Roboty humanoidalne stały się lśniącą perłą w dziedzinie sztucznej inteligencji.
W ostatnich latach roboty humanoidalne stały się błyszczącą perłą w dziedzinie sztucznej inteligencji dzięki ich szerokiemu zastosowaniu w wielu dziedzinach, takich jak opieka i usługi medyczne. Chcąc dalej wspierać rozwój branży, samorządy wprowadziły polityki zwiększające wsparcie dla robotów humanoidalnych i ich kluczowych podzespołów. W łańcuchu przemysłowym robotów humanoidalnych silnik z wydrążonym kubkiem odgrywa ważną rolę w systemie sterowania ruchem robota humanoidalnego, na przykład głównym elementem zręcznej ręki humanoidalnego robota Tesli jest silnik z wydrążonym kubkiem, pojedynczy zespół robota 12 (6 na każdą prawą rękę). Celem tego artykułu jest omówienie właściwości technicznych, statusu rynkowego i perspektyw na przyszłość silników z pustym kubkiem na podstawie badań.
Co jest silnik z pustym kubkiem
1. Pojęcie i klasyfikacja silnika
Silnik elektryczny to urządzenie, które zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną. Wykorzystuje cewkę pod napięciem (tj. uzwojenie stojana) do generowania wirującego pola magnetycznego i jest wykorzystywana w wirniku (takim jak aluminiowa rama zamknięta w klatce wiewiórkowej) do wytwarzania magnetoelektrycznego momentu obrotowego, który ma za zadanie przekształcić siłę generowaną przez przepływ prądu w polu magnetycznym na działanie obrotowe. Zasadą jest wykorzystanie pola magnetycznego do wymuszenia prądu w celu wprawienia silnika w ruch obrotowy.
Podstawowa zasada obrotu silnika: wokół magnesu stałego o osi obrotowej: 1 obrócić magnes (tak, aby wygenerowało wirujące pole magnetyczne), 2 zgodnie z zasadą przyciągania heteropolowego bieguna N i bieguna S, to samo odpychanie biegunów, 3 magnes z osią obrotową będzie się obracał.
W silniku tak naprawdę to prąd przepływający przez drut wytwarza wokół niego wirujące pole magnetyczne (siłę magnetyczną), które powoduje obrót magnesu. Kiedy drut jest nawinięty w cewkę, siła magnetyczna jest syntetyzowana w celu wytworzenia dużego strumienia pola magnetycznego (strumienia magnetycznego), w wyniku czego powstają bieguny N i S. Po włożeniu żelaznego rdzenia do cewki drutu linie pola magnetycznego stają się łatwiejsze do przejścia i mogą wytworzyć większą siłę magnetyczną.
Konstrukcja silnika składa się głównie z dwóch części: stojana i wirnika.
Stojan: stacjonarna część silnika, której główna konstrukcja obejmuje biegun magnetyczny, uzwojenie i wspornik. Biegun magnetyczny to część silnika wytwarzająca pole magnetyczne, które zwykle składa się z żelaznego rdzenia i cewek. Uzwojenie to cewka stojana, zwykle złożona z przewodników i izolacji, której rolą jest wytwarzanie pola magnetycznego, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny. Wspornik jest konstrukcją nośną stojana, zwykle wykonaną ze stopu aluminium i innych materiałów, o dobrej odporności na korozję i wytrzymałości.
Wirnik: Obracająca się część silnika, której główna konstrukcja obejmuje twornik, łożyska i pokrywy końcowe. Twornik to cewka w wirniku, zwykle złożona z przewodników i izolacji, której rolą jest generowanie pola magnetycznego, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny. Łożyska stanowią konstrukcję nośną wirnika, zwykle wykonaną ze stali lub ceramiki, charakteryzującą się dobrą odpornością na zużycie i korozję. Pokrywa końcowa to końcowa konstrukcja silnika, zwykle wykonana ze stopu aluminium i innych materiałów, o dobrym uszczelnieniu i wytrzymałości.
2, definicja i klasyfikacja silnika z pustym kubkiem
W 1958 r. dr FF Aulhaber opracował technologię uzwojenia nachylonego i uzyskał odpowiedni patent na silnik z wydrążonym kubkiem w 1965 r., co oznaczało pojawienie się silnika z wydrążonym kubkiem, a jego kreatywna konstrukcja konstrukcyjna pozwoliła silnikowi mieć zarówno mniejsze rozmiary, jak i większą wydajność. Silnik z wydrążonym kubkiem należy do serwomotoru prądu stałego z magnesami trwałymi. Konstrukcję silnika pokazano na poniższym rysunku i składa się głównie ze stojana i wirnika. Stojan składa się z blachy ze stali krzemowej i uzwojenia cewki, a blacha ze stali krzemowej bez struktury rowków zębów może uniknąć efektu rowka zęba i zmniejszyć straty żelaza i straty prądu wirowego. Wirnik składa się z magnesu stałego, wału obrotowego i jego stałych części, a silnik wykorzystuje magnes trwały pierścieniowy, który jest łatwy w obróbce i montażu.
W porównaniu ze zwykłymi silnikami największą cechą wirnika jest to, że przełamuje on strukturę wirnika tradycyjnego silnika i wykorzystuje wirnik bez rdzenia, znany również jako wirnik z wydrążonym kubkiem. Wirnik jest pustą w środku konstrukcją w kształcie miseczki, otoczoną uzwojeniami i magnesami. W zwykłych silnikach rola żelaznego rdzenia polega głównie na: 1) koncentrowaniu i kierowaniu pola magnetycznego: żelazny rdzeń jest wykonany z materiału o dużej przenikalności magnetycznej (takiego jak blacha ze stali krzemowej), który może koncentrować i kierować strumieniem magnetycznym, poprawiając w ten sposób natężenie pola magnetycznego i wydajność silnika; 2) Uzwojenie wsporcze: Żelazny rdzeń zapewnia mocną konstrukcję wsporczą dla uzwojenia, zapewniając, że uzwojenie utrzymuje stabilny kształt i położenie podczas pracy silnika. W silniku z pustym kubkiem jako wirnik wykorzystywany jest cienkościenny pusty cylinder, który jest nawinięty bezpośrednio wewnątrz uzwojenia bez dodatkowego podparcia rdzenia. Zalety konstrukcji bezrdzeniowej: 1) Eliminacja strat prądu wirowego i histerezy: Żelazny rdzeń we wspólnym silniku będzie wytwarzał straty prądu wirowego i histerezy w zmiennym polu magnetycznym, co zmniejszy wydajność silnika. W silniku z pustym kubkiem zastosowano wirnik bezrdzeniowy, który całkowicie eliminuje te straty, poprawiając w ten sposób efektywność konwersji energii w silniku. 2) Zmniejszenie masy i momentu bezwładności: konstrukcja bez rdzenia znacznie zmniejsza masę wirnika, dzięki czemu cały silnik jest lżejszy. Jednocześnie zmniejszenie momentu bezwładności pozwala silnikowi uzyskać większą prędkość reakcji i większe przyspieszenie, co jest bardzo korzystne w zastosowaniach wymagających szybkiego uruchamiania i zatrzymywania.
Jednocześnie precyzyjna konstrukcja pustego cylindra i układu uzwojeń może zoptymalizować rozkład pola magnetycznego wewnątrz silnika z pustym kubkiem, zmniejszyć wyciek magnetyczny i straty energii, a także jeszcze bardziej poprawić wydajność i wydajność silnika.
Silniki z wydrążonym kubkiem można podzielić na dwa rodzaje w zależności od trybu komutacji: jeden to silnik ze szczotką z wydrążonym kubkiem, który przyjmuje tryb komutacji mechanicznej szczotki węglowej; Drugi to bezszczotkowy silnik z wydrążonym kubkiem, który zastępuje komutację szczotek komutacją elektroniczną, unikając iskry elektrycznej i cząstek tonera powstających podczas pracy silnika szczotki, redukując hałas i zwiększając żywotność silnika. Z porównania różnych produktów urządzeń elektrycznych Mingzhi na poniższym rysunku widać, że w bezszczotkowym silniku z wydrążonym kubkiem nie ma potrzeby stosowania szczotki, ale czujnik Halla wykrywa sygnał pola magnetycznego wirnika, zamienia odwrócenie mechaniczne w odwrócenie sygnału elektronicznego i jeszcze bardziej upraszcza strukturę fizyczną silnika z wydrążonym kubkiem.
3, zalety silnika z pustym kubkiem
Silnik z pustym kubkiem przebija strukturę wirnika tradycyjnego silnika, zmniejsza straty mocy spowodowane powstawaniem prądu wirowego w żelaznym rdzeniu, a jego masa i moment bezwładności są znacznie zmniejszone, zmniejszając w ten sposób straty energii mechanicznej samego wirnika. Podsumowując, silnik z pustym kubkiem ma zalety dużej gęstości mocy, długiej żywotności, szybkiej reakcji, wysokiego szczytowego momentu obrotowego, dobrego odprowadzania ciepła i tak dalej.
Wysoka gęstość mocy: Gęstość mocy silnika z pustym kubkiem to stosunek mocy wyjściowej do masy lub objętości. Pod względem masy rotor bez rdzenia jest lżejszy od zwykłego rotora z rdzeniem; Pod względem wydajności wirnik bezrdzeniowy eliminuje straty prądu wirowego i histerezy generowane przez wirnik bezrdzeniowy, poprawia wydajność mikrosilnika oraz zapewnia wysoki wyjściowy moment obrotowy i moc wyjściową. Maksymalna sprawność większości silników z pustym kubkiem wynosi ponad 80%, podczas gdy maksymalna sprawność większości szczotkowych silników prądu stałego wynosi zazwyczaj około 50%. Niższa waga i wyższa wydajność pozwalają silnikom z pustym kubkiem osiągnąć wyższą gęstość mocy. Dlatego silnik z pustym kubkiem szczególnie nadaje się do zastosowań zasilanych bateryjnie, które wymagają długich okresów pracy, takich jak przenośne pompy do pobierania próbek powietrza, roboty humanoidalne, ręce bioniczne, ręczne elektronarzędzia i inne zastosowania.
Wysoka gęstość momentu obrotowego: bezrdzeniowa konstrukcja zmniejsza masę wirnika i moment bezwładności, a niski moment bezwładności oznacza, że silnik może szybciej przyspieszać i zwalniać, dzięki czemu jest w stanie wygenerować większy moment obrotowy w krótkim czasie; Jednocześnie brak żelaznego rdzenia sprawia, że silnik z wydrążonym kubkiem jest bardziej kompaktowy, mniejszy i może zapewnić wyższy moment obrotowy na ograniczonej przestrzeni.
Długa żywotność: liczba elementów nawrotnych silnika z pustym kubkiem powoduje, że wahania prądu i indukcyjność silnika są mniejsze podczas cofania, co znacznie zmniejsza korozję elektryczną układu cofania podczas procesu cofania, zapewniając dłuższą żywotność. Zgodnie z danymi zawartymi w „Badaniach zastosowań niestandardowego zarządzania silnikami z misą wydrążoną” żywotność szczotkowych silników prądu stałego wynosi zazwyczaj tylko kilkaset godzin, a oczekiwana długość życia silników z misą wydrążoną wynosi zwykle od 1000 do 3000 godzin, co może zapewnić dłuższą i niezawodną pracę.
Szybka reakcja: tradycyjny silnik ma stosunkowo duży moment bezwładności ze względu na istnienie żelaznego rdzenia, podczas gdy silnik z pustym kubkiem jest zwarty, a wirnik jest samonośną cewką w kształcie misy, dzięki czemu ciężar jest lżejszy, a jego mniejszy moment bezwładności sprawia również, że silnik z pustym kubkiem ma wrażliwą charakterystykę regulacji start-stop. Według „Postępu badawczego mikrosilnika i cewki z wydrążonym kubkiem” mechaniczna stała czasowa ogólnego silnika rdzeniowego wynosi około 100 ms, podczas gdy mechaniczna stała czasowa silnika z wydrążonym kubkiem jest mniejsza niż 28 ms, a w przypadku niektórych produktów nawet mniejsza niż 10 ms.
Wysoki szczytowy moment obrotowy: Stosunek szczytowego momentu obrotowego do ciągłego momentu obrotowego silnika z pustym kubkiem jest bardzo duży, ponieważ proces narastania prądu do stałej szczytowej momentu obrotowego pozostaje niezmieniony, a liniowa zależność między prądem i momentem obrotowym może sprawić, że mikrosilnik wytworzy duży szczytowy moment obrotowy. Gdy zwykły rdzeń silnika prądu stałego osiągnie nasycenie, niezależnie od zwiększenia prądu, moment obrotowy silnika prądu stałego nie wzrośnie.
Dobre odprowadzanie ciepła: powierzchnia pustego wirnika miskowego zapewnia przepływ powietrza lepszy niż wydajność rozpraszania ciepła wirnika rdzeniowego, emaliowany drut wirnika rdzeniowego jest osadzony w rowku blachy ze stali krzemowej, przepływ powietrza na powierzchni cewki jest mniejszy, wzrost temperatury jest większy, przy tych samych warunkach mocy wyjściowej wzrost temperatury silnika prądu stałego z pustym kubkiem jest mniejszy.
4, ścieżka techniczna silnika z pustym kubkiem
Kluczowym etapem w produkcji silnika z pustym kubkiem jest produkcja cewki, dlatego konstrukcja cewki i proces nawijania stają się jej podstawowymi barierami. Średnica, liczba zwojów i liniowość drutu wpływają bezpośrednio na parametry rdzenia silnika. Bariera rdzenia uzwojenia cewki jest bezpośrednio odzwierciedlona w konstrukcji cewki, ponieważ różne typy uzwojeń różnią się stopniem automatyzacji i zużyciem miedzi. Z drugiej strony znajduje to również odzwierciedlenie w sprzęcie do nawijania i metodzie nawijania, a stopień napełniania pustego rowka miskowego nawiniętego przez różne maszyny nawijające jest inny, co prowadzi do różnych rozrzedzeń, co bezpośrednio wpływa na straty silnika, rozpraszanie ciepła, moc i tak dalej.
Kąt konstrukcji cewki: Konstrukcję uzwojenia silnika z pustym kubkiem można podzielić na typ uzwojenia prostego, typ uzwojenia ukośnego i typ siodełka.
Uzwojenie proste: Drut cewki jest równoległy do osi silnika, tworząc skoncentrowaną strukturę uzwojenia. Ideą konstrukcyjną cewki prostozwojnej jest najpierw nawinięcie zwykłego okrągłego emaliowanego drutu na matrycę uzwojenia zgodnie z wymaganiami dotyczącymi liczby zwojów, a następnie połączenie uzwojenia na wale rdzenia drutu, a następnie użycie spoiwa na obu końcach do utwardzenia i uformowania. Względnie mówiąc, koniec prostego uzwojenia nie wytwarza momentu obrotowego i zwiększa ciężar twornika i opór twornika.
Uzwojenie ukośne: znane również jako uzwojenie o strukturze plastra miodu, stosuje się metodę uzwojenia o strukturze plastra miodu, pozostawiając krany pośrodku, aby móc w sposób ciągły nawijać, konieczne jest wykonanie efektywnej strony elementu i osi twornika pod pewnym kątem nachylenia. Rozmiar końcowy tej metody nawijania jest niewielki, ale ponieważ ukośne uzwojenie, ciągłe uzwojenie wymaga określonego kąta linii, emaliowany drut zachodzi na siebie, a stopień wypełnienia szczeliny jest niski. W porównaniu z typem uzwojenia prostego, zwora z uzwojeniem nachylonym nie ma uzwojenia końcowego, co zmniejsza ciężar twornika i ma zalety małego momentu bezwładności, małej stałej czasowej, dobrych właściwości oporu i dużego wyjściowego momentu obrotowego. Faulhaber w Niemczech i Portescap w Szwajcarii najczęściej stosują uzwojenie pochyłe.
Typ siodłowy: znany również jako uzwojenie koncentryczne lub romboidalne, stosuje się metodę nawijania ukształtowanej cewki, a następnie okablowania, to znaczy samoprzylepny emaliowany drut jest nawijany na specjalną matrycę do uzwojenia formującego, a misa twornika jest wykonana z wielu układów kształtujących. Podczas nawijania dwie warstwy cewek są starannie ułożone i ukształtowane, co pozwala wygodnie kontrolować rozmiar miseczki twornika po zmianie kształtu i poprawiać szybkość wypełniania szczelin. Jednocześnie metoda ta charakteryzuje się wysoką wydajnością produkcyjną i nadaje się do produkcji masowej. Koniec twornika uzwojenia siodłowego ma mniej nakładających się warstw, małą szczelinę powietrzną i wysoki stopień wykorzystania magnesu trwałego, co poprawia gęstość mocy silnika. Niektóre produkty Maxona w Szwajcarii wykorzystują uzwojenie siodłowe.
Z punktu widzenia procesu nawijania: Z punktu widzenia technologii produkcji, zgodnie z metodą formowania cewki dzieli się głównie na trzy kategorie: nawijanie ręczne, nawijanie i produkcja formowania jednorazowego.
1) Nakręcanie ręczne. Poprzez szereg złożonych procesów, w tym wkładanie pinów, ręczne nawijanie, ręczne okablowanie i inne etapy produkcji. Nadaje się do produktów wymagających wysokiego stopnia personalizacji, ale wydajność produkcji i stabilność produktu są ograniczone.
2) Technologia produkcji uzwojeń. Technologia produkcji uzwojeń jest produkcją półautomatyczną, drut emaliowany jest najpierw nawijany sekwencyjnie na wał główny o przekroju w kształcie rombu, a po osiągnięciu wymaganej długości jest usuwany, a następnie spłaszczany w blachę drucianą, a na koniec blacha druciana jest nawijana w cewkę w kształcie miseczki. Zgodnie z procesem nawijania „proces produkcji i wyposażenie twornika z pustym panewkiem”, następną maszynę do nawijania można skonfigurować z 4 pracownikami, aby osiągnąć roczną produkcję 30 000 sztuk, ale ograniczeniem uzwojenia jest to, że jest ono bardziej odpowiednie dla średnicy pustego panewki 20-30 mm, trudno jest nawijać mniejsze cewki z rozstawem zaczepów mniejszym niż 7 mm, to znaczy produkty o średnicy mniejszej niż 10 ~ 12 mm. Ogólnie rzecz biorąc, wydajność produkcji procesu nawijania jest stosunkowo wysoka i może spełnić wymagania produkcji na średnią skalę. Jednak wysoki wskaźnik udziału ręcznego prowadzi do tego, że konsystencja gotowego produktu może nie być tak dobra, jak produkcja zautomatyzowana i trudno jest spełnić mniejszy rozmiar uzwojenia cewki z wydrążonym kubkiem.
3) Jedna technologia produkcji formowania. Maszyna nawijająca za pomocą urządzeń automatyki będzie drutem emaliowanym zgodnie z zasadą wrzeciona, zwinięciem cewki do kubka po wyjęciu, jedną formą, bez konieczności walcowania i spłaszczania wielu procesów, wysoki stopień automatyzacji, dzięki czemu wydajność produkcji i spójność gotowego produktu są lepsze; Jednak odpowiednia początkowa inwestycja w sprzęt będzie wyższa.
Proces nawijania za granicą opracowany wcześnie, stopień automatyzacji jest wyższy niż w kraju. Krajowi zajmują się głównie produkcją uzwojeń, proces jest bardziej skomplikowany, pracochłonność pracowników jest duża, nie można ukończyć cewki o grubszej średnicy drutu, a wskaźnik złomu jest wysoki. Zagraniczne kraje stosują głównie technologię produkcji jednorazowego uzwojenia, wysoki stopień automatyzacji, wysoką wydajność produkcji, zakres średnic cewek, dobrą jakość cewek, ciasne rozmieszczenie, typy silników, dobrą wydajność.
Ogniwa łańcucha przemysłowego i dalsze zastosowania
Przed silnikiem z pustym kubkiem znajdują się surowce i części, surowce obejmują miedź, stal, stal magnetyczną, plastik itp., części obejmują łożyska, szczotki, komutatory itp. Środkowy odcinek łańcucha przemysłowego to producenci silników. Dalsza część łańcucha przemysłowego jest końcem zastosowania, a silnik z pustym kubkiem charakteryzuje się wysoką czułością, stabilną pracą i silnym sterowaniem, co spełnia rygorystyczne wymagania wysokiej klasy napędów elektrycznych, dlatego jest stosowany głównie w przemyśle lotniczym, sprzęcie medycznym, automatyce przemysłowej i robotyce oraz w innych zaawansowanych dziedzinach. Jednocześnie silnik z pustym kubkiem jest również stopniowo stosowany w dziedzinach cywilnych, takich jak automatyka biurowa, elektronarzędzia i tak dalej.
Obiecujący silnik z pustym kubkiem
Silnik z pustym kubkiem o unikalnej konstrukcji bez żelaznego rdzenia, charakteryzujący się dużą prędkością, wysoką wydajnością, wysoką dynamiką i innymi znaczącymi zaletami, szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, sprzęcie medycznym i innych dziedzinach, w elastyczności ręki humanoidalnego robota również ma znaczący wpływ. Chociaż zagraniczne przedsiębiorstwa, takie jak Maxon i Faulhaber, mają obecnie przewagę jako pierwsi na rynku, dzięki ciągłemu doskonaleniu poziomu technicznego krajowych producentów i szybkiemu rozwojowi rynku robotów humanoidalnych, krajowe silniki z wydrążonym kubkiem otworzą nowe możliwości rozwoju.
