Robot humanoid telah menjadi mutiara yang bersinar dalam bidang kecerdasan buatan.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, robot humanoid telah menjadi mutiara yang bersinar dalam bidang kecerdasan buatan dengan aplikasinya yang meluas dalam banyak bidang seperti penjagaan perubatan dan perkhidmatan. Bagi menggalakkan lagi pembangunan industri, kerajaan tempatan telah memperkenalkan dasar untuk meningkatkan sokongan untuk robot humanoid dan komponen utamanya. Dalam rantaian industri robot humanoid, motor cawan berongga memainkan peranan penting dalam sistem kawalan pergerakan robot humanoid, seperti komponen teras tangan tangkas robot humanoid Tesla ialah motor cawan berongga, pemasangan robot tunggal 12 (6 setiap tangan kanan). Kertas kerja ini bertujuan untuk membincangkan ciri teknikal, status pasaran dan prospek masa depan motor cawan berongga melalui penyelidikan.
Apa itu motor cawan berongga
1. Konsep dan klasifikasi motor
Motor elektrik ialah peranti yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal. Ia menggunakan gegelung bertenaga (iaitu, belitan stator) untuk menjana medan magnet berputar dan digunakan untuk pemutar (seperti rangka aluminium tertutup sangkar tupai) untuk membentuk tork putaran magnetoelektrik, iaitu untuk menukar daya yang dihasilkan oleh aliran arus dalam medan magnet kepada tindakan berputar. Prinsipnya ialah menggunakan medan magnet untuk memaksa arus untuk membuat motor berputar.
Prinsip asas putaran motor: mengelilingi magnet kekal dengan paksi berputar, 1 putar magnet (supaya medan magnet berputar dijana), 2 mengikut prinsip kutub N dan tarikan heteropol kutub S, tolakan kutub yang sama, 3 magnet dengan paksi berputar akan berputar.
Dalam motor, sebenarnya arus yang mengalir melalui wayar yang mewujudkan medan magnet berputar (daya magnet) di sekelilingnya yang menyebabkan magnet berputar. Apabila wayar digulung ke dalam gegelung, daya magnet disintesis untuk membentuk fluks medan magnet yang besar (fluks magnet), menghasilkan kutub N dan S. Dengan memasukkan teras besi ke dalam gegelung wayar, garisan medan magnet menjadi lebih mudah dilalui dan boleh menghasilkan daya magnet yang lebih kuat.
Struktur motor terutamanya terdiri daripada dua bahagian: stator dan rotor.
Stator: bahagian pegun motor, struktur utamanya termasuk kutub magnet, belitan dan pendakap. Kutub magnet adalah bahagian motor yang menjana medan magnet, yang biasanya terdiri daripada teras besi dan gegelung. Penggulungan ialah gegelung dalam stator, biasanya terdiri daripada konduktor dan penebat, yang berperanan menjana medan magnet apabila arus elektrik melaluinya. Pendakap adalah struktur sokongan stator, biasanya diperbuat daripada aloi aluminium dan bahan lain, dengan rintangan kakisan dan kekuatan yang baik.
Rotor: Bahagian berputar motor, struktur utamanya termasuk angker, galas dan penutup hujung. Angker ialah gegelung dalam rotor, biasanya terdiri daripada konduktor dan penebat, yang berperanan menjana medan magnet apabila arus elektrik melaluinya. Galas ialah struktur sokongan rotor, biasanya diperbuat daripada keluli atau seramik, dengan rintangan haus dan kakisan yang baik. Penutup hujung adalah struktur akhir motor, biasanya diperbuat daripada aloi aluminium dan bahan lain, dengan pengedap dan kekuatan yang baik.
2, definisi motor cawan berongga dan klasifikasi
Pada tahun 1958, Dr.FF aulhaber membangunkan teknologi gegelung belitan condong dan memperoleh paten yang berkaitan untuk motor cawan berongga pada tahun 1965, menandakan kemunculan motor cawan berongga, dan reka bentuk strukturnya yang kreatif membolehkan motor menjadi saiz yang lebih kecil dan kecekapan yang lebih besar. Motor cawan berongga kepunyaan motor servo magnet kekal DC, struktur motor ditunjukkan dalam rajah berikut, terutamanya terdiri daripada pemegun dan pemutar. Stator terdiri daripada kepingan keluli silikon dan penggulungan gegelung, dan kepingan keluli silikon tanpa struktur alur gigi boleh mengelakkan kesan alur gigi dan mengurangkan kehilangan besi dan kehilangan arus pusar. Rotor terdiri daripada magnet kekal, aci berputar dan bahagian tetapnya, dan motor menggunakan magnet kekal cincin, yang mudah diproses dan dipasang.
Berbanding dengan motor biasa, ciri terbesar pemutar ialah ia memecahkan struktur pemutar motor tradisional dalam struktur, dan menggunakan pemutar tanpa teras, juga dikenali sebagai pemutar cawan berongga. Rotor ialah struktur berbentuk cawan berongga yang dikelilingi oleh belitan dan magnet. Dalam motor biasa, peranan teras besi adalah terutamanya: 1) menumpukan dan membimbing medan magnet: teras besi diperbuat daripada bahan dengan kebolehtelapan magnet yang tinggi (seperti kepingan keluli silikon), yang boleh menumpukan dan membimbing fluks magnet, dengan itu meningkatkan kekuatan medan magnet dan kecekapan motor; 2) Belitan sokongan: Teras besi menyediakan struktur sokongan yang kuat untuk belitan, memastikan belitan mengekalkan bentuk dan kedudukan yang stabil semasa operasi motor. Dalam motor cawan berongga, silinder berongga berdinding nipis digunakan sebagai pemutar, dan silinder berongga dililit terus di dalam belitan tanpa sokongan teras tambahan. Kelebihan reka bentuk tanpa teras: 1) Penghapusan arus pusar dan kehilangan histeresis: Teras besi dalam motor biasa akan menghasilkan arus pusar dan kehilangan histeresis dalam medan magnet berselang-seli, yang akan mengurangkan kecekapan motor. Motor cawan berongga menggunakan pemutar tanpa teras, yang menghapuskan kehilangan ini sepenuhnya, dengan itu meningkatkan kecekapan penukaran tenaga motor. 2) Kurangkan berat dan momen inersia: reka bentuk bebas teras mengurangkan berat rotor dengan ketara, menjadikan keseluruhan motor lebih ringan. Pada masa yang sama, pengurangan momen inersia membolehkan motor mempunyai kelajuan tindak balas yang lebih pantas dan pecutan yang lebih tinggi, yang sangat bermanfaat untuk senario aplikasi yang memerlukan permulaan dan berhenti pantas.
Pada masa yang sama, reka bentuk ketepatan struktur silinder berongga dan susun atur penggulungan boleh mengoptimumkan pengagihan medan magnet di dalam motor cawan berongga, mengurangkan kebocoran magnet dan kehilangan tenaga, dan seterusnya meningkatkan kecekapan dan prestasi motor.
Motor cawan berongga boleh dibahagikan kepada dua jenis mengikut mod pertukarannya: satu ialah motor berus cawan berongga, yang menggunakan mod pertukaran berus karbon mekanikal; Yang lain ialah motor tanpa berus cawan berongga, yang menggantikan penukaran berus dengan pertukaran elektronik, mengelakkan percikan elektrik dan zarah toner yang dijana semasa operasi motor berus, mengurangkan bunyi bising dan meningkatkan hayat perkhidmatan motor. Daripada perbandingan produk peralatan elektrik Mingzhi yang berbeza dalam rajah berikut, dapat dilihat bahawa tidak ada keperluan untuk berus dalam motor cawan berongga tanpa berus, tetapi sensor Hall mengesan isyarat medan magnet pemutar, mengubah pembalikan mekanikal menjadi pembalikan isyarat elektronik, dan seterusnya memudahkan struktur fizikal motor cawan berongga.
3, kelebihan motor cawan berongga
Motor cawan berongga menembusi struktur pemutar motor tradisional dalam struktur, mengurangkan kehilangan kuasa yang disebabkan oleh pembentukan arus pusar dalam teras besi, dan jisim dan momen inersianya dikurangkan dengan banyak, dengan itu mengurangkan kehilangan tenaga mekanikal pemutar itu sendiri. Secara ringkasnya, motor cawan berongga mempunyai kelebihan ketumpatan kuasa tinggi, hayat perkhidmatan yang panjang, tindak balas pantas, tork puncak yang tinggi, pelesapan haba yang baik dan sebagainya.
Ketumpatan kuasa tinggi: Ketumpatan kuasa motor cawan berongga ialah nisbah kuasa keluaran kepada berat atau isipadu. Dari segi berat, rotor bukan teras adalah lebih ringan daripada rotor teras biasa; Dari segi kecekapan, pemutar tanpa teras menghilangkan arus pusar dan kehilangan histerisis yang dijana oleh pemutar tanpa teras, meningkatkan kecekapan mikromotor, dan memastikan tork keluaran dan kuasa keluaran yang tinggi. Kecekapan maksimum kebanyakan motor cawan berongga adalah lebih daripada 80%, manakala kecekapan maksimum kebanyakan motor DC berus biasanya sekitar 50%. Berat yang lebih rendah dan kecekapan yang lebih tinggi membolehkan motor cawan berongga mencapai ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Oleh itu, motor cawan berongga amat sesuai untuk aplikasi berkuasa bateri yang memerlukan tempoh operasi yang lama, seperti pam pensampelan udara mudah alih, robot humanoid, tangan bionik, alat kuasa pegang tangan dan aplikasi lain.
Ketumpatan tork yang tinggi: reka bentuk tanpa teras mengurangkan berat pemutar dan momen inersia, dan momen inersia yang rendah bermakna motor boleh memecut dan memecut lebih cepat, dengan itu dapat menjana lebih banyak tork dalam masa yang singkat; Pada masa yang sama, ketiadaan teras besi menjadikan motor cawan berongga lebih padat, lebih kecil, dan mampu memberikan output tork yang lebih tinggi dalam ruang yang terhad.
Hayat perkhidmatan yang panjang: Bilangan kepingan undur motor cawan berongga menjadikan turun naik semasa dan kearuhan motor lebih kecil apabila diterbalikkan, dengan banyaknya mengurangkan kakisan elektrik sistem undur semasa proses membalikkan, supaya mempunyai hayat yang lebih lama. Menurut data dalam 'Penyelidikan Aplikasi Pengurusan Tersuai bagi motor cawan berongga', hayat motor DC berus biasanya hanya beberapa ratus jam, dan jangka hayat motor cawan berongga biasanya antara 1000 dan 3000 jam, yang boleh memberikan operasi yang boleh dipercayai lebih lama.
Kelajuan tindak balas pantas: motor tradisional mempunyai momen inersia yang agak besar kerana kewujudan teras besi, manakala motor cawan berongga adalah padat, dan pemutar adalah gegelung sokongan diri berbentuk cawan, jadi beratnya lebih ringan, dan momen inersianya yang lebih kecil juga menjadikan motor cawan berongga mempunyai ciri-ciri pelarasan permulaan-henti yang sensitif. Menurut 'Kemajuan Penyelidikan motor dan gegelung mikro cawan berongga', pemalar masa mekanikal motor teras am adalah kira-kira 100ms, manakala pemalar masa mekanikal motor cawan berongga adalah kurang daripada 28ms, dan sesetengah produk malah kurang daripada 10ms.
Tork puncak tinggi: Nisbah tork puncak dan tork berterusan motor cawan berongga adalah sangat besar, kerana proses arus naik ke pemalar tork puncak tidak berubah, dan hubungan linear antara arus dan tork boleh menjadikan mikromotor menghasilkan tork puncak yang besar. Selepas motor DC teras biasa mencapai tepu, tidak kira arus meningkat, tork motor DC tidak akan meningkat.
Pelesapan haba yang baik: permukaan pemutar cawan berongga mempunyai aliran udara, lebih baik daripada prestasi pelesapan haba pemutar teras, wayar enamel pemutar teras tertanam dalam alur kepingan keluli silikon, aliran udara permukaan gegelung kurang, kenaikan suhu lebih besar, di bawah keadaan keluaran kuasa yang sama, kenaikan suhu motor DC cawan berongga adalah lebih kecil.
4, laluan teknikal motor cawan berongga
Langkah utama dalam penghasilan motor cawan berongga ialah penghasilan gegelung, jadi reka bentuk gegelung dan proses penggulungan menjadi penghalang terasnya. Diameter, bilangan lilitan dan kelinearan wayar secara langsung mempengaruhi parameter teras motor. Halangan teras penggulungan gegelung secara langsung dicerminkan dalam reka bentuk gegelung, kerana jenis penggulungan yang berbeza mempunyai perbezaan dalam kadar automasi dan penggunaan tembaga. Sebaliknya, ia juga dicerminkan dalam peralatan penggulungan dan kaedah penggulungan, dan kadar pengisian alur cawan berongga yang luka oleh jentera penggulungan yang berbeza adalah berbeza, yang membawa kepada jarang yang berbeza, secara langsung menjejaskan kehilangan motor, pelesapan haba, kuasa dan sebagainya.
Reka bentuk gegelung Sudut: Reka bentuk penggulungan motor cawan berongga boleh dibahagikan kepada jenis belitan lurus, jenis belitan serong dan jenis pelana.
Belitan lurus: Wayar gegelung adalah selari dengan paksi motor, membentuk struktur belitan pekat. Idea reka bentuk gegelung luka lurus adalah untuk menggulung wayar enamel bulat biasa pada acuan penggulungan mengikut keperluan bilangan lilitan, dan kemudian menyambungkan belitan pada aci teras wayar, dan kemudian menggunakan pengikat pada kedua-dua hujung untuk menyembuhkan dan membentuk. Secara relatifnya, hujung belitan lurus tidak menghasilkan tork, dan meningkatkan berat angker dan rintangan angker.
Penggulungan serong: juga dikenali sebagai penggulungan sarang lebah, kaedah penggulungan sarang lebah digunakan, meninggalkan pili di tengah-tengah, untuk dapat terus menggulung, adalah perlu untuk membuat bahagian berkesan elemen dan paksi angker ke dalam Sudut kecondongan tertentu. Saiz akhir kaedah penggulungan ini adalah kecil, tetapi kerana penggulungan serong yang berterusan memerlukan Sudut garis tertentu, wayar enamel bertindih, dan kadar pengisian slot adalah rendah. Berbanding dengan jenis luka lurus, angker belitan condong tidak mempunyai penggulungan hujung, mengurangkan berat angker, dan mempunyai kelebihan momen inersia kecil, pemalar masa kecil, ciri seretan yang baik dan tork keluaran yang besar. Faulhaber di Jerman dan Portescap di Switzerland kebanyakannya menggunakan belitan condong.
Jenis pelana: juga dikenali sebagai penggulungan sepusat atau rhomboid, kaedah penggulungan gegelung berbentuk dan kemudian pendawaian digunakan, iaitu, wayar enamel pelekat diri dililit pada acuan penggulungan pembentuk khas, dan cawan angker diperbuat daripada pelbagai susunan membentuk. Semasa penggulungan, dua lapisan gegelung disusun dengan kemas dan berbentuk, yang mudah untuk mengawal saiz cawan angker selepas membentuk semula dan meningkatkan kadar pengisian slot. Pada masa yang sama, kaedah ini mempunyai kecekapan pengeluaran yang tinggi dan sesuai untuk pengeluaran besar-besaran. Hujung angker penggulungan pelana mempunyai lebih sedikit lapisan bertindih, jurang udara yang kecil dan kadar penggunaan magnet kekal yang tinggi, yang meningkatkan ketumpatan kuasa motor. Sesetengah produk Maxon di Switzerland menggunakan penggulungan jenis pelana.
Proses penggulungan sudut pandangan: Dari sudut pandangan teknologi pengeluaran, mengikut kaedah membentuk gegelung terutamanya dibahagikan kepada tiga kategori: penggulungan manual, penggulungan dan pengeluaran membentuk satu kali.
1) Penggulungan manual. Melalui satu siri proses yang kompleks, termasuk memasukkan pin, penggulungan manual, pendawaian manual dan langkah-langkah lain untuk menghasilkan. Ia sesuai untuk produk yang memerlukan tahap penyesuaian yang tinggi, tetapi kecekapan pengeluaran dan kestabilan produk adalah terhad.
2) Teknologi pengeluaran penggulungan. Teknologi pengeluaran penggulungan adalah pengeluaran separa automatik, wayar enamel pertama kali digulung secara berurutan ke aci utama dengan keratan rentas berbentuk berlian, dan ia dikeluarkan setelah mencapai panjang yang diperlukan, dan kemudian diratakan ke dalam plat wayar, dan akhirnya plat wayar dililitkan ke dalam gegelung berbentuk cawan. Mengikut proses pengeluaran dan peralatan penggulungan 'penggulungan cawan berongga proses pengeluaran dan peralatan', mesin penggulungan seterusnya boleh dikonfigurasikan dengan 4 pekerja untuk mencapai output tahunan sebanyak 30,000 unit, tetapi had penggulungan adalah bahawa ia lebih sesuai untuk diameter cawan berongga 20-30mm, sukar untuk menggulung gegelung yang lebih kecil dengan jarak paip yang kurang daripada 7mm, kurang daripada 7mm, kurang daripada 7mm. Secara keseluruhan, kecekapan pengeluaran proses penggulungan adalah agak tinggi, dan ia dapat memenuhi keperluan pengeluaran berskala sederhana. Walau bagaimanapun, kadar penyertaan manualnya yang tinggi membawa kepada konsistensi produk siap mungkin tidak sebaik pengeluaran automatik, dan sukar untuk memenuhi saiz lilitan gegelung cawan berongga yang lebih kecil.
3) Satu teknologi pengeluaran acuan. Mesin penggulungan melalui peralatan automasi akan menjadi wayar enamel mengikut peraturan gelendong, gegelung penggulungan ke dalam cawan selepas penyingkiran, satu acuan, tidak perlu menggulung dan meratakan pelbagai proses, tahap automasi yang tinggi, jadi kecekapan pengeluaran dan konsistensi produk siap adalah lebih baik; Tetapi pelaburan peralatan pendahuluan yang sepadan akan lebih tinggi.
Proses penggulungan luar negara dibangunkan awal, tahap automasi lebih tinggi daripada domestik. Dalam negeri terutamanya menggunakan pengeluaran penggulungan, prosesnya lebih rumit, keamatan buruh pekerja adalah besar, tidak dapat melengkapkan gegelung dengan diameter wayar yang lebih tebal, dan kadar sekerap adalah tinggi. Negara asing terutamanya menggunakan teknologi pengeluaran luka sekali, automasi yang tinggi, kecekapan pengeluaran yang tinggi, julat diameter gegelung, kualiti gegelung yang baik, susunan yang ketat, jenis motor, prestasi yang baik.
Pautan rantaian industri dan aplikasi hiliran
Hulu motor cawan berongga adalah bahan mentah dan bahagian, bahan mentah termasuk tembaga, keluli, keluli magnetik, plastik, dan lain-lain, bahagian termasuk galas, berus, komutator, dan lain-lain. Bahagian tengah rantai perindustrian adalah pengeluar motor. Hilir rantai perindustrian adalah penghujung aplikasi, dan motor cawan berongga mempunyai ciri-ciri kepekaan tinggi, operasi yang stabil dan kawalan yang kuat, yang memenuhi keperluan ketat medan pemacu elektrik mewah, jadi ia digunakan terutamanya dalam aeroangkasa, peralatan perubatan, automasi industri dan robotik dan bidang mewah lain. Pada masa yang sama, motor cawan berongga juga digunakan secara beransur-ansur dalam bidang awam, seperti automasi pejabat, alat kuasa dan sebagainya.
Motor cawan berongga yang menjanjikan
Motor cawan berongga dengan reka bentuk uniknya tanpa teras besi, menunjukkan kelajuan tinggi, kecekapan tinggi, tindak balas dinamik yang tinggi dan kelebihan penting lain, digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, peralatan perubatan dan bidang lain, dalam fleksibiliti tangan robot humanoid juga mempunyai kesan yang ketara. Walaupun perusahaan luar negara seperti Maxon dan Faulhaber mempunyai kelebihan penggerak pertama pada masa ini, dengan peningkatan berterusan tahap teknikal pengeluar domestik dan perkembangan pesat pasaran robot humanoid, motor cawan berongga domestik akan menyambut peluang pembangunan baharu.
