I robot umanoidi sono diventati una perla splendente nel campo dell'intelligenza artificiale.
Negli ultimi anni, i robot umanoidi sono diventati una perla splendente nel campo dell'intelligenza artificiale con la loro ampia applicazione in molti settori come l'assistenza medica e il servizio. Al fine di promuovere ulteriormente lo sviluppo del settore, i governi locali hanno introdotto politiche per aumentare il sostegno ai robot umanoidi e ai loro componenti chiave. Nella catena dell'industria dei robot umanoidi, il motore a coppa vuota svolge un ruolo importante nel sistema di controllo del movimento del robot umanoide, come la componente centrale della mano del robot umanoide Tesla è il motore a coppa vuota, un singolo gruppo robot 12 (6 ogni mano destra). Questo documento mira a discutere le caratteristiche tecniche, lo stato del mercato e le prospettive future del motore a coppa vuota attraverso la ricerca.
Cosa è motore a coppa vuota
1. Concetto e classificazione del motore
Un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Utilizza una bobina energizzata (cioè l'avvolgimento dello statore) per generare un campo magnetico rotante e viene utilizzato per il rotore (come un telaio in alluminio chiuso a gabbia da scoiattolo) per formare una coppia di rotazione magnetoelettrica, che è quella di convertire la forza generata dal flusso corrente nel campo magnetico in un'azione rotante. Il principio è quello di utilizzare il campo magnetico per forzare la corrente per far ruotare il motore.
Il principio di base della rotazione del motore: attorno al magnete permanente con un asse rotante, 1 ruotare il magnete (in modo che il campo magnetico rotante sia generato), 2 secondo il principio del polo n e l'attrazione del polo s polo, la stessa repulsione del polo, 3 il magnete con un axis rotante ruoterà.
In un motore, in realtà è la corrente che scorre attraverso il filo che crea un campo magnetico rotante (forza magnetica) attorno a esso che fa ruotare il magnete. Quando il filo viene avvolto in una bobina, la forza magnetica viene sintetizzata per formare un grande flusso di campo magnetico (flusso magnetico), con conseguenti poli N e S. Inserendo un nucleo di ferro in una bobina di filo, le linee di campo magnetico diventano più facili da attraversare e possono produrre una forza magnetica più forte.
La struttura del motore è principalmente composta da due parti: statore e rotore.
Statore: la parte stazionaria del motore, la cui struttura principale comprende il palo magnetico, l'avvolgimento e la staffa. Il palo magnetico è la parte del motore che genera il campo magnetico, che di solito è composto da un nucleo di ferro e bobine. L'avvolgimento è la bobina nello statore, solitamente composto da conduttori e isolamento, il cui ruolo è generare un campo magnetico quando una corrente elettrica passa attraverso di essa. La staffa è la struttura di supporto dello statore, di solito realizzata in lega di alluminio e altri materiali, con una buona resistenza alla corrosione e resistenza.
Rotore: la parte rotante di un motore, la cui struttura principale comprende armature, cuscinetti e tappi terminali. L'armatura è la bobina nel rotore, solitamente composta da conduttori e isolamento, il cui ruolo è generare un campo magnetico quando una corrente elettrica passa attraverso di essa. I cuscinetti sono la struttura di supporto del rotore, generalmente in acciaio o ceramica, con una buona resistenza all'usura e alla corrosione. La copertura finale è la struttura finale del motore, generalmente realizzata in lega di alluminio e altri materiali, con una buona tenuta e resistenza.
2, Definizione e classificazione del motore a coppa vuota
Nel 1958, il Dr.FF Aulhaber sviluppò la tecnologia di bobina di avvolgimento inclinata e ottenne il brevetto pertinente per il motore a coppa vuota nel 1965, segnando l'avvento del motore a coppa vuota e il suo design strutturale creativo consente al motore di essere sia di dimensioni minori che di maggiore efficienza. Il motore a coppa cavo appartiene al servo motore a magnete permanente CC, la struttura del motore è mostrata nella figura seguente, composta principalmente da statore e rotore. Lo statore è composto da lamiera in acciaio al silicio e avvolgimento della bobina e la lamiera di acciaio al silicio senza struttura della scanalatura dente può evitare l'effetto della scanalatura del dente e ridurre la perdita di ferro e la perdita di corrente del vortù. Il rotore è composto da un magnete permanente, un albero rotante e le sue parti fisse e il motore utilizza un magnete permanente ad anello, che è facile da elaborare e installare.
Rispetto ai motori ordinari, la più grande caratteristica del rotore è che si rompe attraverso la struttura del rotore del motore tradizionale nella struttura e utilizza un rotore senza core, noto anche come rotore a tazza a cavo. Il rotore è una struttura a forma di tazza cava circondata da avvolgimenti e magneti. Nei motori ordinari, il ruolo del nucleo di ferro è principalmente: 1) Concentrarsi e guidare il campo magnetico: il nucleo di ferro è realizzato in un materiale con elevata permeabilità magnetica (come lamiera in acciaio al silicio), che può concentrare e guidare il flusso magnetico, migliorando così la resistenza del campo magnetico e l'efficienza del motore; 2) Supporto di avvolgimento: il nucleo di ferro fornisce una forte struttura di supporto per l'avvolgimento, garantendo che l'avvolgimento mantenga una forma e una posizione stabili durante il funzionamento del motore. Nel motore a tazza cava, il cilindro cavo a parete sottile viene utilizzato come rotore e il cilindro cavo viene avvolto direttamente all'interno dell'avvolgimento senza ulteriore supporto centrale. Vantaggi del design core senza core: 1) Eliminazione della corrente parassita e delle perdite di isteresi: il nucleo di ferro in un motore comune produrrà la corrente parassita e le perdite di isteresi in un campo magnetico alternato, che ridurrà l'efficienza del motore. Il motore a coppa vuota utilizza un rotore senza core, che elimina completamente queste perdite, migliorando così l'efficienza di conversione dell'energia del motore. 2) Ridurre il peso e il momento di inerzia: il design privo di core riduce significativamente il peso del rotore, rendendo l'intero motore più leggero. Allo stesso tempo, la riduzione del momento di inerzia consente al motore di avere una velocità di risposta più rapida e una maggiore accelerazione, il che è molto utile per gli scenari di applicazione che richiedono inizio e arresto rapidi.
Allo stesso tempo, il design di precisione della struttura del cilindro cavo e del layout di avvolgimento può ottimizzare la distribuzione del campo magnetico all'interno del motore a coppa cavata, ridurre la perdita magnetica e la perdita di energia e migliorare ulteriormente l'efficienza e le prestazioni del motore.
Il motore a coppa vuota può essere diviso in due tipi in base alla sua modalità di commutazione: uno è il motore a pennello a coppa vuota, che adotta la modalità di commutazione della spazzola in carbonio meccanica; L'altro è il motore senza spazzole a tazza vuota, che sostituisce la commutazione della spazzola con commutazione elettronica, evitando la scintilla elettrica e le particelle di toner generate durante il funzionamento del motore a spazzola, riducendo il rumore e aumentando la durata del motore. Dal confronto di diversi prodotti di apparecchi elettrici di Mingzhi nella figura seguente, si può vedere che non è necessario una spazzola nel motore a coppa vuota senza spazzole, ma il sensore della sala rileva il segnale di campo magnetico del rotore, trasforma la reverse meccanica in una reverse di segnale elettronica e semplifica ulteriormente la struttura fisica del motore a tazza cavala.
3, vantaggi del motore a coppa vuota
Il motore a tazza cavala rompe attraverso la struttura del rotore del motore tradizionale nella struttura, riduce la perdita di potenza causata dalla formazione della corrente parassita nel nucleo di ferro e la sua massa e il momento di inerzia sono notevolmente ridotti, riducendo così la perdita di energia meccanica del rotore stesso. In sintesi, il motore a coppa vuota presenta i vantaggi dell'elevata densità di potenza, della durata di lunga durata, della risposta rapida, della coppia di picco elevato, della buona dissipazione del calore e così via.
Alta densità di potenza: la densità di potenza del motore a coppa cavata è il rapporto tra potenza di uscita e peso o volume. In termini di peso, il rotore non core è più leggero del normale rotore del nucleo; In termini di efficienza, il rotore coressero elimina la corrente parassita e la perdita di isteresi generata dal rotore senza core, migliora l'efficienza del micromotore e garantisce una coppia di uscita e potenza di uscita elevata. La massima efficienza della maggior parte dei motori a tazze cavi è superiore all'80%, mentre la massima efficienza della maggior parte dei motori DC a pennello è generalmente di circa il 50%. Peso inferiore e maggiore efficienza consentono ai motori a tazze cave di ottenere una maggiore densità di potenza. Pertanto, il motore a coppa cava è particolarmente adatto per applicazioni a batteria che richiedono lunghi periodi di funzionamento, come pompe portatili di campionamento dell'aria, robot umanoidi, mani bioniche, utensili portatile e altre applicazioni.
Densità di coppia elevata: il design coressante riduce il peso del rotore e il momento di inerzia e il basso momento di inerzia significa che il motore può accelerare e rallentare più velocemente, essendo così in grado di generare più coppia in breve tempo; Allo stesso tempo, l'assenza di un nucleo di ferro rende il motore a coppa vuota più compatto, più piccolo e in grado di fornire un'uscita di coppia più elevata in uno spazio limitato.
Vita a lunga durata: il numero di pezzi di inversione del motore a coppa vuota rende la fluttuazione corrente e l'induttanza del motore più piccole durante l'inversione, riducendo notevolmente la corrosione elettrica del sistema di inversione durante il processo di inversione, in modo da avere una vita più lunga. Secondo i dati nella ricerca di applicazione 'della gestione personalizzata dei motori a coppa vuota ', la durata dei motori DC spazzolati è generalmente solo poche centinaia di ore e l'aspettativa di vita dei motori a coppe cavi è generalmente tra 1000 e 3000 ore, il che può fornire un funzionamento più lungo affidabile.
Velocità di risposta rapida: il motore tradizionale ha un momento di inerzia relativamente grande a causa dell'esistenza del nucleo di ferro, mentre il motore a coppa cava è compatto e il rotore è una bobina autoportante a forma di coppa, quindi il peso è più leggero e il suo più piccolo momento di inerzia rende anche il motore a coppa cavo ha caratteristiche di regolazione avviata sensibili. Secondo i 'progressi di ricerca del micro motore e della bobina a coppa cavala ', la costante di tempo meccanica del motore principale è di circa 100 ms, mentre la costante di tempo meccanica del motore a coppa cavala è inferiore a 28 ms e alcuni prodotti sono anche inferiori a 10 ms.
Coppia di picco elevato: il rapporto tra coppia di picco e coppia continua del motore a coppa cavata è molto grande, poiché il processo della corrente che aumenta alla costante di coppia di picco è invariato e la relazione lineare tra la corrente e la coppia può far produrre il micromotore di una coppia di picco. Dopo che il normale motore CC del nucleo raggiunge la saturazione, indipendentemente dalla corrente, la coppia del motore CC non aumenterà.
Buona dissipazione del calore: la superficie del rotore a tazza cava ha un flusso d'aria, migliore delle prestazioni di dissipazione del calore del rotore del nucleo, il filo smaltato del rotore del nucleo è incorporato nella scanalatura della lamiera in acciaio silicio, il flusso d'aria della superficie della bobina è inferiore, l'aumento della temperatura è maggiore, sotto le stesse condizioni di uscita di potenza, la temperatura del motore a coppa cavala è più piccola.
4, il percorso tecnico del motore a coppa vuota
Il passo chiave nella produzione del motore a coppa vuota è la produzione di bobina, quindi il design della bobina e il processo di avvolgimento diventano le sue barriere fondamentali. Il diametro, il numero di curve e la linearità del filo influenzano direttamente i parametri del core del motore. La barriera principale dell'avvolgimento della bobina si riflette direttamente nella progettazione della bobina, poiché diversi tipi di avvolgimento hanno differenze nel tasso di automazione e nel consumo di rame. D'altra parte, si riflette anche nell'attrezzatura di avvolgimento e nel metodo di avvolgimento e la velocità di riempimento della scanalatura a tazza cavala ferita da diversi macchinari di avvolgimento è diverso, il che porta a diversi sparsi, colpendo direttamente la perdita del motore, la dissipazione del calore, l'alimentazione e così via.
Angolo di progettazione della bobina: il design dell'avvolgimento del motore a coppa cava può essere diviso in tipo di avvolgimento dritto, tipo di avvolgimento obliquo e tipo di sella.
Avvolgimento dritto: il filo della bobina è parallelo all'asse del motore, formando una struttura di avvolgimento concentrata. L'idea di progettazione della bobina fitta dritta è prima di avvolgere il normale filo smaltato circolare sulla matrice di avvolgimento in base al requisito del numero di curve, quindi collegare l'avvolgimento sull'albero centrale del filo, quindi utilizzare il legante su entrambe le estremità per curare e formarsi. Relativamente parlando, la fine dell'avvolgimento dritto non produce coppia e aumenta il peso dell'armatura e la resistenza dell'armatura.
Avvolgimento obliquo: noto anche come avvolgimento a nido d'ape, viene utilizzato il metodo di avvolgimento a nido d'ape, lasciando i rubinetti nel mezzo, per essere in grado di avvolgersi continuamente, è necessario rendere il lato efficace dell'elemento e l'asse di armatura in un certo angolo di inclinazione. La dimensione finale di questo metodo di avvolgimento è piccola, ma poiché l'avvolgimento continuo obliquo richiede un determinato angolo di linea, il filo smaltato si sovrappone e la velocità di riempimento dello slot è bassa. Rispetto al tipo di ferita dritta, l'armatura di avvolgimento inclinata non ha un avvolgimento di fine, riducendo il peso dell'armatura e presenta i vantaggi di un piccolo momento di inerzia, piccola costante di tempo, buone caratteristiche di resistenza e grande coppia di uscita. Faulhaber in Germania e Portescap in Svizzera usa principalmente l'avvolgimento inclinato.
Tipo di sella: noto anche come avvolgimento concentrico o romboide, il metodo di avvolgimento di una bobina sagomata e quindi viene utilizzato il cablaggio, cioè il filo smaltato autoadesivo è avvolto su una matrice di avvolgimento speciale e la tazza di armatura è fatta di composizioni di modellatura multipla. Durante l'avvolgimento, i due strati di bobine sono disposti in modo ordinato e modellato, il che è conveniente per controllare le dimensioni della tazza di armatura dopo il rimodellamento e migliorare la velocità di riempimento dello slot. Allo stesso tempo, questo metodo ha un'elevata efficienza di produzione ed è adatto alla produzione di massa. L'estremità dell'armatura dell'avvolgimento della sella ha meno strati sovrapposti, piccoli gap d'aria e un alto tasso di utilizzo del magnete permanente, che migliora la densità di potenza del motore. Alcuni prodotti di Maxon in Svizzera usano l'avvolgimento di tipo sella.
Punto di vista del processo di avvolgimento: dal punto di vista della tecnologia di produzione, secondo il metodo di formazione della bobina è principalmente diviso in tre categorie: produzione manuale di avvolgimento, avvolgimento e una tantum.
1) Avvolgimento manuale. Attraverso una serie di processi complessi, tra cui inserimento di pin, avvolgimento manuale, cablaggio manuale e altri passaggi da produrre. È adatto a prodotti che richiedono un alto grado di personalizzazione, ma l'efficienza della produzione e la stabilità del prodotto sono limitate.
2) Tecnologia di produzione tortuosa. La tecnologia di produzione di avvolgimento è una produzione semi-automatica, il filo smaltato viene prima ferita in sequenza sull'albero principale con una sezione trasversale a forma di diamante e viene rimosso dopo aver raggiunto la lunghezza richiesta e quindi appiattita in una piastra di filo e infine la piastra del filo viene avvolta in una bobina a forma di tazza. Secondo il processo di produzione di armature e attrezzatura a tazza vuota di avvolgimento e attrezzatura ', la prossima macchina di avvolgimento può essere configurata con 4 lavoratori per ottenere una produzione annuale di 30.000 unità, ma la limitazione dell'avvolgimento è che è più adatto per 20-30 mm di diametro a coppa cavala, è difficile da 10 mm. Nel complesso, l'efficienza di produzione del processo di avvolgimento è relativamente elevata e può soddisfare i requisiti di produzione di media scala. Tuttavia, il suo alto tasso di partecipazione manuale porta alla coerenza del prodotto finito potrebbe non essere buono come la produzione automatizzata ed è difficile soddisfare le dimensioni più piccole dell'avvolgimento della bobina a coppa cavala.
3) Una tecnologia di produzione di stampaggio. La macchina di avvolgimento attraverso le apparecchiature di automazione sarà un filo smaltato secondo la regola di un mandrino, avvolgimento della bobina in una tazza dopo la rimozione, uno stampaggio, non è necessario arrotolare e appiattire più processi, un alto grado di automazione, quindi l'efficienza della produzione e la coerenza del prodotto finito sono migliori; Ma gli investimenti corrispondenti delle apparecchiature iniziali saranno più elevati.
Il processo di avvolgimento all'estero si è sviluppato in anticipo, il grado di automazione è superiore a quello domestico. Il domestico adotta principalmente la produzione di avvolgimento, il processo è più complicato, l'intensità del lavoro dei lavoratori è grande, non può completare la bobina con un diametro del filo più spesso e il tasso di rottami è elevato. I paesi stranieri utilizzano principalmente la tecnologia di produzione di ferite una tantum, alto grado di automazione, alta efficienza di produzione, gamma di diametro della bobina, buona qualità della bobina, disposizione stretta, tipi di motori, buone prestazioni.
Collegamenti a catena industriale e applicazioni a valle
Il motore a coppa cavo è materie prime e parti, le materie prime includono rame, acciaio, acciaio magnetico, plastica, ecc., Le parti includono cuscinetti, spazzole, commutatori, ecc. Le tratti centrali della catena industriale sono produttori di motori. La valle della catena industriale è l'estremità dell'applicazione e il motore a coppa vuota ha le caratteristiche di elevata sensibilità, funzionamento stabile e controllo forte, che soddisfa i requisiti rigorosi del campo di fascia alta della trasmissione elettrica, quindi viene utilizzato principalmente in aerospaziale, attrezzature mediche, automazione industriale e robotica e altri campi di fascia alta. Allo stesso tempo, il motore a coppa vuota viene gradualmente applicato nel campo civile, come automazione degli uffici, utensili elettrici e così via.
Un promettente motore a coppa vuota
Motore a coppa vuota con il suo design unico senza nucleo di ferro, che mostra ad alta velocità, alta efficienza, alta risposta dinamica e altri vantaggi significativi, ampiamente utilizzati in aerospaziale, attrezzature mediche e altri campi, nella flessibilità della mano del robot umanoide ha anche un impatto significativo. Sebbene le imprese all'estero come Maxon e Faulhaber abbiano attualmente il vantaggio di prima mossa, con il continuo miglioramento del livello tecnico dei produttori domestici e il rapido sviluppo del mercato dei robot umanoidi, i motori della Coppa Hollow Domestic inaugurano nuove opportunità di sviluppo.
