Giới thiệu
Một bàn tay khéo léo của robot cần tái tạo lực, tốc độ và độ chính xác của ngón tay con người trong một gói đủ nhỏ để đặt vừa trong một vỏ bọc cỡ lòng bàn tay. Động cơ dẫn động từng khớp ngón tay là yếu tố hạn chế quan trọng - và đối với hầu hết các thiết kế bàn tay khéo léo nghiêm túc, câu trả lời là mộtđộng cơ không chổi than không khung: một bộ stato và rôto không có vỏ, vòng bi hoặc trục, được tích hợp trực tiếp vào cấu trúc ngón tay.
Hướng dẫn này đề cập đến những yếu tố khiến động cơ không khung trở thành lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng dành cho người dùng tay khéo léo, cách chọn loại nam châm NdFeB và cán thép silicon cho chu kỳ hoạt động cụ thể này cũng như những điều kỹ sư cần chỉ định khi tìm nguồn cung ứng các bộ phận này.
1. Tại sao Động cơ không khung là tiêu chuẩn cho việc điều khiển bằng tay khéo léo
Động cơ đặt trong thông thường - ngay cả những động cơ thu nhỏ - gây ra ba vấn đề trong thiết kế bàn tay khéo léo:
- Phạt khối lượng: Vỏ, nắp đầu và trục đầu ra bổ sung thêm chiều dài và đường kính không thể phục hồi được. Động cơ có vỏ 28 mm có thể cần không gian khớp ngón tay 45 mm; stato không khung tương đương vừa khít với độ sâu trục 12 mm.
- Mất truyền: Đầu ra thông qua một trục yêu cầu một hộp số hoặc bộ truyền động cáp, mỗi bộ truyền này bổ sung thêm phản ứng ngược, ma sát và sự tuân thủ làm giảm độ chính xác của vị trí ngón tay.
- Cách ly nhiệt: Vỏ hoạt động như một rào cản nhiệt. Nhiệt sinh ra trong cuộn dây phải truyền qua vỏ để đến được cấu trúc - làm tăng nhiệt độ cuộn dây và giảm mô-men xoắn liên tục.
A bộ động cơ không khungloại bỏ cả ba. Stator được ép khít hoặc dán trực tiếp vào cấu trúc khớp ngón tay; rôto được gắn trên ổ trục chung. Nhiệt dẫn trực tiếp từ cuộn dây đến kết cấu nhôm. Không có trục, không có hộp số và không có thể tích vỏ.
Kết quả: mật độ mô-men xoắn cao hơn 2–3 lần so với động cơ đặt tương đương trong cùng một lớp vỏ khớp nối, với độ phản ứng ngược thấp hơn và quản lý nhiệt tốt hơn.
2. Các thông số thiết kế chính cho động cơ không khung cầm tay khéo léo
Chu kỳ làm việc bằng tay khéo léo là không bình thường so với các ứng dụng servo tiêu chuẩn. Động cơ phải cung cấp:
| tham số | Phạm vi điển hình | Ý nghĩa thiết kế |
|---|---|---|
| Đường kính ngoài | 20–45 mm | Bị hạn chế bởi chiều rộng ngón tay; số cực của ổ đĩa |
| Chiều dài trục | 8–20 mm | hình học bánh mỏng; ưa thích số lượng cực cao |
| mô-men xoắn cực đại | 0.1–1.5 N·m | Cân có mật độ từ thông khe hở không khí × dòng điện cuộn dây × bán kính |
| mô-men xoắn liên tục | 30–50% đỉnh điểm | Bàn tay khéo léo hoạt động theo từng đợt, không phải nhiệm vụ liên tục |
| Tốc độ | 500–4.000 vòng/phút tại khớp | Tốc độ thấp, mô-men xoắn cao - tối đa hóa việc sử dụng nam châm |
| Hằng số EMF ngược Ke | Ứng dụng cụ thể | Phải phù hợp với điện áp xe buýt điều khiển; số cực cao làm tăng Ke |
Sự kết hợp giữa đường kính nhỏ và tốc độ thấp đẩy thiết kế về phíasố cực cao- thường là 12 đến 20 cực (6 đến 10 cặp cực) - để tối đa hóa mô-men xoắn trên mỗi ampe mà không làm tăng dòng điện cuộn dây vượt quá khả năng của người lái.
3. Lựa chọn nam châm NdFeB cho động cơ tay khéo léo không khung
Rôto của động cơ tay khéo léo không khung mang nam châm NdFeB dạng hồ quang hoặc hình khối được liên kết với một vòng sắt mỏng phía sau. Lựa chọn nam châm bao gồm bốn quyết định:
3.1 Sản phẩm cấp và năng lượng
Đối với hầu hết các ứng dụng tay khéo léo, nhiệt độ hoạt động ở bề mặt nam châm luôn ở mức dưới 80 độ trong chu kỳ hoạt động bình thường. Điều này cho phép sử dụng các cấp độ tiêu chuẩn hoặc hậu tố M mà không có độ cưỡng bức cao:
- N42 đến N48: Lựa chọn tiêu chuẩn cho động cơ tay khéo léo hoạt động ở nhiệt độ nam châm dưới 80 độ. Tích năng lượng tối đa 42–48 MGOe. Tiết kiệm chi phí, có sẵn rộng rãi trong các phân đoạn hồ quang mỏng.
- N42H đến N45H: Được chỉ định khi động cơ hoạt động gần nguồn nhiệt hoặc khi phân tích nhiệt cho thấy nhiệt độ nam châm có thể đạt tới 100 độ.
- N42SH: Dành cho robot thao tác công nghiệp chu kỳ cao hoạt động trong môi trường ấm áp. Lực cưỡng bức đủ để duy trì nhiệt độ nam châm 150 độ.
3.2 Hình học của đoạn hồ quang và hướng từ hóa
Sử dụng cánh quạt động cơ không khungtừ hóa xuyên tâmlà tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết kế bàn tay khéo léo. Mỗi đoạn hồ quang được từ hóa hướng tâm ra ngoài hoặc hướng vào trong, với tỷ số hồ quang cực là 0,80–0,95. Từ hóa song song chịu ảnh hưởng của Halbach được sử dụng trong các thiết kế hiệu suất cao để tập trung từ thông ở khe hở không khí và giảm độ dày của lớp sắt sau, giảm quán tính của rôto với chi phí là yêu cầu sản xuất chặt chẽ hơn.
3.3 Độ dày và liên kết
Nam châm đoạn hồ quang trong động cơ tay khéo léo không khung thườngdày 2–4 mmtriệt để. Liên kết sử dụng epoxy kết cấu với các đoạn được cố định trong quá trình đóng rắn để duy trì vị trí góc trong phạm vi ±0,1 độ. Độ đồng tâm giữa các đoạn với mặt sau của sắt phải được xác minh trước khi cuộn dây để tránh từ thông khe hở không khí không đồng đều tạo ra mô men xoắn và lỗi vị trí ở khớp ngón tay.
4. Lựa chọn cán thép silicon cho lõi Stator
Động cơ không khung có tay khéo léo hoạt động ở tần số điện270–1.000 Hz. Ở các tần số này, độ dày lớp màng là biến số chủ yếu trong tổn hao sắt stato - và lựa chọn đúng là rõ ràng:
- Độ dày: 0,20 mm- giảm tổn thất dòng điện xoáy ~67% so với 0,35 mm. Bắt buộc đối với tần số điện trên 400 Hz.
- Lớp: 20W1200H hoặc 20W1500H- hạt không định hướng, hàm lượng silicon cao giúp giảm độ trễ thấp ở tần số cao.
- Hệ số xếp chồng: Lớn hơn hoặc bằng 0,97- xác minh bằng phép đo ngăn xếp nén ở bài viết đầu tiên.
- Dung sai hình học khe: ± 0,03 mm- cần thiết để duy trì hệ số lấp đầy cuộn dây nhất quán trong một ống stato mỏng.
- Độ phẳng cán: Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 mm cung trên mỗi tờ- quan trọng trong các ống khói dọc trục ngắn, ở đó sai số tích lũy ảnh hưởng đến tính đồng nhất của khe hở không khí.
5. Lợi thế cung cấp tích hợp
Hiệu suất của động cơ tay khéo léo không khung được xác định bởi sự tương tác giữa lớp cán stato và nam châm rôto. Hai thành phần này không độc lập - việc tìm nguồn cung ứng riêng biệt mà không có sự xem xét thiết kế phối hợp là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến hiệu suất kém trong quá trình phát triển động cơ tùy chỉnh.
Những điểm không khớp thường gặp khi nam châm và vật liệu cán mỏng có nguồn gốc từ các nhà cung cấp khác nhau:
- Phần dư của nam châm được chỉ định ở 20 độ nhưng tổn thất sắt stato khiến nam châm hoạt động ở 95 độ - Br thực tế giảm ~4%, làm giảm hằng số mô-men xoắn một lượng tương đương
- Hình dạng khe stato được thiết kế cho các lớp mỏng 0,35 mm nhưng đã chuyển sang 0,20 mm khi mua - hệ số xếp chồng khác nhau sẽ thay đổi chiều dài ngăn xếp hiệu quả và thay đổi Ke
- Tỷ lệ hồ quang cực được tối ưu hóa cho một đường cong độ thấm của lớp phủ, tạo ra mô-men xoắn dư thừa khi thay thế một loại khác
HIMAGNET cung cấp các ngăn xếp cán stato phù hợp và bộ nam châm rôto cho động cơ tay khéo léo không khung, được sản xuất nội bộ từ thép silicon và vật liệu NdFeB với cùng đặc điểm kỹ thuật mạch từ. Hỗ trợ kỹ thuật bao gồm tính toán thông lượng khe hở không khí, mô hình nhiệt và kiểm tra bài viết đầu tiên - từ bộ truyền động khớp ngón tay 20 mm đến động cơ mô-men xoắn cổ tay 80 mm.
6. Danh sách kiểm tra đấu thầu
- ☐ Xác nhận các ràng buộc về đường kính ngoài và chiều dài trục từ CAD khớp ngón tay
- ☐ Xác định mô-men xoắn cực đại, mô-men xoắn liên tục và tốc độ khớp tối đa
- ☐ Xác nhận điện áp bus trình điều khiển và dòng pha tối đa để xác định mục tiêu Ke
- ☐ Ghi rõ cấp nam châm: tiêu chuẩn N42–N48; N42H–N45H cho nhiệt độ cao
- ☐ Chỉ định độ dày cán: 0,20 mm đối với tần số điện trên 400 Hz
- ☐ Yêu cầu báo cáo hệ số xếp chồng và kiểm tra độ phẳng trên ngăn xếp cán bài viết đầu tiên
- ☐ Xác nhận phương pháp liên kết đoạn hồ quang và dung sai vị trí (điển hình là ± 0,1 độ)
- ☐ Yêu cầu gói nam châm + cán phù hợp có tính toán thông lượng khe hở không khí
Liên hệ với đội ngũ kỹ thuật của HIMAGNETđể thảo luận về thông số kỹ thuật của động cơ không khung - từ nguyên mẫu đến sản xuất.
