Humanoida robotar har blivit en lysande pärla inom artificiell intelligens.
Under de senaste åren har humanoida robotar blivit en lysande pärla inom området artificiell intelligens med sin breda tillämpning inom många områden som sjukvård och service. För att ytterligare främja utvecklingen av industrin har lokala myndigheter infört policyer för att öka stödet för humanoida robotar och deras nyckelkomponenter. I den humanoida robotindustrins kedja spelar den ihåliga koppmotorn en viktig roll i den humanoida robotens rörelsekontrollsystem, till exempel kärnkomponenten i Teslas humanoida robotens fingerfärdiga hand är den ihåliga koppmotorn, en enda robotenhet 12 (6 vardera högerhanden). Detta dokument syftar till att diskutera de tekniska egenskaperna, marknadsstatusen och framtidsutsikterna för ihåliga kopparmotorer genom forskningen.
Vad är ihålig kopp motor
1. Koncept och klassificering av motor
En elmotor är en enhet som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Den använder en strömförsörjd spole (det vill säga statorlindningen) för att generera ett roterande magnetfält och används för rotorn (som en ekorrbur stängd aluminiumram) för att bilda ett magnetoelektriskt roterande vridmoment, vilket är att omvandla kraften som genereras av strömflödet i magnetfältet till en roterande verkan. Principen är att använda magnetfältet för att tvinga strömmen att få motorn att rotera.
Grundprincipen för motorns rotation: runt permanentmagneten med en roterande axel, 1 rotera magneten (så att det roterande magnetfältet genereras), 2 enligt principen för N-polen och S-polens heteropolattraktion, samma polrepulsion, 3 magneten med en roterande axel kommer att rotera.
I en motor är det faktiskt strömmen som flyter genom tråden som skapar ett roterande magnetfält (magnetisk kraft) runt den som får magneten att rotera. När tråden lindas till en spole syntetiseras den magnetiska kraften för att bilda ett stort magnetfältsflöde (magnetiskt flöde), vilket resulterar i N- och S-polerna. Genom att föra in en järnkärna i en trådspole blir magnetfältslinjerna lättare att passera och kan producera en starkare magnetisk kraft.
Motorns struktur består huvudsakligen av två delar: stator och rotor.
Stator: den stationära delen av motorn, vars huvudstruktur inkluderar den magnetiska polen, lindningen och fästet. Den magnetiska polen är den del av motorn som genererar magnetfältet, som vanligtvis består av en järnkärna och spolar. Lindningen är spolen i statorn, vanligtvis sammansatt av ledare och isolering, vars roll är att generera ett magnetfält när en elektrisk ström passerar genom den. Fästet är statorns stödstruktur, vanligtvis gjord av aluminiumlegering och andra material, med god korrosionsbeständighet och styrka.
Rotor: Den roterande delen av en motor, vars huvudstruktur inkluderar armatur, lager och ändlock. Ankaret är spolen i rotorn, vanligtvis sammansatt av ledare och isolering, vars roll är att generera ett magnetfält när en elektrisk ström passerar genom den. Lager är rotorns stödstruktur, vanligtvis gjord av stål eller keramik, med god slitage- och korrosionsbeständighet. Ändskyddet är motorns ändstruktur, vanligtvis gjord av aluminiumlegering och andra material, med god tätning och styrka.
2, ihålig kopp motor definition och klassificering
1958 utvecklade Dr.FF aulhaber tekniken för lutande lindningsspoler och erhöll det relevanta patentet för motorn med ihåliga koppar 1965, vilket markerade tillkomsten av motorn med ihåliga koppar, och dess kreativa strukturella design gör att motorn kan vara både mindre storlek och större effektivitet. Den ihåliga koppmotorn tillhör DC-permanentmagnetservomotorn, motorstrukturen visas i följande figur, huvudsakligen sammansatt av stator och rotor. Statorn är sammansatt av kiselstålplåt och spolelindning, och kiselstålplåten utan tandspårstruktur kan undvika tandspåreffekten och minska järnförlusten och virvelströmsförlusten. Rotorn är sammansatt av en permanentmagnet, en roterande axel och dess fasta delar, och motorn använder en ringpermanentmagnet, som är lätt att bearbeta och installera.
Jämfört med vanliga motorer är den största egenskapen hos rotorn att den bryter igenom rotorstrukturen hos den traditionella motorn och använder en kärnrotor, även känd som en ihålig cuprotor. Rotorn är en ihålig skålformad struktur omgiven av lindningar och magneter. I vanliga motorer är järnkärnans roll huvudsakligen: 1) koncentrera och styra magnetfältet: järnkärnan är gjord av ett material med hög magnetisk permeabilitet (som kiselstålplåt), som kan koncentrera och styra det magnetiska flödet, och därigenom förbättra magnetfältets styrka och effektivitet hos motorn; 2) Stödlindning: Järnkärnan ger en stark stödstruktur för lindningen, vilket säkerställer att lindningen bibehåller en stabil form och position under motorns drift. I hålkoppsmotorn används den tunnväggiga ihåliga cylindern som rotor, och den ihåliga cylindern lindas direkt inuti lindningen utan extra kärnstöd. Fördelar med kärnlös design: 1) Eliminering av virvelströms- och hysteresförluster: Järnkärnan i en vanlig motor kommer att producera virvelströms- och hysteresförluster i ett växlande magnetfält, vilket kommer att minska motorns effektivitet. Motorn med ihåliga koppar använder en kärnlös rotor, som helt eliminerar dessa förluster, och därigenom förbättrar motorns energiomvandlingseffektivitet. 2) Minska vikten och tröghetsmomentet: den kärnfria designen minskar avsevärt rotorns vikt, vilket gör hela motorn lättare. Samtidigt gör minskningen av tröghetsmomentet att motorn får en snabbare svarshastighet och högre acceleration, vilket är mycket fördelaktigt för tillämpningsscenarier som kräver snabb start och stopp.
Samtidigt kan precisionsdesignen av den ihåliga cylinderstrukturen och lindningslayouten optimera magnetfältsfördelningen inuti den ihåliga koppmotorn, minska magnetläckaget och energiförlusten och ytterligare förbättra motorns effektivitet och prestanda.
Den ihåliga koppmotorn kan delas in i två typer enligt dess kommuteringsläge: den ena är den ihåliga kopparmotorn, som använder det mekaniska kolborstkommuteringsläget; Den andra är den borstlösa motorn med ihåliga koppar, som ersätter borstkommuteringen med elektronisk kommutering, vilket undviker elektriska gnistor och tonerpartiklar som genereras under driften av borstmotorn, vilket minskar ljudet och ökar motorns livslängd. Från jämförelsen av olika produkter från Mingzhi elektriska apparater i följande figur, kan det ses att det inte finns något behov av en borste i den borstlösa ihåliga koppmotorn, men Hall-sensorn detekterar rotorns magnetfältssignal, förvandlar den mekaniska omkastningen till en elektronisk signalomkastning och förenklar den fysiska strukturen för den ihåliga koppmotorn ytterligare.
3, ihålig kopp motor fördelar
Den ihåliga koppmotorn bryter igenom rotorstrukturen hos den traditionella motorns struktur, minskar effektförlusten som orsakas av bildandet av virvelström i järnkärnan, och dess massa och tröghetsmoment reduceras kraftigt, vilket minskar den mekaniska energiförlusten hos själva rotorn. Sammanfattningsvis har den ihåliga koppmotorn fördelarna med hög effekttäthet, lång livslängd, snabb respons, högt toppvridmoment, bra värmeavledning och så vidare.
Hög effekttäthet: Effekttätheten för den ihåliga koppmotorn är förhållandet mellan uteffekten och vikten eller volymen. När det gäller vikt är icke-kärnrotorn lättare än den vanliga kärnrotorn; När det gäller effektivitet eliminerar den kärnlösa rotorn virvelström och hysteresförluster som genereras av den kärnlösa rotorn, förbättrar effektiviteten hos mikromotorn och säkerställer högt utgående vridmoment och uteffekt. Den maximala verkningsgraden för de flesta ihåliga motorer är mer än 80 %, medan den maximala verkningsgraden för de flesta borst DC-motorer i allmänhet är runt 50 %. Lägre vikt och högre effektivitet gör att motorer med ihåliga koppar kan uppnå högre effekttäthet. Därför är den ihåliga koppmotorn särskilt lämplig för batteridrivna applikationer som kräver långa driftsperioder, såsom bärbara luftprovtagningspumpar, humanoida robotar, bioniska händer, handhållna elverktyg och andra applikationer.
Hög vridmomentdensitet: den kärnlösa designen minskar rotorns vikt och tröghetsmomentet, och det låga tröghetsmomentet gör att motorn kan accelerera och bromsa snabbare och därmed kunna generera mer vridmoment på kort tid; Samtidigt gör frånvaron av en järnkärna motorn med ihåliga koppar mer kompakt, mindre och kan ge högre vridmoment i ett begränsat utrymme.
Lång livslängd: Antalet reverserande delar av den ihåliga koppmotorn gör strömfluktuationen och motorns induktans mindre vid reversering, vilket avsevärt minskar den elektriska korrosionen i reverseringssystemet under reverseringsprocessen, för att få en längre livslängd. Enligt uppgifterna i 'Application Research of Customized Management of Hollow Cup-motorer' är livslängden för borstade DC-motorer i allmänhet bara några hundra timmar, och den förväntade livslängden för ihåliga kopparmotorer är vanligtvis mellan 1000 och 3000 timmar, vilket kan ge längre tillförlitlig drift.
Snabb svarshastighet: den traditionella motorn har ett relativt stort tröghetsmoment på grund av existensen av järnkärnan, medan den ihåliga koppmotorn är kompakt och rotorn är en koppformad självbärande spole, så vikten är lättare, och dess mindre tröghetsmoment gör också att den ihåliga koppmotorn har känsliga start-stopp-justeringsegenskaper. Enligt 'Research Progress of hollow cup micro motor and coil' är den mekaniska tidskonstanten för den allmänna kärnmotorn cirka 100ms, medan den mekaniska tidskonstanten för den ihåliga koppmotorn är mindre än 28ms, och vissa produkter är till och med mindre än 10ms.
Högt toppvridmoment: Förhållandet mellan toppvridmoment och kontinuerligt vridmoment för den ihåliga koppmotorn är mycket stort, eftersom processen med strömmen som stiger till toppvridmomentkonstanten är oförändrad, och det linjära förhållandet mellan strömmen och vridmomentet kan göra att mikromotorn producerar ett stort toppvridmoment. Efter att den vanliga likströmsmotorn når mättnad, oavsett om strömmen ökas, kommer likströmsmotorns vridmoment inte att öka.
Bra värmeavledning: ytan på den ihåliga bägarerotorn har luftflöde, bättre än kärnrotorns värmeavledningsprestanda, kärnrotorns emaljerade tråd är inbäddad i kiselstålspåret, luftflödet på spolens yta är mindre, temperaturökningen är större, under samma effektuttagsmotorförhållanden, är ökningen av den ihåliga temperaturkoppens likström mindre.
4, den tekniska vägen för ihålig kopp motor
Nyckelsteget i tillverkningen av ihåliga kopparmotorer är tillverkningen av spole, så spoledesign och lindningsprocessen blir dess kärnbarriärer. Diametern, antalet varv och linjäriteten hos tråden påverkar direkt motorns kärnparametrar. Kärnbarriären för spollindning återspeglas direkt i spolkonstruktionen, eftersom olika lindningstyper har skillnader i automationshastighet och kopparförbrukning. Å andra sidan återspeglas det också i lindningsutrustningen och lindningsmetoden, och fyllningshastigheten för den ihåliga kupans spår som lindas av olika lindningsmaskiner är olika, vilket leder till olika glesa, direkt påverkar motorförlusten, värmeavledning, kraft och så vidare.
Spoledesignvinkel: lindningsdesignen för ihålig koppmotor kan delas in i raklindningstyp, snedlindningstyp och sadeltyp.
Rak lindning: Spolens tråd är parallell med motoraxeln och bildar en koncentrerad lindningsstruktur. Designidén för den raklindade spolen är att först linda den vanliga cirkulära emaljerade tråden på lindningsformen enligt kravet på antalet varv, och sedan ansluta lindningen på trådens kärnaxel och sedan använda bindemedlet i båda ändarna för att härda och forma. Relativt sett producerar änden av den raka lindningen inget vridmoment och ökar ankarets vikt och ankarmotståndet.
Snedlindning: även känd som bikakelindning, metoden med bikakelindning används, vilket lämnar kranar i mitten, för att kontinuerligt kunna linda, är det nödvändigt att göra den effektiva sidan av elementet och ankaraxeln till en viss lutningsvinkel. Slutstorleken på denna lindningsmetod är liten, men eftersom den sneda lindningen kontinuerliga lindningen kräver en viss linjevinkel, överlappar den emaljerade tråden och slitsfyllningshastigheten är låg. Jämfört med den raka lindade typen har det lutande lindningsarmaturen ingen ändlindning, vilket minskar ankarets vikt och har fördelarna med litet tröghetsmoment, liten tidskonstant, bra dragegenskaper och stort utgående vridmoment. Faulhaber i Tyskland och Portescap i Schweiz använder mestadels lutande lindning.
Sadeltyp: även känd som koncentrisk eller romboid lindning, metoden för att linda en formad spole och sedan ledning används, det vill säga den självhäftande emaljerade tråden lindas på en speciell formningslindning, och armaturkoppen är gjord av flera formningsarrangemang. Vid lindning arrangeras de två skikten av spolar snyggt och formade, vilket är bekvämt för att kontrollera storleken på armaturkoppen efter omformning och förbättra slitsfyllningshastigheten. Samtidigt har denna metod hög produktionseffektivitet och är lämplig för massproduktion. Sadellindningsarmaturänden har färre överlappande lager, litet luftgap och hög utnyttjandegrad av permanentmagnet, vilket förbättrar motorns effekttäthet. Vissa produkter från Maxon i Schweiz använder sadellindning.
Lindningsprocesssynpunkt: Ur produktionsteknisk synvinkel är spolens formningsmetod huvudsakligen indelad i tre kategorier: manuell lindning, lindning och engångsformningsproduktion.
1) Manuell upprullning. Genom en rad komplexa processer, inklusive stiftinsättning, manuell lindning, manuell ledningsdragning och andra steg att producera. Den är lämplig för produkter som kräver en hög grad av anpassning, men produktionseffektiviteten och produktstabiliteten är begränsad.
2) Lindningsteknik. Lindningsproduktionstekniken är halvautomatisk produktion, den emaljerade tråden lindas först sekventiellt till huvudaxeln med en diamantformad tvärsektion, och den tas bort efter att ha uppnått önskad längd och plattas sedan till en trådplatta, och slutligen lindas trådplattan till en skålformad spole. Enligt 'lindningsprocessen och utrustningen för produktion av ihålig kopparmatur' kan nästa lindningsmaskin konfigureras med 4 arbetare för att uppnå en årlig produktion på 30 000 enheter, men begränsningen för lindning är att den är mer lämplig för 20-30 mm ihålig koppdiameter, det är svårt att linda mindre spolar med tappavstånd på mindre än 1 mm i diameter som är mindre än ~ 1 mm i produkter. Sammantaget är produktionseffektiviteten för lindningsprocessen relativt hög, och den kan uppfylla kraven för medelstor produktion. Emellertid leder dess höga manuella deltagande till att den färdiga produktens konsistens kanske inte är lika bra som automatiserad produktion, och det är svårt att möta den mindre storleken på lindningen av den ihåliga skålen.
3) En gjutningsteknik. Lindningsmaskin genom automationsutrustning kommer att vara en emaljerad tråd enligt regeln om en spindel, spole som lindas till en kopp efter borttagning, en gjutning, inget behov av att rulla och platta till flera processer, hög grad av automatisering, så produktionseffektiviteten och den färdiga produktens konsistens är bättre; Men motsvarande investeringar i utrustning i förväg kommer att vara högre.
Utomlands lindningsprocessen utvecklades tidigt, graden av automatisering är högre än inhemsk. Den inhemska antar huvudsakligen lindningsproduktion, processen är mer komplicerad, arbetsintensiteten för arbetare är stor, kan inte komplettera spolen med tjockare tråddiameter och skrothastigheten är hög. Utländska länder använder främst teknik för engångslindning, hög grad av automatisering, hög produktionseffektivitet, spoldiameterintervall, bra spolkvalitet, tätt arrangemang, motortyper, bra prestanda.
Industriella kedjelänkar och nedströmsapplikationer
Uppströms om den ihåliga koppmotorn är råmaterial och delar, råvaror inkluderar koppar, stål, magnetiskt stål, plast, etc., delar inkluderar lager, borstar, kommutatorer etc. Industrikedjans mellersta delar är motortillverkare. Nedströms industrikedjan är applikationsänden, och den ihåliga koppmotorn har egenskaperna hög känslighet, stabil drift och stark kontroll, som uppfyller de strikta kraven för det avancerade området för elektrisk drivning, så den används främst inom flyg, medicinsk utrustning, industriell automation och robotik och andra avancerade områden. Samtidigt tillämpas den ihåliga koppmotorn också gradvis inom det civila området, såsom kontorsautomation, elverktyg och så vidare.
En lovande hålkoppsmotor
Hålkoppsmotor med sin unika design utan järnkärna, som visar hög hastighet, hög effektivitet, hög dynamisk respons och andra betydande fördelar, allmänt använd inom flyg-, medicinsk utrustning och andra områden, i den humanoida robotens handflexibilitet har också en betydande inverkan. Även om utländska företag som Maxon och Faulhaber har den första fördelen för närvarande, med den kontinuerliga förbättringen av den tekniska nivån hos inhemska tillverkare och den snabba utvecklingen av den humanoida robotmarknaden, kommer inhemska ihåliga kopparmotorer att inleda nya utvecklingsmöjligheter.
