Роботи-гуманоїди стали блискучою перлиною в області штучного інтелекту.
Останніми роками людиноподібні роботи стали блискучою перлиною в галузі штучного інтелекту з їх широким застосуванням у багатьох сферах, таких як медичне обслуговування та обслуговування. З метою подальшого сприяння розвитку галузі місцеві органи влади запровадили політику збільшення підтримки гуманоїдних роботів та їхніх ключових компонентів. У ланцюжку індустрії гуманоїдних роботів двигун із порожнистою чашкою відіграє важливу роль у системі керування рухом робота-гуманоїда, наприклад, основним компонентом спритної руки гуманоїдного робота Tesla є двигун із порожнистою чашкою, єдиний вузол робота 12 (по 6 для кожної правої руки). Ця стаття має на меті обговорити технічні характеристики, статус ринку та майбутні перспективи двигуна з порожнистими чашками через дослідження.
Що є порожнистий чашковий двигун
1. Поняття та класифікація моторики
Електродвигун - це пристрій, який перетворює електричну енергію в механічну. Він використовує котушку під напругою (тобто обмотку статора) для створення обертового магнітного поля та використовується для ротора (наприклад, закритої алюмінієвої рами з білячою кліткою) для формування магнітоелектричного обертального моменту, який має перетворювати силу, створювану потоком струму в магнітному полі, на обертальну дію. Принцип полягає у використанні магнітного поля для примусового струму, щоб двигун обертався.
Основний принцип обертання двигуна: навколо постійного магніту з обертовою віссю, 1 обертайте магніт (таким чином, щоб утворилося обертове магнітне поле), 2 відповідно до принципу N-полюса та S-полюса гетерополя притягання, той самий полюс відштовхування, 3 магніт з обертовою віссю буде обертатися.
У двигуні саме струм, що протікає по дроту, створює обертове магнітне поле (магнітну силу) навколо нього, яке змушує магніт обертатися. Коли дріт намотується в котушку, синтезується магнітна сила, утворюючи великий потік магнітного поля (магнітний потік), що призводить до появи N і S полюсів. Якщо вставити залізний сердечник у котушку дроту, лінії магнітного поля легше проходити крізь них і можуть створити сильнішу магнітну силу.
Конструкція двигуна в основному складається з двох частин: статора і ротора.
Статор: нерухома частина двигуна, основна структура якої включає магнітний полюс, обмотку та кронштейн. Магнітний полюс - це частина двигуна, яка створює магнітне поле, яке зазвичай складається із залізного сердечника та котушок. Обмотка - це котушка в статорі, яка зазвичай складається з провідників та ізоляції, роль якої полягає у створенні магнітного поля, коли через неї проходить електричний струм. Кронштейн — це опорна конструкція статора, яка зазвичай виготовляється з алюмінієвого сплаву та інших матеріалів, має гарну стійкість до корозії та міцність.
Ротор: Обертова частина двигуна, основна структура якої включає арматуру, підшипники та торцеві кришки. Якір — це котушка в роторі, яка зазвичай складається з провідників та ізоляції, роль якої полягає у створенні магнітного поля, коли через нього проходить електричний струм. Підшипники - це опорна конструкція ротора, зазвичай виготовлена зі сталі або кераміки, з хорошою стійкістю до зносу та корозії. Торцева кришка - це кінцева конструкція двигуна, зазвичай виготовлена з алюмінієвого сплаву та інших матеріалів, з хорошою герметизацією та міцністю.
2, визначення та класифікація двигуна порожнистої чашки
У 1958 році Dr.FF aulhaber розробив технологію котушки з похилою обмоткою та отримав відповідний патент на двигун з порожнистою чашкою в 1965 році, що ознаменувало появу двигуна з порожнистою чашкою, а його креативний структурний дизайн дозволяє двигуну мати менший розмір і більшу ефективність. Порожнистий чашковий двигун належить до серводвигуна постійного струму з постійним магнітом, структура двигуна показана на наступному малюнку, в основному складається зі статора та ротора. Статор складається з листової кремнієвої сталі та обмотки котушки, а листової кремнієвої сталі без структури канавки зуба можна уникнути ефекту канавки зуба та зменшити втрати заліза та втрати на вихрові струми. Ротор складається з постійного магніту, обертового вала та його нерухомих частин, а двигун використовує кільцевий постійний магніт, який легко обробляти та встановлювати.
Порівняно зі звичайними двигунами, найбільшою особливістю ротора є те, що він прориває структуру ротора традиційного двигуна за структурою та використовує ротор без сердечника, також відомий як порожнистий чашковий ротор. Ротор — це порожниста чашеподібна структура, оточена обмотками та магнітами. У звичайних двигунах роль залізного сердечника в основному полягає в: 1) концентрації та спрямуванні магнітного поля: залізний сердечник виготовлено з матеріалу з високою магнітною проникністю (наприклад, кремнієвий сталевий лист), який може концентрувати та направляти магнітний потік, тим самим покращуючи силу магнітного поля та ефективність двигуна; 2) Опорна обмотка: залізний сердечник забезпечує міцну опорну структуру для обмотки, гарантуючи, що обмотка зберігає стабільну форму та положення під час роботи двигуна. У порожнистому чашковому двигуні тонкостінний порожнистий циліндр використовується як ротор, а порожнистий циліндр намотується безпосередньо всередині обмотки без додаткової опори сердечника. Переваги безсерцевої конструкції: 1) Усунення вихрових струмів і втрат на гістерезис: залізний сердечник у звичайному двигуні вироблятиме вихрові струми та втрати на гістерезис у змінному магнітному полі, що зменшить ефективність двигуна. У двигуні з порожнистою чашкою використовується ротор без сердечника, який повністю усуває ці втрати, тим самим покращуючи ефективність перетворення енергії двигуна. 2) Зменшити вагу та момент інерції: конструкція без сердечника значно зменшує вагу ротора, роблячи весь двигун легшим. У той же час зменшення моменту інерції дозволяє двигуну мати більшу швидкість відгуку та більше прискорення, що дуже корисно для прикладних сценаріїв, які вимагають швидкого запуску та зупинки.
У той же час точна конструкція конструкції порожнистого циліндра та компонування обмотки може оптимізувати розподіл магнітного поля всередині двигуна з порожнистою чашкою, зменшити витік магнітного поля та втрати енергії та ще більше підвищити ефективність і продуктивність двигуна.
Двигун із порожнистою чашкою можна розділити на два типи відповідно до режиму комутації: один — двигун із щіткою з порожнистою чашкою, який використовує режим комутації механічної вугільної щітки; Інший — безщітковий двигун із порожнистою чашкою, який замінює комутацію щіток електронною комутацією, уникаючи електричної іскри та частинок тонера, що утворюються під час роботи двигуна щітки, зменшуючи шум і збільшуючи термін служби двигуна. З порівняння різних продуктів електричних приладів Mingzhi на наступному малюнку видно, що в безщітковому двигуні з порожнистою чашкою немає потреби в щітці, але датчик Холла виявляє сигнал магнітного поля ротора, перетворює механічне реверсування в електронне реверсування сигналу та ще більше спрощує фізичну структуру двигуна з порожнистою чашкою.
3, переваги двигуна порожнистої чашки
Двигун із порожнистою чашкою прориває структуру ротора традиційного двигуна за структурою, зменшує втрати потужності, спричинені утворенням вихрових струмів у залізному сердечнику, а його маса та момент інерції значно зменшуються, тим самим зменшуючи втрати механічної енергії самого ротора. Підводячи підсумок, двигун із порожнистою чашкою має такі переваги, як висока щільність потужності, тривалий термін служби, швидка реакція, високий пік крутного моменту, добре розсіювання тепла тощо.
Висока щільність потужності: щільність потужності двигуна з порожнистою чашкою - це відношення вихідної потужності до ваги або об'єму. З точки зору ваги, неосновний ротор легший за звичайний сердечник; З точки зору ефективності, безсерцевий ротор усуває вихрові струми та втрати на гістерезис, що генеруються безсерцевим ротором, покращує ефективність мікромотора та забезпечує високий вихідний крутний момент і вихідну потужність. Максимальний ККД більшості двигунів з порожнистими чашками становить понад 80%, тоді як максимальний ККД більшості щіткових двигунів постійного струму зазвичай становить близько 50%. Менша вага та більш високий ККД дозволяють двигунам із порожнистими чашками досягати більшої щільності потужності. Таким чином, двигун із порожнистою чашкою особливо підходить для пристроїв із живленням від батареї, які потребують тривалої роботи, таких як портативні насоси для забору проб повітря, гуманоїдні роботи, біонічні руки, ручні електроінструменти та інші програми.
Висока щільність крутного моменту: конструкція без сердечника зменшує вагу ротора та момент інерції, а низький момент інерції означає, що двигун може прискорюватися та гальмувати швидше, таким чином маючи змогу створювати більший крутний момент за короткий час; У той же час відсутність залізного сердечника робить двигун з порожнистою чашкою більш компактним, меншим і здатним забезпечувати більш високий крутний момент в обмеженому просторі.
Тривалий термін служби: кількість реверсивних частин двигуна з порожнистою чашкою зменшує коливання струму та індуктивність двигуна під час реверсування, що значно зменшує електричну корозію реверсивної системи під час процесу реверсування, щоб мати довший термін служби. Згідно з даними в 'Дослідженні застосування індивідуального управління двигунами з порожнистими чашками', термін служби щіткових двигунів постійного струму зазвичай становить лише кілька сотень годин, а очікуваний термін служби двигунів з порожнистими чашками зазвичай становить від 1000 до 3000 годин, що може забезпечити більш тривалу надійну роботу.
Швидка швидкість реагування: традиційний двигун має відносно великий момент інерції завдяки наявності залізного сердечника, тоді як двигун із порожнистою чашкою компактний, а ротор має форму чашеподібної самонесучої котушки, тому вага легша, а його менший момент інерції також робить двигун із порожнистою чашкою чутливим регулюючим характеристикам запуску та зупинки. Згідно з «Прогресом досліджень мікродвигуна та котушки з порожнистою чашкою», механічна постійна часу основного двигуна становить близько 100 мс, тоді як механічна постійна часу двигуна з порожнистою чашкою менше 28 мс, а для деяких продуктів навіть менше 10 мс.
Високий піковий крутний момент: Співвідношення пікового крутного моменту та безперервного крутного моменту двигуна з порожнистою чашкою дуже велике, оскільки процес зростання струму до постійного пікового крутного моменту не змінюється, а лінійна залежність між струмом і крутним моментом може змусити мікромотор виробляти великий піковий крутний момент. Коли звичайний двигун постійного струму зі звичайним сердечником досягне насичення, незважаючи на збільшення струму, крутний момент двигуна постійного струму не збільшиться.
Гарне розсіювання тепла: поверхня ротора з порожнистою чашкою має потік повітря, кращий, ніж продуктивність розсіювання тепла серцевинного ротора, емальований дріт ротора з сердечником вбудовано в канавку листової кремнієвої сталі, потік повітря на поверхні котушки менший, підвищення температури більше, за тих самих умов вихідної потужності підвищення температури двигуна постійного струму з порожнистою чашкою менше.
4, технічний шлях порожнистого чашкового двигуна
Ключовим кроком у виробництві двигуна з порожнистими чашками є виробництво котушки, тому конструкція котушки та процес намотування стають його основними бар’єрами. Діаметр, кількість витків і лінійність дроту безпосередньо впливають на основні параметри двигуна. Основний бар'єр обмотки котушки безпосередньо відображається на конструкції котушки, оскільки різні типи обмоток мають відмінності в швидкості автоматизації та споживанні міді. З іншого боку, це також відображається на обладнанні для намотування та способі намотування, а швидкість заповнення порожнистої канавки чашки, намотаної різними машинами для намотування, різна, що призводить до різної рідкості, що безпосередньо впливає на втрати двигуна, розсіювання тепла, потужність тощо.
Кут конструкції котушки: конструкцію обмотки двигуна з порожнистою чашкою можна розділити на прямий тип обмотки, косий тип обмотки та тип сідла.
Пряма обмотка: дріт котушки паралельний осі двигуна, утворюючи зосереджену структуру обмотки. Ідея дизайну котушки з прямим намотанням полягає в тому, щоб спочатку намотати звичайний круглий емальований дріт на матрицю для намотування відповідно до вимог щодо кількості витків, а потім з’єднати обмотку на валу сердечника дроту, а потім використовувати сполучний на обох кінцях для затвердіння та формування. Відносно кажучи, кінець прямої обмотки не створює крутного моменту та збільшує вагу якоря та опір якоря.
Косий намотування: також відомий як стільниковий намотування, використовується метод стільникового намотування, залишаючи крани посередині, щоб мати можливість безперервно намотувати, необхідно зробити ефективну сторону елемента та вісь арматури під певним кутом нахилу. Кінцевий розмір цього методу намотування невеликий, але оскільки безперервна намотка з косою намотуванням вимагає певного кута лінії, емальований дріт перекривається, а швидкість заповнення пазу є низькою. Порівняно з прямим намотаним типом арматура з похилою обмоткою не має кінцевої обмотки, що зменшує вагу якоря, і має такі переваги, як малий момент інерції, мала постійна часу, хороші характеристики опору та великий вихідний крутний момент. Faulhaber у Німеччині та Portescap у Швейцарії переважно використовують похилу намотку.
Тип сідла: також відомий як концентрична або ромбоподібна намотка, використовується метод намотування профільованої котушки, а потім проводки, тобто самоклеючий емальований дріт намотується на спеціальну формувальну матрицю для намотування, а чашка арматури виготовляється з кількох формуючих елементів. Під час намотування два шари котушок розташовані акуратно та мають форму, що зручно контролювати розмір чашки арматури після зміни форми та покращити швидкість заповнення щілин. У той же час цей спосіб має високу ефективність виробництва і підходить для масового виробництва. Кінець арматури обмотки сідла має менше шарів, що перекриваються, малий повітряний зазор і високий коефіцієнт використання постійного магніту, що покращує щільність потужності двигуна. У деяких продуктах Maxon у Швейцарії використовується намотування в сідло.
З точки зору процесу намотування: з точки зору технології виробництва, відповідно до методу формування котушка в основному поділяється на три категорії: ручне намотування, намотування та одноразове формування.
1) Ручний завод. Через серію складних процесів, включаючи вставлення штифтів, ручне намотування, ручне підключення проводів та інші етапи виробництва. Він підходить для продуктів, які вимагають високого ступеня налаштування, але ефективність виробництва та стабільність продукту обмежені.
2) Технологія намотувального виробництва. Технологія виробництва намотування - це напівавтоматичне виробництво, емальований дріт спочатку послідовно намотується на основний вал з ромбоподібним перерізом, і після досягнення необхідної довжини його видаляють, а потім сплющують у дротяну пластину, і, нарешті, дротяну пластину намотують у чашеподібну котушку. Відповідно до «процесу виробництва арматури та обладнання для намотування порожнистої чашки» наступна намотувальна машина може бути налаштована з 4 робітниками для досягнення річної продуктивності 30 000 одиниць, але обмеження намотування полягає в тому, що вона більше підходить для діаметра порожнистої чашки 20-30 мм, важко намотувати менші котушки з відстанню між кранами менше 7 мм, тобто вироби діаметром менше 10 ~ 12 мм. Загалом ефективність виробництва процесу намотування є відносно високою, і вона може відповідати вимогам середнього виробництва. Однак його високий рівень участі вручну призводить до того, що консистенція готового продукту може бути не такою хорошою, як автоматизоване виробництво, і важко задовольнити менший розмір порожнистої чашкової котушки.
3) Одна технологія виробництва лиття. Машина для намотування через обладнання для автоматизації буде емальованим дротом відповідно до правила шпинделя, намотування котушки в чашку після видалення, одне формування, відсутність необхідності згортання та розплющування кількох процесів, високий ступінь автоматизації, тому ефективність виробництва та консистенція готового продукту кращі; Але відповідні початкові інвестиції в обладнання будуть вищими.
Закордонний процес намотування розроблений рано, ступінь автоматизації вище, ніж вітчизняний. Внутрішнє виробництво в основному використовує виробництво намотування, процес складніший, трудомісткість працівників велика, не може завершити котушку з більш товстим діаметром дроту, а швидкість брухту висока. Зарубіжні країни в основному використовують одноразову технологію виробництва, високий ступінь автоматизації, високу ефективність виробництва, діапазон діаметрів котушок, хорошу якість котушок, щільне розташування, типи двигунів, хорошу продуктивність.
Ланки промислових ланцюгів і подальше застосування
Вгору за течією двигуна з порожнистими чашками є сировина та деталі, сировина включає мідь, сталь, магнітну сталь, пластик тощо, деталі включають підшипники, щітки, комутатори тощо. Середня частина промислового ланцюга – виробники двигунів. Нижче за течією промислового ланцюга є кінець застосування, а порожнистий чашковий двигун має характеристики високої чутливості, стабільної роботи та сильного контролю, що відповідає строгим вимогам електроприводу високого класу, тому він в основному використовується в аерокосмічній галузі, медичному обладнанні, промисловій автоматизації та робототехніці та інших сферах високого класу. У той же час двигун з порожнистими чашками також поступово застосовується в цивільній сфері, наприклад, в офісній автоматизації, електроінструментах тощо.
Перспективний порожнистий двигун
Порожнистий чашковий двигун з унікальною конструкцією без залізного сердечника, що демонструє високу швидкість, високу ефективність, високу динамічну реакцію та інші значні переваги, широко використовуються в аерокосмічній галузі, медичному обладнанні та інших галузях, гнучкість руки гуманоїдного робота також має значний вплив. Незважаючи на те, що закордонні підприємства, такі як Maxon і Faulhaber, наразі мають перевагу першоджерела, з безперервним вдосконаленням технічного рівня вітчизняних виробників і швидким розвитком ринку гуманоїдних роботів вітчизняні двигуни з порожнистими чашками відкриють нові можливості розвитку.
