Động cơ cốc rỗng (Micro coreless motor) là loại động cơ DC đặc biệt. Truyền thống Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, thiết bị gia dụng, giao thông vận tải và các lĩnh vực khác, bao gồm hai bộ phận cốt lõi là stato và rôto, phần đứng yên của động cơ DC được gọi là stato, vai trò chính của stato là tạo ra từ trường, bao gồm khung, cực từ chính, cực đảo chiều, nắp cuối, ổ trục và thiết bị chổi than. Các vật liệu nam châm stator thường được sử dụng bao gồm Ndfeb, coban Samarium, coban niken nhôm và ferrite. Bộ phận quay trong quá trình hoạt động được gọi là rôto, vai trò chính của nó là tạo ra mômen điện từ và suất điện động cảm ứng, là trung tâm chuyển đổi năng lượng của động cơ DC nên thường được gọi là phần ứng, bao gồm trục quay, lõi phần ứng, cuộn dây phần ứng, cổ góp và quạt.
Động cơ cốc rỗng phá vỡ cấu trúc của động cơ DC truyền thống, sử dụng rôto không lõi và cuộn dây phần ứng của nó là cuộn dây cốc rỗng, có hình dạng tương tự như cốc nước nên được gọi là 'động cơ cốc rỗng'. Động cơ cốc rỗng thuộc về DC, nam châm vĩnh cửu, động cơ vi mô servo. Cấu trúc rôto mới này làm cho động cơ cốc rỗng có những đặc điểm tuyệt vời sau: ① Đặc tính tiết kiệm năng lượng: thiết kế không có lõi giúp loại bỏ hoàn toàn tổn thất điện năng do hình thành dòng điện xoáy trong lõi sắt và hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất cao, hiệu suất tối đa thường là hơn 70% và một số sản phẩm có thể đạt hơn 90% (động cơ lõi sắt nói chung là 70%); (2) Đặc tính điều khiển: khởi động và phanh nhanh, phản ứng nhanh, hằng số thời gian cơ học dưới 28 mili giây, một số sản phẩm có thể đạt dưới 10 mili giây (động cơ lõi thường lớn hơn 100 mili giây); Tốc độ có thể được điều chỉnh dễ dàng một cách nhạy cảm ở trạng thái chạy tốc độ cao trong khu vực vận hành được khuyến nghị; (3) Đặc tính kéo: Độ ổn định khi vận hành rất đáng tin cậy, dao động tốc độ rất nhỏ, là một động cơ siêu nhỏ, dao động tốc độ của nó có thể dễ dàng kiểm soát trong vòng 2%; ④ Đặc tính nhẹ: so với động cơ lõi công suất tương tự, trọng lượng và thể tích của nó giảm 1/3-1/2 và mật độ năng lượng được cải thiện đáng kể. Chỉ số cốt lõi của động cơ cốc rỗng là mật độ công suất, tức là tỷ lệ giữa công suất đầu ra với trọng lượng hoặc thể tích. Rôto không có lõi sắt giúp loại bỏ dòng điện xoáy và tổn thất trễ ở đầu phân tử và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Giảm trọng lượng và thể tích ở cuối mẫu số.
Bàn chải là một thành phần quan trọng của động cơ chổi than , chịu trách nhiệm dẫn dòng điện giữa các bộ phận quay và các bộ phận đứng yên. Bởi vì nó được làm từ than chì nhiều hơn nên nó còn được gọi là chổi than. Trong động cơ DC thông thường, để giữ cho rôto quay, hướng dòng điện rôto cần được thay đổi theo thời gian thực, do đó cần sử dụng cổ góp và chổi than. Động cơ không chổi than hủy chế độ chuyển mạch chổi cơ học, do đó cần phải phát hiện vị trí rôto để hoàn thành chuyển mạch điện tử. Có hai cách phổ biến để lấy thông tin vị trí rôto: (1) chế độ điều khiển không cảm biến, khi động cơ đang chạy, vị trí rôto được xác định bằng biến có thể đo được phản hồi bởi động cơ; Chế độ điều khiển cảm biến vị trí, vị trí rôto động cơ được phát hiện trực tiếp bởi cảm biến vị trí bên trong động cơ. Cảm biến vị trí thường được sử dụng là cảm biến Hall, bộ mã hóa quang điện, máy biến áp quay, v.v. Độ chính xác phát hiện cảm biến Hall không cao nhưng giá thành thấp; Bộ mã hóa quang điện và phát hiện vị trí máy biến áp quay là chính xác và sai số nhỏ và chúng thường được sử dụng cho các hệ thống điều khiển hiệu suất cao, chẳng hạn như điều khiển định hướng từ trường và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp.
Động cơ cốc rỗng theo cấu trúc của nó có thể được chia thành hai loại chổi than và không chổi than. ① Động cơ cốc rỗng có chổi than (còn gọi là động cơ không chổi than DC, rôto không có lõi sắt): Việc sử dụng cổ góp chổi than cơ học, nói chung là bằng vỏ, stator bên trong bằng vật liệu từ tính mềm, stator nam châm vĩnh cửu, thành phần phần ứng rôto cốc rỗng. Khi động cơ chổi than rỗng được cấp điện, cuộn dây có dòng điện chạy qua, tạo ra mô-men xoắn, rôto bắt đầu quay, nếu rôto quay sang một Góc cụ thể thì chổi than sử dụng bộ chuyển mạch cơ học để thay đổi hướng của dòng điện, sao cho hướng mômen đầu ra không thay đổi, rôto tiếp tục quay. Do động cơ chổi than rỗng sử dụng chuyển mạch chổi than nên trong quá trình hoạt động của động cơ sẽ sinh ra một lực ma sát tương đối nhất định sẽ tạo ra tiếng ồn, tia lửa điện và làm giảm tuổi thọ của động cơ. Nói chung 'động cơ cốc rỗng' trong nước thường dùng để chỉ động cơ chổi than; ② Động cơ cốc rỗng không chổi than (còn được gọi là động cơ không chổi than DC, stato không có lõi sắt): Việc sử dụng chuyển mạch điện tử, nói chung là bằng vỏ, vật liệu từ tính mềm, vật liệu cách điện và phần ứng cốc rỗng bao gồm stato và rôto thép từ tính vĩnh cửu. Động cơ không chổi than dạng cốc rỗng kết nối các cuộn dây khác nhau với mạch bằng cách điều khiển bật tắt các linh kiện điện tử để đạt được hiệu quả đảo chiều. Chế độ chuyển mạch này làm cho động cơ không chổi than cốc rỗng có các đặc tính như hiệu suất cao, dao động mô-men xoắn nhỏ, tuổi thọ cao, cấu trúc nhỏ gọn, dễ bảo trì, v.v.
1.2. Rào cản cốt lõi: quá trình cuộn dây
Quy trình xử lý của động cơ cốc rỗng rất phức tạp và độ khó xử lý cao hơn nhiều so với động cơ có rãnh DC thông thường. Lấy động cơ không khe DC của Công nghệ Dingzhi (tức là các sản phẩm động cơ cốc rỗng) làm ví dụ, từ cuộn dây phía trước, ổ trục giữa, trục gá, vòng hỗ trợ và lắp đặt các bộ phận cốt lõi khác, đến lắp đặt nắp sau và dây hàn bảng mạch, v.v., bao gồm gần 30 quy trình, độ phức tạp cao hơn nhiều so với động cơ có rãnh DC thông thường. Sản xuất cuộn dây cần phải trải qua quá trình tráng men - quấn dây - tạo hình gia nhiệt - tước dây, nối dây chung - lắp đặt cuộn dây, v.v.
Trong số đó, sản xuất cuộn dây là một trong những quy trình cốt lõi của động cơ cốc rỗng. Cuộn dây tự hỗ trợ không có lõi được làm bằng cái gọi là dây tráng men, là dây đồng cách điện có lớp sơn bên ngoài. Trong quá trình sản xuất, lớp sơn của các dây liền kề được kết hợp với nhau bằng cách tác dụng áp suất và nhiệt độ. Việc liên kết thích hợp (băng keo hoặc sợi thủy tinh) có thể cải thiện hơn nữa độ bền và độ ổn định hình dạng của cuộn dây, điều này đặc biệt quan trọng khi chịu tải dòng điện cao.
Công nghệ sản xuất cuộn dây động cơ cốc rỗng chủ yếu được chia thành ba loại theo phương pháp hình thành cuộn dây: 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. 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. Lấy cốc rỗng quanh co làm ví dụ, quy trình sản xuất có thể được chia đại khái thành các bước sau: (1) Việc cuộn phôi thép hình lục giác: được thực hiện trên máy quấn nhóm cuộn nghiêng; ② Cuộn dây trống được dán bằng hai miếng băng dính có hình dạng nhạy áp, tháo khuôn để làm phẳng; ③ Làm phẳng: tấm hình được đưa vào cuộn dây trống, và cuộn dây được làm phẳng, sau đó được gửi đến máy làm phẳng để làm phẳng và trở thành phôi dây phẳng. Tạo hình bằng nạo tre. Cắt bỏ phần băng thừa, chỉ chừa lại một sợi dây, để sợi dây phẳng ở phía hơi nhô lên của sợi dây phẳng để cuộn dây có thể tạo thành một hàng; ④ Cuộn dây: phôi dây phẳng được đưa vào cuộn dây của máy cuộn dây cốc rỗng, sao cho phôi dây được nối với đầu cuối, và băng dính được dán trên bề mặt của đầu trống dây để trở thành cuộn dây cốc rỗng; ⑤ Phủ epoxy tạo hình: Sau khi phủ keo epoxy xong cho vào lò sấy để đóng rắn và tạo hình. 3) Công nghệ sản xuất một khuôn. Máy quấn cuộn dây tráng men vào trục xoay theo quy luật thông qua thiết bị tự động hóa, và tháo cuộn dây sau khi cuộn thành cốc, tạo thành từng lần và không yêu cầu nhiều quy trình như cán và làm phẳng, với mức độ tự động hóa cao.
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. Động cơ cốc rỗng có thể được chia thành dạng quấn thẳng, dạng yên và dạng nghiêng theo phương pháp cuộn dây. Năm 1958, Dr.FF aulhaber (von Haber) của Đức đã phát triển công nghệ cuộn dây cuộn dây nghiêng và nhận được công nghệ cấp bằng sáng chế về cuộn dây nghiêng của cuộn dây rôto của động cơ cốc rỗng vào năm 1965. Đức, Thụy Sĩ, Nhật Bản và các nước khác phát triển động cơ cốc rỗng trước đó, trong quá trình cuộn dây đã tích lũy được kinh nghiệm phong phú. Trong số ba động cơ cốc rỗng hàng đầu trên thế giới, Swiss Maxon chủ yếu sử dụng hình dạng vết thương thẳng và hình yên ngựa, còn Faulhaber của Đức và Portescap của Thụy Sĩ chủ yếu sử dụng hình dạng vết thương nghiêng. Quá trình cuộn dây thẳng phức tạp hơn và chủ yếu được sử dụng cho các kết cấu cuộn dây dài, thường được làm bằng nhiều cuộn dây. Hình dạng yên xe có thể làm giảm độ dày cuộn dây, giảm khe hở không khí từ tính một cách hiệu quả trên động cơ mật độ công suất cao, tăng chiều dài cắt từ trường và tận dụng tốt hơn từ tính của stato; Cuộn dây xiên được phát triển trước đó, cuộn dây tương đối đơn giản, đi dây chặt chẽ, thích hợp cho sản xuất hàng loạt lớn.
Cuộn dây là rào cản kỹ thuật cốt lõi của động cơ cốc rỗng. ① Liên kết thiết kế: ba công nghệ chính ở nước ngoài có nguồn gốc từ những năm 1960, động cơ cốc rỗng trong nước bắt đầu muộn, ít nghiên cứu, thiếu sự kết hợp giữa cấp phân khu vật liệu, loại cốc rôto để tối ưu hóa động cơ, thiếu thiết kế chuyển tiếp có hệ thống, thiếu yêu cầu tùy chỉnh về cấu hình sơ đồ truyền động hệ thống và khả năng thiết kế sản phẩm; ② Liên kết xử lý: So với động cơ không chổi than, động cơ chổi than, động cơ servo truyền thống, cấu trúc của động cơ cốc rỗng thuộc cấu trúc rãnh không răng, không có rãnh cố định, tất cả dây tráng men đều được cuộn dây treo, không có giá đỡ bên trong, rất khó khăn trong quá trình xử lý và năng suất ban đầu thấp. Về độ chính xác cuộn dây, yêu cầu về độ chính xác của động cơ cốc rỗng cao hơn so với động cơ truyền thống. Bản thân động cơ cốc rỗng có kích thước nhỏ, khả năng chịu lỗi thấp hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ bước thông thường, độ chính xác xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của từ trường. Sự khác biệt về độ dày dây và số vòng dây làm cho giá trị điện trở cuộn dây, dòng khởi động, hằng số tốc độ và các thông số động cơ khác có sự khác biệt lớn. Vì điều này, các nhà sản xuất trong nước cần nâng cao độ chính xác, năng suất và tự động hóa trong các liên kết sản xuất và chế biến. So với nước ngoài, Trung Quốc cũng tương đối yếu về thiết bị cuộn dây. Thiết bị cuộn dây có thể được chia thành thiết bị tự động và thủ công không tự động. So với nước ngoài, mức độ tự động hóa thiết bị cuộn dây ở Trung Quốc tương đối thấp. Các nhà sản xuất thiết bị cuộn dây hàng đầu thế giới bao gồm Meteor của Thụy Sĩ, Tanaka Seiki Co., Ltd. của Nhật Bản và Hitote Mechanical Engineering Co., LTD. Các doanh nghiệp trong nước vẫn còn khá trống trải về trang thiết bị, họ mua thêm thiết bị quấn dây của Nhật Bản với giá dao động từ hàng trăm nghìn đến hàng triệu USD. Các công ty tương đối tiêu biểu ở Trung Quốc bao gồm Zhongspecial Technology, Dongguan Taili Electronic Machinery Co., LTD., Qinlian Technology, Kunshan Cook, v.v.
1.3 Ứng dụng hạ lưu: Đặc tính của động cơ cốc rỗng xác định kịch bản ứng dụng hạ lưu
Động cơ cốc rỗng thuộc về động cơ vi mô và nguyên liệu thô đầu nguồn tương tự như nguyên liệu thô của động cơ vi mô, bao gồm đồng, thép, thép từ tính, vòng bi, nhựa, v.v. Động cơ cốc rỗng ban đầu được sử dụng trong hàng không, hàng không vũ trụ, quân sự và các ngành công nghiệp tiên tiến khác, trong những năm gần đây, ứng dụng của nó dần dần mở rộng sang các ngành công nghiệp dân dụng, như thiết bị y tế, điện tử tiêu dùng, dụng cụ điện, tự động hóa công nghiệp và các tình huống khác.
Hiệu suất khác nhau của động cơ cốc rỗng tương ứng với ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau: 1) đặc điểm kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và tỷ lệ công suất trên thể tích lớn giúp nó phù hợp với các khu vực có yêu cầu trọng lượng cao, chẳng hạn như nhiều loại máy bay, v.v., có thể giảm thiểu trọng lượng của máy bay; Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử tiêu dùng khác nhau, như bàn chải đánh răng điện và quạt điện cầm tay. 2) Đặc điểm khởi động và phanh nhanh và phản ứng cực nhanh giúp nó phù hợp với các khu vực cần đạt được điều khiển tự động nhanh, chẳng hạn như điều chỉnh hướng tên lửa với yêu cầu hiệu suất điều khiển cao, theo dõi ổ đĩa quang tốc độ cao, thiết bị có độ nhạy cao, robot công nghiệp, v.v. 3) Đặc điểm về hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và thời gian chạy dài khiến nó phù hợp với mọi loại lĩnh vực cần tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ pin, chẳng hạn như dụng cụ cầm tay và thiết bị làm việc tại hiện trường.
Robot hình người mở ra một đại dương xanh mới về các ứng dụng động cơ cốc rỗng. Theo sự phát triển mới nhất của Optimus, một robot hình người do Tesla phát hành, mỗi bàn tay bao gồm sáu bộ truyền động và 11 bậc tự do, hai bộ điều khiển cho ngón cái và một bộ điều khiển cho mỗi ngón trong số bốn ngón còn lại và bàn tay có thể mang tới 20 pound. Mô-đun khớp tay chủ yếu bao gồm động cơ cốc rỗng, bộ giảm tốc hành tinh chính xác, vít bi và cảm biến. Động cơ cốc rỗng cho phép ngón tay có khả năng di chuyển, hộp số hành tinh chính xác cho phép người thao tác định vị chính xác hơn và sử dụng linh hoạt hơn, bộ mã hóa cung cấp phản hồi vị trí có độ chính xác cao và phản hồi tốc độ của bàn tay, đồng thời cảm biến cho phép robot có chức năng nhận thức và khả năng phản ứng giống con người. Theo Musk, số lượng robot hình người trong tương lai sẽ vượt quá số lượng con người và dự kiến sẽ đạt mức 100 tỷ chiếc trong dài hạn. Động cơ cốc rỗng là giải pháp kỹ thuật chủ đạo của tay robot với độ chắc chắn cao. Robot hình người sử dụng 6 động cơ cốc rỗng trên mỗi tay, xét đến tình huống cuối cùng, robot hình người dự kiến sẽ đạt mức một tỷ đơn vị, nếu việc sản xuất hàng loạt robot hình người hạ cánh sẽ kéo doanh thu của các doanh nghiệp liên quan đến động cơ cốc rỗng tăng trưởng.
