휴머노이드 로봇은 인공지능 분야의 빛나는 진주가 됐다.
최근 휴머노이드 로봇은 의료, 서비스 등 다양한 분야에 활용되며 인공지능 분야의 빛나는 진주로 자리매김하고 있다. 산업 발전을 더욱 촉진하기 위해 지자체에서는 휴머노이드 로봇 및 핵심 부품에 대한 지원을 늘리는 정책을 도입했습니다. 휴머노이드 로봇 산업 체인에서 중공 컵 모터는 휴머노이드 로봇의 모션 제어 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 Tesla 휴머노이드 로봇 손재주의 핵심 구성 요소는 중공 컵 모터, 단일 로봇 어셈블리 12(오른손 각각 6개)입니다. 본 논문은 연구를 통해 중공컵 모터의 기술적 특성, 시장현황 및 향후 전망에 대해 논의하는 것을 목적으로 한다.
무엇인가요 중공 컵 모터
1. 모터의 개념과 분류
전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치입니다. 활성화된 코일(즉, 고정자 권선)을 사용하여 회전 자기장을 생성하고 회전자(예: 농형 폐쇄형 알루미늄 프레임)에 사용되어 자기장 회전 토크를 형성합니다. 이는 자기장의 전류 흐름에 의해 생성된 힘을 회전 작용으로 변환합니다. 원리는 자기장을 사용하여 전류를 강제하여 모터를 회전시키는 것입니다.
모터 회전의 기본 원리: 회전 축이 있는 영구 자석을 중심으로 1. 자석을 회전시킵니다(회전 자기장이 생성되도록). 2. N극과 S극 이종극 인력의 원리에 따라 동일한 극 반발, 3. 회전 축이 있는 자석이 회전합니다.
모터에서는 실제로 자석을 회전시키는 원인이 되는 회전 자기장(자기력)을 생성하는 와이어를 통해 흐르는 전류입니다. 전선을 코일로 감으면 자기력이 합성되어 큰 자기장 자속(자속)이 형성되어 N극과 S극이 생성됩니다. 코일에 철심을 삽입하면 자기력선이 통과하기 쉬워지고 더 강한 자기력을 생성할 수 있습니다.
모터의 구조는 주로 고정자와 회 전자의 두 부분으로 구성됩니다.
고정자: 모터의 고정 부분으로, 주요 구조에는 자극, 권선 및 브래킷이 포함됩니다. 자극은 자기장을 생성하는 모터의 일부로, 일반적으로 철심과 코일로 구성됩니다. 권선은 고정자에 있는 코일로, 일반적으로 도체와 절연체로 구성되며 전류가 통과할 때 자기장을 생성하는 역할을 합니다. 브래킷은 일반적으로 알루미늄 합금 및 기타 재료로 만들어지며 내식성과 강도가 우수한 고정자의 지지 구조입니다.
로터(Rotor): 모터의 회전 부분으로, 주요 구조에는 전기자, 베어링 및 엔드 캡이 포함됩니다. 전기자는 일반적으로 도체와 절연체로 구성되는 회전자의 코일로, 전류가 통과할 때 자기장을 생성하는 역할을 합니다. 베어링은 일반적으로 강철 또는 세라믹으로 만들어지며 내마모성과 내식성이 우수한 로터의 지지 구조입니다. 엔드 커버는 일반적으로 알루미늄 합금 및 기타 재료로 만들어지며 밀봉 및 강도가 우수한 모터의 끝 구조입니다.
2, 중공 컵 모터 정의 및 분류
1958년 Dr.FF aulhaber는 경사 권선 코일 기술을 개발하고 1965년 중공 컵 모터에 대한 관련 특허를 획득하여 중공 컵 모터의 출현을 알렸으며, 창의적인 구조 설계로 모터의 크기는 더 작고 효율은 높일 수 있습니다. 중공 컵 모터는 DC 영구 자석 서보 모터에 속하며 모터 구조는 주로 고정자와 회 전자로 구성된 다음 그림에 나와 있습니다. 고정자는 규소 강판과 코일 권선으로 구성되며 치형 홈 구조가 없는 규소 강판은 치형 홈 효과를 피하고 철 손실과 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 로터는 영구자석과 회전축 및 고정부로 구성되며, 모터는 링형 영구자석을 사용하므로 가공 및 설치가 용이합니다.
일반 모터와 비교하여 로터의 가장 큰 특징은 구조적으로 기존 모터의 로터 구조를 깨고 중공 컵 로터라고도 알려진 노코어 로터를 사용한다는 것입니다. 로터는 권선과 자석으로 둘러싸인 속이 빈 컵 모양의 구조입니다. 일반 모터에서 철심의 역할은 주로 다음과 같습니다. 1) 자기장을 집중하고 안내합니다. 철심은 투자율이 높은 재료(예: 실리콘 강판)로 만들어져 자속을 집중하고 안내할 수 있으므로 모터의 자기장 강도와 효율이 향상됩니다. 2) 권선 지지: 철심은 권선에 대한 강력한 지지 구조를 제공하여 모터 작동 중에 권선이 안정적인 모양과 위치를 유지하도록 보장합니다. 중공컵 모터에서는 벽이 얇은 중공실린더를 로터로 사용하며, 중공실린더는 별도의 코어 지지대 없이 권선 내부에 직접 감겨져 있습니다. 코어리스 설계의 장점: 1) 와전류 및 히스테리시스 손실 제거: 일반 모터의 철심은 교류 자기장에서 와전류 및 히스테리시스 손실을 생성하여 모터 효율을 감소시킵니다. 중공 컵 모터는 코어리스 로터를 사용하여 이러한 손실을 완전히 제거하여 모터의 에너지 변환 효율을 향상시킵니다. 2) 무게 및 관성 모멘트 감소: 코어 프리 설계로 로터의 무게가 크게 감소되어 모터 전체가 가벼워집니다. 동시에 관성 모멘트가 감소하면 모터의 응답 속도와 가속도가 더 빨라지므로 빠른 시작과 정지가 필요한 애플리케이션 시나리오에 매우 유용합니다.
동시에 중공 실린더 구조와 권선 레이아웃의 정밀 설계는 중공 컵 모터 내부의 자기장 분포를 최적화하고 자기 누출 및 에너지 손실을 줄이며 모터의 효율성과 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
중공 컵 모터는 정류 모드에 따라 두 가지 종류로 나눌 수 있습니다. 하나는 기계식 카본 브러시 정류 모드를 채택하는 중공 컵 브러시 모터입니다. 다른 하나는 브러시 정류를 전자 정류로 대체하는 중공 컵 브러시리스 모터로, 브러시 모터 작동 중에 발생하는 전기 스파크와 토너 입자를 피하고 소음을 줄이고 모터의 수명을 늘립니다. 다음 그림에서 Mingzhi 전기 제품의 다양한 제품을 비교하면 브러시리스 중공 컵 모터에는 브러시가 필요하지 않지만 홀 센서가 회전자 자기장 신호를 감지하고 기계적 반전을 전자 신호 반전으로 전환하여 중공 컵 모터의 물리적 구조를 더욱 단순화한다는 것을 알 수 있습니다.
3, 중공 컵 모터 장점
중공 컵 모터는 기존 모터의 회전자 구조를 구조적으로 탈피하여 철심의 와전류 형성으로 인한 전력 손실을 줄이고, 질량과 관성 모멘트를 대폭 줄여 회전자 자체의 기계적 에너지 손실을 줄인다. 요약하면 중공 컵 모터는 높은 전력 밀도, 긴 서비스 수명, 빠른 응답, 높은 피크 토크, 우수한 열 방출 등의 장점을 가지고 있습니다.
높은 출력 밀도: 중공 컵 모터의 출력 밀도는 출력 전력과 무게 또는 부피의 비율입니다. 무게 측면에서 비코어 로터는 일반 코어 로터보다 가볍습니다. 효율성 측면에서 코어리스 로터는 코어리스 로터에서 발생하는 와전류 및 히스테리시스 손실을 제거하고 마이크로 모터의 효율성을 향상시키며 높은 출력 토크 및 출력 전력을 보장합니다. 대부분의 중공 컵 모터의 최대 효율은 80% 이상인 반면, 대부분의 브러시 DC 모터의 최대 효율은 일반적으로 약 50%입니다. 더 낮은 무게와 더 높은 효율을 통해 중공 컵 모터는 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다. 따라서 중공 컵 모터는 휴대용 공기 샘플링 펌프, 휴머노이드 로봇, 생체 공학 손, 휴대용 전동 공구 및 기타 응용 분야와 같이 장기간 작동이 필요한 배터리 구동 응용 분야에 특히 적합합니다.
높은 토크 밀도: 코어리스 설계는 로터의 무게와 관성 모멘트를 줄이고 낮은 관성 모멘트는 모터가 더 빠르게 가속 및 감속할 수 있어 짧은 시간에 더 많은 토크를 생성할 수 있음을 의미합니다. 동시에, 철심이 없기 때문에 중공 컵 모터는 더 작고 작아지며 제한된 공간에서 더 높은 토크 출력을 제공할 수 있습니다.
긴 서비스 수명: 중공 컵 모터의 반전 부분 수는 반전 시 전류 변동과 모터의 인덕턴스를 더 작게 만들어 반전 과정에서 반전 시스템의 전기 부식을 크게 줄여 수명을 연장합니다. '중공 컵 모터의 맞춤형 관리에 대한 응용 연구'의 데이터에 따르면 브러시형 DC 모터의 수명은 일반적으로 수백 시간에 불과하며 중공 컵 모터의 예상 수명은 일반적으로 1000~3000시간이므로 더 오랫동안 안정적인 작동을 제공할 수 있습니다.
빠른 응답 속도: 기존 모터는 철심으로 인해 관성 모멘트가 상대적으로 큰 반면 중공 컵 모터는 콤팩트하고 로터는 컵 모양의 자립 코일이므로 무게가 가볍고 관성 모멘트가 작기 때문에 중공 컵 모터는 민감한 시작-정지 조정 특성을 갖습니다. '중공 컵 마이크로 모터 및 코일의 연구 진행'에 따르면 일반 코어 모터의 기계적 시상수는 약 100ms인 반면, 중공 컵 모터의 기계적 시상수는 28ms 미만이며 일부 제품은 심지어 10ms 미만입니다.
높은 피크 토크: 중공 컵 모터의 피크 토크와 연속 토크의 비율은 매우 큽니다. 왜냐하면 전류가 피크 토크 상수로 상승하는 과정은 변하지 않고 전류와 토크 사이의 선형 관계로 인해 마이크로모터가 큰 피크 토크를 생성할 수 있기 때문입니다. 일반 코어 DC 모터가 포화 상태에 도달하면 전류가 증가하더라도 DC 모터의 토크는 증가하지 않습니다.
좋은 방열 : 중공 컵 로터의 표면에는 코어 로터의 방열 성능보다 더 나은 공기 흐름이 있으며 코어 로터의 에나멜 와이어가 실리콘 강판 홈에 내장되어 있으며 코일 표면 공기 흐름이 적고 온도 상승이 더 큽니다. 동일한 전력 출력 조건에서 중공 컵 DC 모터의 온도 상승이 더 작습니다.
4, 중공 컵 모터의 기술 경로
중공 컵 모터 생산의 핵심 단계는 코일 생산이므로 코일 설계 및 권선 공정이 핵심 장벽이 됩니다. 와이어의 직경, 회전 수 및 선형성은 모터의 핵심 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다. 코일 권선의 코어 장벽은 코일 설계에 직접적으로 반영됩니다. 권선 유형에 따라 자동화 속도와 구리 소비량이 다르기 때문입니다. 다른 한편, 이는 권선 장비 및 권선 방법에도 반영되며, 서로 다른 권선 기계에 의해 감겨진 중공 컵 홈의 충전율이 다르기 때문에 희박함이 다르며 모터 손실, 열 방출, 전력 등에 직접적인 영향을 미칩니다.
코일 설계 각도 : 중공 컵 모터의 권선 설계는 직선 권선 유형, 경사 권선 유형 및 새들 유형으로 나눌 수 있습니다.
직선 권선: 코일의 와이어가 모터 축과 평행하여 집중 권선 구조를 형성합니다. 직선 권선 코일의 설계 아이디어는 먼저 권선 수 요구 사항에 따라 권선 다이에 일반 원형 에나멜 와이어를 감은 다음 와이어의 코어 샤프트에 권선을 연결한 다음 바인더를 사용하는 것입니다. 양쪽 끝에서 경화 및 형성됩니다. 상대적으로 말하면 직선 권선의 끝 부분은 토크를 생성하지 않으며 전기자 무게와 전기자 저항을 증가시킵니다.
비스듬한 권선: 벌집 권선이라고도 하는 허니컴 권선 방법을 사용하며 중앙에 탭을 남겨두고 연속적으로 권선할 수 있으려면 요소의 유효 측면과 전기자 축을 특정 경사 각도로 만들어야 합니다. 이 권선 방식의 최종 크기는 작지만 경사 권선 연속 권선에는 일정한 선 각도가 필요하기 때문에 에나멜 와이어가 겹쳐지고 슬롯 충전율이 낮습니다. 직선 권선형에 비해 경사 권선 전기자에는 끝 권선이 없어 전기자 무게가 줄어들고 관성 모멘트가 작고 시상수가 작으며 항력 특성이 좋고 출력 토크가 크다는 장점이 있습니다. 독일의 Faulhaber와 스위스의 Portescap은 대부분 경사 권선을 사용합니다.
새들 유형: 동심 또는 마름모꼴 권선으로도 알려져 있으며, 모양의 코일을 감은 다음 배선하는 방법이 사용됩니다. 즉, 자체 접착 에나멜 와이어가 특수 성형 권선 다이에 감겨 있고 전기자 컵이 여러 모양 배열로 만들어집니다. 권선할 때 두 개의 코일 층이 깔끔하게 배열되고 모양이 지정되므로 모양을 바꾼 후 전기자 컵의 크기를 제어하고 슬롯 충전 속도를 향상시키는 데 편리합니다. 동시에 이 방법은 생산 효율이 높아 대량 생산에 적합하다. 새들 권선 전기자 끝 부분은 겹치는 층이 적고 에어 갭이 작으며 영구 자석의 활용률이 높아 모터의 출력 밀도가 향상됩니다. 스위스 Maxon의 일부 제품은 새들형 와인딩을 사용합니다.
권선 공정 관점: 생산 기술의 관점에서 보면 코일의 성형 방법은 주로 수동 권선, 권선 및 일회성 성형 생산의 세 가지 범주로 나뉩니다.
1) 수동 와인딩. 핀 삽입, 수동 권선, 수동 배선 및 기타 생산 단계를 포함한 일련의 복잡한 프로세스를 통해. 높은 수준의 맞춤화가 필요한 제품에 적합하지만 생산 효율성과 제품 안정성이 제한됩니다.
2) 권선 생산 기술. 권선 생산 기술은 반자동 생산으로, 먼저 에나멜 선을 다이아몬드 모양의 단면을 가진 주축에 순차적으로 감고, 필요한 길이에 도달한 후 제거한 다음 편평하게 펴서 선판으로 만들고, 마지막으로 선판을 컵 모양의 코일로 감습니다. '권선 중공 컵 전기자 생산 공정 및 장비' 권선 공정에 따르면 다음 권선기는 4명의 작업자로 구성하여 연간 생산량 30,000대를 달성할 수 있지만 권선의 한계는 중공 컵 직경이 20~30mm에 더 적합하고 탭 간격이 7mm 미만인 작은 코일, 즉 직경이 10~12mm 미만인 제품을 권선하는 것이 어렵다는 것입니다. 전반적으로 와인딩 공정의 생산 효율성은 상대적으로 높으며 중간 규모 생산 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 수동 참여율이 높기 때문에 완제품의 일관성이 자동화 생산만큼 좋지 않을 수 있으며 중공 컵 코일 권선의 더 작은 크기를 충족시키기가 어렵습니다.
3) 하나의 성형 생산 기술. 자동화 장비를 통한 권선 기계는 스핀들의 규칙에 따라 에나멜 와이어, 제거 후 컵으로 감는 코일, 단일 성형, 여러 공정을 굴리고 평평하게 할 필요가 없으며 자동화 수준이 높으므로 생산 효율성과 완제품 일관성이 더 좋습니다. 그러나 해당 선행 장비 투자는 더 높아질 것입니다.
해외 와인딩 공정이 일찍 개발되어 자동화 정도가 국내보다 높습니다. 국내에서는 주로 권선 생산을 채택하고 있으며 공정이 더 복잡하고 작업자의 노동 강도가 크고 선경이 두꺼운 코일을 완성할 수 없으며 폐기율이 높습니다. 외국에서는 주로 일회성 상처 생산 기술, 높은 수준의 자동화, 높은 생산 효율성, 코일 직경 범위, 우수한 코일 품질, 긴밀한 배열, 모터 유형, 우수한 성능을 사용합니다.
산업용 체인 링크 및 다운스트림 애플리케이션
중공 컵 모터의 상류에는 원자재 및 부품이 있으며 원자재에는 구리, 강철, 자성 강철, 플라스틱 등이 포함되며 부품에는 베어링, 브러시, 정류자 등이 포함됩니다. 산업 체인의 중간 범위는 모터 제조업체입니다. 산업 체인의 하류는 응용 분야이며 중공 컵 모터는 고감도, 안정적인 작동 및 강력한 제어 특성을 가지며 고급 전기 구동 분야의 엄격한 요구 사항을 충족하므로 주로 항공 우주, 의료 장비, 산업 자동화 및 로봇 공학 및 기타 고급 분야에 사용됩니다. 동시에 중공 컵 모터는 사무 자동화, 전동 공구 등과 같은 민간 분야에도 점차적으로 적용되고 있습니다.
유망한 중공 컵 모터
철심이 없는 독특한 디자인의 중공 컵 모터는 고속, 고효율, 높은 동적 응답 및 기타 중요한 이점을 나타내며 항공 우주, 의료 장비 및 기타 분야에서 널리 사용되며 휴머노이드 로봇 손의 유연성에도 중요한 영향을 미칩니다. 현재는 Maxon, Faulhaber 등 해외 기업이 선점 우위를 점하고 있지만 국내 제조업체의 기술 수준이 지속적으로 향상되고 휴머노이드 로봇 시장이 급속히 발전함에 따라 국내 중공 컵 모터는 새로운 개발 기회를 열어줄 것입니다.
