Humanoïde robots zijn een stralende parel geworden op het gebied van kunstmatige intelligentie.
Humanoïde robots zijn de afgelopen jaren een stralende parel geworden op het gebied van kunstmatige intelligentie met hun brede toepassing op vele terreinen, zoals medische zorg en dienstverlening. Om de ontwikkeling van de industrie verder te bevorderen, hebben lokale overheden beleid ingevoerd om de steun voor humanoïde robots en hun belangrijkste componenten te vergroten. In de humanoïde robotindustrieketen speelt de holle kopmotor een belangrijke rol in het bewegingscontrolesysteem van de humanoïde robot, zoals het kernonderdeel van de behendige hand van de Tesla humanoïde robot de holle kopmotor is, een enkel robotsamenstel 12 (6 elke rechterhand). Dit artikel heeft tot doel door middel van onderzoek de technische kenmerken, marktstatus en toekomstperspectieven van holle kopmotoren te bespreken.
Wat is holle kopmotor
1. Concept en classificatie van motor
Een elektromotor is een apparaat dat elektrische energie omzet in mechanische energie. Het maakt gebruik van een bekrachtigde spoel (dat wil zeggen de statorwikkeling) om een roterend magnetisch veld te genereren en wordt gebruikt voor de rotor (zoals een gesloten aluminium frame met een eekhoornkooi) om een magneto-elektrisch rotatiekoppel te vormen, dat bedoeld is om de kracht die wordt gegenereerd door de stroom in het magnetische veld om te zetten in een roterende actie. Het principe is om het magnetische veld te gebruiken om de stroom te forceren om de motor te laten draaien.
Het basisprincipe van de rotatie van de motor: rond de permanente magneet met een roterende as, 1 roteert de magneet (zodat het roterende magnetische veld wordt gegenereerd), 2 volgens het principe van de N-pool en de S-pool heteropoolaantrekking, dezelfde poolafstoting, 3 de magneet met een roterende as zal roteren.
In een motor is het eigenlijk de stroom die door de draad vloeit die eromheen een roterend magnetisch veld (magnetische kracht) creëert, waardoor de magneet gaat roteren. Wanneer de draad in een spoel wordt gewikkeld, wordt de magnetische kracht gesynthetiseerd om een grote magnetische veldflux (magnetische flux) te vormen, resulterend in de N- en S-polen. Door een ijzeren kern in een draadspiraal te steken, worden de magnetische veldlijnen gemakkelijker doorgelaten en kunnen ze een sterkere magnetische kracht produceren.
De structuur van de motor bestaat hoofdzakelijk uit twee delen: stator en rotor.
Stator: het stationaire deel van de motor, waarvan de hoofdstructuur de magnetische pool, wikkeling en beugel omvat. De magnetische pool is het deel van de motor dat het magnetische veld opwekt, dat meestal bestaat uit een ijzeren kern en spoelen. De wikkeling is de spoel in de stator, meestal samengesteld uit geleiders en isolatie, wiens rol het is om een magnetisch veld op te wekken wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat. De beugel is de steunstructuur van de stator, meestal gemaakt van aluminiumlegering en andere materialen, met goede corrosieweerstand en sterkte.
Rotor: Het roterende deel van een motor, waarvan de hoofdstructuur het anker, lagers en eindkappen omvat. Het anker is de spoel in de rotor, meestal samengesteld uit geleiders en isolatie, wiens rol het is om een magnetisch veld op te wekken wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat. Lagers zijn de ondersteunende structuur van de rotor, meestal gemaakt van staal of keramiek, met goede slijtvastheid en corrosieweerstand. Het einddeksel is de eindstructuur van de motor, meestal gemaakt van een aluminiumlegering en andere materialen, met goede afdichting en sterkte.
2, definitie en classificatie van holle kopmotoren
In 1958 ontwikkelde Dr.FF Aulhaber de technologie van de hellende wikkelspoel en verkreeg in 1965 het relevante patent voor de holle kopmotor, wat de komst van de holle kopmotor markeerde, en dankzij het creatieve structurele ontwerp kan de motor zowel kleiner van formaat zijn als een groter rendement. De holle kopmotor behoort tot de DC-servomotor met permanente magneet. De motorstructuur wordt weergegeven in de volgende afbeelding, voornamelijk bestaande uit stator en rotor. De stator is samengesteld uit siliciumstaalplaat en spoelwikkeling, en de siliciumstaalplaat zonder tandgroefstructuur kan het tandgroefeffect vermijden en het ijzerverlies en wervelstroomverlies verminderen. De rotor bestaat uit een permanente magneet, een roterende as en de vaste onderdelen ervan, en de motor maakt gebruik van een permanente ringmagneet, die eenvoudig te verwerken en te installeren is.
Vergeleken met gewone motoren is het grootste kenmerk van de rotor dat deze de rotorstructuur van de traditionele motor doorbreekt en een rotor zonder kern gebruikt, ook wel bekend als een holle koprotor. De rotor is een holle komvormige structuur omgeven door wikkelingen en magneten. Bij gewone motoren is de rol van de ijzeren kern voornamelijk: 1) het concentreren en geleiden van het magnetische veld: de ijzeren kern is gemaakt van een materiaal met een hoge magnetische permeabiliteit (zoals siliciumstaalplaat), dat de magnetische flux kan concentreren en geleiden, waardoor de magnetische veldsterkte en efficiëntie van de motor worden verbeterd; 2) Ondersteuningswikkeling: de ijzeren kern biedt een sterke ondersteuningsstructuur voor de wikkeling, waardoor de wikkeling een stabiele vorm en positie behoudt tijdens de werking van de motor. Bij de holle kopmotor wordt de dunwandige holle cilinder als rotor gebruikt en wordt de holle cilinder direct in de wikkeling gewikkeld zonder extra kernondersteuning. Voordelen van een kernloos ontwerp: 1) Eliminatie van wervelstroom- en hysteresisverliezen: De ijzeren kern in een gewone motor zal wervelstroom- en hysteresisverliezen produceren in een wisselend magnetisch veld, wat de efficiëntie van de motor zal verminderen. De holle kopmotor maakt gebruik van een kernloze rotor, die deze verliezen volledig elimineert, waardoor de energieomzettingsefficiëntie van de motor wordt verbeterd. 2) Verminder het gewicht en het traagheidsmoment: het kernvrije ontwerp vermindert het gewicht van de rotor aanzienlijk, waardoor de hele motor lichter wordt. Tegelijkertijd zorgt de vermindering van het traagheidsmoment ervoor dat de motor een hogere reactiesnelheid en hogere acceleratie heeft, wat zeer gunstig is voor toepassingsscenario's die een snelle start en stop vereisen.
Tegelijkertijd kan het precisieontwerp van de holle cilinderstructuur en de wikkelingsindeling de magnetische veldverdeling in de holle kopmotor optimaliseren, de magnetische lekkage en het energieverlies verminderen en de efficiëntie en prestaties van de motor verder verbeteren.
De holle kopmotor kan in twee soorten worden verdeeld op basis van zijn commutatiemodus: de ene is de holle kopborstelmotor, die de mechanische koolborstelcommutatiemodus gebruikt; De andere is de borstelloze motor met holle kop, die de borstelcommutatie vervangt door elektronische commutatie, waardoor de elektrische vonken en tonerdeeltjes worden vermeden die worden gegenereerd tijdens de werking van de borstelmotor, waardoor het geluid wordt verminderd en de levensduur van de motor wordt verlengd. Uit de vergelijking van verschillende producten van Mingzhi-elektrische apparaten in de volgende afbeelding blijkt dat er geen borstel nodig is in de borstelloze holle kopmotor, maar dat de Hall-sensor het magnetische veldsignaal van de rotor detecteert, de mechanische omkering omzet in een elektronische signaalomkering, en de fysieke structuur van de holle kopmotor verder vereenvoudigt.
3, holle kopmotorvoordelen
De holle kopmotor doorbreekt de rotorstructuur van de traditionele motorstructuur, vermindert het vermogensverlies veroorzaakt door de vorming van wervelstroom in de ijzeren kern, en de massa en het traagheidsmoment worden aanzienlijk verminderd, waardoor het mechanische energieverlies van de rotor zelf wordt verminderd. Samenvattend heeft de holle kopmotor de voordelen van een hoge vermogensdichtheid, een lange levensduur, een snelle respons, een hoog piekkoppel, een goede warmteafvoer, enzovoort.
Hoge vermogensdichtheid: De vermogensdichtheid van de holle kopmotor is de verhouding tussen het uitgangsvermogen en het gewicht of volume. Qua gewicht is de niet-kernrotor lichter dan de gewone kernrotor; In termen van efficiëntie elimineert de kernloze rotor wervelstroom- en hysteresisverlies gegenereerd door de kernloze rotor, verbetert de efficiëntie van de micromotor en zorgt voor een hoog uitgangskoppel en uitgangsvermogen. Het maximale rendement van de meeste holle kopmotoren is meer dan 80%, terwijl het maximale rendement van de meeste gelijkstroomborstelmotoren over het algemeen rond de 50% ligt. Een lager gewicht en een hoger rendement zorgen ervoor dat holle kopmotoren een hogere vermogensdichtheid kunnen bereiken. Daarom is de holle kopmotor bijzonder geschikt voor toepassingen op batterijen die lange bedrijfsperioden vereisen, zoals draagbare luchtbemonsteringspompen, humanoïde robots, bionische handen, elektrisch handgereedschap en andere toepassingen.
Hoge koppeldichtheid: het kernloze ontwerp vermindert het gewicht van de rotor en het traagheidsmoment, en het lage traagheidsmoment zorgt ervoor dat de motor sneller kan accelereren en vertragen, waardoor hij in korte tijd meer koppel kan genereren; Tegelijkertijd zorgt de afwezigheid van een ijzeren kern ervoor dat de holle kopmotor compacter en kleiner is en een hoger koppel kan leveren in een beperkte ruimte.
Lange levensduur: het aantal omkeerstukken van de holle kopmotor maakt de stroomfluctuatie en de inductantie van de motor kleiner bij het omkeren, waardoor de elektrische corrosie van het omkeersysteem tijdens het omkeerproces aanzienlijk wordt verminderd, om een langere levensduur te hebben. Volgens de gegevens in het 'Application Research of Customised Management of Hollow Cup Motors' bedraagt de levensduur van geborstelde gelijkstroommotoren over het algemeen slechts een paar honderd uur, en ligt de levensverwachting van holle cupmotoren gewoonlijk tussen de 1000 en 3000 uur, wat voor een langere, betrouwbare werking kan zorgen.
Snelle reactiesnelheid: de traditionele motor heeft een relatief groot traagheidsmoment vanwege de aanwezigheid van de ijzeren kern, terwijl de holle kopmotor compact is en de rotor een komvormige zelfdragende spoel is, dus het gewicht is lichter, en het kleinere traagheidsmoment zorgt er ook voor dat de holle kopmotor gevoelige start-stop-aanpassingseigenschappen heeft. Volgens de 'Onderzoeksvoortgang van micromotor en spoel met holle kop' bedraagt de mechanische tijdconstante van de algemene kernmotor ongeveer 100 ms, terwijl de mechanische tijdconstante van de holle kopmotor minder dan 28 ms is, en sommige producten zelfs minder dan 10 ms.
Hoog piekkoppel: De verhouding tussen piekkoppel en continu koppel van de holle kopmotor is erg groot, omdat het proces van de stroom die stijgt naar de piekkoppelconstante onveranderd blijft, en de lineaire relatie tussen de stroom en het koppel ervoor kan zorgen dat de micromotor een groot piekkoppel produceert. Nadat de gewone gelijkstroommotor de verzadiging heeft bereikt, zal het koppel van de gelijkstroommotor niet toenemen, ongeacht de stroom.
Goede warmteafvoer: het oppervlak van de holle bekerrotor heeft een luchtstroom, beter dan de warmteafvoerprestaties van de kernrotor, de geëmailleerde draad van de kernrotor is ingebed in de groef van siliciumstaalplaat, de luchtstroom op het spoeloppervlak is minder, de temperatuurstijging is groter, onder dezelfde uitgangsomstandigheden is de temperatuurstijging van de DC-motor met holle beker kleiner.
4, het technische pad van holle kopmotor
De belangrijkste stap bij de productie van holle kopmotoren is de productie van spoelen, dus het spoelontwerp en het wikkelproces worden de belangrijkste barrières. De diameter, het aantal windingen en de lineariteit van de draad hebben rechtstreeks invloed op de kernparameters van de motor. De kernbarrière van spoelwikkeling wordt direct weerspiegeld in het spoelontwerp, omdat verschillende wikkelingstypen verschillen hebben in automatiseringssnelheid en koperverbruik. Aan de andere kant wordt het ook weerspiegeld in de wikkelapparatuur en de wikkelmethode, en de vulsnelheid van de holle komgroef die door verschillende wikkelmachines is gewikkeld, is anders, wat leidt tot verschillende schaarsheid, wat rechtstreeks van invloed is op het motorverlies, de warmtedissipatie, het vermogen enzovoort.
Spoelontwerphoek: het wikkelontwerp van de holle kopmotor kan worden onderverdeeld in het rechte wikkeltype, het schuine wikkeltype en het zadeltype.
Rechte wikkeling: de draad van de spoel loopt evenwijdig aan de as van de motor en vormt een geconcentreerde wikkelstructuur. Het ontwerpidee van de recht gewikkelde spoel is om eerst de gewone ronde geëmailleerde draad op de wikkelmatrijs te winden volgens het vereiste aantal windingen, en vervolgens de wikkeling op de kernas van de draad aan te sluiten en vervolgens het bindmiddel aan beide uiteinden te gebruiken om uit te harden en te vormen. Relatief gesproken produceert het uiteinde van de rechte wikkeling geen koppel en verhoogt het het ankergewicht en de ankerweerstand.
Schuine wikkeling: ook bekend als honingraatwikkeling, er wordt gebruik gemaakt van de honingraatwikkelmethode, waarbij er kranen in het midden achterblijven. Om continu te kunnen wikkelen, is het noodzakelijk om de effectieve zijde van het element en de ankeras in een bepaalde kantelhoek te brengen. De eindgrootte van deze wikkelmethode is klein, maar omdat de schuine wikkeling, continue wikkeling een bepaalde lijnhoek vereist, overlapt de geëmailleerde draad en is de gleufvulling laag. Vergeleken met het recht gewikkelde type heeft het hellende wikkelanker geen eindwikkeling, waardoor het ankergewicht wordt verminderd, en heeft het de voordelen van een klein traagheidsmoment, een kleine tijdconstante, goede weerstandseigenschappen en een groot uitgangskoppel. Faulhaber in Duitsland en Portescap in Zwitserland gebruiken meestal schuine wikkelingen.
Zadeltype: ook bekend als concentrische of ruitvormige wikkeling, de methode voor het wikkelen van een gevormde spoel en vervolgens wordt bedrading gebruikt, dat wil zeggen, de zelfklevende geëmailleerde draad wordt op een speciale vormwikkelmatrijs gewikkeld en de ankerbeker is gemaakt van meerdere vormgevingsopstellingen. Bij het opwinden worden de twee lagen spoelen netjes gerangschikt en gevormd, wat handig is om de grootte van de ankerbeker na het hervormen te regelen en de sleufvulsnelheid te verbeteren. Tegelijkertijd heeft deze methode een hoge productie-efficiëntie en is deze geschikt voor massaproductie. Het uiteinde van het zadelwikkelanker heeft minder overlappende lagen, een kleine luchtspleet en een hoge bezettingsgraad van de permanente magneet, wat de vermogensdichtheid van de motor verbetert. Sommige producten van Maxon in Zwitserland maken gebruik van zadelvormige wikkeling.
Vanuit het oogpunt van het wikkelproces: vanuit het oogpunt van de productietechnologie is de spoel volgens de vormmethode hoofdzakelijk verdeeld in drie categorieën: handmatig wikkelen, wikkelen en eenmalige vormproductie.
1) Handmatig opwinden. Via een reeks complexe processen, waaronder het inbrengen van pins, handmatig opwinden, handmatige bedrading en andere productiestappen. Het is geschikt voor producten die een hoge mate van maatwerk vereisen, maar de productie-efficiëntie en productstabiliteit zijn beperkt.
2) Wikkelproductietechnologie. De wikkelproductietechnologie is een semi-automatische productie, de geëmailleerde draad wordt eerst opeenvolgend op de hoofdas gewikkeld met een ruitvormige dwarsdoorsnede, en wordt verwijderd nadat de vereiste lengte is bereikt, en vervolgens afgeplat tot een draadplaat, en ten slotte wordt de draadplaat tot een komvormige spoel gewikkeld. Volgens het wikkelproces en de apparatuur voor het wikkelen van holle bekerankers kan de volgende wikkelmachine worden geconfigureerd met 4 werknemers om een jaarlijkse productie van 30.000 eenheden te bereiken, maar de beperking van het wikkelen is dat het geschikter is voor holle bekerdiameters van 20-30 mm. Het is moeilijk om kleinere spoelen te wikkelen met een tapafstand van minder dan 7 mm, dat wil zeggen producten met een diameter van minder dan 10 ~ 12 mm. Over het geheel genomen is de productie-efficiëntie van het wikkelproces relatief hoog en kan het voldoen aan de eisen van middelgrote productie. De hoge mate van handmatige deelname leidt er echter toe dat de consistentie van het eindproduct mogelijk niet zo goed is als bij geautomatiseerde productie, en dat het moeilijk is om te voldoen aan de kleinere afmetingen van de holle cup-spoelwikkeling.
3) Eén vormproductietechnologie. De wikkelmachine via automatiseringsapparatuur zal een geëmailleerde draad zijn volgens de regel van een spil, de spoel wordt na verwijdering in een beker gewikkeld, één gietstuk, het is niet nodig om meerdere processen te rollen en plat te maken, een hoge mate van automatisering, dus de productie-efficiëntie en de consistentie van het eindproduct zijn beter; Maar de overeenkomstige initiële investeringen in apparatuur zullen hoger zijn.
Het overzeese wikkelproces is vroeg ontwikkeld, de mate van automatisering is hoger dan binnenlands. De binnenlandse productie neemt voornamelijk wikkelproductie over, het proces is ingewikkelder, de arbeidsintensiteit van de werknemers is groot, kan de spoel niet voltooien met een dikkere draaddiameter en het schrootpercentage is hoog. Het buitenland maakt voornamelijk gebruik van eenmalige wondproductietechnologie, hoge mate van automatisering, hoge productie-efficiëntie, spoeldiameterbereik, goede spoelkwaliteit, strakke opstelling, motortypes, goede prestaties.
Industriële ketenschakels en downstream-toepassingen
De stroomopwaarts van de holle kopmotor zijn grondstoffen en onderdelen. Grondstoffen omvatten koper, staal, magnetisch staal, plastic, enz., Onderdelen omvatten lagers, borstels, commutatoren, enz. De middelste delen van de industriële keten zijn motorfabrikanten. Stroomafwaarts van de industriële keten is het toepassingseinde en de holle kopmotor heeft de kenmerken van hoge gevoeligheid, stabiele werking en sterke controle, die voldoet aan de strenge eisen van het high-end veld van elektrische aandrijving, dus wordt deze voornamelijk gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur, industriële automatisering en robotica en andere high-end velden. Tegelijkertijd wordt de holle kopmotor geleidelijk ook toegepast op civiel gebied, zoals kantoorautomatisering, elektrisch gereedschap, enzovoort.
Een veelbelovende holle kopmotor
Holle kopmotor met zijn unieke ontwerp zonder ijzeren kern, die hoge snelheid, hoog rendement, hoge dynamische respons en andere belangrijke voordelen vertoont, veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur en andere gebieden, in de humanoïde robothandflexibiliteit heeft ook een aanzienlijke impact. Hoewel buitenlandse ondernemingen zoals Maxon en Faulhaber momenteel het pioniersvoordeel hebben, zullen binnenlandse holle kopmotoren, met de voortdurende verbetering van het technische niveau van binnenlandse fabrikanten en de snelle ontwikkeling van de markt voor humanoïde robots, nieuwe ontwikkelingsmogelijkheden inluiden.
