa serta momen inersianya sangat berkurang, sehingga mengurangi hilangnya energi mekanik dari rotor itu sendiri. Singkatnya, motor hollow cup memiliki keunggulan kepadatan daya yang tinggi, masa pakai yang lama, respon yang cepat, torsi puncak yang tinggi, pembuangan panas yang baik dan sebagainya.
Kepadatan daya tinggi: Kepadatan daya motor cangkir berongga adalah rasio daya keluaran terhadap berat atau volume. Dari segi bobot, rotor non-inti lebih ringan dari rotor inti biasa; Dalam hal efisiensi, rotor tanpa biji menghilangkan arus eddy dan kehilangan histeresis yang dihasilkan oleh rotor tanpa biji, meningkatkan efisiensi motor mikro, dan memastikan torsi keluaran dan daya keluaran yang tinggi. Efisiensi maksimum sebagian besar motor hollow cup lebih dari 80%, sedangkan efisiensi maksimum sebagian besar motor DC sikat umumnya sekitar 50%. Bobot yang lebih rendah dan efisiensi yang lebih tinggi memungkinkan motor cangkir berongga mencapai kepadatan daya yang lebih tinggi. Oleh karena itu, motor mangkuk berongga sangat cocok untuk aplikasi bertenaga baterai yang memerlukan pengoperasian dalam jangka waktu lama, seperti pompa pengambilan sampel udara portabel, robot humanoid, tangan bionik, perkakas listrik genggam, dan aplikasi lainnya.
Kepadatan torsi tinggi: desain tanpa biji mengurangi bobot rotor dan momen inersia, dan momen inersia yang rendah berarti motor dapat berakselerasi dan melambat lebih cepat, sehingga mampu menghasilkan torsi lebih besar dalam waktu singkat; Sementara itu, tidak adanya inti besi membuat motor hollow cup lebih kompak, lebih kecil, dan mampu memberikan keluaran torsi lebih tinggi dalam ruang terbatas.
Masa pakai yang lama: Jumlah bagian pembalik dari motor berongga membuat fluktuasi arus dan induktansi motor lebih kecil saat membalikkan, sangat mengurangi korosi listrik pada sistem pembalik selama proses pembalikan, sehingga memiliki umur yang lebih lama. Menurut data dalam 'Riset Aplikasi Manajemen Khusus motor berongga', umur motor DC yang disikat umumnya hanya beberapa ratus jam, dan harapan hidup motor berongga biasanya antara 1000 dan 3000 jam, yang dapat memberikan pengoperasian yang lebih andal dan lebih lama.
Kecepatan respon yang cepat: motor tradisional mempunyai momen inersia yang relatif besar karena adanya inti besi, sedangkan motor hollow cup kompak, dan rotornya berupa kumparan mandiri berbentuk cangkir, sehingga bobotnya lebih ringan, dan momen inersia yang lebih kecil juga menjadikan motor hollow cup memiliki karakteristik penyesuaian start-stop yang sensitif. Menurut 'Kemajuan Penelitian motor mikro dan koil berongga', konstanta waktu mekanis motor inti umum adalah sekitar 100 ms, sedangkan konstanta waktu mekanis motor berongga kurang dari 28 ms, dan beberapa produk bahkan kurang dari 10 ms.
Torsi puncak tinggi: Rasio torsi puncak dan torsi kontinu motor berongga sangat besar, karena proses kenaikan arus ke konstanta torsi puncak tidak berubah, dan hubungan linier antara arus dan torsi dapat membuat motor mikro menghasilkan torsi puncak yang besar. Setelah motor DC inti biasa mencapai saturasi, tidak peduli arus dinaikkan, torsi motor DC tidak akan meningkat.
Disipasi panas yang baik: permukaan rotor cangkir berongga memiliki aliran udara, lebih baik daripada kinerja pembuangan panas rotor inti, kawat enamel dari rotor inti tertanam dalam alur lembaran baja silikon, aliran udara permukaan kumparan lebih sedikit, kenaikan suhu lebih besar, dalam kondisi keluaran daya yang sama, kenaikan suhu motor DC cangkir berongga lebih kecil.
4, jalur teknis motor cangkir berongga
Langkah kunci dalam produksi motor hollow cup adalah produksi kumparan, sehingga desain kumparan dan proses penggulungan menjadi penghalang intinya. Diameter, jumlah putaran dan linearitas kawat secara langsung mempengaruhi parameter inti motor. Penghalang inti belitan kumparan secara langsung tercermin dalam desain kumparan, karena jenis belitan yang berbeda memiliki tingkat otomatisasi dan konsumsi tembaga yang berbeda. Di sisi lain, hal ini juga tercermin dalam peralatan penggulungan dan metode penggulungan, dan laju pengisian alur cangkir berongga yang dililitkan oleh mesin penggulungan yang berbeda berbeda-beda, yang menyebabkan kelangkaan yang berbeda, yang secara langsung mempengaruhi kehilangan motor, pembuangan panas, tenaga dan sebagainya.
Sudut Desain Kumparan: Desain belitan motor berongga dapat dibagi menjadi tipe belitan lurus, tipe belitan miring, dan tipe sadel.
Belitan lurus: Kawat kumparan sejajar dengan sumbu motor, membentuk struktur belitan terkonsentrasi. Ide desain kumparan luka lurus adalah dengan terlebih dahulu melilitkan kawat enamel melingkar biasa pada cetakan belitan sesuai dengan kebutuhan jumlah lilitan, kemudian menyambungkan belitan pada poros inti kawat, kemudian menggunakan pengikat di kedua ujungnya untuk menyembuhkan dan membentuk. Secara relatif, ujung belitan lurus tidak menghasilkan torsi, dan meningkatkan bobot jangkar dan tahanan jangkar.
Belitan miring: disebut juga belitan sarang lebah, metode belitan sarang lebah digunakan dengan menyisakan keran di tengahnya. Agar dapat terus berputar, sisi efektif elemen dan sumbu jangkar harus dibuat menjadi sudut kemiringan tertentu. Ukuran ujung metode belitan ini kecil, tetapi karena belitan miring, belitan kontinu memerlukan sudut garis tertentu, kawat enamel tumpang tindih, dan laju pengisian slot rendah. Dibandingkan dengan tipe luka lurus, belitan miring jangkar tidak memiliki belitan ujung, mengurangi berat jangkar, dan memiliki keunggulan momen inersia kecil, konstanta waktu kecil, karakteristik drag yang baik, dan torsi keluaran besar. Faulhaber di Jerman dan Portescap di Swiss kebanyakan menggunakan belitan miring.
Jenis pelana: juga dikenal sebagai belitan konsentris atau belah ketupat, metode penggulungan kumparan berbentuk dan kemudian pengkabelan digunakan, yaitu, kawat berenamel berperekat dililitkan pada cetakan belitan pembentuk khusus, dan mangkuk jangkar dibuat dari beberapa pengaturan pembentukan. Saat berliku, kedua lapisan kumparan disusun dengan rapi dan berbentuk, sehingga memudahkan untuk mengontrol ukuran cangkir jangkar setelah dibentuk kembali dan meningkatkan kecepatan pengisian slot. Pada saat yang sama, metode ini memiliki efisiensi produksi yang tinggi dan cocok untuk produksi massal. Ujung angker belitan sadel memiliki lebih sedikit lapisan yang tumpang tindih, celah udara kecil, dan tingkat pemanfaatan magnet permanen yang tinggi, yang meningkatkan kepadatan daya motor. Beberapa produk Maxon di Swiss menggunakan belitan tipe sadel.
Sudut pandang proses penggulungan: Dari sudut pandang teknologi produksi, menurut metode pembentukan kumparan terutama dibagi menjadi tiga kategori: penggulungan manual, penggulungan dan produksi pembentukan satu kali.
1) Pemutaran manual. Melalui serangkaian proses yang kompleks, termasuk penyisipan pin, penggulungan manual, pengkabelan manual, dan langkah-langkah produksi lainnya. Sangat cocok untuk produk yang memerlukan penyesuaian tingkat tinggi, tetapi efisiensi produksi dan stabilitas produk terbatas.
2) Teknologi produksi berliku. Teknologi produksi penggulungan adalah produksi semi otomatis, kawat enamel terlebih dahulu dililitkan secara berurutan ke poros utama dengan penampang berbentuk berlian, dan dilepas setelah mencapai panjang yang dibutuhkan, kemudian diratakan menjadi pelat kawat, dan terakhir pelat kawat tersebut dililitkan menjadi kumparan berbentuk cangkir. Menurut proses penggulungan 'proses dan peralatan produksi angker cangkir berongga penggulungan', mesin penggulungan berikutnya dapat dikonfigurasi dengan 4 pekerja untuk mencapai hasil tahunan sebesar 30.000 unit, namun batasan penggulungan adalah lebih cocok untuk diameter cangkir berongga 20-30 mm, sulit untuk memutar kumparan yang lebih kecil dengan jarak keran kurang dari 7 mm, yaitu produk dengan diameter kurang dari 10 ~ 12 mm. Secara keseluruhan, efisiensi produksi proses penggulungan relatif tinggi, dan dapat memenuhi persyaratan produksi skala menengah. Namun, tingkat partisipasi manual yang tinggi menyebabkan konsistensi produk jadi mungkin tidak sebaik produksi otomatis, dan sulit untuk memenuhi ukuran gulungan kumparan berongga yang lebih kecil.
3) Salah satu teknologi produksi cetakan. Mesin penggulung melalui peralatan otomasi akan menjadi kawat berenamel sesuai dengan aturan spindel, kumparan berliku ke dalam cangkir setelah dilepas, satu cetakan, tidak perlu menggulung dan meratakan beberapa proses, otomatisasi tingkat tinggi, sehingga efisiensi produksi dan konsistensi produk jadi lebih baik; Namun investasi peralatan dimuka yang terkait akan lebih tinggi.
Proses penggulungan luar negeri berkembang lebih awal, tingkat otomatisasinya lebih tinggi dibandingkan dalam negeri. Dalam negeri terutama mengadopsi produksi belitan, prosesnya lebih rumit, intensitas tenaga kerja pekerja besar, tidak dapat menyelesaikan kumparan dengan diameter kawat lebih tebal, dan tingkat skrap yang tinggi. Negara-negara asing terutama menggunakan teknologi produksi luka satu kali, otomatisasi tingkat tinggi, efisiensi produksi tinggi, kisaran diameter kumparan, kualitas kumparan yang baik, pengaturan yang ketat, jenis motor, kinerja yang baik.
Tautan rantai industri dan aplikasi hilir
Bagian hulu dari motor hollow cup adalah bahan baku dan suku cadang, bahan bakunya antara lain tembaga, baja, baja magnet, plastik, dll., suku cadangnya meliputi bantalan, sikat, komutator, dll. Jangkauan tengah rantai industri adalah produsen motor. Bagian hilir dari rantai industri adalah ujung aplikasi, dan motor cangkir berongga memiliki karakteristik sensitivitas tinggi, pengoperasian yang stabil, dan kontrol yang kuat, yang memenuhi persyaratan ketat bidang penggerak listrik kelas atas, sehingga terutama digunakan di ruang angkasa, peralatan medis, otomasi industri dan robotika, serta bidang kelas atas lainnya. Pada saat yang sama, motor hollow cup juga diterapkan secara bertahap di bidang sipil, seperti otomasi kantor, perkakas listrik, dan lain sebagainya.
Motor hollow cup yang menjanjikan
Motor cup berongga dengan desain unik tanpa inti besi, menunjukkan kecepatan tinggi, efisiensi tinggi, respon dinamis tinggi dan keunggulan signifikan lainnya, banyak digunakan di luar angkasa, peralatan medis dan bidang lainnya, pada fleksibilitas tangan robot humanoid juga memiliki dampak yang signifikan. Meskipun perusahaan luar negeri seperti Maxon dan Faulhaber memiliki keunggulan sebagai penggerak pertama saat ini, dengan peningkatan berkelanjutan pada tingkat teknis pabrikan dalam negeri dan pesatnya perkembangan pasar robot humanoid, motor cangkir berongga dalam negeri akan membuka peluang pengembangan baru.
