Robot hình người đã trở thành một viên ngọc sáng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.
Trong những năm gần đây, robot hình người đã trở thành một viên ngọc sáng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo với ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực như chăm sóc y tế và dịch vụ. Để thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của ngành công nghiệp, chính quyền địa phương đã đưa ra các chính sách để tăng sự hỗ trợ cho robot hình người và các thành phần chính của chúng. Trong chuỗi ngành công nghiệp robot hình người, động cơ Cup Hollow đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển chuyển động của robot hình người, chẳng hạn như thành phần cốt lõi của Tesla Humanoid Robot Dexterous Hand là động cơ cúp rỗng, lắp ráp robot duy nhất 12 (6 mỗi tay phải). Bài viết này nhằm mục đích thảo luận về các đặc điểm kỹ thuật, tình trạng thị trường và triển vọng tương lai của động cơ cúp 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 năng lượng (nghĩa là cuộn dây stato) để tạo ra một từ trường quay và được sử dụng cho rôto (như khung nhôm đóng chai sóc) để tạo thành một mô-men quay quay từ từ, đó là để chuyển đổi lực tạo ra bởi dòng điện trong từ từ. Nguyên tắc là sử dụng từ trường để buộc dòng điện để làm cho động cơ quay.
Nguyên tắc cơ bản của vòng quay của động cơ: xung quanh nam châm vĩnh cửu với trục quay, 1 xoay nam châm (sao cho từ trường quay được tạo ra), 2 theo nguyên tắc của cực N và điểm hấp thụ heterole cực s, cùng một lực đẩy cực, 3 nam châm có trục quay.
Trong một động cơ, nó thực sự là dòng điện chảy qua dây tạo ra một từ trường quay (lực từ tính) xung quanh nó khiến nam châm quay. Khi dây bị thương vào một cuộn dây, lực từ được tổng hợp để tạo thành một dòng từ trường lớn (thông lượng từ tính), dẫn đến các cực N và S. Bằng cách chèn một lõi sắt vào một cuộn dây, các đường từ trường trở nên dễ dàng hơn để đi qua và có thể tạo ra một lực từ mạnh hơn.
Cấu trúc của động cơ chủ yếu bao gồm hai phần: stato và rôto.
Stato: Phần đứng yên của động cơ, cấu trúc chính của nó bao gồm cực từ, cuộn dây và giá đỡ. Cực từ là một phần của động cơ tạo ra từ trường, thường bao gồm một lõi sắt và cuộn dây. Cuộn dây là cuộn dây trong stator, thường bao gồm các dây dẫn và cách điện, có vai trò là tạo ra một từ trường khi một dòng điện đi qua nó. Khung là cấu trúc hỗ trợ của stato, thường được làm bằng hợp kim nhôm và các vật liệu khác, với khả năng chống ăn mòn và sức mạnh tốt.
Rôto: Phần quay của động cơ, cấu trúc chính bao gồm phần ứng, vòng bi và mũ kết thúc. Phần ứng là cuộn dây trong rôto, thường bao gồm các dây dẫn và vật liệu cách nhiệt, có vai trò là tạo ra một từ trường khi một dòng điện đi qua nó. Vòng bi là cấu trúc hỗ trợ của rôto, thường được làm bằng thép hoặc gốm, có độ mòn tốt và khả năng chống ăn mòn. Bìa cuối là cấu trúc cuối của động cơ, thường được làm bằng hợp kim nhôm và các vật liệu khác, với sự niêm phong và sức mạnh tốt.
2, Định nghĩa và phân loại động cơ Cup Hollow
Năm 1958, Dr.ff Aulhaber đã phát triển công nghệ cuộn dây có độ nghiêng và có được bằng sáng chế có liên quan cho động cơ Hollow Cup vào năm 1965, đánh dấu sự ra đời của động cơ cúp rỗng, và thiết kế cấu trúc sáng tạo của nó cho phép động cơ có kích thước nhỏ hơn và hiệu quả cao hơn. Động cơ cốc rỗng thuộc về động cơ servo nam châm vĩnh cửu DC, cấu trúc động cơ được hiển thị trong hình sau, chủ yếu bao gồm stato và rôto. Stato bao gồm tấm thép silicon và cuộn dây cuộn dây, và tấm thép silicon không có cấu trúc rãnh răng có thể tránh được hiệu ứng rãnh răng và giảm tổn thất sắt và mất 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 một nam châm vĩnh cửu vòng, rất dễ xử lý và cài đặt.
So với động cơ thông thường, tính năng lớn nhất của rôto là nó phá vỡ cấu trúc rôto của động cơ truyền thống trong cấu trúc và sử dụng rôto không lõi, còn được gọi là rôto cúp rỗng. Rôto là một cấu trúc hình cốc rỗng được bao quanh bởi cuộn dây và nam châm. Trong các động cơ thông thường, vai trò của lõi sắt chủ yếu là: 1) cô đặc và hướng dẫn từ trường: lõi sắt được làm bằng vật liệu có độ thấm từ cao (như tấm thép silicon), có thể tập trung và hướng dẫn thông lượng từ tính, do đó cải thiện cường độ từ trường và hiệu quả của động cơ; 2) Cuộn dây hỗ trợ: Lõi sắt cung cấp cấu trúc hỗ trợ mạnh mẽ cho cuộn dây, đảm bảo rằng cuộn dây duy trì hình dạng và vị trí ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ. Trong động cơ cốc rỗng, xi lanh rỗng có thành mỏng được sử dụng làm rôto, và xi lanh rỗng được vết thương trực tiếp bên trong cuộn dây mà không cần hỗ trợ lõi. Ưu điểm của thiết kế vô lực: 1) Loại bỏ dòng điện xoáy và tổn thất trễ: lõi sắt trong động cơ chung sẽ tạo ra tổn thất dòng nước và độ trễ trong từ trường xen kẽ, sẽ làm giảm hiệu quả của động cơ. Động cơ Hollow Cup sử dụng một rôto vô lực, giúp loại bỏ hoàn toàn những tổn thất này, do đó cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng của động cơ. 2) Giảm trọng lượng và thời điểm quán tính: Thiết kế không có lõi làm giảm đáng kể trọng lượng của rôto, làm cho toàn bộ động cơ nhẹ hơn. Đồng thời, việc giảm thời điểm quán tính cho phép động cơ có tốc độ phản ứng nhanh hơn và gia tốc cao hơn, rất có lợi cho các kịch bản ứng dụng yêu cầu khởi động và dừng nhanh.
Đồng thời, thiết kế chính xác của cấu trúc xi lanh rỗng và bố cục cuộn dây có thể tối ưu hóa sự phân bố từ trường bên trong động cơ cốc rỗng, làm giảm rò rỉ từ tính và mất năng lượng, và cải thiện hơn nữa hiệu quả và hiệu suất của động cơ.
Động cơ cúp rỗng có thể được chia thành hai loại theo chế độ giao hoán của nó: một là động cơ bàn chải cúp rỗng, áp dụng chế độ giao hoán bàn chải carbon cơ học; Cái còn lại là động cơ không chổi than rỗng, thay thế cho việc đi lại bằng cách đi lại bằng điện tử, tránh các hạt tia lửa điện và các hạt mực được tạo ra trong quá trình hoạt động của động cơ bàn chải, giảm nhiễu và tăng tuổi thọ của động cơ. Từ việc so sánh các sản phẩm khác nhau của các thiết bị điện Mingzhi trong hình dưới đây, có thể thấy rằng không cần một bàn chải trong động cơ cốc rỗng không chổi than, nhưng cảm biến Hall phát hiện tín hiệu từ trường rôto, biến sự đảo ngược cơ học thành một sự đảo ngược tín hiệu điện tử và tiếp tục đơn giản hóa cấu trúc vật lý của động cơ cúp.
3, Ưu điểm động cơ Cup Hollow
Động cơ cốc rỗng vỡ qua cấu trúc rôto của động cơ truyền thống trong cấu trúc, làm giảm sự mất điện do sự hình thành dòng xoáy trong lõi sắt, và khối lượng và thời điểm quán tính của nó giảm đi rất nhiều, do đó làm giảm việc mất năng lượng cơ học của chính rôto. Tóm lại, động cơ Cup Hollow có những ưu điểm của mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, 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 của công suất đầu ra so với trọng lượng hoặc khối lượng. Về trọng lượng, rôto không lõi nhẹ hơn rôto lõi thông thường; Về mặt hiệu quả, rôto không dây giúp loại bỏ dòng điện xoáy và tổn thất độ trễ được tạo ra bởi rôto vô lực, cải thiện hiệu quả của micromotor 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 bàn chải thường là khoảng 50%. Trọng lượng thấp hơn và hiệu quả cao hơn cho phép động cơ Cup rỗng đạt được mật độ công suất cao hơn. Do đó, động cơ Cup Hollow đặc biệt phù hợp với các ứng dụng chạy bằng pin đòi hỏi phải hoạt động dài, chẳng hạn như máy bơm lấy mẫu không khí di động, robot hình người, bàn tay bionic, dụng cụ điện cầm tay và các ứng dụng khác.
Mật độ mô -men xoắn cao: Thiết kế vô lực làm giảm trọng lượng của cánh quạt và thời điểm quán tính, và khoảnh khắc quán tính thấp có nghĩa là động cơ có thể tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn, do đó có thể tạo ra mô -men xoắn nhiều hơn trong một thời gian ngắn; Đồng thời, sự vắng mặt của lõi sắt làm cho động cơ cúp rỗng nhỏ gọn hơn, nhỏ hơn và có thể cung cấp đầu ra mô -men xoắn cao hơn trong một không gian hạn chế.
Tuổi thọ dài: Số lượng các mảnh đảo ngược của động cơ cúp rỗng làm cho sự dao động hiện tại và độ tự cảm của động cơ nhỏ hơn khi đảo ngược, làm giảm đáng kể sự ăn mòn điện của hệ thống đảo ngược trong quá trình đảo ngược, để có tuổi thọ dài hơn. Theo dữ liệu trong nghiên cứu ứng dụng 'về quản lý tùy chỉnh của các động cơ cúp rỗng ', tuổi thọ của động cơ DC được chải thường chỉ là vài trăm giờ và tuổi thọ của động cơ cúp rỗng thường là từ 1000 đến 3000 giờ, có thể cung cấp hoạt động đáng tin cậy hơn.
Tốc độ phản ứng nhanh: Động cơ truyền thống có thời điểm quán tính tương đối lớn do sự tồn tại của lõi sắt, trong khi động cơ cúp rỗng nhỏ gọn, và rôto là một cuộn dây tự hỗ trợ hình cốc, vì vậy trọng lượng của nó nhẹ hơn, và thời điểm quán tính nhỏ hơn của nó cũng làm cho các động cơ rỗng có đặc điểm điều chỉnh động cơ. Theo tiến trình nghiên cứu 'của động cơ vi mô cúp 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 cúp rỗng dưới 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 lên 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 tạo ra micromotor tạo ra mô -men xoắn cực đại lớn. Sau khi động cơ DC lõi thông thường đạt đến độ bão hòa, bất kể dòng điện được tăng lên, mô -men xoắn của động cơ DC sẽ không tăng.
Sự tản nhiệt tốt: Bề mặt của rôto cốc rỗng có lưu lượng không khí, tốt hơn hiệu suất tản nhiệt của rôto lõi, dây men của rôto lõi được nhúng trong rãnh thép silicon, luồng không khí bề mặt cuộn dây, nhiệt độ tăng lớn hơn.
4, Đường dẫn kỹ thuật của động cơ cúp rỗng
Bước quan trọng trong việc sản xuất động cơ cúp rỗng là sản xuất cuộn dây, do đó, thiết kế cuộn dây và quá trình cuộn dây trở thành rào cản cốt lõi của nó. Đường kính, số vòng và độ tuyến tính của dây ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số cốt lõi của động cơ. Rào cản cốt lõi của cuộn dây cuộn 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 tiêu thụ đồng. Mặt khác, nó cũng được phản ánh trong thiết bị cuộn dây và phương pháp cuộn dây, và tốc độ lấp đầy của vết thương rãnh cốc rỗng bằng máy móc cuộn dây khác nhau là khác nhau, dẫn đến các độ thưa khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến mất động cơ, tản nhiệt, năng lượng, v.v.
Góc thiết kế cuộn dây: Thiết kế cuộn dây của động cơ cốc rỗng có thể được chia thành loại cuộn dây thẳng, loại uốn lượn và loại yên.
Cuộn dây thẳng: Dây của cuộn dây song song với trục của động cơ, tạo thành một cấu trúc cuộn dây tập trung. Ý tưởng thiết kế của cuộn dây đi thẳng là đầu tiên làm gió dây men tròn thông thường trên cái chết cuộn theo yêu cầu về số lần lượt, sau đó kết nối cuộn dây trên trục lõi của dây, sau đó sử dụng chất kết dính ở cả hai đầu để chữa và hình thành. Nói một cách tương đối, sự kết thúc của cuộn dây thẳng không tạo ra mô -men xoắn, và làm tăng trọng lượng phần ứng và điện trở phần ứng.
Cuộn dây xiên: Còn được gọi là cuộn dây tổ ong, phương pháp cuộn dây tổ ong được sử dụng, để lại vòi ở giữa, để có thể liên tục gió, cần phải làm cho mặt hiệu quả của phần tử và trục phần ứng thành một góc nghiêng nhất định. Kích thước cuối của phương pháp cuộn dây này là nhỏ, nhưng vì cuộn dây liên tục uốn lượn đòi hỏi một góc đường nhất định, dây men răng chồng lên nhau và tốc độ lấp đầy khe thấp. So với loại vết thương thẳng, phần ứng gió nghiêng không có cuộn dây cuối, giảm trọng lượng phần ứng và có những ưu điểm của thời điểm 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 cuộn dây nghiêng.
Loại yên: còn được gọi là cuộn dây đồng tâm hoặc rhomboid, phương pháp cuộn dây có hình và sau đó sử dụng hệ thống dây điện, nghĩa là dây men tự dính được vết thương trên một cái chết có cuộn dây đặc biệt, và cốc phần ứng được thực hiện bằng cách sắp xếp nhiều hình dạng. Khi cuộn dây, hai lớp cuộn dây được sắp xếp gọn gàng và định hình, thuận tiện để kiểm soát kích thước của 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 và phù hợp để sản xuất hàng loạt. Kết thúc phần ứng gió có gió có ít lớp chồng chéo hơn, khe hở không khí nhỏ và tốc độ sử dụng cao của nam châm vĩnh cửu, giúp cải thiện mật độ công suất của động cơ. Một số sản phẩm của Maxon ở Thụy Sĩ sử dụng cuộn dây kiểu yên ngựa.
Quan điểm quá trình cuộn dây: Từ quan điểm công nghệ sản xuất, theo phương pháp hình thành của cuộn dây chủ yếu được chia thành ba loại: cuộn dây thủ công, cuộn dây và sản xuất hình thành một lần.
1) cuộn dây thủ công. Thông qua một loạt các quy trình phức tạp, bao gồm chèn pin, cuộn dây thủ công, dây thủ công và các bước khác để sản xuất. Nó phù hợp cho các sản phẩm yêu cầu mức độ tùy biến cao, nhưng hiệu quả sản xuất và sự ổn định của sản phẩm bị hạn chế.
2) Công nghệ sản xuất cuộn dây. Công nghệ sản xuất uốn lượn là sản xuất bán tự động, dây men đầu tiên được nối tiếp với trục chính với mặt cắt hình kim cương, và nó được loại bỏ sau khi đạt được chiều dài cần thiết, và sau đó được làm phẳng vào một tấm dây, và cuối cùng tấm dây được làm vết thương vào một cuộn dây hình cốc. Theo quy trình sản xuất và thiết bị phần ứng của Cul Hollow Cup '', máy cuộn dây tiếp theo có thể được cấu hình với 4 công nhân để đạt được sản lượng hàng năm là 30.000 đơn vị, nhưng giới hạn của cuộn dây là nó phù hợp hơn đối với các sản phẩm của cúp 20-30mm. Nhìn chung, hiệu quả sản xuất của quá trình cuộn dây tương đối cao và nó có thể đáp ứng các yêu cầu của sản xuất quy mô trung bình. Tuy nhiên, tỷ lệ tham gia thủ công cao của nó dẫn đến tính nhất quán của sản phẩm hoàn chỉnh có thể không tốt bằng sản xuất tự động, và rất khó để đáp ứng kích thước nhỏ hơn của cuộn dây cuộn rỗng.
3) Một công nghệ sản xuất đúc. Máy cuộn qua thiết bị tự động hóa sẽ là một dây men theo quy tắc của trục chính, cuộn dây vào cốc sau khi loại bỏ, một khuôn, không cần phải cuộn và làm phẳng nhiều quy trình, mức độ tự động hóa cao, vì vậy hiệu quả sản xuất và tính nhất quán của sản phẩm hoàn chỉnh là tốt hơn; Nhưng đầu tư thiết bị trả trước tương ứng sẽ cao hơn.
Quá trình cuộn dây ở nước ngoài được phát triển sớm, mức độ tự động hóa cao hơn trong nước. Việc trong nước chủ yếu áp dụng sản xuất cuộn dây, quá trình này phức tạp hơn, cường độ lao động của công nhân lớn, không thể hoàn thành cuộn dây có đường kính dây dày hơn và tốc độ 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, chất lượng cuộn tốt, sắp xếp chặt chẽ, loại động cơ, hiệu suất tốt.
Liên kết chuỗi công nghiệp và các ứng dụng hạ nguồn
Mặt thượng nguồn của động cơ Cup Hollow là nguyên liệu và các bộ phận, nguyên liệu thô bao gồm đồng, thép, thép từ tính, nhựa, v.v., các bộ phận bao gồm vòng bi, bàn chải, giao dịch, v.v. Hạ dòng của chuỗi công nghiệp là đầu ứng dụng, và động cơ cúp rỗng có đặc điểm của độ nhạy cao, hoạt động ổn định và kiểm soát mạnh, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của trường cao cấp của ổ điện, do đó, nó chủ yếu được sử dụng trong hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, tự động hóa công nghiệp và các lĩnh vực cao cấp khác. Đồng thời, động cơ Hollow Cup cũng dần dần được áp dụng trong lĩnh vực dân sự, chẳng hạn như tự động hóa văn phòng, các công cụ điện, v.v.
Một động cơ Cup Hollow đầy hứa hẹn
Động cơ Hollow Cup với thiết kế độc đáo mà không có lõi sắt, cho thấy tốc độ cao, hiệu quả cao, phản ứng động cao và những lợi thế quan trọng khác, được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và các lĩnh vực khác, trong tính linh hoạt của robot hình người cũng có tác động đáng kể. Mặc dù các doanh nghiệp ở nước ngoài như Maxon và Faulhaber có lợi thế đầu tiên hiện nay, với sự cải tiến liên tục của mức độ kỹ thuật của các nhà sản xuất trong nước và sự phát triển nhanh chóng của thị trường robot hình người, động cơ cúp rỗng trong nước sẽ mở ra các cơ hội phát triển mới.
