Il motore a tazza cava (micro motore senza nucleo) è uno speciale motore CC. Tradizionale Il motore CC è ampiamente utilizzato nella produzione industriale, negli elettrodomestici, nei trasporti e in altri campi, composto da due parti principali dello statore e del rotore, la parte stazionaria del motore CC è chiamata statore, il ruolo principale dello statore è generare un campo magnetico, composto da telaio, polo magnetico principale, polo di inversione, cappuccio terminale, cuscinetto e dispositivo a spazzola. I materiali comunemente utilizzati per i magneti dello statore includono Ndfeb, samario cobalto, alluminio nichel cobalto e ferrite. La parte che ruota durante il funzionamento è chiamata rotore e il suo ruolo principale è quello di produrre coppia elettromagnetica e forza elettromotrice indotta, che è il fulcro del motore CC per la conversione dell'energia, quindi viene solitamente chiamata armatura, che è composta da albero rotante, nucleo dell'armatura, avvolgimento dell'armatura, commutatore e ventola.
Il motore a tazza cava rompe la forma strutturale del tradizionale motore DC nella struttura, utilizzando un rotore senza nucleo, e il suo avvolgimento dell'armatura è una bobina a tazza cava, simile nella forma a una tazza dell'acqua, quindi è chiamato 'motore a tazza cava'. Il motore a tazza cava appartiene al micromotore DC, a magnete permanente. Questa nuova struttura del rotore fa sì che il motore a tazza cava abbia le seguenti eccellenti caratteristiche: ① Caratteristiche di risparmio energetico: il design senza nucleo elimina completamente la perdita di potenza causata dalla formazione di correnti parassite nel nucleo di ferro e l'efficienza di conversione energetica è molto elevata, l'efficienza massima è generalmente superiore al 70% e alcuni prodotti possono raggiungere oltre il 90% (i motori con nucleo di ferro sono generalmente al 70%); (2) Caratteristiche di controllo: avvio e frenata rapidi, risposta rapida, costante di tempo meccanica inferiore a 28 millisecondi, alcuni prodotti possono raggiungere meno di 10 millisecondi (i motori principali sono generalmente più di 100 millisecondi); La velocità può essere facilmente regolata in modo sensibile in condizioni di funzionamento ad alta velocità nell'area operativa consigliata; (3) Caratteristiche di resistenza: la stabilità operativa è molto affidabile, la fluttuazione della velocità è molto piccola, come un micromotore, la fluttuazione della velocità può essere facilmente controllata entro il 2%; ④ Caratteristiche leggere: rispetto allo stesso motore Power Core, il suo peso e il suo volume sono ridotti di 1/3-1/2 e la densità di energia è notevolmente migliorata. L'indicatore principale del motore a tazza cava è la densità di potenza, ovvero il rapporto tra la potenza in uscita e il peso o il volume. Il rotore senza nucleo in ferro elimina le correnti parassite e la perdita di isteresi all'estremità molecolare e migliora l'efficienza di conversione dell'energia. Peso e volume ridotti all'estremità del denominatore.
La spazzola è una componente importante del motore a spazzole , responsabile della conduzione della corrente tra le parti rotanti e le parti fisse. Poiché è più costituito da grafite, è anche chiamata spazzola di carbone. Nel normale motore CC, per mantenere il rotore in rotazione, la direzione della corrente del rotore deve essere cambiata in tempo reale, quindi è necessario utilizzare il commutatore e la spazzola di carbone. Il motore brushless annulla la modalità di commutazione meccanica della spazzola, quindi è necessario rilevare la posizione del rotore per completare la commutazione elettronica. Esistono due modi comuni per ottenere informazioni sulla posizione del rotore: (1) modalità di controllo senza sensore, quando il motore è in funzione, la posizione del rotore è determinata dalla variabile misurabile restituita dal motore; Nella modalità di controllo del sensore di posizione, la posizione del rotore del motore viene rilevata direttamente dal sensore di posizione all'interno del motore. I sensori di posizione comunemente utilizzati sono sensori Hall, encoder fotoelettrici, trasformatori rotativi e così via. La precisione di rilevamento del sensore Hall non è elevata, ma il prezzo è basso; Il codificatore fotoelettrico e il rilevamento della posizione del trasformatore rotante sono accurati e l'errore è piccolo e sono generalmente utilizzati per sistemi di controllo ad alte prestazioni, come il controllo dell'orientamento del campo magnetico e il controllo diretto della coppia.
Il motore a tazza cava in base alla sua struttura può essere suddiviso in due tipi a spazzole e senza spazzole. ① Motore a tazza cava spazzolata (noto anche come motore coreless con spazzole CC, rotore senza nucleo in ferro): utilizzo di un commutatore meccanico a spazzole, generalmente tramite guscio, statore interno in materiale magnetico morbido, statore a magnete permanente, composizione dell'armatura del rotore a tazza cava. Quando il motore della spazzola a tazza cava è energizzato, l'avvolgimento fa passare corrente, generando coppia, il rotore inizia a ruotare, se il rotore gira ad un angolo specifico, la spazzola utilizza il commutatore meccanico per cambiare la direzione della corrente, in modo che la direzione della coppia di uscita rimane invariata, il rotore continua a ruotare. Poiché il motore con spazzole a tazza cava utilizza la commutazione delle spazzole, durante il funzionamento del motore si verifica un certo attrito relativo, che produrrà rumore, scintille elettriche e ridurrà la durata del motore. Generalmente il 'motore a tazza cava' domestico si riferisce generalmente al motore a spazzole; ② Motore senza spazzole a tazza cava (noto anche come motore senza spazzole DC senza slot, statore senza nucleo di ferro): l'uso della commutazione elettronica, generalmente mediante il guscio, materiali magnetici morbidi, materiali isolanti e armatura a tazza cava composta dallo statore e dal rotore in acciaio magnetico permanente. Il motore brushless a tazza cava collega diversi avvolgimenti al circuito controllando l'accensione e lo spegnimento dei componenti elettronici per ottenere l'effetto di inversione. Questa modalità di commutazione fa sì che il motore brushless a tazza cava abbia le caratteristiche di alta efficienza, piccola fluttuazione di coppia, elevata durata, struttura compatta, facile manutenzione e così via.
1.2. Barriera centrale: processo di avvolgimento
Il flusso di processo del motore a tazza cava è complesso e la difficoltà di elaborazione è molto maggiore di quella del normale motore a fessura CC. Prendendo come esempio il motore DC slotless di Dingzhi Technology (ovvero i suoi prodotti con motori a tazza cava), dall'avvolgimento della bobina anteriore, al cuscinetto centrale, al mandrino, all'anello di supporto e all'installazione di altre parti principali, all'installazione del coperchio posteriore e alla linea di saldatura del circuito, ecc., che coinvolge quasi 30 processi, la complessità è molto più complessa dei normali motori DC slots. La produzione della bobina deve passare attraverso il processo di filo smaltato - avvolgimento - modellatura del riscaldamento - spelatura del filo, collegamento del filo comune - installazione della bobina e così via.
Tra questi, la produzione di bobine è uno dei processi principali del motore a tazza cava. Gli avvolgimenti autoportanti senza nucleo sono realizzati con il cosiddetto filo smaltato, ovvero un filo di rame isolato con uno strato di vernice all'esterno. Nel processo di produzione, la vernice dei fili adiacenti viene fusa insieme applicando pressione e temperatura. Un corretto collegamento (nastro o fibra di vetro) può migliorare ulteriormente la resistenza e la stabilità della forma dell'avvolgimento, il che è particolarmente importante in caso di carichi di corrente elevati.
La tecnologia di produzione della bobina del motore a tazza cava è principalmente divisa in tre categorie in base al metodo di formatura della bobina: 1) avvolgimento manuale. Attraverso una serie di processi complessi, tra cui l'inserimento dei pin, l'avvolgimento manuale, il cablaggio manuale e altre fasi di produzione. 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. Prendendo come esempio una tazza cava di avvolgimento, il processo di fabbricazione può essere grossolanamente suddiviso nelle seguenti fasi: (1) Avvolgimento di bobina di billetta a filo esagonale: viene effettuato sulla macchina avvolgitrice del gruppo di avvolgimento inclinato; ② La bobina del filo grezzo viene incollata con due pezzi di nastro sagomato sensibile alla pressione, sformato per essere appiattito; ③ Appiattimento: la piastra sagomata viene inserita nella bobina di filo grezzo, la bobina viene appiattita, quindi inviata alla macchina appiattitrice per appiattirsi e diventare un filo piatto grezzo. Modellare con un raschietto di bambù. Tagliare il nastro in eccesso, lasciando un solo nodo, il nodo va lasciato sul lato leggermente rialzato del filo piatto, in modo che la bobina possa formare una fila; ④ Bobina: il filo piatto viene inserito nella bobina della macchina per bobine a tazza cava, in modo che il filo grezzo sia collegato all'estremità e il nastro venga incollato sulla superficie della testa del filo grezzo per diventare la bobina a tazza cava; ⑤ Rivestimento per modellatura epossidica: dopo aver rivestito l'adesivo epossidico, metterlo nel forno per polimerizzare e modellare. 3) Una tecnologia di produzione di stampaggio. L'avvolgitrice avvolge un filo smaltato su un fuso a norma di legge attraverso l'apparecchiatura di automazione, e toglie la bobina dopo l'avvolgimento in una tazza, formandola alla volta, e non richiede processi multipli come la laminazione e l'appiattimento, con un alto grado di automazione.
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. Il motore a tazza cava può essere suddiviso in avvolgimento diritto, a sella e inclinato in base al metodo di avvolgimento. Nel 1958, il tedesco Dr.FF aulhaber (von Haber) sviluppò la tecnologia di avvolgimento della bobina con avvolgimento inclinato e ottenne il brevetto sulla tecnologia dell'avvolgimento inclinato della bobina del rotore del motore a tazza cava nel 1965. Germania, Svizzera, Giappone e altri sviluppi precedenti di motori a tazza cava, nel processo di avvolgimento hanno accumulato una ricca esperienza. Tra i tre principali motori a tazza cava nel mondo, lo svizzero Maxon utilizza principalmente la forma della ferita diritta e la forma a sella, mentre il tedesco Faulhaber e lo svizzero Portescap utilizzano principalmente la forma della ferita inclinata. Il processo di avvolgimento con avvolgimento diritto è più complicato e viene utilizzato principalmente per strutture ad avvolgimento lungo, spesso costituite da avvolgimenti multipli. La forma a sella può ridurre lo spessore della bobina, ridurre efficacemente il traferro magnetico su motori ad alta densità di potenza, aumentare la lunghezza del campo magnetico di taglio e sfruttare meglio il magnetismo dello statore; Avvolgimento obliquo sviluppato in precedenza, avvolgimento relativamente semplice, cablaggio stretto, adatto per la produzione di grandi lotti.
L'avvolgimento è la barriera tecnica principale del motore a tazza cava. ① Collegamento alla progettazione: le tre principali tecnologie d'oltremare hanno avuto origine negli anni '60, il motore domestico a tazza cava è stato avviato tardi, meno ricerca, mancanza di combinazione del grado di suddivisione del materiale, tipo di tazza del rotore per ottimizzare il motore, mancanza di una progettazione avanzata sistematica, mancanza di requisiti personalizzati di configurazione dello schema di azionamento del sistema e capacità di progettazione del prodotto; ② Collegamento di elaborazione: rispetto al tradizionale motore brushless, motore a spazzole, servomotore, la struttura del motore a tazza cava appartiene alla struttura della scanalatura senza denti, non esiste una scanalatura fissa, tutto il filo smaltato è un avvolgimento sospeso, non c'è supporto interno, è molto difficile nel processo e la resa iniziale è bassa. In termini di precisione dell'avvolgimento, i requisiti di precisione dei motori a tazza cava sono superiori a quelli dei motori tradizionali. Lo stesso motore a tazza cava è di piccole dimensioni e la tolleranza per l'errore è inferiore a quella dei normali motori a magneti permanenti e dei motori passo-passo e la precisione di elaborazione influisce direttamente sulla stabilità del campo magnetico. La differenza tra lo spessore del filo e le spire dell'avvolgimento fa sì che il valore della resistenza dell'avvolgimento, la corrente di avviamento, la costante di velocità e altri parametri del motore presentino grandi differenze. Per questo motivo, i produttori nazionali devono migliorare la precisione, la resa e l’automazione nei processi di produzione e lavorazione. Rispetto all’estero, la Cina è relativamente debole anche in termini di attrezzature per l’avvolgimento. Le apparecchiature di avvolgimento possono essere suddivise in apparecchiature automatiche e manuali non automatiche. Rispetto all’estero, il grado di automazione delle apparecchiature di avvolgimento in Cina è relativamente basso. I principali produttori mondiali di apparecchiature per l'avvolgimento includono Meteor della Svizzera, Tanaka Seiki Co., Ltd. del Giappone e Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Le imprese nazionali sono ancora in uno stato relativamente vacante in termini di attrezzature e acquistano più apparecchiature di avvolgimento giapponesi, con prezzi che vanno da centinaia di migliaia a milioni. Le società relativamente rappresentative in Cina includono Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook e così via.
1.3 Applicazioni a valle: le caratteristiche del motore a tazza cava determinano lo scenario dell'applicazione a valle
Il motore a tazza cava appartiene al micromotore e le materie prime a monte sono simili alle materie prime del micromotore, tra cui rame, acciaio, acciaio magnetico, cuscinetti, plastica, ecc. Il motore a tazza cava è stato originariamente utilizzato nell'aviazione, nell'aerospaziale, nell'esercito e in altri settori all'avanguardia, negli ultimi anni la sua applicazione si è gradualmente estesa alle industrie civili, come dispositivi medici, elettronica di consumo, utensili elettrici, automazione industriale e altri scenari.
Le diverse prestazioni del motore a tazza cava corrispondono alla sua applicazione in diversi campi: 1) le caratteristiche di piccole dimensioni, leggerezza e ampio rapporto potenza/volume lo rendono adatto ad aree con elevati requisiti di peso, come vari tipi di aeromobili, ecc., che possono ridurre al minimo il peso dell'aeromobile; È anche ampiamente utilizzato in vari prodotti elettronici di consumo, come spazzolini da denti elettrici e ventilatori elettrici portatili. 2) Le caratteristiche di avvio e frenata rapidi e la risposta estremamente rapida lo rendono adatto per aree che necessitano di ottenere un controllo automatico rapido, come la regolazione della direzione del missile con elevati requisiti di prestazioni di controllo, follow-up dell'unità ottica ad alta velocità, apparecchiature altamente sensibili, robot industriali, ecc. 3) Le caratteristiche di elevata efficienza di conversione dell'energia e lungo tempo di funzionamento lo rendono adatto a tutti i tipi di campi che richiedono risparmio energetico e durata della batteria, come strumenti portatili e attrezzature da lavoro sul campo.
Il robot umanoide apre un nuovo oceano blu di applicazioni con motori a tazza cava. Secondo l'ultimo sviluppo di Optimus, un robot umanoide rilasciato da Tesla, ogni mano include sei azionamenti e 11 gradi di libertà, due azionamenti per il pollice e uno per ciascuna delle altre quattro dita, e la mano può sostenere fino a 20 libbre. Il modulo di giunzione manuale è composto principalmente da motore a tazza cava, riduttore planetario di precisione, vite a ricircolo di sfere e sensore. Il motore a tazza cava consente al dito di muoversi, il riduttore epicicloidale di precisione consente al manipolatore di posizionarsi in modo più accurato e di utilizzare una maggiore flessibilità, l'encoder fornisce feedback di posizione e velocità della mano ad alta precisione e il sensore consente al robot di avere funzioni percettive e capacità di reazione simili a quelle umane. Secondo Musk, in futuro il numero dei robot umanoidi supererà quello degli esseri umani e si prevede che a lungo termine raggiungerà i 100 miliardi di unità. Il motore a tazza cava è la soluzione tecnica tradizionale della mano robotica con elevata certezza. I robot umanoidi utilizzano 6 motori a tazza cava per mano, considerando la situazione finale, si prevede che i robot umanoidi raggiungeranno il livello di un miliardo di unità, se la produzione di massa di robot umanoidi in atterraggio, stimolerà la crescita dei ricavi delle imprese legate ai motori a tazza cava.
