Хуманоидни роботи постали су блистави бисер у области вештачке интелигенције.
Последњих година хуманоидни роботи су постали блистави бисер у области вештачке интелигенције са својом широком применом у многим областима као што су медицинска нега и услуге. Како би даље промовисале развој индустрије, локалне самоуправе су увеле политике за повећање подршке хуманоидним роботима и њиховим кључним компонентама. У ланцу индустрије хуманоидних робота, мотор са шупљом чашом игра важну улогу у систему контроле покрета хуманоидног робота, као што је основна компонента спретне руке Теслиног хуманоидног робота мотор са шупљом чашом, један роботски склоп 12 (6 свака десна рука). Овај рад има за циљ да кроз истраживање продискутује техничке карактеристике, статус тржишта и будуће изгледе мотора са шупљим чашама.
Шта је мотор са шупљом чашом
1. Појам и класификација мотора
Електрични мотор је уређај који претвара електричну енергију у механичку енергију. Користи завојницу под напоном (то јест, намотај статора) да генерише ротирајуће магнетно поље и користи се за ротор (као што је алуминијумски оквир затвореног кавеза) да формира магнетоелектрични обртни момент, који треба да претвори силу коју ствара струјни ток у магнетном пољу у ротационо дејство. Принцип је да се користи магнетно поље да се натера струја да се мотор ротира.
Основни принцип ротације мотора: око сталног магнета са ротирајућом осовином, 1 ротирајте магнет (тако да се генерише ротирајуће магнетно поље), 2 према принципу привлачења хетеропола Н пола и С пола, одбијање истог пола, 3 магнет са ротирајућом осом ће се ротирати.
У мотору, то је заправо струја која тече кроз жицу која ствара ротирајуће магнетно поље (магнетну силу) око ње која узрокује да се магнет ротира. Када је жица намотана у калем, магнетна сила се синтетише да би се формирао велики флукс магнетног поља (магнетни флукс), што резултира Н и С половима. Уметањем гвозденог језгра у намотај жице, линије магнетног поља постају лакше проћи кроз њих и могу произвести јачу магнетну силу.
Структура мотора се углавном састоји од два дела: статора и ротора.
Статор: стационарни део мотора, чија главна структура укључује магнетни пол, намотај и носач. Магнетни пол је део мотора који генерише магнетно поље, које се обично састоји од гвозденог језгра и калемова. Намотај је калем у статору, обично састављен од проводника и изолације, чија је улога да генерише магнетно поље када кроз њега прође електрична струја. Носач је потпорна структура статора, обично направљена од легуре алуминијума и других материјала, са добром отпорношћу на корозију и чврстоћом.
Ротор: ротирајући део мотора, чија главна структура укључује арматуру, лежајеве и завршне поклопце. Арматура је калем у ротору, обично састављен од проводника и изолације, чија је улога да генерише магнетно поље када електрична струја пролази кроз њега. Лежајеви су носећа структура ротора, обично направљена од челика или керамике, са добром отпорношћу на хабање и корозију. Крајњи поклопац је крајња структура мотора, обично направљена од легуре алуминијума и других материјала, са добрим заптивачем и чврстоћом.
2, дефиниција и класификација мотора шупље чаше
Године 1958, Др.ФФ аулхабер је развио технологију намотаја са косим намотајем и добио релевантан патент за мотор са шупљом чашом 1965. године, означавајући појаву мотора са шупљом чашом, а његов креативни структурални дизајн омогућава да мотор буде и мање величине и веће ефикасности. Мотор са шупљом чашом припада серво мотору са ДЦ перманентним магнетом, структура мотора је приказана на следећој слици, углавном се састоји од статора и ротора. Статор се састоји од силиконског челичног лима и намотаја намотаја, а силиконски челични лим без структуре жљебова за зубе може избјећи ефекат жљеба зуба и смањити губитак гвожђа и губитак вртложне струје. Ротор је састављен од трајног магнета, ротирајуће осовине и његових фиксних делова, а мотор користи прстенасти трајни магнет, који се лако обрађује и уграђује.
У поређењу са обичним моторима, највећа карактеристика ротора је то што пробија структуру ротора традиционалног мотора у структури и користи ротор без језгра, такође познат као ротор са шупљом чашом. Ротор је шупља структура у облику чаше окружена намотајима и магнетима. У обичним моторима, улога гвозденог језгра је углавном: 1) концентрисати и водити магнетно поље: гвоздено језгро је направљено од материјала са високом магнетном пропусношћу (као што је силицијумски челични лим), који може концентрисати и водити магнетни флукс, чиме се побољшава јачина магнетног поља и ефикасност мотора; 2) Потпорни намотај: Гвоздено језгро пружа снажну потпорну структуру за намотај, осигуравајући да намотај одржава стабилан облик и положај током рада мотора. У мотору са шупљом чашом, шупљи цилиндар са танким зидовима се користи као ротор, а шупљи цилиндар је намотан директно унутар намотаја без додатне подршке за језгро. Предности дизајна без језгра: 1) Елиминација вртложних струја и губитака на хистерезу: Гвоздено језгро у заједничком мотору ће производити вртложне струје и губитке хистерезе у наизменичном магнетном пољу, што ће смањити ефикасност мотора. Мотор са шупљом чашом користи ротор без језгра, који у потпуности елиминише ове губитке, чиме се побољшава ефикасност конверзије енергије мотора. 2) Смањите тежину и момент инерције: дизајн без језгра значајно смањује тежину ротора, чинећи цео мотор лакшим. Истовремено, смањење момента инерције омогућава мотору да има већу брзину одзива и веће убрзање, што је веома корисно за сценарије примене који захтевају брзо покретање и заустављање.
У исто време, прецизан дизајн структуре шупљег цилиндра и распореда намотаја може оптимизовати дистрибуцију магнетног поља унутар мотора шупље чаше, смањити магнетно цурење и губитак енергије и додатно побољшати ефикасност и перформансе мотора.
Мотор са шупљом чашом може се поделити у две врсте у складу са режимом комутације: један је мотор са шупљом чашом, који усваја механички режим комутације угљене четке; Други је мотор без четкица са шупљом чашом, који замењује комутацију четкице електронском комутацијом, избегавајући електричну искру и честице тонера настале током рада мотора четкице, смањујући буку и продужавајући радни век мотора. Из поређења различитих производа Мингзхи електричних уређаја на следећој слици, може се видети да нема потребе за четком у мотору са шупљом чашом без четкица, али Халл сензор детектује сигнал магнетног поља ротора, претвара механичко преокретање у електронски преокрет сигнала и додатно поједностављује физичку структуру мотора са шупљом чашом.
3, предности мотора шупље чаше
Мотор са шупљом чашом пробија структуру ротора традиционалног мотора у структури, смањује губитак снаге узрокован стварањем вртложне струје у гвозденом језгру, а његова маса и момент инерције су у великој мери смањени, чиме се смањује губитак механичке енергије самог ротора. Укратко, мотор са шупљом чашом има предности велике густине снаге, дугог радног века, брзог одзива, високог вршног обртног момента, доброг одвођења топлоте и тако даље.
Велика густина снаге: Густина снаге мотора са шупљом чашом је однос излазне снаге према тежини или запремини. Што се тиче тежине, ротор без језгра је лакши од обичног ротора са језгром; Што се тиче ефикасности, ротор без језгра елиминише вртложне струје и губитак хистерезе које генерише ротор без језгра, побољшава ефикасност микромотора и обезбеђује висок излазни обртни момент и излазну снагу. Максимална ефикасност већине мотора са шупљим чашама је више од 80%, док је максимална ефикасност већине ДЦ мотора са четком углавном око 50%. Мања тежина и већа ефикасност омогућавају моторима са шупљим чашама да постигну већу густину снаге. Због тога је мотор са шупљом чашом посебно погодан за апликације на батерије које захтевају дуге периоде рада, као што су преносиве пумпе за узорковање ваздуха, хуманоидни роботи, бионичке руке, ручни електрични алати и друге апликације.
Велика густина обртног момента: дизајн без језгра смањује тежину ротора и момент инерције, а низак момент инерције значи да мотор може брже да убрза и успори, чиме је у стању да генерише више обртног момента за кратко време; У исто време, одсуство гвозденог језгра чини мотор са шупљом чашом компактнијим, мањим и способним да обезбеди већи излазни обртни момент у ограниченом простору.
Дуг радни век: Број делова мотора са шупљом чашом чини флуктуацију струје и индуктивност мотора мањим при реверзији, у великој мери смањујући електричну корозију система за кретање уназад током процеса уназад, како би се имао дужи век. Према подацима у 'Истраживању примене прилагођеног управљања моторима са шупљим чашама', животни век брушених ДЦ мотора је генерално само неколико стотина сати, а очекивани животни век мотора са шупљим чашама је обично између 1000 и 3000 сати, што може да обезбеди дужи поуздан рад.
Брза брзина одзива: традиционални мотор има релативно велики момент инерције због постојања гвозденог језгра, док је мотор са шупљом чашом компактан, а ротор је самоносећи калем у облику чаше, тако да је тежина мања, а његов мањи момент инерције такође чини да мотор са шупљом чашом има осетљиве карактеристике подешавања старт-стоп. Према 'Напретку истраживања микро мотора и завојнице са шупљом чашом', механичка временска константа општег мотора са језгром је око 100 мс, док је механичка временска константа мотора са шупљом чашом мања од 28 мс, а неки производи су чак и мање од 10 мс.
Високи вршни обртни момент: Однос вршног обртног момента и континуираног обртног момента мотора шупље чаше је веома велик, јер је процес повећања струје до вршне константе обртног момента непромењен, а линеарни однос између струје и обртног момента може учинити да микромотор производи велики вршни обртни момент. Након што обични мотор једносмерне струје достигне засићење, без обзира на повећање струје, обртни момент ДЦ мотора се неће повећати.
Добра дисипација топлоте: површина ротора са шупљом чашом има проток ваздуха, бољи од перформанси одвођења топлоте ротора језгра, емајлирана жица ротора језгра је уграђена у жлеб од силицијумског челичног лима, проток ваздуха на површини завојнице је мањи, пораст температуре је већи, под истим условима излазне снаге, пораст температуре шупље чаше је мањи ДЦ.
4, технички пут мотора шупље чаше
Кључни корак у производњи мотора са шупљом чашом је производња завојнице, тако да дизајн завојнице и процес намотаја постају његове основне баријере. Пречник, број завоја и линеарност жице директно утичу на параметре језгра мотора. Баријера језгра намотаја намотаја се директно одражава у дизајну завојнице, јер различити типови намотаја имају разлике у стопи аутоматизације и потрошњи бакра. С друге стране, то се такође одражава у опреми за намотавање и методу намотавања, а брзина пуњења шупљег жлеба чаше намотаног различитим машинама за намотавање је различита, што доводи до различитих реткости, директно утичући на губитак мотора, дисипацију топлоте, снагу и тако даље.
Угао дизајна завојнице: Дизајн намотаја мотора са шупљом чашом може се поделити на прави тип намотаја, коси тип намотаја и тип седла.
Право намотавање: Жица намотаја је паралелна са осом мотора, формирајући концентрисану структуру намотаја. Дизајнерска идеја равно намотане завојнице је да се најпре намота обична кружна емајлирана жица на матрицу за намотаје у складу са захтевом броја завоја, а затим повеже намотај на осовину језгра жице, а затим користи везиво на оба краја да се очврсне и формира. Релативно говорећи, крај правог намотаја не производи обртни момент и повећава тежину арматуре и отпор арматуре.
Косо намотавање: познато и као саћасто намотавање, користи се метода намотавања саћа, остављајући славине у средини, да би се могло континуирано навијати, потребно је ефективну страну елемента и осовину арматуре направити у одређени угао нагиба. Крајња величина ове методе намотавања је мала, али пошто континуално намотавање косог намотаја захтева одређени угао линије, емајлирана жица се преклапа, а брзина пуњења прореза је ниска. У поређењу са равним типом намотаја, арматура са нагнутим намотајем нема крајњи намотај, смањујући тежину арматуре, и има предности малог момента инерције, мале временске константе, добрих карактеристика отпора и великог излазног обртног момента. Фаулхабер у Немачкој и Портесцап у Швајцарској углавном користе коси намотај.
Тип седла: познат и као концентрично или ромбоидно намотавање, користи се метода намотавања обликованог намотаја, а затим ожичења, то јест, самолепљива емајлирана жица се намотава на специјалну формулу за намотавање, а чаша арматуре је направљена од вишеструких облика обликовања. Приликом намотавања, два слоја намотаја су распоређена уредно и обликована, што је погодно за контролу величине чашице арматуре након преобликовања и побољшања брзине пуњења прореза. Истовремено, ова метода има високу производну ефикасност и погодна је за масовну производњу. Крај арматуре седла има мање слојева који се преклапају, мали ваздушни зазор и високу стопу искоришћења трајног магнета, што побољшава густину снаге мотора. Неки производи компаније Макон у Швајцарској користе седласто намотавање.
Са становишта процеса намотавања: Са становишта технологије производње, према начину формирања завојнице се углавном дели у три категорије: ручно намотавање, намотавање и једнократна производња формирања.
1) Ручно намотавање. Кроз низ сложених процеса, укључујући уметање пинова, ручно намотавање, ручно ожичење и друге кораке за производњу. Погодан је за производе који захтевају висок степен прилагођавања, али ефикасност производње и стабилност производа су ограничени.
2) Технологија производње намотаја. Технологија производње намотаја је полуаутоматска производња, емајлирана жица се прво секвенцијално намота на главно вратило са попречним пресеком у облику дијаманта, а након достизања потребне дужине уклања се, а затим се спљошти у жичану плочу, а на крају се жичана плоча намота у калем у облику чаше. Према процесу намотавања 'процеса производње и опреме шупље чаше за намотавање', следећа машина за намотавање може се конфигурисати са 4 радника да постигне годишњу производњу од 30.000 јединица, али ограничење намотавања је то што је погодније за пречник шупље чаше од 20-30 мм, тешко је намотати мање намотаје са производима са размаком од 7 мм који је мањи од 7 мм. 10~12мм. Све у свему, производна ефикасност процеса намотавања је релативно висока и може задовољити захтеве средње производње. Међутим, његова висока стопа ручног учешћа доводи до тога да конзистентност готовог производа можда није тако добра као аутоматизована производња, а тешко је задовољити мању величину намотаја шупље чаше.
3) Једна технологија производње калупа. Машина за намотавање кроз опрему за аутоматизацију биће емајлирана жица према правилу вретена, завојница која се намотава у чашу након уклањања, једно обликовање, нема потребе за ваљањем и изравнавањем више процеса, висок степен аутоматизације, тако да су ефикасност производње и конзистентност готовог производа боља; Али одговарајућа почетна инвестиција у опрему биће већа.
Процес намотавања у иностранству развијен је рано, степен аутоматизације је већи од домаћег. Домаћа углавном усваја производњу намотаја, процес је компликованији, радни интензитет радника је велики, не може да заврши калем са дебљим пречником жице, а стопа отпада је висока. Стране земље углавном користе технологију производње једнократне ране, висок степен аутоматизације, високу ефикасност производње, опсег пречника завојнице, добар квалитет завојнице, чврст распоред, типове мотора, добре перформансе.
Карике индустријског ланца и низводне примене
Узводно од мотора са шупљом чашом су сировине и делови, сировине укључују бакар, челик, магнетни челик, пластику, итд., делови укључују лежајеве, четке, комутаторе, итд. Средњи токови индустријског ланца су произвођачи мотора. Низводно од индустријског ланца је крај апликације, а мотор са шупљом чашом има карактеристике високе осетљивости, стабилног рада и јаке контроле, што испуњава строге захтеве врхунског поља електричног погона, тако да се углавном користи у ваздухопловству, медицинској опреми, индустријској аутоматизацији и роботици и другим врхунским пољима. У исто време, мотор са шупљом чашом се такође постепено примењује у цивилном пољу, као што су канцеларијска аутоматизација, електрични алати и тако даље.
Обећавајући мотор са шупљим чашама
Мотор са шупљом чашом са својим јединственим дизајном без гвозденог језгра, који показује велику брзину, високу ефикасност, висок динамички одзив и друге значајне предности, који се широко користе у ваздухопловству, медицинској опреми и другим пољима, флексибилност руку хуманоидног робота такође има значајан утицај. Иако прекоморска предузећа као што су Макон и Фаулхабер тренутно имају предност првог покретача, уз континуирано побољшање техничког нивоа домаћих произвођача и брз развој тржишта хуманоидних робота, домаћи мотори са шупљим чашама отвориће нове могућности развоја.
