Двигун із порожнистою чашкою (мікробезсерцевий двигун) — це спеціальний двигун постійного струму. Традиційний Двигун постійного струму широко використовується в промисловому виробництві, побутовій техніці, транспорті та інших сферах, складається з двох основних частин статора та ротора, стаціонарна частина двигуна постійного струму називається статором, основна роль статора полягає у створенні магнітного поля, що складається з рами, головного магнітного полюса, реверсивного полюса, торцевої кришки, підшипника та щіткового пристрою. Зазвичай використовувані матеріали для магнітів статора включають Ndfeb, самарієвий кобальт, алюміній-нікель-кобальт і ферит. Частина, яка обертається під час роботи, називається ротором, і її основна роль полягає у створенні електромагнітного моменту та індукованої електрорушійної сили, яка є центром двигуна постійного струму для перетворення енергії, тому її зазвичай називають якорем, яке складається з обертового вала, сердечника якоря, обмотки якоря, комутатора та вентилятора.
Двигун з порожнистою чашкою прориває структурну форму традиційного двигуна постійного струму за структурою, використовуючи ротор без серцевини, а його обмотка якоря є порожнистою котушкою, подібною за формою до чашки з водою, тому її називають «порожнистим двигуном з чашкою». Порожнистий чашковий двигун належить до постійного струму, постійного магніту, сервомікродвигуна. Ця нова структура ротора робить двигун з порожнистою чашкою наступними відмінними характеристиками: ① Енергозберігаючі характеристики: конструкція без сердечника повністю усуває втрати потужності, спричинені утворенням вихрових струмів у залізному сердечнику, і ефективність перетворення енергії дуже висока, максимальний ККД, як правило, перевищує 70%, а деякі продукти можуть досягати понад 90% (двигуни із залізним сердечником, як правило, 70%); (2) Характеристики керування: швидкий запуск і гальмування, швидка реакція, механічна постійна часу менше 28 мілісекунд, деякі продукти можуть досягати менше 10 мілісекунд (основні двигуни, як правило, більше 100 мілісекунд); Швидкість можна легко регулювати під час роботи на високій швидкості в рекомендованій робочій зоні; (3) Характеристики опору: Стабільність роботи дуже надійна, коливання швидкості дуже малі, коливання швидкості мікромотора можна легко контролювати в межах 2%; ④ Легкі характеристики: порівняно з двигуном з такою ж потужністю, його вага та об’єм зменшені на 1/3-1/2, а щільність енергії значно покращена. Основним показником двигуна з порожнистою чашкою є щільність потужності, тобто відношення вихідної потужності до ваги або об’єму. Ротор без залізного сердечника усуває вихрові струми та втрати на гістерезис на молекулярному кінці та покращує ефективність перетворення енергії. Зменшена вага та об’єм на кінці знаменника.
Щітка є важливою складовою щітковий двигун , відповідальний за проведення струму між обертовими частинами та нерухомими частинами. Оскільки він більше зроблений з графіту, його також називають вугільною щіткою. У звичайному двигуні постійного струму, щоб підтримувати обертання ротора, напрямок струму ротора потрібно змінювати в реальному часі, тому потрібно використовувати комутатор і вугільну щітку. Безщітковий двигун скасовує режим механічної комутації щіток, тому для завершення електронної комутації необхідно визначити положення ротора. Є два поширених способи отримання інформації про положення ротора: (1) режим керування без датчиків, коли двигун працює, положення ротора визначається вимірюваною змінною, яку повертає двигун; Режим керування датчиком положення, положення ротора двигуна безпосередньо визначається датчиком положення всередині двигуна. Зазвичай використовуваними датчиками положення є датчики Холла, фотоелектричні кодери, поворотні трансформатори тощо. Точність виявлення датчика Холла невисока, але ціна низька; Виявлення положення фотоелектричного кодера та поворотного трансформатора є точним, а помилка невеликою, і вони зазвичай використовуються для високопродуктивних систем керування, таких як керування орієнтацією магнітного поля та пряме керування крутним моментом.
Порожнистий чашковий двигун за своєю структурою можна розділити на два види щіткових і безщіткових. ① Матовий порожнистий чашковий двигун (також відомий як щітковий безсерцевий двигун постійного струму, ротор без залізного сердечника): використання механічного щіткового комутатора, як правило, за оболонкою, внутрішнього статора з м’якого магнітного матеріалу, статора з постійним магнітом, композиції арматури порожнистого чашкового ротора. Коли двигун щітки з порожнистою чашкою подається під напругу, через обмотку проходить струм, створюючи крутний момент, ротор починає обертатися, якщо ротор повертається на певний кут, щітка використовує механічний комутатор, щоб змінити напрямок струму, так що напрямок вихідного крутного моменту залишається незмінним, ротор продовжує обертатися. Оскільки щітковий двигун із порожнистою чашкою використовує комутацію щіток, під час роботи двигуна виникає певне відносне тертя, яке спричиняє шум, електричну іскру та зменшує термін служби двигуна. Загалом вітчизняний «мотор з порожнистою чашкою» зазвичай відноситься до щіткового двигуна; ② безщітковий порожнистий чашковий двигун (також відомий як безщітковий безщітковий двигун постійного струму, статор без залізного сердечника): використання електронної комутації, як правило, оболонкою, м’якими магнітними матеріалами, ізоляційними матеріалами та порожнистою чашковою арматурою, що складається зі статора та постійного магнітного сталевого ротора. Безщітковий двигун з порожнистою чашкою підключає різні обмотки до ланцюга, керуючи ввімкненням і вимкненням електронних компонентів для досягнення ефекту реверсу. Завдяки цьому режиму комутації безщітковий двигун з порожнистою чашкою має характеристики високої ефективності, невеликих коливань крутного моменту, тривалого терміну служби, компактної конструкції, простого обслуговування тощо.
1.2. Основний бар'єр: процес намотування
Потік процесу двигуна з порожнистою чашкою складний, і складність обробки набагато більша, ніж у звичайного щілинного двигуна постійного струму. Взявши як приклад безщілинний двигун постійного струму від Dingzhi Technology (тобто його продукти з порожнистими чашковими двигунами), починаючи від обмотки передньої котушки, середнього підшипника, оправки, опорного кільця та інших монтажних частин сердечника до встановлення задньої кришки та лінії зварювання друкованих плат тощо, що включає майже 30 процесів, складність набагато більша, ніж у звичайних щілинних двигунів постійного струму. Виробництво котушок має проходити через процес емальованого дроту - намотування - нагрівання, формування - зняття дроту, підключення загального дроту - встановлення котушки тощо.
Серед них виробництво котушок є одним із основних процесів двигуна з порожнистими чашками. Безсердечні самонесучі обмотки виготовляються з так званого емальованого дроту, який являє собою ізольований мідний дріт, покритий фарбою зовні. У процесі виробництва фарбу сусідніх проводів сплавляють разом шляхом застосування тиску та температури. Правильне склеювання (стрічка або скловолокно) може додатково підвищити міцність і стабільність форми обмотки, що особливо важливо при великих струмових навантаженнях.
Технологія виробництва порожнистої чашкової котушки двигуна в основному поділяється на три категорії відповідно до методу формування котушки: 1) ручне намотування. Через серію складних процесів, включаючи вставлення штифтів, ручне намотування, ручне підключення проводів та інші етапи виробництва. 2) Технологія виробництва намотування. 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. Взявши як приклад порожнисту чашку для намотування, виробничий процес можна приблизно розділити на наступні етапи: (1) Намотування котушки заготовки з шестикутним дротом: воно виконується на верстаті для намотування групи похилого намотування; ② Котушка заготовки дроту наклеєна двома шматками фігурної стрічки, чутливої до тиску, яку слід витягнути з форми; ③ Сплющування: фігурна пластина вставляється в котушку дротяної заготовки, і котушка сплющується, а потім відправляється на сплющувальну машину для сплющування та отримання плоскої дротяної заготовки. Сформуйте бамбуковим скребком. Відріжте зайву стрічку, залишивши тільки одну зачіпку, зачіпку потрібно залишити на злегка піднятій стороні плоского пасма, щоб котушка могла сформувати ряд; ④ Котушка: плоска дротяна заготовка подається в котушку котушки з порожнистими чашками, так що дротяна заготовка з’єднується з кінцем, а стрічка наклеюється на поверхню головки дротяної заготовки, щоб стати порожнистою котушкою; ⑤ Формування епоксидного покриття: після нанесення епоксидного клею помістіть його в духовку для затвердіння та формування. 3) Одна технологія виробництва лиття. Машина для намотування намотує емальований дріт на шпиндель відповідно до закону через обладнання для автоматизації та знімає котушку після намотування в чашку, формуючи за один раз, і не вимагає багатьох процесів, таких як прокатка та розплющування, з високим ступенем автоматизації.
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. Порожнистий чашковий двигун можна розділити на прямий, сідлоподібний і похилий за способом намотування. У 1958 році доктор FF aulhaber (фон Хабер) з Німеччини розробив технологію намотування котушки з похилою обмоткою, а в 1965 році отримав патент на технологію похилої обмотки котушки ротора двигуна з порожнистою чашкою. Німеччина, Швейцарія, Японія та інші розробки двигуна з порожнистою чашкою раніше, у процесі намотування накопичили багатий досвід. Серед трьох провідних порожнистих чашкових двигунів у світі швейцарський Maxon використовує здебільшого пряму форму намотування та форму сідла, а німецькі Faulhaber та швейцарський Portescap переважно використовують нахилену форму намотування. Процес прямого намотування більш складний, і він в основному використовується для довгих обмотувальних конструкцій, часто виготовлених з декількох обмоток. Сідлоподібна форма може зменшити товщину котушки, ефективно зменшити магнітний повітряний зазор на двигуні з високою щільністю потужності, збільшити довжину різального магнітного поля та краще використовувати магнетизм статора; Коса обмотка, розроблена раніше, відносно проста намотка, жорстка проводка, придатна для великосерійного виробництва.
Обмотка є основним технічним бар'єром двигуна з порожнистою чашкою. ① Посилання на проектування: за кордоном три основні технології виникли в 1960-х роках, внутрішній двигун із порожнистою чашкою почався пізно, менше досліджень, відсутність комбінації класу поділу матеріалу, типу чашки ротора для оптимізації двигуна, відсутність систематичного переднього дизайну, відсутність індивідуальних вимог до конфігурації схеми приводу системи та можливостей дизайну продукту; ② Ланка обробки: порівняно з традиційним безщітковим двигуном, щітковим двигуном, серводвигуном, конструкція двигуна з порожнистою чашкою належить до структури беззубої канавки, немає фіксованої канавки, весь емальований дріт є підвішеною обмоткою, немає внутрішньої опори, це дуже складно в процесі, і ранній вихід низький. З точки зору точності намотування, вимоги до точності двигунів з порожнистими чашками вищі, ніж у традиційних двигунів. Сам двигун із порожнистою чашкою має невеликі розміри, а допуск на помилку нижчий, ніж у звичайних двигунів із постійними магнітами та крокових двигунів, а точність обробки безпосередньо впливає на стабільність магнітного поля. Різниця товщини дроту та обертів обмотки призводить до того, що значення опору обмотки, пусковий струм, постійна швидкість та інші параметри двигуна мають великі відмінності. Через це вітчизняним виробникам необхідно підвищити точність, продуктивність і автоматизацію виробничих і технологічних ланок. Порівняно з зарубіжними країнами, Китай також відносно слабкий з точки зору обладнання для намотування. Намотальне обладнання можна розділити на автоматичне і ручне неавтоматичне. Порівняно з зарубіжними, ступінь автоматизації намотувального обладнання в Китаї є відносно низьким. До провідних світових виробників намотувального обладнання належать Meteor зі Швейцарії, Tanaka Seiki Co., Ltd. з Японії та Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Вітчизняні підприємства все ще знаходяться у відносно незавантаженому стані з точки зору обладнання, і вони закуповують більше японського намотувального обладнання, ціни якого коливаються від сотень тисяч до мільйонів. Відносно представницькі компанії в Китаї включають Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook тощо.
1.3 Застосування нижче за течією: Характеристики двигуна з порожнистою чашкою визначають сценарій застосування за схемою
Двигун із порожнистими чашками належить до мікромоторів, а вихідна сировина схожа на сировину для мікродвигунів, включаючи мідь, сталь, магнітну сталь, підшипники, пластмаси тощо. Двигун із порожнистими чашками спочатку використовувався в авіаційній, аерокосмічній, військовій та інших передових галузях промисловості, але в останні роки його застосування поступово поширилося на цивільні галузі, такі як медичні прилади, побутова електроніка, електроінструменти, промислова автоматизація та інші сценарії.
Різні характеристики двигуна з порожнистою чашкою відповідають його застосуванню в різних сферах: 1) характеристики невеликого розміру, легкої ваги та великого співвідношення потужності до об’єму роблять його придатним для областей з високими вимогами до ваги, таких як різні типи літаків тощо, що може мінімізувати вагу літака; Він також широко використовується в різних споживчих електронних виробах, таких як електричні зубні щітки та портативні електричні вентилятори. 2) Характеристики швидкого старту та гальмування та надзвичайно швидкої реакції роблять його придатним для областей, де потрібно досягти швидкого автоматичного керування, наприклад, коригування напрямку ракети з високими вимогами до продуктивності керування, високошвидкісний оптичний привод, високочутливе обладнання, промислові роботи тощо. 3) Характеристики високої ефективності перетворення енергії та тривалого часу роботи роблять його придатним для всіх типів областей, які вимагають енергозбереження та часу автономної роботи, таких як портативні інструменти та польове робоче обладнання.
Гуманоїдний робот відкриває новий блакитний океан двигунів із порожнистими чашками. Згідно з останньою розробкою Optimus, гуманоїдного робота, випущеного Tesla, кожна рука містить шість приводів і 11 ступенів свободи, два приводи для великого пальця і по одному приводу для кожного з інших чотирьох пальців, і рука може нести до 20 фунтів. Ручний шарнірний модуль в основному складається з порожнистого чашкового двигуна, прецизійного планетарного редуктора, кулькового гвинта та датчика. Двигун з порожнистою чашкою дозволяє пальцю рухатися, прецизійний планетарний редуктор дозволяє маніпулятору точніше позиціонувати та використовувати більшу гнучкість, кодер забезпечує високоточний зворотний зв’язок щодо положення та швидкості руки, а датчик дає роботові функцію сприйняття та реакцію, як у людини. За словами Маска, кількість людиноподібних роботів у майбутньому перевищить кількість людей, і очікується, що в довгостроковій перспективі досягне рівня 100 мільярдів одиниць. Двигун з порожнистою чашкою — це основне технічне рішення для руки робота з високою точністю. Гуманоїдні роботи використовують 6 порожнистих чашкових двигунів на руку, враховуючи кінцеву ситуацію, очікується, що гуманоїдні роботи досягнуть рівня в один мільярд одиниць, якщо масове виробництво гуманоїдних роботів приземлиться, призведе до зростання доходів підприємств, пов’язаних з порожнистими чашковими двигунами.
