Roboții umanoizi au devenit o perlă strălucitoare în domeniul inteligenței artificiale.
În ultimii ani, roboții umanoizi au devenit o perlă strălucitoare în domeniul inteligenței artificiale, cu aplicarea lor largă în multe domenii precum îngrijirea medicală și serviciile. Pentru a promova în continuare dezvoltarea industriei, guvernele locale au introdus politici de creștere a sprijinului pentru roboții umanoizi și componentele lor cheie. În lanțul industriei robotului umanoid, motorul cupa goală joacă un rol important în sistemul de control al mișcării robotului umanoid, cum ar fi componenta de bază a robotului umanoid Tesla mâna dexteroasă este motorul cupa goală, un singur ansamblu robot 12 (6 fiecare mâna dreaptă). Această lucrare își propune să discute caracteristicile tehnice, statutul pieței și perspectivele viitoare ale motorului cu cupă goală prin intermediul cercetării.
Ce este motor cupa goală
1. Conceptul și clasificarea motorului
Un motor electric este un dispozitiv care transformă energia electrică în energie mecanică. Folosește o bobină energizată (adică înfășurarea statorului) pentru a genera un câmp magnetic rotativ și este utilizat pentru rotor (cum ar fi un cadru de aluminiu închis cu o cușcă de veveriță) pentru a forma un cuplu de rotație magnetoelectric, care transformă forța generată de fluxul de curent în câmpul magnetic într-o acțiune de rotație. Principiul este de a folosi câmpul magnetic pentru a forța curentul să facă motorul să se rotească.
Principiul de bază al rotației motorului: în jurul magnetului permanent cu o axă de rotație, 1 rotiți magnetul (astfel încât să fie generat câmpul magnetic rotativ), 2 conform principiului atracției polului N și a polului S heteropol, aceeași repulsie a polului, 3 magnetul cu axă de rotație se va roti.
Într-un motor, curentul care curge prin fir este cel care creează un câmp magnetic rotativ (forță magnetică) în jurul acestuia, ceea ce face ca magnetul să se rotească. Când firul este înfășurat într-o bobină, forța magnetică este sintetizată pentru a forma un flux mare de câmp magnetic (flux magnetic), rezultând polii N și S. Prin introducerea unui miez de fier într-o bobină de sârmă, liniile câmpului magnetic devin mai ușor de trecut și pot produce o forță magnetică mai puternică.
Structura motorului este compusă în principal din două părți: stator și rotor.
Stator: partea staționară a motorului, a cărei structură principală include polul magnetic, înfășurarea și suportul. Polul magnetic este partea motorului care generează câmpul magnetic, care este de obicei compus dintr-un miez de fier și bobine. Înfășurarea este bobina din stator, compusă de obicei din conductori și izolație, al cărei rol este de a genera un câmp magnetic atunci când trece un curent electric prin acesta. Suportul este structura de susținere a statorului, de obicei realizată din aliaj de aluminiu și alte materiale, cu rezistență și rezistență la coroziune bună.
Rotor: Partea rotativă a unui motor, a cărei structură principală include armătură, rulmenți și capace. Armătura este bobina din rotor, compusă de obicei din conductori și izolație, al cărei rol este de a genera un câmp magnetic atunci când un curent electric trece prin acesta. Rulmenții sunt structura de susținere a rotorului, de obicei din oțel sau ceramică, cu rezistență bună la uzură și coroziune. Capacul de capăt este structura de capăt a motorului, de obicei realizată din aliaj de aluminiu și alte materiale, cu etanșare și rezistență bună.
2, definirea și clasificarea motorului cupa goală
În 1958, Dr.FF aulhaber a dezvoltat tehnologia bobinei de înfășurare înclinată și a obținut brevetul relevant pentru motorul cupa goală în 1965, marcând apariția motorului cupa goală, iar designul său structural creativ permite motorului să fie atât de dimensiuni mai mici, cât și de o eficiență mai mare. Motorul cupa goală aparține servomotorului cu magnet permanent DC, structura motorului este prezentată în figura următoare, compusă în principal din stator și rotor. Statorul este compus din tablă de oțel siliconic și înfășurare a bobinei, iar tabla de oțel silicon fără structură a canelurii dinților poate evita efectul canelurii dinților și poate reduce pierderea de fier și pierderea curenților turbionari. Rotorul este compus dintr-un magnet permanent, un arbore rotativ și părțile sale fixe, iar motorul folosește un magnet permanent inel, care este ușor de prelucrat și instalat.
În comparație cu motoarele obișnuite, cea mai mare caracteristică a rotorului este că sparge structura rotorului a motorului tradițional și folosește un rotor fără miez, cunoscut și sub numele de rotor cu cupă goală. Rotorul este o structură goală în formă de cupă, înconjurată de înfășurări și magneți. În motoarele obișnuite, rolul miezului de fier este în principal: 1) concentrarea și ghidarea câmpului magnetic: miezul de fier este realizat dintr-un material cu permeabilitate magnetică ridicată (cum ar fi tabla de oțel siliconic), care poate concentra și ghida fluxul magnetic, îmbunătățind astfel puterea câmpului magnetic și eficiența motorului; 2) Înfășurare de susținere: Miezul de fier oferă o structură de sprijin puternică pentru înfășurare, asigurând că înfășurarea își menține o formă și o poziție stabilă în timpul funcționării motorului. În motorul cupa goală, cilindrul tubular cu pereți subțiri este folosit ca rotor, iar cilindrul gol este înfășurat direct în interiorul înfășurării fără suport suplimentar pentru miez. Avantajele designului fără miez: 1) Eliminarea pierderilor de curent turbionar și histerezis: miezul de fier dintr-un motor comun va produce pierderi de curent turbionar și histerezis într-un câmp magnetic alternativ, ceea ce va reduce eficiența motorului. Motorul cu cupă goală folosește un rotor fără miez, care elimină complet aceste pierderi, îmbunătățind astfel eficiența de conversie a energiei a motorului. 2) Reduceți greutatea și momentul de inerție: designul fără miez reduce semnificativ greutatea rotorului, făcând întregul motor mai ușor. În același timp, reducerea momentului de inerție permite motorului să aibă o viteză de răspuns mai rapidă și o accelerație mai mare, ceea ce este foarte benefic pentru scenariile de aplicare care necesită pornire și oprire rapidă.
În același timp, proiectarea de precizie a structurii cilindrului gol și a dispoziției înfășurării poate optimiza distribuția câmpului magnetic în interiorul motorului cupei goale, poate reduce scurgerea magnetică și pierderea de energie și poate îmbunătăți în continuare eficiența și performanța motorului.
Motorul cu cupă goală poate fi împărțit în două feluri în funcție de modul său de comutare: unul este motorul cu perie cu ceașcă goală, care adoptă modul de comutare mecanic al periei de cărbune; Celălalt este motorul fără perii cu cupă goală, care înlocuiește comutația periei cu comutația electronică, evitând scânteia electrică și particulele de toner generate în timpul funcționării motorului periei, reducând zgomotul și mărind durata de viață a motorului. Din compararea diferitelor produse ale aparatelor electrice Mingzhi din figura următoare, se poate observa că nu este nevoie de o perie în motorul cupei goale fără perii, dar senzorul Hall detectează semnalul câmpului magnetic al rotorului, transformă inversarea mecanică într-o inversare a semnalului electronic și simplifică în continuare structura fizică a motorului cupei goale.
3, avantajele motorului cupa goală
Motorul cupa goală sparge structura rotorului a motorului tradițional în structură, reduce pierderea de putere cauzată de formarea de curent turbionar în miezul de fier, iar masa și momentul de inerție ale acestuia sunt mult reduse, reducând astfel pierderea de energie mecanică a rotorului însuși. În rezumat, motorul cupa goală are avantajele unei densități mari de putere, durată lungă de viață, răspuns rapid, cuplu de vârf ridicat, disipare bună a căldurii și așa mai departe.
Densitate mare de putere: densitatea de putere a motorului cupei goale este raportul dintre puterea de ieșire și greutatea sau volumul. În ceea ce privește greutatea, rotorul fără miez este mai ușor decât rotorul cu miez obișnuit; În ceea ce privește eficiența, rotorul fără miez elimină curentul turbionar și pierderile de histerezis generate de rotorul fără miez, îmbunătățește eficiența micromotorului și asigură un cuplu de ieșire și o putere de ieșire ridicate. Eficiența maximă a majorității motoarelor cu cupă goală este mai mare de 80%, în timp ce eficiența maximă a majorității motoarelor de curent continuu cu perii este în general de aproximativ 50%. Greutatea mai mică și eficiența mai mare permit motoarelor cu cupă goală să atingă o densitate de putere mai mare. Prin urmare, motorul cu cupă goală este potrivit în special pentru aplicațiile alimentate cu baterii care necesită perioade lungi de funcționare, cum ar fi pompe portabile de prelevare a probelor de aer, roboți umanoizi, mâini bionice, unelte electrice portabile și alte aplicații.
Densitate mare de cuplu: designul fără miez reduce greutatea rotorului și momentul de inerție, iar momentul scăzut de inerție înseamnă că motorul poate accelera și decelera mai repede, putând astfel genera mai mult cuplu într-un timp scurt; În același timp, absența unui miez de fier face ca motorul cupa goală să fie mai compact, mai mic și capabil să ofere un cuplu mai mare într-un spațiu limitat.
Durată lungă de viață: numărul de piese inversoare ale motorului cupa goală face ca fluctuația curentului și inductanța motorului să fie mai mici la inversare, reducând foarte mult coroziunea electrică a sistemului de inversare în timpul procesului de inversare, astfel încât să aibă o viață mai lungă. Conform datelor din „Cercetarea aplicației pentru managementul personalizat al motoarelor cu cupe goale”, durata de viață a motoarelor cu perii de curent continuu este, în general, de doar câteva sute de ore, iar speranța de viață a motoarelor cu cupe goale este de obicei între 1000 și 3000 de ore, ceea ce poate oferi o funcționare mai fiabilă.
Viteză de răspuns rapidă: motorul tradițional are un moment de inerție relativ mare datorită existenței miezului de fier, în timp ce motorul cupa goală este compact, iar rotorul este o bobină autoportabilă în formă de cupă, astfel încât greutatea este mai ușoară, iar momentul de inerție mai mic face ca motorul cupa goală să aibă caracteristici sensibile de reglare pornire-oprire. Potrivit „Progresul cercetării micromotor și bobină cu cupă goală”, constanta de timp mecanică a motorului general de bază este de aproximativ 100 ms, în timp ce constanta de timp mecanică a motorului cupa goală este mai mică de 28 ms, iar unele produse sunt chiar mai mici de 10 ms.
Cuplu de vârf ridicat: Raportul dintre cuplul de vârf și cuplul continuu al motorului cupa tubulară este foarte mare, deoarece procesul de creștere a curentului la constanta de vârf de cuplu este neschimbat, iar relația liniară dintre curent și cuplu poate face ca micromotorul să producă un cuplu de vârf mare. După ce motorul de curent continuu obișnuit ajunge la saturație, indiferent de creșterea curentului, cuplul motorului de curent continuu nu va crește.
Bună disipare a căldurii: suprafața rotorului cupa goală are un flux de aer, mai bun decât performanța de disipare a căldurii a rotorului miez, firul emailat al rotorului miez este încorporat în canelura din tablă de oțel siliconic, fluxul de aer de la suprafața bobinei este mai mic, creșterea temperaturii este mai mare, în aceleași condiții de putere de ieșire, creșterea temperaturii motorului DC este mai mică.
4, calea tehnică a motorului cupa goală
Pasul cheie în producția de motor cu cupă goală este producția de bobine, astfel încât proiectarea bobinei și procesul de înfășurare devin barierele sale principale. Diametrul, numărul de spire și liniaritatea firului afectează direct parametrii de bază ai motorului. Bariera centrală a înfășurării bobinei se reflectă direct în proiectarea bobinei, deoarece diferitele tipuri de înfășurare au diferențe în rata de automatizare și consumul de cupru. Pe de altă parte, se reflectă, de asemenea, în echipamentul de înfășurare și metoda de înfășurare, iar rata de umplere a canelurii cupei goale înfășurate de diferite mașini de înfășurare este diferită, ceea ce duce la diferite rari, afectând direct pierderea motorului, disiparea căldurii, puterea și așa mai departe.
Unghi de proiectare a bobinei: designul de înfășurare al motorului cu cupă goală poate fi împărțit în tip de înfășurare dreaptă, tip de înfășurare oblică și tip de șa.
Înfășurare dreaptă: Firul bobinei este paralel cu axa motorului, formând o structură de înfășurare concentrată. Ideea de proiectare a bobinei cu înfășurare dreaptă este să înfășurați mai întâi firul emailat circular obișnuit pe matrița de înfășurare în funcție de cerințele numărului de spire, apoi conectați înfășurarea pe arborele central al firului și apoi folosiți liantul la ambele capete pentru a se întări și a forma. Relativ vorbind, capătul înfășurării drepte nu produce nici un cuplu și crește greutatea armăturii și rezistența armăturii.
Înfășurare oblică: cunoscută și sub denumirea de înfășurare în fagure, se utilizează metoda de înfășurare în fagure, lăsând robinete în mijloc, pentru a putea înfășura continuu, este necesar să faceți partea efectivă a elementului și axa armăturii într-un anumit unghi de înclinare. Dimensiunea finală a acestei metode de înfășurare este mică, dar deoarece înfășurarea continuă oblică necesită un anumit unghi de linie, firul emailat se suprapune, iar rata de umplere a fantei este scăzută. În comparație cu tipul de înfășurare dreaptă, armătura de înfășurare înclinată nu are înfășurare de capăt, reducând greutatea armăturii și are avantajele unui moment mic de inerție, constantă de timp mică, caracteristici bune de rezistență și cuplu de ieșire mare. Faulhaber în Germania și Portescap în Elveția folosesc în principal înfășurare înclinată.
Tip șa: cunoscut și sub denumirea de înfășurare concentrică sau romboidă, se utilizează metoda de înfășurare a unei bobine în formă și apoi de cablare, adică firul emailat autoadeziv este înfășurat pe o matriță de înfășurare de formare specială, iar cupa armăturii este realizată din mai multe aranjamente de modelare. La înfășurare, cele două straturi de bobine sunt aranjate ordonat și modelate, ceea ce este convenabil pentru a controla dimensiunea cupei armăturii după remodelare și pentru a îmbunătăți rata de umplere a slotului. În același timp, această metodă are o eficiență ridicată de producție și este potrivită pentru producția de masă. Capătul armăturii înfășurării șeii are mai puține straturi suprapuse, spațiu mic de aer și o rată mare de utilizare a magnetului permanent, ceea ce îmbunătățește densitatea de putere a motorului. Unele produse Maxon din Elveția folosesc înfășurare de tip șa.
Punctul de vedere al procesului de bobinare: Din punct de vedere al tehnologiei de producție, conform metodei de formare a bobinei este împărțită în principal în trei categorii: bobinare manuală, bobinare și producție de formare unică.
1) Înfășurare manuală. Printr-o serie de procese complexe, inclusiv inserarea pinului, înfășurarea manuală, cablarea manuală și alți pași de producție. Este potrivit pentru produsele care necesită un grad ridicat de personalizare, dar eficiența producției și stabilitatea produsului sunt limitate.
2) Tehnologia de producție a bobinării. Tehnologia de producție a înfășurării este producția semi-automată, firul emailat este mai întâi înfășurat succesiv pe arborele principal cu o secțiune transversală în formă de diamant și este îndepărtat după ce atinge lungimea necesară, apoi aplatizat într-o placă de sârmă, iar în cele din urmă placa de sârmă este înfășurată într-o bobină în formă de cupă. Conform procesului de înfășurare „procesul și echipamentul de înfășurare a armăturii cu cupă goală de înfășurare”, următoarea mașină de înfășurare poate fi configurată cu 4 lucrători pentru a obține o producție anuală de 30.000 de unități, dar limitarea înfășurării este că este mai potrivită pentru diametrul cupei goale de 20-30 mm, este dificil să înfășurați bobine mai mici decât produsele cu o distanță de 7 mm mai mică decât este mai mică. 10~12mm. În general, eficiența de producție a procesului de înfășurare este relativ ridicată și poate îndeplini cerințele producției la scară medie. Cu toate acestea, rata mare de participare manuală duce la consistența produsului finit poate să nu fie la fel de bună ca producția automată și este dificil să se îndeplinească dimensiunea mai mică a bobinei cupa goală.
3) O tehnologie de producție de turnare. Mașina de bobinat prin echipament de automatizare va fi un fir emailat conform regulii unui ax, bobina de înfășurare într-o cupă după îndepărtare, o turnare, nu este nevoie să rulați și să aplatizați mai multe procese, un grad ridicat de automatizare, astfel încât eficiența producției și consistența produsului finit sunt mai bune; Dar investiția corespunzătoare în echipamente va fi mai mare.
Procesul de înfășurare de peste mări dezvoltat devreme, gradul de automatizare este mai mare decât cel intern. Internul adoptă în principal producția de bobinaj, procesul este mai complicat, intensitatea muncii lucrătorilor este mare, nu poate completa bobina cu un diametru mai gros de sârmă, iar rata deșeurilor este mare. Țările străine folosesc în principal tehnologia de producție a plăgilor unice, grad înalt de automatizare, eficiență ridicată a producției, gamă de diametre a bobinei, calitate bună a bobinei, aranjare strânsă, tipuri de motoare, performanță bună.
Legături industriale și aplicații în aval
În amonte de motorul cupa tubulară sunt materii prime și piese, materiile prime includ cuprul, oțelul, oțelul magnetic, plasticul etc., piesele includ rulmenți, perii, comutatoare etc. Partea medie a lanțului industrial sunt producătorii de motoare. În aval al lanțului industrial este capătul aplicației, iar motorul cu cupă goală are caracteristicile de înaltă sensibilitate, funcționare stabilă și control puternic, care îndeplinește cerințele stricte ale domeniului high-end de acționare electrică, deci este utilizat în principal în industria aerospațială, echipamente medicale, automatizare industrială și robotică și alte domenii high-end. În același timp, motorul cupa goală este, de asemenea, aplicat treptat în domeniul civil, cum ar fi automatizarea de birou, unelte electrice și așa mai departe.
Un motor promițător cu cupă goală
Motor cu cupă goală, cu designul său unic, fără miez de fier, care prezintă viteză mare, eficiență ridicată, răspuns dinamic ridicat și alte avantaje semnificative, utilizate pe scară largă în domeniul aerospațial, echipamente medicale și alte domenii, flexibilitatea mâinii robotului umanoid are, de asemenea, un impact semnificativ. Deși întreprinderile de peste mări, cum ar fi Maxon și Faulhaber, au în prezent avantajul de primă mutare, odată cu îmbunătățirea continuă a nivelului tehnic al producătorilor autohtoni și cu dezvoltarea rapidă a pieței robotilor umanoizi, motoarele autohtone cu cupe goale vor introduce noi oportunități de dezvoltare.
