Os robôs humanóides se tornaram uma pérola brilhante no campo da inteligência artificial.
Nos últimos anos, os robôs humanóides tornaram-se uma pérola brilhante no campo da inteligência artificial, com sua ampla aplicação em muitos campos, como cuidados e serviços médicos. A fim de promover ainda mais o desenvolvimento da indústria, os governos locais introduziram políticas para aumentar o apoio aos robôs humanóides e aos seus componentes principais. Na cadeia da indústria de robôs humanóides, o motor de copo oco desempenha um papel importante no sistema de controle de movimento do robô humanóide, como o componente principal da mão hábil do robô humanóide Tesla é o motor de copo oco, um único conjunto de robô 12 (6 cada mão direita). Este artigo tem como objetivo discutir as características técnicas, situação de mercado e perspectivas futuras do motor de copo oco por meio de pesquisas.
O que é motor de copo oco
1. Conceito e classificação de motor
Um motor elétrico é um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica. Ele usa uma bobina energizada (isto é, o enrolamento do estator) para gerar um campo magnético giratório e é usado para o rotor (como uma estrutura de alumínio fechada em gaiola de esquilo) para formar um torque rotacional magnetoelétrico, que converte a força gerada pelo fluxo de corrente no campo magnético em uma ação rotativa. O princípio é usar o campo magnético para forçar a corrente para fazer o motor girar.
O princípio básico da rotação do motor: em torno do ímã permanente com eixo giratório, 1 gire o ímã (de modo que o campo magnético giratório seja gerado), 2 de acordo com o princípio do pólo N e da atração heteropólo do pólo S, a mesma repulsão do pólo, 3 o ímã com um eixo giratório irá girar.
Em um motor, é na verdade a corrente que flui através do fio que cria um campo magnético giratório (força magnética) ao seu redor que faz com que o ímã gire. Quando o fio é enrolado em uma bobina, a força magnética é sintetizada para formar um grande fluxo de campo magnético (fluxo magnético), resultando nos pólos N e S. Ao inserir um núcleo de ferro em uma bobina de fio, as linhas do campo magnético tornam-se mais fáceis de passar e podem produzir uma força magnética mais forte.
A estrutura do motor é composta principalmente por duas partes: estator e rotor.
Estator: parte estacionária do motor, cuja estrutura principal inclui o pólo magnético, enrolamento e suporte. O pólo magnético é a parte do motor que gera o campo magnético, que geralmente é composto por um núcleo de ferro e bobinas. O enrolamento é a bobina do estator, geralmente composta por condutores e isolação, cuja função é gerar um campo magnético quando uma corrente elétrica passa por ele. O suporte é a estrutura de suporte do estator, geralmente feito de liga de alumínio e outros materiais, com boa resistência e resistência à corrosão.
Rotor: A parte rotativa de um motor, cuja estrutura principal inclui armadura, rolamentos e tampas. A armadura é a bobina do rotor, geralmente composta por condutores e isolamento, cuja função é gerar um campo magnético quando uma corrente elétrica passa por ela. Os mancais são a estrutura de suporte do rotor, geralmente feitos de aço ou cerâmica, com boa resistência ao desgaste e à corrosão. A tampa final é a estrutura final do motor, geralmente feita de liga de alumínio e outros materiais, com boa vedação e resistência.
2, definição e classificação do motor de copo oco
Em 1958, Dr.FF aulhaber desenvolveu a tecnologia de bobina de enrolamento inclinado e obteve a patente relevante para o motor de copo oco em 1965, marcando o advento do motor de copo oco, e seu design estrutural criativo permite que o motor seja menor e maior eficiência. O motor de copo oco pertence ao servo motor de ímã permanente DC, a estrutura do motor é mostrada na figura a seguir, composta principalmente por estator e rotor. O estator é composto de chapa de aço silício e enrolamento de bobina, e a chapa de aço silício sem estrutura de ranhura dentária pode evitar o efeito de ranhura dentária e reduzir a perda de ferro e a perda de corrente parasita. O rotor é composto por um ímã permanente, um eixo giratório e suas partes fixas, e o motor utiliza um anel magnético permanente, que é fácil de processar e instalar.
Em comparação com os motores comuns, a maior característica do rotor é que ele rompe a estrutura do rotor do motor tradicional e usa um rotor sem núcleo, também conhecido como rotor de copo oco. O rotor é uma estrutura oca em forma de copo rodeada por enrolamentos e ímãs. Em motores comuns, o papel do núcleo de ferro é principalmente: 1) concentrar e guiar o campo magnético: o núcleo de ferro é feito de um material com alta permeabilidade magnética (como chapa de aço silício), que pode concentrar e guiar o fluxo magnético, melhorando assim a força do campo magnético e a eficiência do motor; 2) Enrolamento de suporte: O núcleo de ferro fornece uma forte estrutura de suporte para o enrolamento, garantindo que o enrolamento mantenha uma forma e posição estáveis durante a operação do motor. No motor de copo oco, o cilindro oco de parede fina é usado como rotor, e o cilindro oco é enrolado diretamente dentro do enrolamento sem suporte adicional do núcleo. Vantagens do design sem núcleo: 1) Eliminação de correntes parasitas e perdas por histerese: O núcleo de ferro em um motor comum produzirá perdas por correntes parasitas e histerese em um campo magnético alternado, o que reduzirá a eficiência do motor. O motor de copo oco utiliza um rotor sem núcleo, o que elimina completamente essas perdas, melhorando assim a eficiência de conversão de energia do motor. 2) Reduz o peso e o momento de inércia: o design sem núcleo reduz significativamente o peso do rotor, tornando todo o motor mais leve. Ao mesmo tempo, a redução do momento de inércia permite que o motor tenha uma velocidade de resposta mais rápida e maior aceleração, o que é muito benéfico para cenários de aplicação que requerem partida e parada rápidas.
Ao mesmo tempo, o design de precisão da estrutura do cilindro oco e do layout do enrolamento pode otimizar a distribuição do campo magnético dentro do motor de copo oco, reduzir o vazamento magnético e a perda de energia e melhorar ainda mais a eficiência e o desempenho do motor.
O motor de copo oco pode ser dividido em dois tipos de acordo com seu modo de comutação: um é o motor de escova de copo oco, que adota o modo de comutação mecânica de escova de carbono; O outro é o motor sem escova de copo oco, que substitui a comutação das escovas por comutação eletrônica, evitando faíscas elétricas e partículas de toner geradas durante o funcionamento do motor das escovas, reduzindo o ruído e aumentando a vida útil do motor. A partir da comparação de diferentes produtos de aparelhos elétricos Mingzhi na figura a seguir, pode-se ver que não há necessidade de escova no motor de copo oco sem escova, mas o sensor Hall detecta o sinal do campo magnético do rotor, transforma a reversão mecânica em uma reversão de sinal eletrônico e simplifica ainda mais a estrutura física do motor de copo oco.
3, vantagens do motor de copo oco
O motor de copo oco rompe a estrutura do rotor do motor tradicional em estrutura, reduz a perda de potência causada pela formação de correntes parasitas no núcleo de ferro, e sua massa e momento de inércia são bastante reduzidos, reduzindo assim a perda de energia mecânica do próprio rotor. Em resumo, o motor de copo oco tem as vantagens de alta densidade de potência, longa vida útil, resposta rápida, alto torque de pico, boa dissipação de calor e assim por diante.
Alta densidade de potência: A densidade de potência do motor de copo oco é a relação entre a potência de saída e o peso ou volume. Em termos de peso, o rotor sem núcleo é mais leve que o rotor com núcleo comum; Em termos de eficiência, o rotor sem núcleo elimina a corrente parasita e a perda de histerese gerada pelo rotor sem núcleo, melhora a eficiência do micromotor e garante alto torque e potência de saída. A eficiência máxima da maioria dos motores de copo oco é superior a 80%, enquanto a eficiência máxima da maioria dos motores CC com escovas é geralmente em torno de 50%. Menor peso e maior eficiência permitem que motores de copo oco alcancem maior densidade de potência. Portanto, o motor de copo oco é particularmente adequado para aplicações alimentadas por bateria que requerem longos períodos de operação, como bombas portáteis de amostragem de ar, robôs humanóides, mãos biônicas, ferramentas elétricas manuais e outras aplicações.
Alta densidade de torque: o design sem núcleo reduz o peso do rotor e o momento de inércia, e o baixo momento de inércia significa que o motor pode acelerar e desacelerar mais rápido, podendo gerar mais torque em pouco tempo; Ao mesmo tempo, a ausência de um núcleo de ferro torna o motor de copo oco mais compacto, menor e capaz de fornecer maior saída de torque em um espaço limitado.
Longa vida útil: O número de peças de reversão do motor de copo oco diminui a flutuação de corrente e a indutância do motor durante a reversão, reduzindo significativamente a corrosão elétrica do sistema de reversão durante o processo de reversão, de modo a ter uma vida útil mais longa. De acordo com os dados da 'Pesquisa de aplicação de gerenciamento personalizado de motores de copo oco', a vida útil dos motores CC escovados é geralmente de apenas algumas centenas de horas, e a expectativa de vida dos motores de copo oco é geralmente entre 1.000 e 3.000 horas, o que pode fornecer uma operação confiável mais longa.
Velocidade de resposta rápida: o motor tradicional tem um momento de inércia relativamente grande devido à existência do núcleo de ferro, enquanto o motor de copo oco é compacto e o rotor é uma bobina autoportante em forma de copo, então o peso é mais leve, e seu menor momento de inércia também faz com que o motor de copo oco tenha características sensíveis de ajuste de partida-parada. De acordo com o 'Progresso da pesquisa do micro motor e bobina de copo oco', a constante de tempo mecânica do motor de núcleo geral é de cerca de 100 ms, enquanto a constante de tempo mecânica do motor de copo oco é inferior a 28 ms, e alguns produtos são ainda menores que 10 ms.
Torque de pico alto: A relação entre o torque de pico e o torque contínuo do motor de copo oco é muito grande, porque o processo de aumento da corrente até a constante de torque de pico permanece inalterado, e a relação linear entre a corrente e o torque pode fazer com que o micromotor produza um grande torque de pico. Depois que o motor DC de núcleo comum atinge a saturação, não importa o aumento da corrente, o torque do motor DC não aumentará.
Boa dissipação de calor: a superfície do rotor de copo oco tem fluxo de ar, melhor do que o desempenho de dissipação de calor do rotor central, o fio esmaltado do rotor central está embutido na ranhura da chapa de aço silício, o fluxo de ar da superfície da bobina é menor, o aumento de temperatura é maior, sob as mesmas condições de saída de energia, o aumento de temperatura do motor DC de copo oco é menor.
4, o caminho técnico do motor de copo oco
A etapa principal na produção do motor de copo oco é a produção da bobina, de modo que o design da bobina e o processo de enrolamento tornam-se suas principais barreiras. O diâmetro, o número de voltas e a linearidade do fio afetam diretamente os parâmetros centrais do motor. A barreira central do enrolamento da bobina se reflete diretamente no projeto da bobina, porque diferentes tipos de enrolamento apresentam diferenças na taxa de automação e no consumo de cobre. Por outro lado, isso também se reflete no equipamento de enrolamento e no método de enrolamento, e a taxa de enchimento da ranhura do copo oco enrolada por diferentes máquinas de enrolamento é diferente, o que leva a diferentes esparsos, afetando diretamente a perda do motor, dissipação de calor, potência e assim por diante.
Ângulo de projeto da bobina: O projeto de enrolamento do motor de copo oco pode ser dividido em tipo de enrolamento reto, tipo de enrolamento oblíquo e tipo de sela.
Enrolamento reto: O fio da bobina é paralelo ao eixo do motor, formando uma estrutura de enrolamento concentrada. A ideia do projeto da bobina enrolada reta é primeiro enrolar o fio esmaltado circular comum na matriz do enrolamento de acordo com a exigência do número de voltas e, em seguida, conectar o enrolamento no eixo central do fio e, em seguida, usar o aglutinante em ambas as extremidades para curar e formar. Relativamente falando, a extremidade do enrolamento reto não produz torque e aumenta o peso e a resistência da armadura.
Enrolamento oblíquo: também conhecido como enrolamento em favo de mel, utiliza-se o método de enrolamento em favo de mel, deixando as torneiras no meio, para poder enrolar continuamente é necessário fazer o lado efetivo do elemento e o eixo da armadura em um determinado ângulo de inclinação. O tamanho final deste método de enrolamento é pequeno, mas como o enrolamento contínuo oblíquo requer um certo ângulo de linha, o fio esmaltado se sobrepõe e a taxa de preenchimento da ranhura é baixa. Comparada com o tipo enrolado reto, a armadura de enrolamento inclinado não possui enrolamento final, reduzindo o peso da armadura e tem as vantagens de pequeno momento de inércia, pequena constante de tempo, boas características de arrasto e grande torque de saída. Faulhaber na Alemanha e Portescap na Suíça usam principalmente enrolamento inclinado.
Tipo de sela: também conhecido como enrolamento concêntrico ou romboide, utiliza-se o método de enrolamento de uma bobina moldada e depois fiação, ou seja, o fio esmaltado autoadesivo é enrolado em uma matriz de enrolamento de formação especial, e o copo da armadura é feito de múltiplos arranjos de modelagem. Ao enrolar, as duas camadas de bobinas são organizadas e moldadas de maneira organizada, o que é conveniente para controlar o tamanho do copo da armadura após a remodelagem e melhorar a taxa de preenchimento da ranhura. Ao mesmo tempo, este método possui alta eficiência de produção e é adequado para produção em massa. A extremidade da armadura do enrolamento da sela tem menos camadas sobrepostas, pequeno entreferro e alta taxa de utilização do ímã permanente, o que melhora a densidade de potência do motor. Alguns produtos da Maxon na Suíça usam enrolamento tipo sela.
Ponto de vista do processo de enrolamento: Do ponto de vista da tecnologia de produção, de acordo com o método de formação da bobina é dividido principalmente em três categorias: enrolamento manual, enrolamento e produção de formação única.
1) Corda manual. Através de uma série de processos complexos, incluindo inserção de pinos, enrolamento manual, fiação manual e outras etapas de produção. É adequado para produtos que exigem um alto grau de personalização, mas a eficiência da produção e a estabilidade do produto são limitadas.
2) Tecnologia de produção de enrolamento. A tecnologia de produção de enrolamento é a produção semiautomática, o fio esmaltado é primeiro enrolado sequencialmente no eixo principal com uma seção transversal em forma de diamante e é removido após atingir o comprimento necessário e, em seguida, achatado em uma placa de arame e, finalmente, a placa de arame é enrolada em uma bobina em forma de copo. De acordo com o processo de enrolamento 'processo e equipamento de produção de armadura de copo oco de enrolamento', a próxima máquina de enrolamento pode ser configurada com 4 trabalhadores para atingir uma produção anual de 30.000 unidades, mas a limitação do enrolamento é que é mais adequado para diâmetro de copo oco de 20-30 mm, é difícil enrolar bobinas menores com espaçamento de torneira inferior a 7 mm, ou seja, produtos com diâmetro inferior a 10 ~ 12 mm. No geral, a eficiência de produção do processo de enrolamento é relativamente alta e pode atender aos requisitos da produção em média escala. No entanto, sua alta taxa de participação manual faz com que a consistência do produto acabado possa não ser tão boa quanto a produção automatizada, e é difícil atender ao tamanho menor do enrolamento da bobina de copo oco.
3) Uma tecnologia de produção de moldagem. A máquina de enrolamento através de equipamento de automação será um fio esmaltado de acordo com a regra de um fuso, bobina enrolada em um copo após a remoção, uma moldagem, sem necessidade de enrolar e achatar vários processos, alto grau de automação, para que a eficiência da produção e a consistência do produto acabado sejam melhores; Mas o investimento inicial correspondente em equipamento será maior.
O processo de enrolamento no exterior foi desenvolvido cedo, o grau de automação é maior do que o doméstico. O mercado doméstico adota principalmente a produção de enrolamento, o processo é mais complicado, a intensidade de trabalho dos trabalhadores é grande, não é possível completar a bobina com diâmetro de fio mais grosso e a taxa de sucata é alta. Os países estrangeiros usam principalmente tecnologia de produção de feridas únicas, alto grau de automação, alta eficiência de produção, faixa de diâmetro da bobina, boa qualidade da bobina, arranjo apertado, tipos de motor, bom desempenho.
Elos da cadeia industrial e aplicações downstream
A montante do motor de copo oco são matérias-primas e peças, as matérias-primas incluem cobre, aço, aço magnético, plástico, etc., as peças incluem rolamentos, escovas, comutadores, etc. A jusante da cadeia industrial é o fim da aplicação, e o motor de copo oco tem as características de alta sensibilidade, operação estável e forte controle, que atende aos requisitos rigorosos do campo de acionamento elétrico de ponta, por isso é usado principalmente na indústria aeroespacial, equipamentos médicos, automação industrial e robótica e outros campos de ponta. Ao mesmo tempo, o motor de copo oco também é gradualmente aplicado na área civil, como automação de escritório, ferramentas elétricas e assim por diante.
Um promissor motor de copo oco
Motor de copo oco com seu design exclusivo sem núcleo de ferro, apresentando alta velocidade, alta eficiência, alta resposta dinâmica e outras vantagens significativas, amplamente utilizado na indústria aeroespacial, equipamentos médicos e outros campos, na flexibilidade da mão do robô humanóide também tem um impacto significativo. Embora empresas estrangeiras como Maxon e Faulhaber tenham atualmente a vantagem de serem pioneiras, com a melhoria contínua do nível técnico dos fabricantes nacionais e o rápido desenvolvimento do mercado de robôs humanóides, os motores de copo oco domésticos darão início a novas oportunidades de desenvolvimento.
