Роботы-гуманоиды стали сияющей жемчужиной в области искусственного интеллекта.
В последние годы роботы-гуманоиды стали блестящей жемчужиной в области искусственного интеллекта, получив широкое применение во многих областях, таких как медицинская помощь и обслуживание. Чтобы способствовать дальнейшему развитию отрасли, местные органы власти ввели политику увеличения поддержки гуманоидных роботов и их ключевых компонентов. В производственной цепочке роботов-гуманоидов двигатель с полой чашкой играет важную роль в системе управления движением робота-гуманоида, например, основным компонентом ловкой руки гуманоидного робота Тесла является двигатель с полой чашкой, одиночный узел робота 12 (по 6 в каждой правой руке). Целью данной статьи является обсуждение технических характеристик, состояния рынка и будущих перспектив двигателей с полой чашкой посредством исследования.
Что такое двигатель с полой чашкой
1. Понятие и классификация электродвигателей.
Электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Он использует катушку под напряжением (то есть обмотку статора) для создания вращающегося магнитного поля и используется для ротора (например, закрытой алюминиевой рамы с «беличьей клеткой») для формирования магнитоэлектрического вращательного момента, который должен преобразовать силу, создаваемую протеканием тока в магнитном поле, во вращательное действие. Принцип состоит в том, чтобы использовать магнитное поле, чтобы заставить ток вращать двигатель.
Основной принцип вращения двигателя: вокруг постоянного магнита с вращающейся осью 1 вращается магнит (так что создается вращающееся магнитное поле), 2 по принципу притяжения гетерополя N и S полюса, такое же отталкивание полюса, 3 магнит с вращающейся осью будет вращаться.
В двигателе на самом деле ток, текущий по проводу, создает вокруг него вращающееся магнитное поле (магнитную силу), которое заставляет магнит вращаться. Когда провод наматывается в катушку, магнитная сила синтезируется, образуя большой поток магнитного поля (магнитный поток), в результате чего образуются северный и южный полюса. Вставив железный сердечник в катушку с проводом, линии магнитного поля становятся легче проходить и могут создавать более сильную магнитную силу.
Конструкция двигателя в основном состоит из двух частей: статора и ротора.
Статор: неподвижная часть двигателя, основная конструкция которого включает магнитный полюс, обмотку и кронштейн. Магнитный полюс — это часть двигателя, генерирующая магнитное поле, которое обычно состоит из железного сердечника и катушек. Обмотка — это катушка статора, обычно состоящая из проводников и изоляции, роль которой заключается в создании магнитного поля при прохождении через нее электрического тока. Кронштейн представляет собой опорную конструкцию статора, обычно изготовленную из алюминиевого сплава и других материалов, обладающую хорошей коррозионной стойкостью и прочностью.
Ротор: Вращающаяся часть двигателя, основная конструкция которого включает якорь, подшипники и торцевые крышки. Якорь — это катушка в роторе, обычно состоящая из проводников и изоляции, роль которой заключается в создании магнитного поля при прохождении через него электрического тока. Подшипники представляют собой опорную конструкцию ротора, обычно изготовленную из стали или керамики, обладающую хорошей износостойкостью и устойчивостью к коррозии. Торцевая крышка представляет собой торцевую конструкцию двигателя, обычно изготовленную из алюминиевого сплава и других материалов, с хорошей герметизацией и прочностью.
2. Определение и классификация двигателя с полой чашкой.
В 1958 году доктор Ф.Ф. Аульхабер разработал технологию наклонной обмотки катушки и получил соответствующий патент на двигатель с полой чашкой в 1965 году, что ознаменовало появление двигателя с полой чашкой, а его креативный конструктивный дизайн позволяет двигателю быть меньше по размеру и иметь большую эффективность. Двигатель с полой чашкой относится к серводвигателям постоянного тока с постоянными магнитами. Конструкция двигателя показана на следующем рисунке и в основном состоит из статора и ротора. Статор состоит из листа кремниевой стали и обмотки катушки, а лист кремниевой стали без структуры зубчатых канавок позволяет избежать эффекта зубчатых канавок и уменьшить потери в железе и потери на вихревые токи. Ротор состоит из постоянного магнита, вращающегося вала и его неподвижных частей, а в двигателе используется кольцевой постоянный магнит, который легко обрабатывать и устанавливать.
По сравнению с обычными двигателями, самой большой особенностью ротора является то, что он разрушает структуру ротора традиционного двигателя и использует ротор без сердечника, также известный как ротор с полой чашкой. Ротор представляет собой полую чашеобразную конструкцию, окруженную обмотками и магнитами. В обычных двигателях роль железного сердечника в основном заключается в следующем: 1) концентрировать и направлять магнитное поле: железный сердечник изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, листа кремниевой стали), который может концентрировать и направлять магнитный поток, тем самым улучшая силу магнитного поля и эффективность двигателя; 2) Опорная обмотка: железный сердечник обеспечивает прочную опорную конструкцию обмотки, гарантируя, что обмотка сохраняет стабильную форму и положение во время работы двигателя. В двигателе с полой чашкой в качестве ротора используется тонкостенный полый цилиндр, причем полый цилиндр наматывается непосредственно внутри обмотки без дополнительной опоры сердечника. Преимущества конструкции без сердечника: 1) Устранение вихревых токов и гистерезисных потерь: железный сердечник в обычном двигателе будет создавать вихревые токи и гистерезисные потери в переменном магнитном поле, что снижает эффективность двигателя. В двигателе с полой чашкой используется ротор без сердечника, который полностью устраняет эти потери, тем самым повышая эффективность преобразования энергии двигателя. 2) Уменьшите вес и момент инерции: конструкция без сердечника значительно снижает вес ротора, делая весь двигатель легче. В то же время уменьшение момента инерции позволяет двигателю иметь более высокую скорость реакции и более высокое ускорение, что очень полезно для сценариев применения, требующих быстрого запуска и остановки.
В то же время прецизионная конструкция конструкции полого цилиндра и расположения обмоток может оптимизировать распределение магнитного поля внутри двигателя с полой чашкой, уменьшить утечку магнитного поля и потери энергии, а также еще больше повысить эффективность и производительность двигателя.
Двигатель с полой чашкой можно разделить на два типа в зависимости от режима коммутации: один — двигатель с полой щеткой, который использует режим коммутации механической угольной щетки; Другой - бесщеточный двигатель с полой чашкой, который заменяет коммутацию щетки электронной коммутацией, позволяя избежать электрических искр и частиц тонера, образующихся во время работы щеточного двигателя, снижая шум и увеличивая срок службы двигателя. Из сравнения различных продуктов электроприборов Mingzhi на следующем рисунке видно, что в бесщеточном двигателе с полой чашкой нет необходимости в щетке, но датчик Холла обнаруживает сигнал магнитного поля ротора, превращает механическое реверсирование в реверс электронного сигнала и еще больше упрощает физическую структуру двигателя с полой чашкой.
3, преимущества двигателя с полой чашкой
Двигатель с полой чашкой разрушает структуру ротора традиционного двигателя, уменьшает потери мощности, вызванные образованием вихревых токов в железном сердечнике, а его масса и момент инерции значительно уменьшаются, тем самым уменьшая потери механической энергии самого ротора. Таким образом, двигатель с полой чашкой обладает такими преимуществами, как высокая удельная мощность, длительный срок службы, быстрый отклик, высокий пиковый крутящий момент, хорошее рассеивание тепла и так далее.
Высокая плотность мощности: плотность мощности двигателя с полой чашкой представляет собой отношение выходной мощности к весу или объему. По весу ротор без сердечника легче обычного ротора с сердечником; С точки зрения эффективности, ротор без сердечника устраняет вихревые токи и потери на гистерезис, генерируемые ротором без сердечника, повышает эффективность микродвигателя и обеспечивает высокий выходной крутящий момент и выходную мощность. Максимальный КПД большинства двигателей с полым стаканом составляет более 80%, тогда как максимальный КПД большинства щеточных двигателей постоянного тока обычно составляет около 50%. Меньший вес и более высокий КПД позволяют двигателям с полым стаканом достигать более высокой удельной мощности. Таким образом, двигатель с полой чашкой особенно подходит для устройств с батарейным питанием, требующих длительной работы, таких как портативные насосы для отбора проб воздуха, гуманоидные роботы, бионические руки, ручные электроинструменты и другие приложения.
Высокая плотность крутящего момента: конструкция без сердечника уменьшает вес ротора и момент инерции, а низкий момент инерции означает, что двигатель может ускоряться и замедляться быстрее, что позволяет генерировать больший крутящий момент за короткое время; В то же время отсутствие железного сердечника делает двигатель с полой чашкой более компактным, меньшим по размеру и способным обеспечить более высокий выходной крутящий момент в ограниченном пространстве.
Длительный срок службы: количество реверсивных частей двигателя с полой чашкой уменьшает колебания тока и индуктивность двигателя при реверсе, что значительно снижает электрическую коррозию реверсивной системы во время процесса реверса, что обеспечивает более длительный срок службы. Согласно данным «Прикладного исследования индивидуального управления двигателями с полой чашкой», срок службы коллекторных двигателей постоянного тока обычно составляет всего несколько сотен часов, а ожидаемый срок службы двигателей с полой чашкой обычно составляет от 1000 до 3000 часов, что может обеспечить более длительную надежную работу.
Быстрая скорость реакции: традиционный двигатель имеет относительно большой момент инерции из-за наличия железного сердечника, в то время как двигатель с полой чашкой компактен, а ротор представляет собой самонесущую катушку в форме чаши, поэтому вес меньше, а его меньший момент инерции также делает двигатель с полой чашкой чувствительным регулировочным характеристиками запуска и остановки. Согласно «Прогрессу исследований микродвигателя и катушки с полой чашкой», механическая постоянная времени двигателя с общим сердечником составляет около 100 мс, в то время как механическая постоянная времени двигателя с полой чашкой составляет менее 28 мс, а у некоторых продуктов даже меньше 10 мс.
Высокий пиковый крутящий момент: соотношение пикового крутящего момента и непрерывного крутящего момента двигателя с полой чашкой очень велико, поскольку процесс повышения тока до постоянной пикового крутящего момента не изменяется, а линейная зависимость между током и крутящим моментом может заставить микродвигатель создавать большой пиковый крутящий момент. После того, как обычный двигатель постоянного тока достигнет насыщения, независимо от увеличения тока, крутящий момент двигателя постоянного тока не увеличится.
Хорошее рассеивание тепла: поверхность ротора с полой чашкой имеет воздушный поток, лучше, чем характеристики теплоотвода основного ротора, эмалированная проволока ротора с сердечником встроена в канавку из кремниевого стального листа, поток воздуха на поверхности катушки меньше, повышение температуры больше, при тех же условиях выходной мощности повышение температуры двигателя постоянного тока с полой чашкой меньше.
4. Технический путь двигателя с полой чашкой
Ключевым этапом в производстве двигателя с полой чашкой является производство катушки, поэтому конструкция катушки и процесс намотки становятся ее основными барьерами. Диаметр, количество витков и линейность провода напрямую влияют на параметры сердечника двигателя. Барьер сердечника обмотки катушки напрямую отражается на конструкции катушки, поскольку разные типы обмоток имеют различия в степени автоматизации и расходе меди. С другой стороны, это также отражается на намоточном оборудовании и методе намотки, а скорость заполнения канавки полой чашки, намотанной разными намоточными машинами, различна, что приводит к различной разреженности, напрямую влияющей на потери двигателя, рассеивание тепла, мощность и так далее.
Угол конструкции катушки: Конструкцию обмотки двигателя с полой чашкой можно разделить на тип прямой обмотки, тип наклонной обмотки и тип седла.
Прямая обмотка: провод катушки параллелен оси двигателя, образуя концентрированную структуру обмотки. Идея конструкции катушки с прямой намоткой состоит в том, чтобы сначала намотать обычный круглый эмалированный провод на обмоточную головку в соответствии с требованием количества витков, а затем соединить обмотку с стержнем сердечника провода, а затем использовать связующее вещество на обоих концах для отверждения и формирования. Условно говоря, конец прямой обмотки не создает крутящего момента и увеличивает вес якоря и сопротивление якоря.
Косая намотка: также известная как сотовая намотка, используется метод сотовой намотки, оставляя отводы посередине. Чтобы иметь возможность непрерывной намотки, необходимо привести эффективную сторону элемента и ось якоря под определенный угол наклона. Конечный размер этого метода намотки невелик, но поскольку непрерывная намотка с наклонной намоткой требует определенного линейного угла, эмалированный провод перекрывается, и скорость заполнения пазов низкая. По сравнению с типом с прямой обмоткой якорь с наклонной обмоткой не имеет концевой обмотки, что снижает вес якоря и имеет такие преимущества, как небольшой момент инерции, малая постоянная времени, хорошие характеристики сопротивления и большой выходной крутящий момент. Faulhaber в Германии и Portescap в Швейцарии в основном используют наклонную намотку.
Тип седла: также известный как концентрическая или ромбовидная намотка, используется метод намотки фигурной катушки с последующей проводкой, то есть самоклеящийся эмалированный провод наматывается на специальную формующую намоточную матрицу, а чашка якоря изготавливается из нескольких формирующих устройств. При намотке два слоя катушек располагаются аккуратно и имеют определенную форму, что удобно для контроля размера чашки якоря после изменения формы и улучшения скорости заполнения пазов. В то же время этот метод обладает высокой эффективностью производства и подходит для массового производства. Конец якоря седловой обмотки имеет меньше перекрывающихся слоев, небольшой воздушный зазор и высокий коэффициент использования постоянного магнита, что повышает удельную мощность двигателя. В некоторых продуктах Maxon в Швейцарии используется обмотка седлового типа.
С точки зрения процесса намотки: С точки зрения технологии производства, в зависимости от метода формования катушка в основном делится на три категории: ручная намотка, намотка и производство одноразовой формовки.
1) Ручной завод. Посредством ряда сложных процессов, включая установку штифтов, ручную намотку, ручную проводку и другие этапы производства. Он подходит для продуктов, требующих высокой степени индивидуализации, но эффективность производства и стабильность продукта ограничены.
2) Технология производства намоток. Технология производства намотки - полуавтоматическое производство, эмалированную проволоку сначала последовательно наматывают на главный вал ромбовидного сечения, а по достижении необходимой длины удаляют, затем расплющивают в проволочную пластину и, наконец, проволочную пластину наматывают в катушку чашеобразной формы. В соответствии с процессом намотки «процесс и оборудование для производства якоря с полой чашкой», следующая намоточная машина может быть оснащена 4 рабочими для достижения годовой производительности 30 000 единиц, но ограничение намотки заключается в том, что она больше подходит для диаметра полой чашки 20-30 мм, трудно наматывать катушки меньшего размера с расстоянием между отводами менее 7 мм, то есть изделия диаметром менее 10 ~ 12 мм. В целом эффективность процесса намотки относительно высока и может удовлетворить потребности среднего производства. Однако высокая доля ручного участия приводит к тому, что консистенция готового продукта может быть не такой хорошей, как при автоматизированном производстве, и трудно обеспечить меньший размер обмотки катушки с полой чашкой.
3) Одна технология производства литья. Намоточная машина с помощью оборудования автоматизации будет представлять собой эмалированную проволоку по правилу шпинделя, намотка катушки в чашку после снятия, одна формовка, отсутствие необходимости свертывания и выравнивания нескольких процессов, высокая степень автоматизации, что повышает эффективность производства и консистенцию готовой продукции; Однако соответствующие первоначальные инвестиции в оборудование будут выше.
Заморский процесс намотки развит рано, степень автоматизации выше отечественного. В отечественном производстве в основном используется намоточное производство, процесс более сложный, трудоемкость рабочих велика, невозможно выполнить катушку с более толстым диаметром проволоки, а процент брака высок. Зарубежные страны в основном используют технологию производства одноразовой намотки, высокую степень автоматизации, высокую эффективность производства, диапазон диаметров катушек, хорошее качество катушек, плотное расположение, типы двигателей, хорошую производительность.
Звенья промышленных цепей и последующие применения
Перед двигателем с полой чашкой находятся сырье и детали, сырье включает медь, сталь, магнитную сталь, пластик и т. д., детали включают подшипники, щетки, коммутаторы и т. д. Средние этапы производственной цепочки — производители двигателей. Ниже по течению производственной цепочки находится конец приложения, а двигатель с полой чашкой обладает характеристиками высокой чувствительности, стабильной работы и четкого управления, что соответствует строгим требованиям высокотехнологичной области электропривода, поэтому он в основном используется в аэрокосмической, медицинской технике, промышленной автоматизации, робототехнике и других высокотехнологичных областях. В то же время двигатель с полой чашкой постепенно применяется в гражданской сфере, например, в офисной автоматизации, электроинструментах и т. д.
Многообещающий двигатель с полым стаканом
Двигатель с полой чашкой, обладающий уникальной конструкцией без железного сердечника, демонстрирующий высокую скорость, высокую эффективность, высокую динамическую реакцию и другие существенные преимущества, широко используется в аэрокосмической, медицинской технике и других областях. Гибкость рук робота-гуманоида также оказывает значительное влияние. Хотя зарубежные предприятия, такие как Maxon и Faulhaber, в настоящее время имеют преимущество первопроходца, благодаря постоянному совершенствованию технического уровня отечественных производителей и быстрому развитию рынка гуманоидных роботов отечественные двигатели с полыми чашками откроют новые возможности для развития.
