Humanoidní roboti sa stali žiarivou perlou v oblasti umelej inteligencie.
Humanoidné roboty sa v posledných rokoch stali žiarivou perlou v oblasti umelej inteligencie s ich širokým uplatnením v mnohých oblastiach, ako je lekárska starostlivosť a služby. S cieľom ďalej podporovať rozvoj tohto odvetvia zaviedli miestne vlády politiky na zvýšenie podpory humanoidných robotov a ich kľúčových komponentov. V reťazci priemyslu humanoidných robotov hrá motor dutého pohára dôležitú úlohu v systéme riadenia pohybu humanoidného robota, ako je napríklad základná súčasť šikovnej ruky humanoidného robota Tesla motor s dutým pohárom, jedna zostava robota 12 (6 na každej pravej ruke). Cieľom tohto príspevku je diskutovať o technických charakteristikách, stave trhu a budúcich vyhliadkach motora s dutou miskou prostredníctvom výskumu.
čo je motor s dutým pohárom
1. Pojem a klasifikácia motora
Elektromotor je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu. Používa napájanú cievku (to znamená vinutie statora) na generovanie rotujúceho magnetického poľa a používa sa pre rotor (ako je uzavretý hliníkový rám s klietkou nakrátko) na vytvorenie magnetoelektrického rotačného momentu, ktorý má premeniť silu generovanú tokom prúdu v magnetickom poli na rotačnú akciu. Princípom je použitie magnetického poľa na prinútenie prúdu, aby sa motor otáčal.
Základný princíp rotácie motora: okolo permanentného magnetu s rotujúcou osou 1 otáčať magnetom (tak, aby sa generovalo rotujúce magnetické pole), 2. podľa princípu priťahovania heteropólu N pólu a S pólu, rovnaké odpudzovanie pólov, 3. magnet s rotujúcou osou sa otáča.
V motore je to vlastne prúd pretekajúci drôtom, ktorý okolo neho vytvára rotujúce magnetické pole (magnetickú silu), ktoré spôsobuje otáčanie magnetu. Keď je drôt navinutý do cievky, magnetická sila sa syntetizuje tak, aby vytvorila veľký tok magnetického poľa (magnetický tok), ktorého výsledkom sú póly N a S. Vložením železného jadra do cievky drôtu sa siločiary magnetického poľa ľahšie prenesú a môžu vytvoriť silnejšiu magnetickú silu.
Konštrukcia motora sa skladá hlavne z dvoch častí: statora a rotora.
Stator: stacionárna časť motora, ktorej hlavná konštrukcia obsahuje magnetický pól, vinutie a konzolu. Magnetický pól je časť motora, ktorá generuje magnetické pole, ktoré sa zvyčajne skladá zo železného jadra a cievok. Vinutie je cievka v statore, zvyčajne zložená z vodičov a izolácie, ktorej úlohou je vytvárať magnetické pole, keď cez ňu prechádza elektrický prúd. Držiak je nosná konštrukcia statora, zvyčajne vyrobená z hliníkovej zliatiny a iných materiálov, s dobrou odolnosťou proti korózii a pevnosťou.
Rotor: Rotujúca časť motora, ktorého hlavná konštrukcia obsahuje kotvu, ložiská a koncové uzávery. Kotva je cievka v rotore, zvyčajne zložená z vodičov a izolácie, ktorej úlohou je vytvárať magnetické pole, keď ňou prechádza elektrický prúd. Ložiská sú nosnou konštrukciou rotora, zvyčajne vyrobené z ocele alebo keramiky, s dobrou odolnosťou proti opotrebovaniu a korózii. Koncový kryt je koncová konštrukcia motora, zvyčajne vyrobená z hliníkovej zliatiny a iných materiálov, s dobrým tesnením a pevnosťou.
2, definícia a klasifikácia motora dutého pohára
V roku 1958 Dr.FF aulhaber vyvinul technológiu naklonenej cievky a získal príslušný patent na motor s dutou miskou v roku 1965, čo značí nástup motora s dutou miskou a jeho kreatívny konštrukčný dizajn umožňuje, aby mal motor menšie rozmery a vyššiu účinnosť. Motor s dutou miskou patrí k jednosmernému servomotoru s permanentným magnetom, štruktúra motora je znázornená na nasledujúcom obrázku, pozostáva hlavne zo statora a rotora. Stator sa skladá z plechu z kremíkovej ocele a vinutia cievky a plech z kremíkovej ocele bez štruktúry zubovej drážky môže zabrániť efektu zubovej drážky a znížiť straty železa a straty vírivými prúdmi. Rotor sa skladá z permanentného magnetu, otočného hriadeľa a jeho pevných častí a motor využíva prstencový permanentný magnet, ktorý sa ľahko spracováva a inštaluje.
V porovnaní s bežnými motormi je najväčšou črtou rotora to, že preráža štruktúru rotora tradičného motora a používa rotor bez jadra, tiež známy ako rotor s dutým pohárom. Rotor je dutá miskovitá konštrukcia obklopená vinutiami a magnetmi. V bežných motoroch je úlohou železného jadra hlavne: 1) koncentrovať a viesť magnetické pole: železné jadro je vyrobené z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou (ako je plech z kremíkovej ocele), ktorý dokáže koncentrovať a viesť magnetický tok, čím sa zlepší intenzita magnetického poľa a účinnosť motora; 2) Podporné vinutie: Železné jadro poskytuje pevnú nosnú štruktúru pre vinutie, čím zaisťuje, že vinutie si počas prevádzky motora zachováva stabilný tvar a polohu. V motore s dutým pohárom sa ako rotor používa tenkostenný dutý valec a dutý valec je navinutý priamo vo vinutí bez ďalšej podpory jadra. Výhody bezjadrovej konštrukcie: 1) Eliminácia vírivých prúdov a hysteréznych strát: Železné jadro v bežnom motore bude produkovať vírivé prúdy a hysterézne straty v striedavom magnetickom poli, čo zníži účinnosť motora. Motor s dutým pohárom využíva rotor bez jadra, ktorý tieto straty úplne eliminuje, čím sa zlepšuje účinnosť premeny energie motora. 2) Zníženie hmotnosti a momentu zotrvačnosti: konštrukcia bez jadra výrazne znižuje hmotnosť rotora, vďaka čomu je celý motor ľahší. Zníženie momentu zotrvačnosti zároveň umožňuje, aby mal motor vyššiu rýchlosť odozvy a vyššiu akceleráciu, čo je veľmi výhodné pre scenáre aplikácií, ktoré vyžadujú rýchly štart a zastavenie.
Súčasne môže precízny dizajn konštrukcie dutého valca a usporiadanie vinutia optimalizovať distribúciu magnetického poľa vo vnútri motora s dutým pohárom, znížiť magnetický únik a stratu energie a ďalej zlepšiť účinnosť a výkon motora.
Motor s dutou miskou možno rozdeliť na dva druhy podľa režimu komutácie: jedným je motor s dutou miskou, ktorý využíva režim komutácie s mechanickou uhlíkovou kefou; Druhým je bezkomutátorový motor s dutým pohárom, ktorý nahrádza komutáciu kefy elektronickou komutáciou, čím sa vyhýba elektrickej iskre a časticiam tonera vznikajúcim počas prevádzky motora kefy, čím sa znižuje hluk a zvyšuje sa životnosť motora. Z porovnania rôznych produktov elektrospotrebičov Mingzhi na nasledujúcom obrázku je vidieť, že v bezkefkovom motore s dutým pohárom nie je potrebná kefa, ale Hallov senzor deteguje signál magnetického poľa rotora, mení mechanickú reverzáciu na elektronickú reverzáciu signálu a ešte viac zjednodušuje fyzikálnu štruktúru motora s dutou miskou.
3, výhody motora dutého pohára
Motor s dutou miskou preráža štruktúru rotora tradičného motora v konštrukcii, znižuje stratu výkonu spôsobenú tvorbou vírivých prúdov v železnom jadre a jeho hmotnosť a moment zotrvačnosti sú výrazne znížené, čím sa znižujú straty mechanickej energie samotného rotora. Stručne povedané, motor s dutým pohárom má výhody vysokej hustoty výkonu, dlhej životnosti, rýchlej odozvy, vysokého špičkového krútiaceho momentu, dobrého odvodu tepla atď.
Vysoká hustota výkonu: Hustota výkonu motora s dutým pohárom je pomer výstupného výkonu k hmotnosti alebo objemu. Z hľadiska hmotnosti je rotor bez jadra ľahší ako bežný rotor s jadrom; Čo sa týka účinnosti, bezjadrový rotor eliminuje vírivé prúdy a straty hysterézie generované bezjadrovým rotorom, zlepšuje účinnosť mikromotora a zaisťuje vysoký výstupný krútiaci moment a výstupný výkon. Maximálna účinnosť väčšiny motorov s dutou miskou je viac ako 80%, zatiaľ čo maximálna účinnosť väčšiny kefových jednosmerných motorov je vo všeobecnosti okolo 50%. Nižšia hmotnosť a vyššia účinnosť umožňujú motorom s dutou miskou dosiahnuť vyššiu hustotu výkonu. Preto je motor s dutým pohárom vhodný najmä pre aplikácie napájané z batérie, ktoré vyžadujú dlhú dobu prevádzky, ako sú prenosné čerpadlá na odber vzoriek vzduchu, humanoidné roboty, bionické ruky, ručné elektrické náradie a iné aplikácie.
Vysoká hustota krútiaceho momentu: konštrukcia bez jadra znižuje hmotnosť rotora a moment zotrvačnosti a nízky moment zotrvačnosti znamená, že motor môže rýchlejšie zrýchľovať a spomaľovať, čím je schopný generovať väčší krútiaci moment v krátkom čase; Neprítomnosť železného jadra zároveň robí motor s dutým pohárom kompaktnejším, menším a schopným poskytovať vyšší krútiaci moment v obmedzenom priestore.
Dlhá životnosť: Počet reverzných kusov motora s dutou miskou znižuje kolísanie prúdu a indukčnosť motora pri reverzácii, čím sa výrazne znižuje elektrická korózia reverzného systému počas procesu reverzácie, aby sa dosiahla dlhšia životnosť. Podľa údajov v 'Aplikačný výskum prispôsobeného riadenia motorov s dutými pohármi' je životnosť motorov s kefovaným jednosmerným prúdom vo všeobecnosti len niekoľko stoviek hodín a očakávaná životnosť motorov s dutými pohármi je zvyčajne medzi 1000 a 3000 hodinami, čo môže poskytnúť dlhšiu spoľahlivú prevádzku.
Vysoká rýchlosť odozvy: tradičný motor má relatívne veľký moment zotrvačnosti v dôsledku existencie železného jadra, zatiaľ čo motor s dutou miskou je kompaktný a rotor je samonosná cievka v tvare misky, takže hmotnosť je ľahšia a menší moment zotrvačnosti spôsobuje, že motor s dutou miskou má citlivé nastavovacie charakteristiky štart-stop. Podľa 'Pokroku výskumu mikromotora a cievky s dutou miskou' je mechanická časová konštanta motora so všeobecným jadrom asi 100 ms, zatiaľ čo mechanická časová konštanta motora s dutou miskou je menšia ako 28 ms a niektoré produkty sú dokonca menej ako 10 ms.
Vysoký špičkový krútiaci moment: Pomer špičkového krútiaceho momentu a trvalého krútiaceho momentu motora s dutou miskou je veľmi veľký, pretože proces stúpania prúdu na konštantný maximálny krútiaci moment sa nemení a lineárny vzťah medzi prúdom a krútiacim momentom môže spôsobiť, že mikromotor produkuje veľký špičkový krútiaci moment. Keď bežný jednosmerný motor s jadrom dosiahne saturáciu, bez ohľadu na zvýšenie prúdu sa krútiaci moment jednosmerného motora nezvýši.
Dobrý odvod tepla: povrch rotora s dutým pohárom má prietok vzduchu, lepší ako výkon odvádzania tepla jadrového rotora, smaltovaný drôt rotora s jadrom je zapustený do drážky silikónového plechu, prúdenie vzduchu na povrchu cievky je menšie, nárast teploty je väčší, za rovnakých podmienok výkonu je nárast teploty motora s dutým pohárom na jednosmerný prúd menší.
4, technická cesta motora s dutým pohárom
Kľúčovým krokom pri výrobe motora s dutým pohárom je výroba cievky, takže jej hlavnými bariérami sa stávajú dizajn cievky a proces navíjania. Priemer, počet závitov a linearita drôtu priamo ovplyvňujú parametre jadra motora. Základná bariéra vinutia cievky sa priamo odráža v konštrukcii cievky, pretože rôzne typy vinutia majú rozdiely v rýchlosti automatizácie a spotrebe medi. Na druhej strane sa to odráža aj v navíjacom zariadení a spôsobe navíjania a rýchlosť plnenia drážky dutej misky navinutej rôznymi navíjacími strojmi je odlišná, čo vedie k rôznym riedkym, priamo ovplyvňujúcim stratu motora, rozptyl tepla, výkon atď.
Konštrukcia cievky Uhol: Konštrukciu vinutia motora s dutou miskou možno rozdeliť na typ s priamym vinutím, typ so šikmým vinutím a typ sedla.
Priame vinutie: Drôt cievky je rovnobežný s osou motora a tvorí sústredenú štruktúru vinutia. Konštrukčnou myšlienkou priamo navinutej cievky je najprv navinúť obyčajný kruhový smaltovaný drôt na navíjaciu matricu podľa požiadavky na počet závitov a potom pripojiť vinutie na driek jadra drôtu a potom použiť spojivo na oboch koncoch na vytvrdenie a tvarovanie. Relatívne povedané, koniec priameho vinutia nevytvára žiadny krútiaci moment a zvyšuje hmotnosť kotvy a odpor kotvy.
Šikmé navíjanie: známe aj ako voštinové navíjanie, používa sa metóda voštinového navíjania s ponechaním kohútikov v strede, aby bolo možné plynule navíjať, je potrebné urobiť účinnú stranu prvku a os kotvy do určitého uhla sklonu. Koncová veľkosť tohto spôsobu vinutia je malá, ale pretože kontinuálne vinutie so šikmým vinutím vyžaduje určitý uhol čiary, smaltovaný drôt sa prekrýva a rýchlosť plnenia štrbín je nízka. V porovnaní s typom s priamym vinutím nemá kotva so šikmým vinutím žiadne koncové vinutie, čím sa znižuje hmotnosť kotvy a má výhody malého momentu zotrvačnosti, malej časovej konštanty, dobrých vlastností odporu a veľkého výstupného krútiaceho momentu. Faulhaber v Nemecku a Portescap vo Švajčiarsku väčšinou používajú šikmé vinutie.
Sedlový typ: tiež známy ako koncentrické alebo kosoštvorcové vinutie, používa sa metóda navíjania tvarovanej cievky a následného zapojenia, to znamená, že samolepiaci smaltovaný drôt je navinutý na špeciálnej tvarovacej matrici a miska kotvy je vyrobená z viacerých tvarovacích usporiadaní. Pri navíjaní sú dve vrstvy cievok usporiadané úhľadne a tvarované, čo je vhodné na kontrolu veľkosti misky kotvy po pretvarovaní a zlepšenie rýchlosti plnenia štrbiny. Zároveň má táto metóda vysokú efektivitu výroby a je vhodná pre hromadnú výrobu. Koniec kotvy vinutia sedla má menej prekrývajúcich sa vrstiev, malú vzduchovú medzeru a vysokú mieru využitia permanentného magnetu, čo zlepšuje hustotu výkonu motora. Niektoré produkty spoločnosti Maxon vo Švajčiarsku používajú navíjanie sedlového typu.
Z hľadiska procesu navíjania: Z hľadiska technológie výroby sa cievka podľa spôsobu tvárnenia delí hlavne do troch kategórií: ručné navíjanie, navíjanie a výroba jednorazového tvárnenia.
1) Manuálne navíjanie. Prostredníctvom série zložitých procesov, vrátane vkladania kolíkov, ručného navíjania, ručného zapojenia a ďalších krokov na výrobu. Je vhodný pre produkty vyžadujúce vysoký stupeň prispôsobenia, ale efektivita výroby a stabilita produktu sú obmedzené.
2) Technológia výroby vinutia. Technológia výroby vinutia je poloautomatická výroba, smaltovaný drôt sa najskôr postupne navíja na hlavný hriadeľ s kosoštvorcovým prierezom a po dosiahnutí potrebnej dĺžky sa stiahne a následne sploští do drôtenej dosky a nakoniec sa drôtová doska navinie do miskovitého zvitku. Podľa procesu navíjania 'výrobného procesu a vybavenia dutej misky armatúry' môže byť ďalší navíjací stroj nakonfigurovaný so 4 pracovníkmi, aby sa dosiahla ročná produkcia 30 000 jednotiek, ale obmedzením navíjania je, že je vhodnejšie pre priemer dutého pohára 20-30 mm, je ťažké navíjať menšie zvitky s rozstupom závitov, ktoré sú menšie ako 7 mm, 1 mm, 1 mm, výrobky s priemerom menej ako 7 mm. Celkovo je výrobná účinnosť procesu navíjania relatívne vysoká a môže spĺňať požiadavky strednej výroby. Jeho vysoká miera manuálnej účasti však vedie k tomu, že konzistencia hotového produktu nemusí byť taká dobrá ako automatizovaná výroba a je ťažké splniť menšiu veľkosť vinutia dutej misky.
3) Jedna technológia výroby formovania. Navíjací stroj cez automatizačné zariadenie bude smaltovaný drôt podľa pravidla vretena, navíjanie cievky do pohára po odstránení, jeden výlisok, nie je potrebné valcovať a vyrovnávať viaceré procesy, vysoký stupeň automatizácie, takže efektívnosť výroby a konzistencia hotového výrobku sú lepšie; Ale zodpovedajúca počiatočná investícia do vybavenia bude vyššia.
Proces navíjania v zámorí sa vyvinul skoro, stupeň automatizácie je vyšší ako domáci. Domáci prijímajú hlavne výrobu vinutia, proces je komplikovanejší, pracovná náročnosť pracovníkov je veľká, nemôže dokončiť cievku s hrubším priemerom drôtu a miera šrotu je vysoká. Zahraničie používa hlavne jednorazovú technológiu výroby rán, vysoký stupeň automatizácie, vysokú efektivitu výroby, rozsah priemerov cievok, dobrú kvalitu cievok, tesné usporiadanie, typy motorov, dobrý výkon.
Články priemyselných reťazí a následné aplikácie
Pred motorom s dutým pohárom sú suroviny a diely, medzi suroviny patrí meď, oceľ, magnetická oceľ, plast atď., diely zahŕňajú ložiská, kefy, komutátory atď. Stredným ťahom priemyselného reťazca sú výrobcovia motorov. Za priemyselným reťazcom je aplikačný koniec a motor s dutým pohárom má vlastnosti vysokej citlivosti, stabilnej prevádzky a silného riadenia, ktoré spĺňa prísne požiadavky špičkovej oblasti elektrického pohonu, takže sa používa hlavne v leteckom priemysle, zdravotníckych zariadeniach, priemyselnej automatizácii a robotike a iných špičkových oblastiach. Súčasne sa motor s dutým pohárom postupne uplatňuje aj v civilnej oblasti, ako je napríklad kancelárska automatizácia, elektrické náradie a pod.
Sľubný motor s dutým pohárom
Motor s dutým pohárom s unikátnou konštrukciou bez železného jadra, vykazujúci vysokú rýchlosť, vysokú účinnosť, vysokú dynamickú odozvu a ďalšie významné výhody, široko používaný v leteckom a kozmickom priemysle, zdravotníckych zariadeniach a iných oblastiach, v oblasti humanoidných robotických rúk má tiež významný vplyv. Napriek tomu, že zámorské podniky ako Maxon a Faulhaber majú v súčasnosti výhodu prvého ťahúňa, s neustálym zlepšovaním technickej úrovne domácich výrobcov a rýchlym rozvojom trhu s humanoidnými robotmi, domáce motory s dutými pohármi prinesú nové možnosti vývoja.
