Humanoide roboter har blitt en skinnende perle innen kunstig intelligens.
De siste årene har humanoide roboter blitt en skinnende perle innen kunstig intelligens med sin brede anvendelse på mange felt som medisinsk behandling og service. For å fremme utviklingen av industrien ytterligere, har lokale myndigheter innført retningslinjer for å øke støtten til humanoide roboter og deres nøkkelkomponenter. I industrikjeden for humanoidroboter spiller den hule koppmotoren en viktig rolle i bevegelseskontrollsystemet til den humanoide roboten, slik som kjernekomponenten i Teslas humanoide robotens fingerfärdige hånd er hulkoppmotoren, en enkelt robotenhet 12 (6 hver høyre hånd). Denne artikkelen tar sikte på å diskutere de tekniske egenskapene, markedsstatusen og fremtidsutsiktene til hulkoppmotor gjennom forskningen.
Hva er hulkoppmotor
1. Konsept og klassifisering av motor
En elektrisk motor er en enhet som konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. Den bruker en energisert spole (det vil si statorviklingen) for å generere et roterende magnetfelt og brukes for rotoren (som en lukket aluminiumsramme med ekornbur) for å danne et magnetoelektrisk rotasjonsmoment, som skal konvertere kraften som genereres av strømmen i magnetfeltet til en roterende handling. Prinsippet er å bruke magnetfeltet til å tvinge strømmen til å få motoren til å rotere.
Det grunnleggende prinsippet for rotasjonen av motoren: rundt permanentmagneten med en roterende akse, 1 roter magneten (slik at det roterende magnetfeltet genereres), 2 i henhold til prinsippet om N-polen og S-polen heteropolattraksjon, den samme polfrastøtningen, 3 magneten med en roterende akse vil rotere.
I en motor er det faktisk strømmen som går gjennom ledningen som skaper et roterende magnetfelt (magnetisk kraft) rundt den som får magneten til å rotere. Når ledningen er viklet inn i en spole, syntetiseres den magnetiske kraften for å danne en stor magnetisk feltfluks (magnetisk fluks), noe som resulterer i N- og S-polene. Ved å sette inn en jernkjerne i en trådspole blir magnetfeltlinjene lettere å passere og kan produsere en sterkere magnetisk kraft.
Strukturen til motoren består hovedsakelig av to deler: stator og rotor.
Stator: den stasjonære delen av motoren, hvis hovedstruktur inkluderer den magnetiske polen, viklingen og braketten. Den magnetiske polen er den delen av motoren som genererer magnetfeltet, som vanligvis er sammensatt av en jernkjerne og spoler. Viklingen er spolen i statoren, vanligvis sammensatt av ledere og isolasjon, hvis rolle er å generere et magnetfelt når en elektrisk strøm passerer gjennom den. Braketten er støttestrukturen til statoren, vanligvis laget av aluminiumslegering og andre materialer, med god korrosjonsbestandighet og styrke.
Rotor: Den roterende delen av en motor, hvis hovedstruktur inkluderer anker, lagre og endestykker. Ankeret er spolen i rotoren, vanligvis sammensatt av ledere og isolasjon, hvis rolle er å generere et magnetfelt når en elektrisk strøm passerer gjennom den. Lager er støttestrukturen til rotoren, vanligvis laget av stål eller keramikk, med god slitasje- og korrosjonsbestandighet. Endedekselet er endestrukturen til motoren, vanligvis laget av aluminiumslegering og andre materialer, med god tetning og styrke.
2, hul kopp motor definisjon og klassifisering
I 1958 utviklet Dr.FF aulhaber teknologien med skrå viklingsspole og oppnådde det relevante patentet for hulkoppmotoren i 1965, som markerte fremkomsten av hulkoppmotoren, og dens kreative strukturelle design gjør at motoren kan være både mindre størrelse og større effektivitet. Den hule koppmotoren tilhører DC-permanentmagnetservomotoren, motorstrukturen er vist i følgende figur, hovedsakelig sammensatt av stator og rotor. Statoren er sammensatt av silisiumstålplate og spolevikling, og silisiumstålplaten uten tannsporstruktur kan unngå tannsporeffekten og redusere jerntapet og virvelstrømstapet. Rotoren er sammensatt av en permanent magnet, en roterende aksel og dens faste deler, og motoren bruker en ring permanent magnet, som er enkel å behandle og installere.
Sammenlignet med vanlige motorer, er den største egenskapen til rotoren at den bryter gjennom rotorstrukturen til den tradisjonelle motoren i strukturen, og bruker en kjernerotor, også kjent som en hulkopprotor. Rotoren er en hul koppformet struktur omgitt av viklinger og magneter. I vanlige motorer er rollen til jernkjernen hovedsakelig: 1) konsentrere og lede magnetfeltet: jernkjernen er laget av et materiale med høy magnetisk permeabilitet (som silisiumstålplate), som kan konsentrere og lede den magnetiske fluksen, og dermed forbedre magnetfeltstyrken og effektiviteten til motoren; 2) Støttevikling: Jernkjernen gir en sterk støttestruktur for viklingen, og sikrer at viklingen holder en stabil form og posisjon under drift av motoren. I hulkoppmotoren brukes den tynnveggede hulsylinderen som rotoren, og hulsylinderen vikles direkte inne i viklingen uten ekstra kjernestøtte. Fordeler med kjerneløs design: 1) Eliminering av virvelstrøm og hysterese tap: Jernkjernen i en vanlig motor vil produsere virvelstrøm og hysterese tap i et vekslende magnetfelt, noe som vil redusere effektiviteten til motoren. Den hule koppmotoren bruker en kjerneløs rotor, som helt eliminerer disse tapene, og dermed forbedrer energiomdannelseseffektiviteten til motoren. 2) Reduser vekt og treghetsmoment: Den kjernefrie designen reduserer vekten på rotoren betydelig, noe som gjør hele motoren lettere. Samtidig gjør reduksjonen av treghetsmomentet at motoren får en raskere responshastighet og høyere akselerasjon, noe som er svært gunstig for bruksscenarier som krever rask start og stopp.
Samtidig kan presisjonsdesignen til den hule sylinderstrukturen og viklingsoppsettet optimalisere magnetfeltfordelingen inne i hulkoppmotoren, redusere magnetisk lekkasje og energitapet, og ytterligere forbedre effektiviteten og ytelsen til motoren.
Den hule koppmotoren kan deles inn i to typer i henhold til dens kommuteringsmodus: den ene er den hule koppbørstemotoren, som bruker den mekaniske kommuteringsmodusen for kullbørste; Den andre er den børsteløse motoren med hule kopper, som erstatter børstekommuteringen med elektronisk kommutering, og unngår elektriske gnister og tonerpartikler som genereres under driften av børstemotoren, reduserer støyen og øker levetiden til motoren. Fra sammenligningen av forskjellige produkter av Mingzhi elektriske apparater i den følgende figuren, kan det sees at det ikke er behov for en børste i den børsteløse hulkoppmotoren, men Hall-sensoren oppdager rotorens magnetfeltsignal, gjør den mekaniske reverseringen til en elektronisk signalreversering og forenkler den fysiske strukturen til den hule koppmotoren ytterligere.
3, hul kopp motor fordeler
Den hule koppmotoren bryter gjennom rotorstrukturen til den tradisjonelle motorstrukturen, reduserer krafttapet forårsaket av dannelsen av virvelstrøm i jernkjernen, og dens masse og treghetsmoment reduseres kraftig, og reduserer derved det mekaniske energitapet til selve rotoren. Oppsummert har hulkoppmotoren fordelene med høy effekttetthet, lang levetid, rask respons, høyt toppmoment, god varmeavledning og så videre.
Høy effekttetthet: Effekttettheten til den hule koppmotoren er forholdet mellom utgangseffekten og vekten eller volumet. Når det gjelder vekt, er ikke-kjernerotoren lettere enn den ordinære kjernerotoren; Når det gjelder effektivitet, eliminerer den kjerneløse rotoren virvelstrøm og hysterese tap generert av den kjerneløse rotoren, forbedrer effektiviteten til mikromotoren og sikrer høyt utgangsmoment og utgangseffekt. Den maksimale effektiviteten til de fleste hulkoppmotorer er mer enn 80 %, mens den maksimale virkningsgraden til de fleste børste-DC-motorer generelt er rundt 50 %. Lavere vekt og høyere effektivitet gjør at hulkoppmotorer oppnår høyere effekttetthet. Derfor er hulkoppmotoren spesielt egnet for batteridrevne applikasjoner som krever lange driftsperioder, for eksempel bærbare luftprøvetakingspumper, humanoide roboter, bioniske hender, håndholdte elektroverktøy og andre applikasjoner.
Høy dreiemomenttetthet: den kjerneløse utformingen reduserer vekten av rotoren og treghetsmomentet, og det lave treghetsmomentet gjør at motoren kan akselerere og bremse raskere, og dermed kunne generere mer dreiemoment på kort tid; Samtidig gjør fraværet av en jernkjerne den hule koppmotoren mer kompakt, mindre og i stand til å gi høyere dreiemoment på begrenset plass.
Lang levetid: Antall reverserende deler av hulkoppmotoren gjør strømsvingningen og induktansen til motoren mindre ved reversering, noe som i stor grad reduserer den elektriske korrosjonen til reverseringssystemet under reverseringsprosessen, for å få lengre levetid. I følge dataene i 'Application Research of Customized Management of hulkoppmotorer', er levetiden til børstede likestrømsmotorer vanligvis bare noen få hundre timer, og forventet levetid for hulkoppmotorer er vanligvis mellom 1000 og 3000 timer, noe som kan gi lengre pålitelig drift.
Rask responshastighet: Den tradisjonelle motoren har et relativt stort treghetsmoment på grunn av eksistensen av jernkjernen, mens hulkoppmotoren er kompakt, og rotoren er en koppformet selvbærende spole, så vekten er lettere, og dens mindre treghetsmoment gjør også at hulkoppmotoren har følsomme start-stopp-justeringsegenskaper. I følge 'Research Progress of hollow cup micro motor and coil', er den mekaniske tidskonstanten til den generelle kjernemotoren omtrent 100ms, mens den mekaniske tidskonstanten til hulkoppmotoren er mindre enn 28ms, og noen produkter er til og med mindre enn 10ms.
Høyt toppmoment: Forholdet mellom toppmoment og kontinuerlig dreiemoment til hulkoppmotoren er veldig stort, fordi prosessen med strømmen som stiger til toppmomentkonstanten er uendret, og det lineære forholdet mellom strømmen og dreiemomentet kan få mikromotoren til å produsere et stort toppmoment. Etter at den vanlige kjerne-DC-motoren når metning, uansett strømmen økes, vil ikke dreiemomentet til DC-motoren øke.
God varmespredning: overflaten av den hule kopprotoren har luftstrøm, bedre enn varmeavledningsytelsen til kjernerotoren, den emaljerte ledningen til kjernerotoren er innebygd i sporet av silisiumstålplate, luftstrømmen på spolen er mindre, temperaturstigningen er større, under samme kraftutgangsforhold, er stigningen i den hule temperaturkoppen mindre.
4, den tekniske banen til hulkoppmotoren
Nøkkeltrinnet i produksjonen av hulkoppmotor er produksjonen av spole, så spoledesign og viklingsprosess blir dens kjernebarrierer. Diameteren, antall omdreininger og lineariteten til ledningen påvirker direkte kjerneparametrene til motoren. Kjernebarrieren til spolevikling gjenspeiles direkte i spoledesign, fordi forskjellige viklingstyper har forskjeller i automatiseringshastighet og kobberforbruk. På den annen side gjenspeiles det også i viklingsutstyret og viklingsmetoden, og fyllingsgraden til hulkoppsporet viklet av forskjellige viklingsmaskiner er forskjellig, noe som fører til forskjellig sparsomhet, som direkte påvirker motortapet, varmeavledning, kraft og så videre.
Spoledesignvinkel: Viklingsdesignen til hulkoppmotoren kan deles inn i rett viklingstype, skrå viklingstype og sadeltype.
Rett vikling: Ledningen til spolen er parallell med motoraksen, og danner en konsentrert viklingsstruktur. Designideen til den rettviklede spolen er først å vikle den vanlige sirkulære emaljerte ledningen på viklingsdysen i henhold til kravet om antall omdreininger, og deretter koble viklingen på ledningens kjerneaksel, og deretter bruke bindemiddelet i begge ender for å herde og forme. Relativt sett produserer enden av den rette viklingen ikke noe dreiemoment, og øker ankervekten og ankermotstanden.
Skrå vikling: også kjent som honeycomb winding, honeycomb viklingsmetoden brukes, og etterlater kraner i midten, for å kunne spole kontinuerlig, er det nødvendig å gjøre den effektive siden av elementet og armaturaksen til en viss tiltvinkel. Endestørrelsen på denne viklingsmetoden er liten, men fordi den skrå viklingen kontinuerlig vikling krever en viss linjevinkel, overlapper den emaljerte ledningen, og spaltefyllingshastigheten er lav. Sammenlignet med den rettviklede typen, har det skrånende viklingsankeret ingen endevikling, noe som reduserer ankervekten og har fordelene med lite treghetsmoment, liten tidskonstant, gode dragegenskaper og stort utgangsmoment. Faulhaber i Tyskland og Portescap i Sveits bruker for det meste skrå vikling.
Sadeltype: også kjent som konsentrisk eller rhomboid vikling, metoden for å vikle en formet spole og deretter ledninger brukes, det vil si at den selvklebende emaljerte ledningen vikles på en spesiell formingsviklingsform, og ankerkoppen er laget av flere formingsarrangement. Ved vikling er de to lagene med spoler ordnet pent og formet, noe som er praktisk for å kontrollere størrelsen på armaturkoppen etter omforming og forbedre sporfyllingshastigheten. Samtidig har denne metoden høy produksjonseffektivitet og er egnet for masseproduksjon. Den salviklede armaturenden har færre overlappende lag, liten luftspalte og høy utnyttelsesgrad av permanent magnet, noe som forbedrer krafttettheten til motoren. Noen produkter fra Maxon i Sveits bruker sal-type vikling.
Synspunkt på viklingsprosessen: Fra et produksjonsteknologisk synspunkt er spolen i henhold til formingsmetoden hovedsakelig delt inn i tre kategorier: manuell vikling, vikling og engangsformingsproduksjon.
1) Manuell opprulling. Gjennom en rekke komplekse prosesser, inkludert pinneinnsetting, manuell vikling, manuell kabling og andre trinn for å produsere. Den er egnet for produkter som krever høy grad av tilpasning, men produksjonseffektivitet og produktstabilitet er begrenset.
2) Vikle produksjonsteknologi. Vikleproduksjonsteknologien er halvautomatisk produksjon, den emaljerte ledningen vikles først sekvensielt til hovedakselen med et diamantformet tverrsnitt, og den fjernes etter å ha nådd ønsket lengde, og deretter flatet til en trådplate, og til slutt vikles trådplaten inn i en koppformet spole. I henhold til produksjonsprosessen og utstyret for produksjonsprosessen for produksjon av hulkopparmatur, kan den neste viklingsmaskinen konfigureres med 4 arbeidere for å oppnå en årlig produksjon på 30 000 enheter, men begrensningen for vikling er at den er mer egnet for 20-30 mm hul koppdiameter, det er vanskelig å vikle mindre spoler med tapavstand på mindre enn 1 mm, mindre enn 1 mm i diameter enn 1 mm. Totalt sett er produksjonseffektiviteten til viklingsprosessen relativt høy, og den kan oppfylle kravene til middels skala produksjon. Imidlertid fører dens høye manuelle deltakelsesgrad til at konsistensen til det ferdige produktet kanskje ikke er like god som automatisert produksjon, og det er vanskelig å møte den mindre størrelsen på viklingen av hulkoppspolen.
3) En produksjonsteknologi for støping. Viklemaskin gjennom automatiseringsutstyr vil være en emaljert ledning i henhold til regelen om en spindel, spiral som vikles inn i en kopp etter fjerning, en støping, ingen grunn til å rulle og flate flere prosesser, høy grad av automatisering, slik at produksjonseffektiviteten og konsistensen av det ferdige produktet er bedre; Men den tilsvarende utstyrsinvesteringen på forhånd vil være høyere.
Oversjøisk viklingsprosess utviklet tidlig, graden av automatisering er høyere enn innenlands. Den innenlandske bruker hovedsakelig viklingsproduksjon, prosessen er mer komplisert, arbeidsintensiteten til arbeidere er stor, kan ikke fullføre spolen med tykkere tråddiameter, og skraphastigheten er høy. Utenlandske land bruker hovedsakelig engangs sårproduksjonsteknologi, høy grad av automatisering, høy produksjonseffektivitet, spolediameterområde, god spolekvalitet, tett arrangement, motortyper, god ytelse.
Industrielle kjedekoblinger og nedstrømsapplikasjoner
Oppstrøms for hulkoppmotoren er råmaterialer og deler, råmaterialer inkluderer kobber, stål, magnetisk stål, plast, etc., deler inkluderer lagre, børster, kommutatorer, etc. Den midtre delen av industrikjeden er motorprodusenter. Nedstrøms for industrikjeden er applikasjonsenden, og hulkoppmotoren har egenskapene til høy følsomhet, stabil drift og sterk kontroll, som oppfyller de strenge kravene til high-end-feltet for elektrisk drift, så den brukes hovedsakelig i romfart, medisinsk utstyr, industriell automasjon og robotikk og andre avanserte felt. Samtidig blir hulkoppmotoren også gradvis brukt i det sivile området, for eksempel kontorautomatisering, elektroverktøy og så videre.
En lovende hulkoppmotor
Hulkoppmotor med sin unike design uten jernkjerne, som viser høy hastighet, høy effektivitet, høy dynamisk respons og andre betydelige fordeler, mye brukt i romfart, medisinsk utstyr og andre felt, i den humanoide robotens håndfleksibilitet har også en betydelig innvirkning. Selv om utenlandske foretak som Maxon og Faulhaber for tiden har førstegangsfordelen, med den kontinuerlige forbedringen av det tekniske nivået til innenlandske produsenter og den raske utviklingen av det humanoide robotmarkedet, vil innenlandske hulkoppmotorer innlede nye utviklingsmuligheter.
