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 campi come l’assistenza medica e i servizi. 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 industriale dei robot umanoidi, il motore a tazza cava svolge un ruolo importante nel sistema di controllo del movimento del robot umanoide, ad esempio il componente principale della mano abile del robot umanoide Tesla è il motore a tazza cava, un singolo gruppo robot 12 (6 per mano destra). Questo documento ha lo scopo di discutere le caratteristiche tecniche, lo stato del mercato e le prospettive future del motore a tazza cava attraverso la ricerca.
Cosa è motore a tazza cava
1. Concetto e classificazione di motore
Un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Utilizza una bobina energizzata (ovvero l'avvolgimento dello statore) per generare un campo magnetico rotante e viene utilizzato per il rotore (come un telaio in alluminio chiuso a gabbia di scoiattolo) per formare una coppia rotazionale magnetoelettrica, che serve a convertire la forza generata dal flusso di corrente nel campo magnetico in un'azione rotante. Il principio è 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 ruota il magnete (in modo da generare il campo magnetico rotante), 2 secondo il principio dell'attrazione eteropolare del polo N e del polo S, la stessa repulsione del polo, 3 ruoterà il magnete con un asse rotante.
In un motore, è in realtà la corrente che scorre attraverso il filo che crea un campo magnetico rotante (forza magnetica) attorno ad 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), risultando nei poli N e S. Inserendo un nucleo di ferro in una bobina di filo, le linee del campo magnetico diventano più facili da attraversare e possono produrre una forza magnetica più forte.
La struttura del motore è composta principalmente da due parti: statore e rotore.
Statore: la parte fissa del motore, la cui struttura principale comprende il polo magnetico, l'avvolgimento e la staffa. Il polo magnetico è la parte del motore che genera il campo magnetico, che solitamente è composto da un nucleo di ferro e delle bobine. L'avvolgimento è la bobina dello statore, solitamente composta da conduttori e isolante, il cui ruolo è generare un campo magnetico quando la corrente elettrica lo attraversa. La staffa è la struttura di supporto dello statore, solitamente realizzata in lega di alluminio e altri materiali, con buona resistenza alla corrosione e robustezza.
Rotore: la parte rotante di un motore, la cui struttura principale comprende armatura, cuscinetti e cappucci terminali. L'armatura è la bobina del rotore, solitamente composta da conduttori e isolante, il cui ruolo è generare un campo magnetico quando la corrente elettrica lo attraversa. I cuscinetti sono la struttura di supporto del rotore, solitamente in acciaio o ceramica, con buona resistenza all'usura e alla corrosione. Il coperchio terminale è la struttura terminale del motore, solitamente realizzata in lega di alluminio e altri materiali, con buona tenuta e resistenza.
2, definizione e classificazione del motore a tazza cava
Nel 1958, il Dr.FF aulhaber sviluppò la tecnologia della bobina di avvolgimento inclinato e ottenne il relativo brevetto per il motore a tazza cava nel 1965, segnando l'avvento del motore a tazza cava, e il suo design strutturale creativo consente al motore di avere dimensioni più piccole e maggiore efficienza. Il motore a tazza cava appartiene al servomotore 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 di acciaio al silicio e avvolgimento della bobina, e la lamiera di acciaio al silicio senza struttura della scanalatura del dente può evitare l'effetto della scanalatura del dente e ridurre la perdita di ferro e la perdita di correnti parassite. 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, facile da elaborare e installare.
Rispetto ai motori ordinari, la caratteristica più importante del rotore è che sfonda la struttura del rotore del motore tradizionale e utilizza un rotore senza nucleo, noto anche come rotore a tazza cava. Il rotore è una struttura cava a forma di coppa circondata da avvolgimenti e magneti. Nei motori ordinari, il ruolo del nucleo di ferro è principalmente: 1) concentrare e guidare il campo magnetico: il nucleo di ferro è costituito da un materiale con elevata permeabilità magnetica (come un foglio di acciaio al silicio), che può concentrare e guidare il flusso magnetico, migliorando così l'intensità del campo magnetico e l'efficienza del motore; 2) Avvolgimento di supporto: 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 pareti sottili viene utilizzato come rotore e il cilindro cavo viene avvolto direttamente all'interno dell'avvolgimento senza supporto aggiuntivo del nucleo. Vantaggi del design senza nucleo: 1) Eliminazione delle perdite per correnti parassite e per isteresi: il nucleo di ferro in un motore comune produrrà perdite per correnti parassite e per isteresi in un campo magnetico alternato, che ridurrà l'efficienza del motore. Il motore a tazza cava utilizza un rotore senza nucleo, che elimina completamente queste perdite, migliorando così l'efficienza di conversione energetica del motore. 2) Ridurre peso e momento d'inerzia: il design core-free 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 un'accelerazione maggiore, il che è molto vantaggioso per gli scenari applicativi che richiedono avvio e arresto rapidi.
Allo stesso tempo, il design di precisione della struttura del cilindro cavo e della disposizione dell'avvolgimento possono ottimizzare la distribuzione del campo magnetico all'interno del motore a tazza cava, ridurre la dispersione magnetica e la perdita di energia e migliorare ulteriormente l'efficienza e le prestazioni del motore.
Il motore a tazza cava può essere diviso in due tipi in base alla modalità di commutazione: uno è il motore a spazzola a tazza cava, che adotta la modalità di commutazione meccanica della spazzola di carbone; L'altro è il motore brushless a tazza cava, che sostituisce la commutazione della spazzola con commutazione elettronica, evitando la scintilla elettrica e le particelle di toner generate durante il funzionamento del motore della spazzola, riducendo il rumore e aumentando la durata del motore. Dal confronto dei diversi prodotti degli elettrodomestici Mingzhi nella figura seguente, si può vedere che non è necessaria una spazzola nel motore a tazza cava senza spazzole, ma il sensore Hall rileva il segnale del campo magnetico del rotore, trasforma l'inversione meccanica in un'inversione del segnale elettronico e semplifica ulteriormente la struttura fisica del motore a tazza cava.
3, vantaggi del motore a tazza cava
Il motore a tazza cava sfonda la struttura del rotore del motore tradizionale nella struttura, riduce la perdita di potenza causata dalla formazione di correnti parassite 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 tazza cava presenta i vantaggi di elevata densità di potenza, lunga durata, risposta rapida, coppia di picco elevata, buona dissipazione del calore e così via.
Elevata densità di potenza: la densità di potenza del motore a tazza cava è il rapporto tra la potenza in uscita e il peso o il volume. In termini di peso, il rotore senza nucleo è più leggero del normale rotore con nucleo; In termini di efficienza, il rotore senza nucleo elimina le correnti parassite e la perdita di isteresi generate dal rotore senza nucleo, migliora l'efficienza del micromotore e garantisce coppia e potenza di uscita elevate. L'efficienza massima della maggior parte dei motori a tazza cava è superiore all'80%, mentre l'efficienza massima della maggior parte dei motori DC a spazzole è generalmente intorno al 50%. Il peso inferiore e l'efficienza più elevata consentono ai motori a tazza cava di raggiungere una densità di potenza più elevata. Pertanto, il motore a tazza cava è particolarmente adatto per applicazioni alimentate a batteria che richiedono lunghi periodi di funzionamento, come pompe portatili per il campionamento dell'aria, robot umanoidi, mani bioniche, utensili elettrici portatili e altre applicazioni.
Elevata densità di coppia: il design senza nucleo riduce il peso del rotore e il momento di inerzia, e il basso momento di inerzia significa che il motore può accelerare e decelerare più velocemente, potendo così generare più coppia in breve tempo; Allo stesso tempo, l'assenza di un nucleo in ferro rende il motore a tazza cava più compatto, più piccolo e in grado di fornire una coppia maggiore in uno spazio limitato.
Lunga durata: il numero di pezzi di inversione del motore a tazza cava riduce la fluttuazione di corrente e l'induttanza del motore durante la retromarcia, riducendo notevolmente la corrosione elettrica del sistema di inversione durante il processo di inversione, in modo da avere una maggiore durata. Secondo i dati contenuti nella 'Ricerca applicativa per la gestione personalizzata dei motori a tazza cava', la durata dei motori CC con spazzole è generalmente solo di poche centinaia di ore e l'aspettativa di vita dei motori a tazza cava è solitamente compresa tra 1000 e 3000 ore, il che può garantire un funzionamento affidabile più lungo.
Velocità di risposta rapida: il motore tradizionale ha un momento di inerzia relativamente grande dovuto all'esistenza del nucleo di ferro, mentre il motore a tazza cava è compatto e il rotore è una bobina autoportante a forma di tazza, quindi il peso è più leggero e il suo momento di inerzia più piccolo fa sì che il motore a tazza cava abbia caratteristiche sensibili di regolazione start-stop. Secondo il 'Progresso della ricerca sul micromotore e sulla bobina a tazza cava', la costante di tempo meccanica del motore a nucleo generale è di circa 100 ms, mentre la costante di tempo meccanica del motore a tazza cava è inferiore a 28 ms e alcuni prodotti sono addirittura inferiori a 10 ms.
Coppia di picco elevata: il rapporto tra coppia di picco e coppia continua del motore a tazza cava è molto ampio, poiché il processo di aumento della corrente fino alla costante di coppia di picco è invariato e la relazione lineare tra corrente e coppia può far sì che il micromotore produca una coppia di picco elevata. Una volta che il motore CC a nucleo ordinario raggiunge la saturazione, indipendentemente dall'aumento della 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 principale, il filo smaltato del rotore principale è incorporato nella scanalatura della lamiera di acciaio al silicio, il flusso d'aria sulla superficie della bobina è inferiore, l'aumento di temperatura è maggiore, nelle stesse condizioni di potenza in uscita, l'aumento di temperatura del motore DC a tazza cava è inferiore.
4, il percorso tecnico del motore a tazza cava
Il passaggio chiave nella produzione del motore a tazza cava è la produzione della bobina, quindi la progettazione della bobina e il processo di avvolgimento diventano le sue principali barriere. Il diametro, il numero di spire e la linearità del filo influiscono direttamente sui parametri fondamentali del motore. La barriera principale dell'avvolgimento della bobina si riflette direttamente nella progettazione della bobina, poiché diversi tipi di avvolgimento presentano differenze nella velocità di automazione e nel consumo di rame. D'altro canto, ciò si riflette anche nell'attrezzatura di avvolgimento e nel metodo di avvolgimento, e il tasso di riempimento della scanalatura della tazza cava avvolta da diversi macchinari di avvolgimento è diverso, il che porta a sparse diverse, influenzando direttamente la perdita del motore, la dissipazione del calore, la potenza e così via.
Design della bobina Angolo: il design dell'avvolgimento del motore a tazza cava può essere suddiviso in tipo con avvolgimento diritto, tipo con avvolgimento obliquo e tipo a sella.
Avvolgimento dritto: il filo della bobina è parallelo all'asse del motore, formando una struttura di avvolgimento concentrata. L'idea progettuale della bobina ad avvolgimento diritto è quella di avvolgere prima il normale filo smaltato circolare sulla matrice di avvolgimento in base al numero di giri richiesto, quindi collegare l'avvolgimento sull'albero centrale del filo, quindi utilizzare il legante su entrambe le estremità per polimerizzare e formare. Relativamente parlando, l'estremità dell'avvolgimento rettilineo non produce coppia e aumenta il peso 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 al centro, per poter avvolgere continuamente, è necessario portare il lato effettivo dell'elemento e l'asse dell'armatura in un certo angolo di inclinazione. La dimensione finale di questo metodo di avvolgimento è piccola, ma poiché l'avvolgimento continuo con avvolgimento obliquo richiede un certo angolo di linea, il filo smaltato si sovrappone e la velocità di riempimento della fessura è bassa. Rispetto al tipo con avvolgimento diritto, l'armatura con avvolgimento inclinato non ha avvolgimento terminale, riducendo il peso dell'armatura e presenta i vantaggi di un piccolo momento di inerzia, una piccola costante di tempo, buone caratteristiche di resistenza e una grande coppia di uscita. Faulhaber in Germania e Portescap in Svizzera utilizzano principalmente l'avvolgimento inclinato.
Tipo a sella: noto anche come avvolgimento concentrico o romboidale, viene utilizzato il metodo di avvolgimento di una bobina sagomata e quindi di cablaggio, ovvero il filo smaltato autoadesivo viene avvolto su uno speciale stampo di avvolgimento di formatura e la coppa dell'armatura è costituita da molteplici disposizioni di sagomatura. Durante l'avvolgimento, i due strati di bobine sono disposti e modellati in modo ordinato, il che è conveniente per controllare la dimensione della coppa dell'armatura dopo la rimodellazione e migliorare la velocità di riempimento della fessura. Allo stesso tempo, questo metodo ha un'elevata efficienza produttiva ed è adatto alla produzione di massa. L'estremità dell'armatura dell'avvolgimento a sella ha meno strati sovrapposti, un piccolo traferro e un elevato tasso di utilizzo del magnete permanente, che migliora la densità di potenza del motore. Alcuni prodotti Maxon in Svizzera utilizzano l'avvolgimento a sella.
Punto di vista del processo di avvolgimento: dal punto di vista della tecnologia di produzione, il metodo di formatura della bobina è principalmente suddiviso in tre categorie: avvolgimento manuale, avvolgimento e produzione di formatura una tantum.
1) Carica manuale. Attraverso una serie di processi complessi, tra cui l'inserimento dei pin, l'avvolgimento manuale, il cablaggio manuale e altre fasi di produzione. È adatto per prodotti che richiedono un elevato grado di personalizzazione, ma l'efficienza produttiva e la stabilità del prodotto sono limitate.
2) Tecnologia di produzione degli avvolgimenti. La tecnologia di produzione dell'avvolgimento è semiautomatica, il filo smaltato viene prima avvolto in sequenza sull'albero principale con una sezione trasversale a forma di diamante, viene rimosso dopo aver raggiunto la lunghezza richiesta, quindi appiattito in una piastra metallica e infine la piastra metallica viene avvolta in una bobina a forma di tazza. Secondo il processo di avvolgimento 'processo di produzione e attrezzatura per armature a tazza cava', la successiva avvolgitrice può essere configurata con 4 lavoratori per ottenere una produzione annua di 30.000 unità, ma la limitazione dell'avvolgimento è che è più adatta per tazze cave con diametro di 20-30 mm, è difficile avvolgere bobine più piccole con spaziatura tra i maschi inferiore a 7 mm, ovvero prodotti con un diametro inferiore a 10~12 mm. Nel complesso, l'efficienza produttiva del processo di avvolgimento è relativamente elevata e può soddisfare i requisiti di produzione su media scala. Tuttavia, l'elevato tasso di partecipazione manuale fa sì che la consistenza del prodotto finito potrebbe non essere buona quanto la produzione automatizzata ed è difficile soddisfare le dimensioni più piccole dell'avvolgimento della bobina a tazza cava.
3) Una tecnologia di produzione di stampaggio. L'avvolgitrice tramite apparecchiature di automazione sarà un filo smaltato secondo la regola di un fuso, avvolgimento della bobina in una tazza dopo la rimozione, uno stampaggio, nessuna necessità di arrotolare e appiattire più processi, alto grado di automazione, quindi l'efficienza produttiva e la consistenza del prodotto finito sono migliori; Ma il corrispondente investimento iniziale in attrezzature sarà più elevato.
Il processo di avvolgimento all'estero si è sviluppato presto, il grado di automazione è superiore a quello domestico. Il settore domestico adotta principalmente la produzione di avvolgimenti, il processo è più complicato, l'intensità di lavoro dei lavoratori è elevata, non è possibile completare la bobina con un diametro del filo più spesso e il tasso di scarto è elevato. I paesi stranieri utilizzano principalmente tecnologie di produzione di ferite una tantum, alto grado di automazione, elevata efficienza produttiva, gamma di diametri della bobina, buona qualità della bobina, disposizione stretta, tipi di motore, buone prestazioni.
Maglie di catene industriali e applicazioni a valle
A monte del motore a tazza cava ci sono materie prime e parti, le materie prime includono rame, acciaio, acciaio magnetico, plastica, ecc., le parti includono cuscinetti, spazzole, commutatori, ecc. I tratti intermedi della catena industriale sono i produttori di motori. La valle della catena industriale è l'estremità dell'applicazione e il motore a tazza cava ha le caratteristiche di elevata sensibilità, funzionamento stabile e forte controllo, che soddisfa i severi requisiti del campo di fascia alta dell'azionamento elettrico, quindi è utilizzato principalmente nel settore aerospaziale, apparecchiature mediche, automazione industriale e robotica e altri campi di fascia alta. Allo stesso tempo, il motore a tazza cava viene gradualmente applicato anche in campo civile, come l'automazione degli uffici, gli utensili elettrici e così via.
Un promettente motore a tazza cava
Il motore a tazza cava con il suo design unico senza nucleo in ferro, che mostra alta velocità, alta efficienza, elevata risposta dinamica e altri vantaggi significativi, ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, nelle apparecchiature mediche e in altri campi, anche la flessibilità della mano del robot umanoide ha un impatto significativo. Sebbene le imprese estere come Maxon e Faulhaber abbiano attualmente il vantaggio della prima mossa, con il continuo miglioramento del livello tecnico dei produttori nazionali e il rapido sviluppo del mercato dei robot umanoidi, i motori a tazza cava domestici introdurranno nuove opportunità di sviluppo.
