Silnik z pustym kubkiem (mikrobezrdzeniowy silnik) to specjalny silnik prądu stałego. Tradycyjny Silnik prądu stałego jest szeroko stosowany w produkcji przemysłowej, sprzęcie gospodarstwa domowego, transporcie i innych dziedzinach, składa się z dwóch podstawowych części stojana i wirnika, stacjonarna część silnika prądu stałego nazywana jest stojanem, główną rolą stojana jest generowanie pola magnetycznego, składającego się z ramy, głównego bieguna magnetycznego, bieguna cofania, zaślepki, łożyska i urządzenia szczotkowego. Powszechnie stosowane materiały na magnesy stojana obejmują Ndfeb, kobalt samarowy, aluminium, nikiel, kobalt i ferryt. Część obracająca się podczas pracy nazywa się wirnikiem, a jej główną rolą jest wytwarzanie momentu elektromagnetycznego i indukowanej siły elektromotorycznej, która jest piastą silnika prądu stałego do konwersji energii, dlatego zwykle nazywa się ją twornikiem, który składa się z wału obrotowego, rdzenia twornika, uzwojenia twornika, komutatora i wentylatora.
Silnik z pustym kubkiem przełamuje konstrukcję tradycyjnego silnika prądu stałego, wykorzystując wirnik bez rdzenia, a jego uzwojenie twornika jest cewką z pustym kubkiem, kształtem podobnym do zbiornika na wodę, dlatego nazywa się go „silnikiem z pustym kubkiem”. Silnik z pustym kubkiem należy do prądu stałego, magnesu trwałego, mikrosilnika serwo. Ta nowatorska konstrukcja wirnika sprawia, że silnik z pustym kubkiem ma następujące doskonałe właściwości: ① Charakterystyka oszczędzania energii: konstrukcja bezrdzeniowa całkowicie eliminuje straty mocy spowodowane powstawaniem prądów wirowych w żelaznym rdzeniu, a sprawność konwersji energii jest bardzo wysoka, maksymalna wydajność wynosi zazwyczaj ponad 70%, a niektóre produkty mogą osiągnąć ponad 90% (silniki z rdzeniem żelaznym wynoszą zazwyczaj 70%); (2) Charakterystyka sterowania: szybki rozruch i hamowanie, szybka reakcja, mechaniczna stała czasowa mniejsza niż 28 milisekund, niektóre produkty mogą osiągnąć mniej niż 10 milisekund (silniki rdzeniowe mają na ogół ponad 100 milisekund); Prędkość można łatwo i precyzyjnie regulować w warunkach pracy z dużą prędkością w zalecanym obszarze operacyjnym; (3) Charakterystyka oporu: Stabilność działania jest bardzo niezawodna, wahania prędkości są bardzo małe, ponieważ w przypadku mikrosilnika wahania prędkości można łatwo kontrolować w zakresie 2%; ④ Lekka charakterystyka: w porównaniu z tym samym silnikiem rdzeniowym jego waga i objętość są zmniejszone o 1/3-1/2, a gęstość energii jest znacznie poprawiona. Podstawowym wskaźnikiem silnika z pustym kubkiem jest gęstość mocy, to znaczy stosunek mocy wyjściowej do masy lub objętości. Wirnik bez żelaznego rdzenia eliminuje straty prądu wirowego i histerezy na końcu molekularnym oraz poprawia wydajność konwersji energii. Zmniejszona waga i objętość na końcu mianownika.
Pędzel jest ważnym elementem silnik szczotkowy , odpowiedzialny za przewodzenie prądu pomiędzy częściami wirującymi a częściami stacjonarnymi. Ponieważ jest bardziej wykonany z grafitu, nazywany jest również szczotką węglową. W zwykłym silniku prądu stałego, aby wirnik się obracał, należy zmieniać kierunek prądu wirnika w czasie rzeczywistym, dlatego należy zastosować komutator i szczotkę węglową. Silnik bezszczotkowy anuluje tryb komutacji szczotek mechanicznych, dlatego w celu zakończenia komutacji elektronicznej należy wykryć położenie wirnika. Istnieją dwa powszechne sposoby uzyskiwania informacji o położeniu wirnika: (1) tryb sterowania bezczujnikowego, gdy silnik pracuje, położenie wirnika jest określane na podstawie mierzalnej wielkości przekazywanej przez silnik; W trybie sterowania czujnikiem położenia położenie wirnika silnika jest bezpośrednio wykrywane przez czujnik położenia wewnątrz silnika. Powszechnie stosowanymi czujnikami położenia są czujniki Halla, enkodery fotoelektryczne, transformatory obrotowe i tak dalej. Dokładność wykrywania czujnika Halla nie jest wysoka, ale cena jest niska; Enkoder fotoelektryczny i wykrywanie położenia transformatora obrotowego są dokładne, a błąd jest niewielki i są powszechnie stosowane w wysokowydajnych systemach sterowania, takich jak kontrola orientacji pola magnetycznego i bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym.
Silnik z pustym kubkiem zgodnie z jego budową można podzielić na dwa rodzaje: szczotkowy i bezszczotkowy. ① Szczotkowy silnik z wydrążonym kubkiem (znany również jako szczotkowany silnik bezrdzeniowy na prąd stały, wirnik bez żelaznego rdzenia): zastosowanie mechanicznego komutatora szczotkowego, zwykle w obudowie, wewnętrznym stojanie z miękkiego materiału magnetycznego, stojanie z magnesami trwałymi, składzie twornika wirnika z wydrążonym kubkiem. Kiedy silnik szczotki z wydrążonym talerzem jest zasilany, przez uzwojenie przepływa prąd, wytwarzając moment obrotowy, wirnik zaczyna się obracać, jeśli wirnik obraca się pod określonym kątem, szczotka wykorzystuje mechaniczny komutator do zmiany kierunku prądu, tak że kierunek wyjściowego momentu obrotowego pozostaje niezmieniony, a wirnik nadal się obraca. Ponieważ silnik szczotki z wydrążonym kubkiem wykorzystuje komutację szczotek, podczas pracy silnika występuje pewne tarcie względne, które powoduje hałas, iskrę elektryczną i skraca żywotność silnika. Generalnie domowy „silnik z pustym kubkiem” ogólnie odnosi się do silnika szczotkowego; ② Bezszczotkowy silnik z pustym kubkiem (znany również jako bezszczotkowy silnik bez szczeliny na prąd stały, stojan bez żelaznego rdzenia): Zastosowanie komutacji elektronicznej, zwykle za pomocą powłoki, miękkich materiałów magnetycznych, materiałów izolacyjnych i twornika z pustym kubkiem składającego się ze stojana i stalowego wirnika z magnesem trwałym. Bezszczotkowy silnik z wydrążonym kubkiem łączy różne uzwojenia z obwodem, kontrolując włączanie i wyłączanie elementów elektronicznych, aby uzyskać efekt cofania. Ten tryb komutacji sprawia, że bezszczotkowy silnik z wydrążonym kubkiem charakteryzuje się wysoką wydajnością, małymi wahaniami momentu obrotowego, wysoką żywotnością, zwartą konstrukcją, łatwą konserwacją i tak dalej.
1.2. Bariera rdzenia: proces nawijania
Przebieg procesu silnika z pustym kubkiem jest złożony, a trudność przetwarzania jest znacznie większa niż w przypadku zwykłego silnika szczelinowego prądu stałego. Biorąc za przykład bezszczelinowy silnik prądu stałego firmy Dingzhi Technology (tj. produkty z silnikiem z pustym kubkiem), od montażu przedniego uzwojenia cewki, łożyska środkowego, trzpienia, pierścienia nośnego i innych części rdzenia, po instalację tylnej pokrywy i linię spawania płytek drukowanych itp., obejmujących prawie 30 procesów, złożoność jest znacznie większa niż w przypadku zwykłych silników szczelinowych na prąd stały. Produkcja cewek musi przejść przez proces drutu emaliowanego - nawijania - kształtowania na gorąco - usuwania izolacji z drutu, łączenia wspólnego drutu - instalacji cewki i tak dalej.
Wśród nich produkcja cewek jest jednym z podstawowych procesów silnika z pustym kubkiem. Bezrdzeniowe uzwojenia samonośne wykonane są z tzw. drutu emaliowanego, czyli izolowanego drutu miedzianego pokrytego warstwą farby na zewnątrz. W procesie produkcyjnym farba sąsiadujących drutów jest stapiana ze sobą pod wpływem ciśnienia i temperatury. Właściwe połączenie (taśma lub włókno szklane) może dodatkowo poprawić wytrzymałość i stabilność kształtu uzwojenia, co jest szczególnie ważne przy dużych obciążeniach prądowych.
Technologia produkcji cewek silnika z pustym kubkiem dzieli się głównie na trzy kategorie w zależności od metody formowania cewki: 1) uzwojenie ręczne. Poprzez szereg złożonych procesów, w tym wkładanie pinów, ręczne nawijanie, ręczne okablowanie i inne etapy produkcji. 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. Biorąc za przykład pustą miskę nawojową, proces produkcyjny można z grubsza podzielić na następujące etapy: (1) Nawijanie sześciokątnej cewki kęsów drutu: odbywa się na maszynie do nawijania ukośnego zespołu uzwojeń; ② Pustą cewkę z drutu przykleja się dwoma kawałkami ukształtowanej taśmy samoprzylepnej, wyjmując ją z formy i spłaszczając; ③ Spłaszczanie: płytkę kształtową wkłada się do cewki z pustego drutu, cewkę spłaszcza się, a następnie wysyła do maszyny spłaszczającej w celu spłaszczenia i uzyskania płaskiego półwyrobu z drutu. Uformuj za pomocą bambusowej skrobaczki. Odetnij nadmiar taśmy, pozostawiając tylko jeden zaczep, zaczep należy pozostawić na lekko uniesionej stronie płaskiej żyłki, tak aby szpula mogła utworzyć rząd; ④ Cewka: półfabrykat z drutu płaskiego jest wprowadzany do cewki maszyny z cewką z pustym kubkiem, tak że półfabrykat z drutu jest połączony z końcem, a taśma jest wklejana na powierzchnię główki z półwyrobu drutu, aby stać się cewką z pustym kubkiem; ⑤ Powłoka epoksydowa: Po pokryciu klejem epoksydowym włóż go do piekarnika w celu utwardzenia i ukształtowania. 3) Jedna technologia produkcji formowania. Maszyna nawijająca nawija emaliowany drut na wrzeciono zgodnie z prawem za pomocą urządzeń automatyki, a po nawinięciu w kubek zdejmuje cewkę, formując ją na raz i nie wymaga wielu procesów, takich jak walcowanie i spłaszczanie, przy wysokim stopniu automatyzacji.
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. Silnik z pustym kubkiem można podzielić na uzwojenie proste, kształt siodła i uzwojenie nachylone zgodnie z metodą nawijania. W 1958 r. dr FF aulhaber (von Haber) z Niemiec opracował technologię uzwojenia uzwojenia uzwojenia nachylonego i uzyskał patent na technologię uzwojenia nachylonego cewki wirnika silnika z pustym kubkiem w 1965 r. Niemcy, Szwajcaria, Japonia i inne wcześniejsze prace nad silnikami z pustymi miskami, w procesie nawijania zgromadziły bogate doświadczenie. Spośród trzech wiodących na świecie silników z pustym kubkiem, szwajcarska firma Maxon stosuje głównie silniki o kształcie prostym i siodełkowym, a niemieckie Faulhaber i szwajcarskie Portescap używają głównie silników o kształcie ukośnym. Proces nawijania prostego jest bardziej skomplikowany i jest stosowany głównie w przypadku długich konstrukcji uzwojenia, często wykonanych z wielokrotnych uzwojeń. Kształt siodełka może zmniejszyć grubość cewki, skutecznie zmniejszyć magnetyczną szczelinę powietrzną w silniku o dużej gęstości mocy, zwiększyć długość cięcia pola magnetycznego i lepiej wykorzystać magnetyzm stojana; Uzwojenie ukośne opracowane wcześniej, stosunkowo proste uzwojenie, ciasne okablowanie, odpowiednie do produkcji wielkoseryjnej.
Uzwojenie jest podstawową barierą techniczną silnika z pustym kubkiem. ① Powiązanie projektowe: za granicą trzy główne technologie powstały w latach 60. XX wieku, domowy silnik z pustym kubkiem został uruchomiony późno, mniej badań, brak kombinacji stopnia podziału materiału, typu misy wirnika w celu optymalizacji silnika, brak systematycznego projektowania do przodu, brak niestandardowych wymagań dotyczących konfiguracji schematu napędu systemu i możliwości projektowania produktu; ② Ogniwo przetwarzające: W porównaniu z tradycyjnym silnikiem bezszczotkowym, silnikiem szczotkowym, silnikiem serwo, konstrukcja silnika z pustym kubkiem należy do bezzębnej struktury rowka, nie ma stałego rowka, cały emaliowany drut jest zawieszony na uzwojeniu, nie ma wewnętrznego wsparcia, jest to bardzo trudny proces, a wczesna wydajność jest niska. Jeśli chodzi o dokładność uzwojenia, wymagania dotyczące precyzji silników z pustym kubkiem są wyższe niż w przypadku silników tradycyjnych. Sam silnik z pustym kubkiem ma niewielkie rozmiary, a tolerancja błędu jest niższa niż w przypadku zwykłych silników z magnesami trwałymi i silników krokowych, a dokładność przetwarzania bezpośrednio wpływa na stabilność pola magnetycznego. Różnica w grubości drutu i zwojach uzwojenia powoduje, że wartość rezystancji uzwojenia, prąd rozruchowy, stała prędkości i inne parametry silnika znacznie się różnią. Z tego powodu krajowi producenci muszą poprawić precyzję, wydajność i automatyzację w ogniwach produkcyjnych i przetwórczych. W porównaniu z zagranicą Chiny są również stosunkowo słabe pod względem sprzętu do nawijania. Urządzenia nawijające można podzielić na automatyczne i ręczne, nieautomatyczne. W porównaniu z zagranicą stopień automatyzacji urządzeń uzwojeniowych w Chinach jest stosunkowo niski. Do wiodących na świecie producentów sprzętu nawojowego należą Meteor ze Szwajcarii, Tanaka Seiki Co., Ltd. z Japonii i Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Krajowe przedsiębiorstwa pozostają w dalszym ciągu stosunkowo pustostanem sprzętowym i dokupują coraz więcej japońskiego sprzętu uzwojeniowego, po cenach wahających się od setek tysięcy do milionów. Do stosunkowo reprezentatywnych firm w Chinach należą Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook i tak dalej.
1.3 Dalsze zastosowania: Charakterystyka silnika z pustym kubkiem określa scenariusz dalszego zastosowania
Silnik z pustym kubkiem należy do mikrosilnika, a surowce wyjściowe są podobne do surowców mikrosilnika, w tym miedź, stal, stal magnetyczna, łożyska, tworzywa sztuczne itp. Silnik z pustym kubkiem był pierwotnie używany w lotnictwie, kosmonautyce, wojsku i innych nowatorskich gałęziach przemysłu, w ostatnich latach jego zastosowanie stopniowo rozszerzyło się na przemysł cywilny, taki jak urządzenia medyczne, elektronika użytkowa, elektronarzędzia, automatyka przemysłowa i inne scenariusze.
Różna wydajność silnika z pustym kubkiem odpowiada jego zastosowaniu w różnych dziedzinach: 1) cechy małego rozmiaru, lekkości i dużego stosunku mocy do objętości sprawiają, że nadaje się on do obszarów o dużych wymaganiach wagowych, takich jak różne typy samolotów itp., co może zminimalizować masę samolotu; Jest również szeroko stosowany w różnych produktach elektroniki użytkowej, takich jak elektryczne szczoteczki do zębów i przenośne wentylatory elektryczne. 2) Charakterystyka szybkiego rozruchu i hamowania oraz wyjątkowo szybka reakcja sprawiają, że nadaje się do obszarów, które wymagają szybkiego automatycznego sterowania, takich jak regulacja kierunku pocisku przy wysokich wymaganiach dotyczących wydajności sterowania, szybkie śledzenie napędu optycznego, bardzo czuły sprzęt, roboty przemysłowe itp. 3) Charakterystyka wysokiej wydajności konwersji energii i długiego czasu pracy sprawia, że nadaje się do wszystkich rodzajów dziedzin wymagających oszczędzania energii i żywotności baterii, takich jak przenośne instrumenty i sprzęt do pracy w terenie.
Robot humanoidalny otwiera nowy, błękitny ocean zastosowań silników z wydrążonym kubkiem. Według najnowszego opracowania Optimusa, humanoidalnego robota wydanego przez Teslę, każda ręka zawiera sześć napędów i 11 stopni swobody, po dwa napędy dla kciuka i po jednym dla każdego z pozostałych czterech palców, a dłoń może unieść do 20 funtów. Moduł przegubu ręcznego składa się głównie z silnika z pustym kubkiem, precyzyjnego reduktora planetarnego, śruby kulowej i czujnika. Silnik z wydrążoną misą umożliwia ruch palca, precyzyjna przekładnia planetarna umożliwia manipulatorowi dokładniejsze pozycjonowanie i większą elastyczność, enkoder zapewnia precyzyjne sprzężenie zwrotne położenia i prędkości dłoni, a czujnik umożliwia robotowi funkcjonowanie percepcyjne i zdolność reagowania podobne do ludzkich. Według Muska liczba robotów humanoidalnych w przyszłości przewyższy liczbę ludzi i w dłuższej perspektywie ma osiągnąć poziom 100 miliardów sztuk. Silnik z pustym kubkiem jest głównym rozwiązaniem technicznym ręki robota z dużą pewnością. Roboty humanoidalne korzystają z 6 silników z wydrążonymi miskami na rękę. Biorąc pod uwagę sytuację końcową, oczekuje się, że roboty humanoidalne osiągną poziom miliarda sztuk, jeśli masowa produkcja lądujących robotów humanoidalnych spowoduje wzrost przychodów przedsiębiorstw związanych z silnikami z wydrążonymi miskami.
