Humanoidni roboti so postali bleščeč biser na področju umetne inteligence.
V zadnjih letih so humanoidni roboti postali bleščeč biser na področju umetne inteligence s svojo široko uporabo na številnih področjih, kot sta medicinska oskrba in storitve. Za nadaljnje spodbujanje razvoja industrije so lokalne vlade uvedle politike za povečanje podpore za humanoidne robote in njihove ključne komponente. V verigi industrije humanoidnih robotov ima motor z votlo skodelico pomembno vlogo v sistemu za nadzor gibanja humanoidnega robota, kot je na primer osrednja komponenta spretne roke humanoidnega robota Tesla motor z votlo skodelico, enojni robotski sklop 12 (6 vsaka desna roka). Ta članek želi z raziskavo razpravljati o tehničnih značilnostih, tržnem statusu in prihodnjih obetih motorja z votlo skodelico.
Kaj je motor z votlo skodelico
1. Pojem in klasifikacija motorja
Elektromotor je naprava, ki pretvarja električno energijo v mehansko. Uporablja tuljavo pod napetostjo (tj. navitje statorja) za ustvarjanje vrtljivega magnetnega polja in se uporablja za rotor (kot je zaprt aluminijast okvir z veverico) za oblikovanje magnetoelektričnega rotacijskega momenta, ki pretvori silo, ki jo ustvari tok v magnetnem polju, v vrtilno delovanje. Načelo je uporaba magnetnega polja za prisilitev toka, da se motor vrti.
Osnovno načelo vrtenja motorja: okoli trajnega magneta z vrtljivo osjo, 1 zavrtite magnet (tako da nastane vrtljivo magnetno polje), 2 po principu privlačnosti heteropola N in S pola, odboj istega pola, 3 magnet z vrtljivo osjo se bo vrtel.
V motorju je pravzaprav tok, ki teče skozi žico, tisti, ki okoli nje ustvari vrtljivo magnetno polje (magnetno silo), ki povzroči vrtenje magneta. Ko je žica navita v tuljavo, se sintetizira magnetna sila, ki tvori velik tok magnetnega polja (magnetni tok), kar ima za posledico pol N in S. Z vstavitvijo železnega jedra v tuljavo žice postanejo magnetne silnice lažje prepustne in lahko povzročijo močnejšo magnetno silo.
Struktura motorja je v glavnem sestavljena iz dveh delov: statorja in rotorja.
Stator: stacionarni del motorja, katerega glavna struktura vključuje magnetni pol, navitje in nosilec. Magnetni pol je del motorja, ki ustvarja magnetno polje, ki je običajno sestavljeno iz železnega jedra in tuljav. Navitje je tuljava v statorju, običajno sestavljena iz prevodnikov in izolacije, katere vloga je ustvarjanje magnetnega polja, ko skozenj teče električni tok. Nosilec je nosilna struktura statorja, običajno izdelana iz aluminijeve zlitine in drugih materialov, z dobro odpornostjo proti koroziji in trdnostjo.
Rotor: vrtljivi del motorja, katerega glavna struktura vključuje armaturo, ležaje in končne pokrove. Armatura je tuljava v rotorju, običajno sestavljena iz prevodnikov in izolacije, katere vloga je ustvarjanje magnetnega polja, ko skozi njo teče električni tok. Ležaji so nosilna struktura rotorja, običajno iz jekla ali keramike, z dobro odpornostjo proti obrabi in koroziji. Končni pokrov je končna struktura motorja, običajno izdelana iz aluminijeve zlitine in drugih materialov, z dobrim tesnjenjem in trdnostjo.
2, definicija in klasifikacija motorja z votlo skodelico
Leta 1958 je Dr.FF aulhaber razvil tehnologijo nagnjenih navitij in leta 1965 pridobil ustrezen patent za motor z votlo skodelico, kar je označilo pojav motorja z votlo skodelico, njegova kreativna strukturna zasnova pa omogoča, da je motor manjše velikosti in večja učinkovitost. Motor z votlo skodelico pripada enosmernemu servo motorju s trajnim magnetom, struktura motorja je prikazana na naslednji sliki, v glavnem sestavljena iz statorja in rotorja. Stator je sestavljen iz silicijeve jeklene pločevine in navitja tuljave, silicijeva jeklena pločevina brez strukture zobnih utorov pa se lahko izogne učinku zobnih utorov in zmanjša izgubo železa in vrtinčne tokove. Rotor je sestavljen iz trajnega magneta, vrtljive gredi in njegovih fiksnih delov, motor pa uporablja obročni trajni magnet, ki ga je enostavno obdelati in namestiti.
V primerjavi z običajnimi motorji je največja značilnost rotorja ta, da prebije strukturo rotorja tradicionalnega motorja v strukturi in uporablja rotor brez jedra, znan tudi kot votel skodelicni rotor. Rotor je votla struktura v obliki skodelice, obdana z navitji in magneti. Pri običajnih motorjih je vloga železnega jedra predvsem: 1) koncentriranje in vodenje magnetnega polja: železno jedro je narejeno iz materiala z visoko magnetno prepustnostjo (kot je silicijeva jeklena pločevina), ki lahko koncentrira in vodi magnetni tok, s čimer izboljša jakost magnetnega polja in učinkovitost motorja; 2) Podporno navitje: železno jedro zagotavlja močno podporno strukturo za navitje, ki zagotavlja, da navitje ohranja stabilno obliko in položaj med delovanjem motorja. V motorju z votlo skodelico se kot rotor uporablja votli valj s tanko steno, votli valj pa je navit neposredno v navitju brez dodatne podpore jedra. Prednosti zasnove brez jedra: 1) Odprava vrtinčnih tokov in histereznih izgub: železno jedro v običajnem motorju bo povzročilo vrtinčne tokove in histerezne izgube v izmeničnem magnetnem polju, kar bo zmanjšalo učinkovitost motorja. Motor z votlo skodelico uporablja rotor brez jedra, ki popolnoma odpravi te izgube in s tem izboljša učinkovitost pretvorbe energije motorja. 2) Zmanjšajte težo in vztrajnostni moment: zasnova brez jedra bistveno zmanjša težo rotorja, zaradi česar je celoten motor lažji. Hkrati zmanjšanje vztrajnostnega momenta omogoča motorju večjo odzivno hitrost in večji pospešek, kar je zelo koristno za scenarije uporabe, ki zahtevajo hiter zagon in zaustavitev.
Hkrati lahko natančna zasnova strukture votlega cilindra in postavitve navitja optimizira porazdelitev magnetnega polja znotraj motorja z votlo skodelico, zmanjša magnetno uhajanje in izgubo energije ter dodatno izboljša učinkovitost in zmogljivost motorja.
Motor z votlo skodelico lahko glede na način komutacije razdelimo na dve vrsti: ena je motor s krtačo z votlo skodelico, ki prevzame mehanski način komutacije ogljikove krtače; Drugi je brezkrtačni motor z votlo skodelico, ki nadomešča komutacijo krtačk z elektronsko komutacijo, s čimer se izogne električnim iskram in delcem tonerja, ki nastanejo med delovanjem motorja krtačk, zmanjša hrup in podaljša življenjsko dobo motorja. Iz primerjave različnih izdelkov električnih naprav Mingzhi na naslednji sliki je razvidno, da v brezkrtačnem motorju z votlo skodelico ni potrebe po ščetki, ampak Hallov senzor zazna signal magnetnega polja rotorja, spremeni mehansko obračanje v elektronsko obračanje signala in dodatno poenostavi fizično strukturo motorja z votlo skodelico.
3, prednosti motorja z votlo skodelico
Motor z votlo skodelico prebije strukturo rotorja tradicionalnega motorja v strukturi, zmanjša izgubo moči, ki jo povzroči nastanek vrtinčnega toka v železnem jedru, njegova masa in vztrajnostni moment pa se močno zmanjšata, s čimer se zmanjša izguba mehanske energije samega rotorja. Če povzamemo, motor z votlo skodelico ima prednosti visoke gostote moči, dolge življenjske dobe, hitrega odziva, visokega najvišjega navora, dobrega odvajanja toplote itd.
Visoka gostota moči: Gostota moči motorja z votlo skodelico je razmerje med izhodno močjo in težo ali prostornino. Kar zadeva težo, je nejedrni rotor lažji od navadnega jedrnega rotorja; Kar zadeva učinkovitost, rotor brez jedra odpravlja vrtinčne tokove in histerezne izgube, ki jih ustvarja rotor brez jedra, izboljša učinkovitost mikromotorja in zagotavlja visok izhodni navor in izhodno moč. Največji izkoristek večine motorjev z votlo skodelico je več kot 80 %, medtem ko je največji izkoristek večine krtačnih enosmernih motorjev na splošno okoli 50 %. Manjša teža in večji izkoristek omogočata motorjem z votlo skodelico, da dosežejo večjo gostoto moči. Zato je motor z votlo skodelico še posebej primeren za aplikacije z baterijskim napajanjem, ki zahtevajo dolga obdobja delovanja, kot so prenosne črpalke za vzorčenje zraka, humanoidni roboti, bionične roke, ročna električna orodja in druge aplikacije.
Visoka gostota navora: zasnova brez jedra zmanjša težo rotorja in vztrajnostni moment, nizek vztrajnostni moment pa pomeni, da lahko motor hitreje pospešuje in zavira, tako da lahko ustvari več navora v kratkem času; Hkrati je zaradi odsotnosti železnega jedra motor z votlo skodelico bolj kompakten, manjši in zmožen zagotoviti večji izhodni navor v omejenem prostoru.
Dolga življenjska doba: Število vzvratnih kosov motorja z votlo skodelico zmanjša tokovno nihanje in induktivnost motorja pri vzvratni vožnji, kar močno zmanjša električno korozijo vzvratnega sistema med postopkom vzvratne vožnje, tako da ima daljša življenjska doba. Glede na podatke v 'Application Research of Customized Management of hollow cup motors' je življenjska doba krtačenih enosmernih motorjev na splošno le nekaj sto ur, pričakovana življenjska doba motorjev z votlimi skodelicami pa je običajno med 1000 in 3000 urami, kar lahko zagotovi daljše zanesljivo delovanje.
Hitra odzivna hitrost: tradicionalni motor ima sorazmerno velik vztrajnostni moment zaradi obstoja železnega jedra, medtem ko je motor z votlo skodelico kompakten, rotor pa je samonosna tuljava v obliki skodelice, zato je teža manjša, zaradi manjšega vztrajnostnega momenta pa ima motor z votlo skodelico občutljive nastavitve zagona in zaustavitve. V skladu z 'Napredkom raziskav mikro motorja in tuljave z votlo skodelico' je mehanska časovna konstanta motorja s splošnim jedrom približno 100 ms, medtem ko je mehanska časovna konstanta motorja z votlo skodelico manj kot 28 ms, nekateri izdelki pa celo manj kot 10 ms.
Visok najvišji navor: Razmerje med najvišjim navorom in neprekinjenim navorom motorja z votlo skodelico je zelo veliko, ker je proces naraščanja toka do konstante najvišjega navora nespremenjen, linearno razmerje med tokom in navorom pa lahko povzroči, da mikromotor proizvede velik najvišji navor. Ko običajni enosmerni motor z jedrom doseže nasičenost, ne glede na to, da se tok poveča, se navor enosmernega motorja ne poveča.
Dobro odvajanje toplote: površina rotorja votle skodelice ima pretok zraka, ki je boljši od zmogljivosti odvajanja toplote jedrnega rotorja, emajlirana žica rotorja jedra je vdelana v utor iz silikonske jeklene pločevine, pretok zraka na površini tuljave je manjši, dvig temperature je večji, pri enakih pogojih izhodne moči je dvig temperature enosmernega motorja votle skodelice manjši.
4, tehnična pot motorja z votlo skodelico
Ključni korak v proizvodnji motorja z votlo skodelico je proizvodnja tuljave, zato sta zasnova tuljave in postopek navijanja glavni oviri. Premer, število ovojev in linearnost žice neposredno vplivajo na osnovne parametre motorja. Jedrna pregrada navitja tuljave se neposredno odraža v zasnovi tuljave, ker imajo različne vrste navitij razlike v stopnji avtomatizacije in porabi bakra. Po drugi strani pa se to odraža tudi v opremi za navijanje in načinu navijanja, stopnja polnjenja utora votle skodelice, navitega z različnimi stroji za navijanje, je različna, kar vodi do različnih redkih, ki neposredno vplivajo na izgubo motorja, odvajanje toplote, moč in tako naprej.
Kot zasnove tuljave: zasnovo navitja motorja z votle skodelice lahko razdelimo na ravni navitje, poševno navijanje in sedlo.
Ravno navijanje: Žica tuljave je vzporedna z osjo motorja in tvori koncentrirano strukturo navitja. Zasnova ravne tuljave je, da se navadna okrogla emajlirana žica najprej navije na matrico za navijanje v skladu z zahtevami glede števila obratov, nato pa se navitje poveže na jedro žice, nato pa se na obeh koncih uporabi vezivo za strjevanje in oblikovanje. Relativno gledano, konec ravnega navitja ne proizvaja navora in poveča težo armature in odpornost armature.
Poševno navijanje: znano tudi kot navijanje v obliki satja, uporablja se metoda navijanja v obliki satja, pri čemer se na sredini pustijo pipe, da bi lahko neprekinjeno navijali, je treba efektivno stran elementa in os armature narediti v določenem kotu nagiba. Končna velikost tega načina navijanja je majhna, a ker neprekinjeno navijanje poševnega navijanja zahteva določen linijski kot, se emajlirana žica prekriva in stopnja polnjenja reže je nizka. V primerjavi z ravno navito armaturo nima končnega navitja, kar zmanjšuje težo armature in ima prednosti majhnega vztrajnostnega momenta, majhne časovne konstante, dobrih lastnosti upora in velikega izhodnega navora. Faulhaber v Nemčiji in Portescap v Švici večinoma uporabljata poševno navijanje.
Tip sedla: poznan tudi kot koncentrično ali romboidno navijanje, uporablja se metoda navijanja oblikovane tuljave in nato ožičenja, kar pomeni, da je samolepilna emajlirana žica navita na posebno oblikovno matrico za navijanje, skodelica armature pa je izdelana iz več oblikovnih ureditev. Pri navijanju sta dve plasti tuljav lepo razporejeni in oblikovani, kar je priročno za nadzor velikosti armaturne skodelice po preoblikovanju in izboljšanje stopnje polnjenja reže. Hkrati ima ta metoda visoko proizvodno učinkovitost in je primerna za množično proizvodnjo. Konec armature za navijanje sedla ima manj prekrivajočih se plasti, majhno zračno režo in visoko stopnjo izkoriščenosti trajnega magneta, kar izboljša gostoto moči motorja. Nekateri izdelki Maxona v Švici uporabljajo navijanje v obliki sedla.
Z vidika postopka navijanja: z vidika proizvodne tehnologije je tuljava glede na način oblikovanja razdeljena v glavnem na tri kategorije: ročno navijanje, navijanje in proizvodnja enkratnega oblikovanja.
1) Ročno navijanje. Skozi vrsto kompleksnih procesov, vključno z vstavljanjem zatičev, ročnim navijanjem, ročnim ožičenjem in drugimi koraki za proizvodnjo. Primeren je za izdelke, ki zahtevajo visoko stopnjo prilagajanja, vendar sta proizvodna učinkovitost in stabilnost izdelka omejeni.
2) Proizvodna tehnologija navijanja. Tehnologija proizvodnje navijanja je polavtomatska proizvodnja, emajlirana žica se najprej zaporedno navije na glavno gred s prečnim prerezom v obliki diamanta in se odstrani, ko doseže zahtevano dolžino, nato pa se splošči v žično ploščo in na koncu se žična plošča navije v skodelico v obliki tuljave. V skladu s postopkom navijanja 'proizvodnje armature in opreme za navijanje votle skodelice' lahko naslednji stroj za navijanje konfigurirate s 4 delavci, da dosežete letno proizvodnjo 30.000 enot, vendar je omejitev navijanja ta, da je primernejše za premer votle skodelice 20-30 mm, težko je navijati manjše tuljave z razmikom med pipami manj kot 7 mm, to je izdelke s premerom manj kot 10~12 mm. Na splošno je proizvodna učinkovitost postopka navijanja razmeroma visoka in lahko izpolnjuje zahteve srednje velike proizvodnje. Vendar njegova visoka stopnja ročnega sodelovanja vodi do tega, da konsistentnost končnega izdelka morda ni tako dobra kot avtomatizirana proizvodnja, poleg tega je težko doseči manjšo velikost navitja votle skodelice.
3) Ena proizvodna tehnologija oblikovanja. Stroj za navijanje prek opreme za avtomatizacijo bo emajlirana žica v skladu s pravilom vretena, navijanje tuljave v skodelico po odstranitvi, eno oblikovanje, ni potrebe po valjanju in sploščenju več procesov, visoka stopnja avtomatizacije, tako da sta učinkovitost proizvodnje in konsistentnost končnega izdelka boljši; Toda ustrezna predhodna naložba v opremo bo višja.
Postopek navijanja v tujini se je razvil zgodaj, stopnja avtomatizacije je višja od domače. Domače večinoma uporabljajo proizvodnjo navijanja, postopek je bolj zapleten, delovna intenzivnost delavcev je velika, ne more dokončati tuljave z debelejšim premerom žice in stopnja odpadkov je visoka. Tuje države večinoma uporabljajo tehnologijo proizvodnje enkratnih navitij, visoko stopnjo avtomatizacije, visoko učinkovitost proizvodnje, razpon premera tuljave, dobro kakovost tuljave, tesno razporeditev, tipe motorjev, dobro delovanje.
Povezave industrijske verige in nadaljnje aplikacije
Pred motorjem z votlo skodelico so surovine in deli, surovine vključujejo baker, jeklo, magnetno jeklo, plastiko itd., deli vključujejo ležaje, ščetke, komutatorje itd. Srednji del industrijske verige so proizvajalci motorjev. Nizvodno od industrijske verige je aplikacijski konec, motor z votle skodelice pa ima značilnosti visoke občutljivosti, stabilnega delovanja in močnega nadzora, ki izpolnjuje stroge zahteve visokokakovostnega področja električnega pogona, zato se uporablja predvsem v vesoljstvu, medicinski opremi, industrijski avtomatizaciji in robotiki ter na drugih vrhunskih področjih. Hkrati se motor z votlo skodelico postopoma uporablja tudi na civilnem področju, kot so avtomatizacija pisarn, električna orodja in tako naprej.
Obetaven motor z votlo skodelico
Motor votlih skodelic s svojo edinstveno zasnovo brez železnega jedra, ki kaže visoko hitrost, visoko učinkovitost, visok dinamičen odziv in druge pomembne prednosti, se pogosto uporablja v vesolju, medicinski opremi in na drugih področjih, pri humanoidnem robotu pa ima pomemben vpliv tudi fleksibilnost roke. Čeprav imajo čezmorska podjetja, kot sta Maxon in Faulhaber, trenutno prednost prvega koraka, bodo z nenehnim izboljševanjem tehnične ravni domačih proizvajalcev in hitrim razvojem trga humanoidnih robotov domači motorji z votlo skodelico odprli nove razvojne priložnosti.
