Robot hình người đã trở thành viên ngọc sáng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.
Những năm gần đây, robot hình người đã trở thành viên ngọc sáng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chăm sóc y tế, dịch vụ. Để thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của ngành, chính quyền địa phương đã đưa ra các chính sách nhằm tăng cường hỗ trợ cho robot hình người và các bộ phận chính của chúng. Trong chuỗi công nghiệp robot hình người, động cơ cốc rỗng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển chuyển động của robot hình người, chẳng hạn như thành phần cốt lõi của bàn tay khéo léo của robot hình người Tesla là động cơ cốc rỗng, một cụm robot duy nhất 12 (mỗi tay phải 6 cái). Bài viết này nhằm mục đích thảo luận về các đặc tính kỹ thuật, tình trạng thị trường và triển vọng tương lai của động cơ cốc rỗng thông qua nghiên cứu.
Là gì động cơ cốc rỗng
1. Khái niệm và phân loại động cơ
Động cơ điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Nó sử dụng một cuộn dây mang điện (tức là cuộn dây stato) để tạo ra từ trường quay và được sử dụng để rôto (chẳng hạn như khung nhôm đóng lồng sóc) để tạo thành mômen quay điện từ, nhằm chuyển đổi lực do dòng điện tạo ra trong từ trường thành tác dụng quay. Nguyên lý là dùng từ trường để tạo ra dòng điện làm động cơ quay.
Nguyên lý cơ bản của chuyển động quay của động cơ: xung quanh nam châm vĩnh cửu có trục quay, 1 quay nam châm (để tạo ra từ trường quay), 2 theo nguyên lý lực hút dị cực cực N và cực S, lực đẩy cực giống nhau, 3 nam châm có trục quay sẽ quay.
Trong động cơ, thực chất dòng điện chạy qua dây tạo ra từ trường quay (lực từ) xung quanh nó làm cho nam châm quay. Khi dây quấn thành cuộn dây, lực từ được tổng hợp tạo thành một từ thông (từ thông) lớn, tạo thành hai cực N và S. Bằng cách chèn lõi sắt vào cuộn dây, các đường sức từ trở nên dễ dàng đi qua hơn và có thể tạo ra lực từ mạnh hơn.
Cấu trúc của động cơ chủ yếu bao gồm hai phần: stato và rôto.
Stator: bộ phận đứng yên của động cơ, cấu trúc chính bao gồm cực từ, cuộn dây và giá đỡ. Cực từ là bộ phận của động cơ tạo ra từ trường, thường bao gồm lõi sắt và các cuộn dây. Cuộn dây là cuộn dây trong stato, thường bao gồm dây dẫn và lớp cách điện, có vai trò tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua nó. Giá đỡ là cấu trúc đỡ của stato, thường được làm bằng hợp kim nhôm và các vật liệu khác, có khả năng chống ăn mòn và độ bền tốt.
Rôto: Bộ phận quay của động cơ, cấu trúc chính bao gồm phần ứng, vòng bi và nắp đầu. Phần ứng là cuộn dây trong rôto, thường bao gồm dây dẫn và lớp cách điện, có vai trò tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua nó. Vòng bi là cấu trúc đỡ của rôto, thường được làm bằng thép hoặc gốm, có khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt. Vỏ cuối là cấu trúc cuối của động cơ, thường được làm bằng hợp kim nhôm và các vật liệu khác, có độ kín và độ bền tốt.
2, định nghĩa và phân loại động cơ cốc rỗng
Năm 1958, Dr.FF aulhaber đã phát triển công nghệ cuộn dây nghiêng và nhận được bằng sáng chế liên quan cho động cơ cốc rỗng vào năm 1965, đánh dấu sự ra đời của động cơ cốc rỗng và thiết kế cấu trúc sáng tạo của nó cho phép động cơ vừa có kích thước nhỏ hơn vừa có hiệu suất cao hơn. Động cơ cốc rỗng thuộc loại động cơ servo nam châm vĩnh cửu DC, cấu tạo động cơ như hình sau, chủ yếu bao gồm stato và rôto. Stator bao gồm tấm thép silicon và cuộn dây, tấm thép silicon không có cấu trúc rãnh răng có thể tránh được hiệu ứng rãnh răng và giảm tổn thất sắt và tổn thất dòng điện xoáy. Rôto bao gồm một nam châm vĩnh cửu, trục quay và các bộ phận cố định của nó, và động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu dạng vòng, dễ xử lý và lắp đặt.
So với động cơ thông thường, đặc điểm lớn nhất của rôto là nó phá vỡ cấu trúc rôto của động cơ truyền thống về mặt cấu trúc và sử dụng rôto không lõi, còn được gọi là rôto cốc rỗng. Rôto là một cấu trúc hình cốc rỗng được bao quanh bởi các cuộn dây và nam châm. Trong động cơ thông thường, vai trò của lõi sắt chủ yếu là: 1) tập trung và dẫn hướng từ trường: lõi sắt được làm bằng vật liệu có độ thấm từ cao (chẳng hạn như tấm thép silicon), có thể tập trung và dẫn hướng từ thông, từ đó cải thiện cường độ và hiệu suất từ trường của động cơ; 2) Cuộn dây đỡ: Lõi sắt tạo thành kết cấu đỡ chắc chắn cho cuộn dây, đảm bảo cuộn dây duy trì được hình dạng và vị trí ổn định trong quá trình động cơ hoạt động. Trong động cơ cốc rỗng, xi lanh rỗng có thành mỏng được sử dụng làm rôto và xi lanh rỗng được quấn trực tiếp bên trong cuộn dây mà không cần hỗ trợ thêm lõi. Ưu điểm của thiết kế không lõi: 1) Loại bỏ tổn thất dòng điện xoáy và trễ: Lõi sắt trong động cơ thông thường sẽ tạo ra dòng điện xoáy và tổn thất trễ trong từ trường xen kẽ, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ. Động cơ cốc rỗng sử dụng rôto không lõi, giúp loại bỏ hoàn toàn những tổn thất này, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của động cơ. 2) Giảm trọng lượng và mô men quán tính: thiết kế không có lõi giúp giảm đáng kể trọng lượng của rôto, giúp toàn bộ động cơ nhẹ hơn. Đồng thời, việc giảm mômen quán tính cho phép động cơ có tốc độ phản hồi nhanh hơn và khả năng tăng tốc cao hơn, điều này rất có lợi cho các tình huống ứng dụng yêu cầu khởi động và dừng nhanh.
Đồng thời, thiết kế chính xác của cấu trúc hình trụ rỗng và cách bố trí cuộn dây có thể tối ưu hóa sự phân bố từ trường bên trong động cơ cốc rỗng, giảm rò rỉ từ tính và tổn thất năng lượng, đồng thời nâng cao hơn nữa hiệu suất và hiệu suất của động cơ.
Động cơ cốc rỗng có thể được chia thành hai loại theo chế độ chuyển mạch của nó: một loại là động cơ chổi than cốc rỗng, áp dụng chế độ chuyển mạch chổi than cơ học; Loại còn lại là động cơ không chổi than dạng cốc rỗng, thay thế chuyển mạch chổi than bằng chuyển mạch điện tử, tránh tia lửa điện và các hạt mực sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ chổi than, giảm tiếng ồn và tăng tuổi thọ của động cơ. Từ việc so sánh các sản phẩm khác nhau của thiết bị điện Mingzhi trong hình dưới đây, có thể thấy rằng không cần bàn chải trong động cơ cốc rỗng không chổi than, nhưng cảm biến Hall sẽ phát hiện tín hiệu từ trường rôto, biến đảo chiều cơ học thành đảo ngược tín hiệu điện tử, đồng thời đơn giản hóa hơn nữa cấu trúc vật lý của động cơ cốc rỗng.
3, lợi thế của động cơ cốc rỗng
Động cơ cốc rỗng phá vỡ cấu trúc rôto của động cơ truyền thống trong cấu trúc, giảm tổn thất điện năng do hình thành dòng điện xoáy trong lõi sắt, đồng thời khối lượng và mô men quán tính của nó giảm đi đáng kể, do đó làm giảm tổn thất năng lượng cơ học của chính rôto. Tóm lại, động cơ cốc rỗng có ưu điểm là mật độ công suất cao, tuổi thọ cao, phản ứng nhanh, mô-men xoắn cực đại cao, tản nhiệt tốt, v.v.
Mật độ công suất cao: Mật độ công suất của động cơ cốc rỗng là tỷ lệ giữa công suất đầu ra với trọng lượng hoặc thể tích. Về trọng lượng, rôto không lõi nhẹ hơn rôto lõi thông thường; Về hiệu suất, rôto không lõi giúp loại bỏ dòng điện xoáy và tổn thất trễ do rôto không lõi tạo ra, cải thiện hiệu suất của động cơ vi mô và đảm bảo mô-men xoắn đầu ra và công suất đầu ra cao. Hiệu suất tối đa của hầu hết các động cơ cốc rỗng là hơn 80%, trong khi hiệu suất tối đa của hầu hết các động cơ DC chổi than thường là khoảng 50%. Trọng lượng thấp hơn và hiệu suất cao hơn cho phép động cơ cốc rỗng đạt được mật độ công suất cao hơn. Do đó, động cơ cốc rỗng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng chạy bằng pin cần thời gian hoạt động dài, chẳng hạn như máy bơm lấy mẫu không khí di động, robot hình người, tay sinh học, dụng cụ điện cầm tay và các ứng dụng khác.
Mật độ mô-men xoắn cao: thiết kế không lõi giúp giảm trọng lượng của rôto và mô men quán tính, đồng thời mô men quán tính thấp có nghĩa là động cơ có thể tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn, do đó có thể tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn trong thời gian ngắn; Đồng thời, việc không có lõi sắt giúp động cơ cốc rỗng nhỏ gọn hơn, nhỏ hơn và có khả năng cung cấp mô-men xoắn đầu ra cao hơn trong một không gian hạn chế.
Tuổi thọ dài: Số lượng bộ phận đảo chiều của động cơ cốc rỗng làm cho dao động dòng điện và độ tự cảm của động cơ nhỏ hơn khi đảo chiều, giúp giảm đáng kể sự ăn mòn điện của hệ thống đảo chiều trong quá trình đảo chiều, để có tuổi thọ cao hơn. Theo dữ liệu trong 'Nghiên cứu ứng dụng quản lý tùy chỉnh động cơ cốc rỗng', tuổi thọ của động cơ DC chổi than thường chỉ vài trăm giờ và tuổi thọ của động cơ cốc rỗng thường là từ 1000 đến 3000 giờ, có thể cung cấp hoạt động đáng tin cậy lâu hơn.
Tốc độ phản hồi nhanh: động cơ truyền thống có mô men quán tính tương đối lớn do có lõi sắt, trong khi động cơ cốc rỗng nhỏ gọn, rôto là cuộn dây tự đỡ hình cốc nên trọng lượng nhẹ hơn, mô men quán tính nhỏ hơn cũng làm cho động cơ cốc rỗng có đặc tính điều chỉnh khởi động-dừng nhạy. Theo 'Tiến trình nghiên cứu của động cơ vi mô cốc rỗng và cuộn dây', hằng số thời gian cơ học của động cơ lõi chung là khoảng 100ms, trong khi hằng số thời gian cơ học của động cơ cốc rỗng nhỏ hơn 28ms, và một số sản phẩm thậm chí còn nhỏ hơn 10ms.
Mô-men xoắn cực đại cao: Tỷ lệ mô-men xoắn cực đại và mô-men xoắn liên tục của động cơ cốc rỗng là rất lớn, bởi vì quá trình dòng điện tăng đến hằng số mô-men xoắn cực đại không thay đổi và mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện và mô-men xoắn có thể làm cho động cơ vi mô tạo ra mô-men xoắn cực đại lớn. Sau khi động cơ DC lõi thông thường đạt đến trạng thái bão hòa, cho dù dòng điện có tăng lên thì mô-men xoắn của động cơ DC sẽ không tăng.
Tản nhiệt tốt: bề mặt của rôto cốc rỗng có luồng không khí, tốt hơn hiệu suất tản nhiệt của rôto lõi, dây tráng men của rôto lõi được nhúng vào rãnh tấm thép silicon, luồng không khí trên bề mặt cuộn dây ít hơn, nhiệt độ tăng lớn hơn, trong cùng điều kiện công suất đầu ra, độ tăng nhiệt của động cơ DC cốc rỗng nhỏ hơn.
4, đường dẫn kỹ thuật của động cơ cốc rỗng
Bước quan trọng trong quá trình sản xuất động cơ cốc rỗng là sản xuất cuộn dây, vì vậy thiết kế cuộn dây và quy trình cuộn dây trở thành rào cản cốt lõi của nó. Đường kính, số vòng dây và độ tuyến tính của dây ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số cốt lõi của động cơ. Rào cản cốt lõi của cuộn dây được phản ánh trực tiếp trong thiết kế cuộn dây, bởi vì các loại cuộn dây khác nhau có sự khác biệt về tốc độ tự động hóa và mức tiêu thụ đồng. Mặt khác, nó còn được phản ánh ở thiết bị cuộn dây và phương pháp cuộn dây, tốc độ lấp đầy vết thương của rãnh cốc rỗng của các máy cuộn dây khác nhau là khác nhau, dẫn đến độ thưa khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất động cơ, tản nhiệt, công suất, v.v.
Thiết kế cuộn dây Góc: Thiết kế cuộn dây của động cơ cốc rỗng có thể được chia thành loại cuộn thẳng, loại cuộn xiên và loại yên.
Cuộn dây thẳng: Dây của cuộn dây song song với trục của động cơ, tạo thành cấu trúc cuộn dây tập trung. Ý tưởng thiết kế của cuộn dây quấn thẳng là đầu tiên quấn dây tráng men hình tròn thông thường trên khuôn cuộn theo yêu cầu về số vòng dây, sau đó nối cuộn dây trên trục lõi của dây, sau đó sử dụng chất kết dính ở cả hai đầu để xử lý và tạo hình. Nói một cách tương đối, phần cuối của cuộn dây thẳng không tạo ra mô-men xoắn, đồng thời làm tăng trọng lượng phần ứng và điện trở phần ứng.
Cuộn dây xiên: hay còn gọi là cuộn dây tổ ong, sử dụng phương pháp cuộn dây tổ ong, chừa các vòi ở giữa, để có thể cuộn dây liên tục cần phải làm cho mặt hữu dụng của phần tử và trục phần ứng thành một Góc nghiêng nhất định. Kích thước cuối của phương pháp cuộn dây này nhỏ, nhưng do cuộn dây xiên liên tục yêu cầu một góc đường nhất định nên dây tráng men chồng lên nhau và tốc độ lấp đầy khe thấp. So với loại vết thương thẳng, phần ứng cuộn dây nghiêng không có cuộn dây cuối, giảm trọng lượng phần ứng và có ưu điểm là mô men quán tính nhỏ, hằng số thời gian nhỏ, đặc tính kéo tốt và mô-men xoắn đầu ra lớn. Faulhaber ở Đức và Portescap ở Thụy Sĩ chủ yếu sử dụng dây quấn nghiêng.
Loại yên: còn được gọi là cuộn dây đồng tâm hoặc hình thoi, phương pháp cuộn dây có hình dạng và sau đó sử dụng dây dẫn, nghĩa là dây tráng men tự dính được quấn trên khuôn cuộn dây định hình đặc biệt và cốc phần ứng được làm bằng nhiều cách sắp xếp hình dạng. Khi cuộn dây, hai lớp cuộn dây được sắp xếp gọn gàng và tạo hình, thuận tiện cho việc kiểm soát kích thước cốc phần ứng sau khi định hình lại và cải thiện tốc độ lấp đầy khe. Đồng thời, phương pháp này có hiệu quả sản xuất cao, phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Đầu phần ứng cuộn dây yên có ít lớp chồng chéo hơn, khe hở không khí nhỏ và tỷ lệ sử dụng nam châm vĩnh cửu cao, giúp cải thiện mật độ công suất của động cơ. Một số sản phẩm của Maxon tại Thụy Sĩ sử dụng kiểu lên dây yên ngựa.
Quan điểm quá trình cuộn dây: Từ quan điểm công nghệ sản xuất, theo phương pháp tạo hình, cuộn dây chủ yếu được chia thành ba loại: cuộn dây thủ công, cuộn dây và sản xuất tạo hình một lần.
1) Cuộn dây bằng tay. Thông qua một loạt các quy trình phức tạp, bao gồm lắp pin, cuộn dây thủ công, nối dây thủ công và các bước khác để sản xuất. Nó phù hợp cho các sản phẩm đòi hỏi mức độ tùy biến cao nhưng hiệu quả sản xuất và độ ổn định của sản phẩm còn hạn chế.
2) Công nghệ sản xuất cuộn dây. Công nghệ sản xuất cuộn dây là sản xuất bán tự động, dây tráng men trước tiên được quấn tuần tự vào trục chính có tiết diện hình kim cương, sau khi đạt đến độ dài cần thiết thì được lấy ra, sau đó dẹt thành tấm dây, cuối cùng là tấm dây được quấn thành cuộn dây hình cốc. Theo quy trình cuộn dây 'cuộn dây quy trình sản xuất phần ứng cốc rỗng'', máy cuộn tiếp theo có thể được cấu hình với 4 công nhân để đạt được sản lượng hàng năm là 30.000 chiếc, nhưng hạn chế của việc quấn dây là phù hợp hơn với đường kính cốc rỗng 20-30mm, khó cuộn các cuộn dây nhỏ hơn với khoảng cách vòi nhỏ hơn 7mm, tức là các sản phẩm có đường kính nhỏ hơn 10 ~ 12mm. Nhìn chung, hiệu quả sản xuất của quy trình cuộn dây tương đối cao và có thể đáp ứng yêu cầu sản xuất quy mô trung bình. Tuy nhiên, tỷ lệ tham gia thủ công cao dẫn đến tính đồng nhất của thành phẩm có thể không tốt bằng sản xuất tự động và khó đáp ứng kích thước nhỏ hơn của cuộn dây cốc rỗng.
3) Công nghệ sản xuất một khuôn. Máy quấn qua thiết bị tự động hóa sẽ là dây tráng men theo quy luật trục quay, cuộn dây sau khi lấy ra sẽ cuộn thành cốc, đúc một lần, không cần cuộn và dẹt nhiều công đoạn, mức độ tự động hóa cao nên hiệu quả sản xuất và tính đồng nhất của thành phẩm tốt hơn; Nhưng mức đầu tư thiết bị trả trước tương ứng sẽ cao hơn.
Quy trình quấn dây ở nước ngoài phát triển sớm, mức độ tự động hóa cao hơn trong nước. Trong nước chủ yếu áp dụng sản xuất cuộn dây, quy trình phức tạp hơn, cường độ lao động của công nhân lớn, không thể hoàn thành cuộn dây có đường kính dây dày hơn và tỷ lệ phế liệu cao. Nước ngoài chủ yếu sử dụng công nghệ sản xuất vết thương một lần, mức độ tự động hóa cao, hiệu quả sản xuất cao, phạm vi đường kính cuộn dây, chất lượng cuộn dây tốt, bố trí chặt chẽ, các loại động cơ, hiệu suất tốt.
Liên kết chuỗi công nghiệp và các ứng dụng hạ nguồn
Thượng nguồn của động cơ cốc rỗng là nguyên liệu thô và các bộ phận, nguyên liệu thô bao gồm đồng, thép, thép từ tính, nhựa, v.v., các bộ phận bao gồm vòng bi, chổi than, cổ góp, v.v. Phần giữa của chuỗi công nghiệp là các nhà sản xuất động cơ. Hạ lưu của chuỗi công nghiệp là đầu ứng dụng, động cơ cốc rỗng có đặc tính độ nhạy cao, vận hành ổn định và điều khiển mạnh, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của lĩnh vực truyền động điện cao cấp nên chủ yếu được sử dụng trong hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, tự động hóa công nghiệp và robot và các lĩnh vực cao cấp khác. Đồng thời, động cơ cốc rỗng cũng dần được ứng dụng trong lĩnh vực dân dụng như tự động hóa văn phòng, dụng cụ điện, v.v.
Một động cơ cốc rỗng đầy hứa hẹn
Động cơ cốc rỗng với thiết kế độc đáo không có lõi sắt, cho thấy tốc độ cao, hiệu suất cao, phản ứng động cao và các ưu điểm đáng kể khác, được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và các lĩnh vực khác, tính linh hoạt của bàn tay robot hình người cũng có tác động đáng kể. Mặc dù hiện tại các doanh nghiệp nước ngoài như Maxon và Faulhaber có lợi thế đi đầu, nhưng với sự cải tiến liên tục về trình độ kỹ thuật của các nhà sản xuất trong nước và sự phát triển nhanh chóng của thị trường robot hình người, động cơ cốc rỗng trong nước sẽ mở ra những cơ hội phát triển mới.
