Двигатель с полой чашкой (микробессердечниковый двигатель) — это специальный двигатель постоянного тока. Традиционный Двигатель постоянного тока широко используется в промышленном производстве, бытовой технике, транспорте и других областях, состоит из двух основных частей статора и ротора, стационарная часть двигателя постоянного тока называется статором, основная роль статора заключается в создании магнитного поля, состоящего из рамы, главного магнитного полюса, реверсивного полюса, торцевой крышки, подшипника и щеточного устройства. Обычно используемые материалы статорных магнитов включают Ndfeb, самарий-кобальт, алюминий-никель-кобальт и феррит. Часть, которая вращается во время работы, называется ротором, и ее основная роль заключается в создании электромагнитного крутящего момента и наведенной электродвижущей силы, которая является ступицей двигателя постоянного тока для преобразования энергии, поэтому ее обычно называют якорем, который состоит из вращающегося вала, сердечника якоря, обмотки якоря, коммутатора и вентилятора.
Двигатель с полой чашкой разрушает структурную форму традиционного двигателя постоянного тока, используя ротор без сердечника, а его обмотка якоря представляет собой катушку с полой чашкой, по форме похожую на чашку с водой, поэтому его называют «двигателем с полой чашкой». Двигатель с полой чашкой относится к микродвигателю постоянного тока с постоянным магнитом. Благодаря этой новой конструкции ротора двигатель с полой чашкой обладает следующими превосходными характеристиками: ① Энергосберегающие характеристики: конструкция без сердечника полностью исключает потери мощности, вызванные образованием вихревых токов в железном сердечнике, а эффективность преобразования энергии очень высока, максимальный КПД обычно превышает 70%, а некоторые продукты могут достигать более 90% (двигатели с железным сердечником обычно составляют 70%); (2) Характеристики управления: быстрый запуск и торможение, быстрый отклик, механическая постоянная времени менее 28 миллисекунд, некоторые продукты могут достигать менее 10 миллисекунд (основные двигатели обычно более 100 миллисекунд); Скорость можно легко регулировать в режиме высокой скорости в рекомендуемой рабочей зоне; (3) Характеристики сопротивления: стабильность работы очень надежна, колебания скорости очень малы, поскольку у микродвигателя колебания скорости можно легко контролировать в пределах 2%; ④ Легкие характеристики: по сравнению с двигателем того же силового сердечника его вес и объем уменьшены на 1/3-1/2, а плотность энергии значительно улучшена. Основным показателем двигателя с полой чашкой является плотность мощности, то есть отношение выходной мощности к весу или объему. Ротор без железного сердечника устраняет вихревые токи и гистерезисные потери на молекулярном конце и повышает эффективность преобразования энергии. Уменьшение веса и объема в конце знаменателя.
Кисть – важный компонент щеточный двигатель , отвечающий за проведение тока между вращающимися и неподвижными частями. Поскольку он больше сделан из графита, его также называют угольной щеткой. В обычном двигателе постоянного тока, чтобы поддерживать вращение ротора, направление тока ротора необходимо изменять в реальном времени, поэтому необходимо использовать коммутатор и угольную щетку. Бесщеточный двигатель отменяет режим коммутации механической щетки, поэтому для завершения электронной коммутации необходимо определить положение ротора. Существует два распространенных способа получения информации о положении ротора: (1) режим бездатчикового управления, когда двигатель работает, положение ротора определяется измеряемой переменной, возвращаемой двигателем; В режиме управления датчиком положения положение ротора двигателя определяется непосредственно датчиком положения внутри двигателя. Обычно используемыми датчиками положения являются датчики Холла, фотоэлектрические энкодеры, вращающиеся трансформаторы и т. д. Точность обнаружения датчика Холла невысокая, но и цена низкая; Фотоэлектрический энкодер и определение положения вращающегося трансформатора являются точными, погрешность невелика, и они обычно используются для высокопроизводительных систем управления, таких как управление ориентацией магнитного поля и прямое управление крутящим моментом.
Двигатель с полой чашкой по своей конструкции можно разделить на два типа: щеточные и бесщеточные. ① Щеточный двигатель с полой чашкой (также известный как коллекторный двигатель постоянного тока без сердечника, ротор без железного сердечника): использование механического щеточного коммутатора, обычно с помощью корпуса, внутреннего статора из магнитомягкого материала, статора с постоянными магнитами, состава якоря ротора с полой чашкой. Когда на щеточный двигатель с полой чашкой подается питание, через обмотку проходит ток, создавая крутящий момент, ротор начинает вращаться. Если ротор поворачивается на определенный угол, щетка использует механический коммутатор для изменения направления тока, так что направление выходного крутящего момента остается неизменным, ротор продолжает вращаться. Поскольку щеточный двигатель с полой чашкой использует щеточную коммутацию, во время работы двигателя возникает определенное относительное трение, которое создает шум, электрическую искру и сокращает срок службы двигателя. Обычно отечественный «двигатель с полой чашкой» обычно относится к щеточному двигателю; ② бесщеточный двигатель с полой чашкой (также известный как бесщеточный безпазовый двигатель постоянного тока, статор без железного сердечника): использование электронной коммутации, как правило, с помощью корпуса, магнитомягких материалов, изоляционных материалов и якоря с полой чашкой, состоящего из статора и стального ротора с постоянными магнитами. Бесщеточный двигатель с полой чашкой соединяет различные обмотки с цепью, управляя включением и выключением электронных компонентов для достижения эффекта реверса. Благодаря этому режиму коммутации бесщеточный двигатель с полой чашкой обладает характеристиками высокой эффективности, небольшими колебаниями крутящего момента, длительным сроком службы, компактной конструкцией, простотой обслуживания и т. д.
1.2. Сердечник барьера: процесс намотки
Технологическая схема двигателя с полой чашкой сложна, и сложность обработки намного выше, чем у обычного двигателя постоянного тока с пазами. Если взять в качестве примера беспазовый двигатель постоянного тока компании Dingzhi Technology (то есть ее продукцию с полыми чашками), от установки передней обмотки катушки, среднего подшипника, оправки, опорного кольца и других основных частей до установки задней крышки, линии сварки печатной платы и т. д., включающей около 30 процессов, сложность намного выше, чем у обычных двигателей постоянного тока с пазами. Производство катушки должно проходить процесс эмалированного провода – намотка – нагрев, формовка – зачистка провода, подключение общего провода – установка катушки и так далее.
Среди них производство катушек является одним из основных процессов двигателя с полой чашкой. Безсердечниковые самонесущие обмотки изготавливаются из так называемого эмалированного провода, который представляет собой изолированный медный провод, покрытый снаружи слоем краски. В процессе производства краска соседних проводов сплавляется вместе под действием давления и температуры. Правильное соединение (лента или стекловолокно) может еще больше повысить прочность и стабильность формы обмотки, что особенно важно при больших токовых нагрузках.
Технология производства катушек двигателя с полой чашкой в основном делится на три категории в зависимости от метода формирования катушки: 1) ручная намотка. Посредством ряда сложных процессов, включая установку штифтов, ручную намотку, ручную проводку и другие этапы производства. 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. На примере намоточной полой чашки производственный процесс можно условно разделить на следующие этапы: (1) Намотка катушки шестиугольной проволочной заготовки: выполняется на намоточной машине с наклонной группой намотки; ② Заготовка катушки провода оклеена двумя кусками профилированной ленты, чувствительной к давлению, которую можно вынуть из формы и расплющить; ③ Выравнивание: формовочная пластина вставляется в катушку заготовки проволоки, катушка выравнивается, а затем отправляется на правильную машину, чтобы выровнять и превратить в плоскую заготовку проволоки. Придайте форму бамбуковым скребком. Отрежьте лишнюю ленту, оставив только одну зацепку, зацепку следует оставить на слегка приподнятой стороне плоской пряди, чтобы катушка могла образовывать ряд; ④ Катушка: плоская заготовка проволоки подается в катушку машины для изготовления катушек с полой чашкой, так что проволочная заготовка соединяется с концом, а лента наклеивается на поверхность головки заготовки проволоки, образуя катушку с полой чашкой; ⑤ Формирование эпоксидного покрытия: после нанесения эпоксидного клея поместите его в духовку для отверждения и придания формы. 3) Одна технология производства литья. Намоточная машина наматывает эмалированную проволоку на шпиндель по закону через средства автоматизации и снимает катушку после намотки в чашку, формируя за один раз, и не требует многократных процессов, таких как прокатка и плющение, с высокой степенью автоматизации.
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. В зависимости от способа намотки двигатель с полой чашкой можно разделить на прямую, седловидную и наклонную обмотку. В 1958 году доктор Ф.Ф. Аульхабер (фон Хабер) из Германии разработал технологию намотки катушки с наклонной обмоткой и в 1965 году получил патентную технологию наклонной обмотки катушки ротора двигателя с полой чашкой. Германия, Швейцария, Япония и другие разработки двигателей с полой чашкой ранее в процессе намотки накопили богатый опыт. Среди трех ведущих двигателей с полым стаканом в мире швейцарский Maxon в основном использует прямую и седловидную форму обмотки, а немецкий Faulhaber и швейцарский Portescap в основном используют наклонную форму обмотки. Процесс прямой намотки более сложен и чаще всего применяется для длинных намоточных конструкций, часто выполненных из нескольких намоток. Форма седла может уменьшить толщину катушки, эффективно уменьшить магнитный воздушный зазор в двигателе с высокой плотностью мощности, увеличить длину режущего магнитного поля и лучше использовать магнетизм статора; Косая обмотка, разработанная ранее, относительно простая обмотка, плотная проводка, подходит для крупносерийного производства.
Обмотка является основным техническим барьером двигателя с полой чашкой. ① Связь с дизайном: за рубежом три основные технологии возникли в 1960-х годах: отечественный двигатель с полой чашкой начал поздно, меньше исследований, отсутствие сочетания класса подразделения материала, типа чашки ротора для оптимизации двигателя, отсутствие систематического передового проектирования, отсутствие индивидуальных требований к конфигурации схемы привода системы и возможностям проектирования продукта; ② Ссылка на обработку: по сравнению с традиционным бесщеточным двигателем, щеточным двигателем и серводвигателем конструкция двигателя с полой чашкой относится к структуре беззубых канавок, нет фиксированной канавки, вся эмалированная проволока подвешена намоткой, нет внутренней опоры, это очень сложно в процессе, и ранний выход продукции низкий. Что касается точности обмотки, требования к точности двигателей с полым стаканом выше, чем у традиционных двигателей. Сам двигатель с полой чашкой имеет небольшой размер, а допуск на погрешность ниже, чем у обычных двигателей с постоянными магнитами и шаговых двигателей, а точность обработки напрямую влияет на стабильность магнитного поля. Разница в толщине провода и витках обмотки приводит к большим различиям в значении сопротивления обмотки, пусковом токе, постоянной скорости и других параметрах двигателя. В связи с этим отечественным производителям необходимо повысить точность, производительность и автоматизацию звеньев производства и обработки. По сравнению с зарубежными странами Китай также относительно слаб в плане намоточного оборудования. Намоточное оборудование можно разделить на автоматическое и ручное неавтоматическое. По сравнению с зарубежными странами степень автоматизации намоточного оборудования в Китае относительно низкая. К ведущим мировым производителям намоточного оборудования относятся швейцарская компания Meteor, японская компания Tanaka Seiki Co., Ltd. и японская Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Отечественные предприятия по-прежнему находятся в относительно свободном состоянии с точки зрения оборудования, и они закупают все больше японского намоточного оборудования по ценам от сотен тысяч до миллионов. К относительно представительным компаниям в Китае относятся Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook и так далее.
1.3 Дальнейшие применения: характеристики двигателя с полым стаканом определяют сценарий дальнейшего применения.
Двигатель с полым стаканом относится к микродвигателю, а исходное сырье аналогично сырью микродвигателя, включая медь, сталь, магнитную сталь, подшипники, пластмассы и т. д. Двигатель с полым стаканом первоначально использовался в авиации, аэрокосмической, военной и других передовых отраслях промышленности, в последние годы его применение постепенно распространилось на гражданские отрасли, такие как медицинские приборы, бытовая электроника, электроинструменты, промышленная автоматизация и другие сценарии.
Различные характеристики двигателя с полой чашкой соответствуют его применению в разных областях: 1) характеристики небольшого размера, легкого веса и большого соотношения мощности к объему делают его подходящим для областей с высокими требованиями к весу, таких как различные типы самолетов и т. д., что может минимизировать вес самолета; Он также широко используется в различных потребительских электронных продуктах, таких как электрические зубные щетки и портативные электрические вентиляторы. 2) Характеристики быстрого запуска и торможения, а также чрезвычайно быстрый отклик делают его подходящим для областей, где необходимо добиться быстрого автоматического управления, таких как регулировка направления ракеты с высокими требованиями к эффективности управления, высокоскоростное отслеживание оптического привода, высокочувствительное оборудование, промышленные роботы и т. д. 3) Характеристики высокой эффективности преобразования энергии и длительного времени работы делают его подходящим для всех видов областей, требующих энергосбережения и времени автономной работы, таких как портативные инструменты и оборудование для полевых работ.
Робот-гуманоид открывает новый голубой океан применения двигателей с полыми чашками. Согласно последней разработке Оптимуса, робота-гуманоида, выпущенного компанией Tesla, каждая рука включает в себя шесть приводов и 11 степеней свободы, два привода для большого пальца и по одному приводу для каждого из остальных четырех пальцев, а рука может нести до 20 фунтов. Модуль ручного шарнира в основном состоит из двигателя с полой чашкой, прецизионного планетарного редуктора, шарикового винта и датчика. Двигатель с полой чашкой позволяет пальцу двигаться, прецизионный планетарный редуктор позволяет манипулятору более точно позиционировать и использовать его более гибко, энкодер обеспечивает высокоточную обратную связь по положению и скорости руки, а датчик позволяет роботу иметь функции восприятия и реакции, подобные человеческим. По мнению Маска, количество роботов-гуманоидов в будущем превысит количество людей и, как ожидается, в долгосрочной перспективе достигнет уровня 100 миллиардов единиц. Двигатель с полой чашкой является основным техническим решением для рук робота с высокой степенью надежности. Роботы-гуманоиды используют 6 двигателей с полыми чашками на руку, учитывая конечную ситуацию, ожидается, что количество роботов-гуманоидов достигнет уровня в один миллиард единиц, если массовое производство приземляющихся роботов-гуманоидов повлечет за собой рост доходов предприятий, связанных с двигателями с полыми чашками.
