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什么是空心杯电机?空心杯电机的工艺 的应
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-04-24 07:51:17 浏览:10

  生产、家用电器、交通 运输等领域,由定子和转子两大核心部分组成,直流电机运行时静止不动的部分称为定子, 定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。常 用的定子磁铁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体。运行时转动的部分称为转子,其主 要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电 枢,由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

  空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式,采用的是无铁芯转子,其电枢绕组为 空心杯线圈,形状类似水杯,因此被称为“空心杯电机”。空心杯电机属于直流、永磁、伺服 微特电机。这种新颖的转子结构使空心杯电机具备以下优良特性: ①节能特性:无铁芯设计彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,能量转换效率很 高,其最大效率一般在 70%以上,部分产品可达到 90%以上(铁芯电动机一般在 70%); ②控制特性:起动、制动迅速,响应极快,机械时间常数小于 28 毫秒,部分产品可以达到 10 毫秒以内(铁芯电动机一般在 100 毫秒以上);在推荐运行区域内的高速运转状态下,可以方 便地对转速进行灵敏的调节; ③拖动特性:运行稳定性十分可靠,转速的波动很小,作为微型电动机其转速波动能够容易 的控制在 2%以内; ④轻量化特性:与同等功率的铁芯电动机相比,其重量、体积减轻 1/3-1/2,能量密度大幅 度提高。 空心杯电机的核心指标为功率密度,即输出功率与重量或体积的比值。无铁芯转子在分子端 消除了涡流和磁滞损耗,提高了能量转化效率;在分母端减轻了重量和体积。

  电刷是有刷电机的一个重要组成元件,负责在旋转部件与静止部件之间传导电流。因较多用 石墨制成,故也称碳刷。在普通直流电机中,为使转子保持旋转,需实时改变转子电流方向, 因此需要使用换向器和碳刷。无刷电机取消了机械电刷换向方式,因此需要检测转子位置以 完成电子换向。常用的获取转子位置信息的方式主要有两种:①无传感器控制方式,在电机 运转时,通过电机反馈出的可测量变量来确定转子位置;②位置传感器控制方式,电机转子 位置是通过电机内部的位置传感器直接检测得到的。常用的位置传感器有霍尔传感器、、旋转变压器等。霍尔传感器检测精度不高,但价格较低;而光电编码器、旋转变压 器位置检测准确,误差小,一般用于高性能要求控制系统,如磁场定向控制、直接转矩控制。

  空心杯电机按其结构可分为有刷和无刷两种。 ①有刷空心杯电机(也被称为直流有刷无铁芯电机,转子无铁芯):采用机械电刷换向,一般 由机壳、软磁材料内定子、永磁体外定子、空心杯型转子电枢组成。当空心杯有刷电机通电 时,绕组有电流通过,产生转矩,转子开始旋转,若转子转到特定角度,电刷利用机械换向 器的方式改变电流方向,使输出转矩方向不变,转子继续旋转。由于空心杯有刷电机采用电 刷换向,电机运行过程中存在着一定的相对摩擦,这就会产生噪声、电火花,降低了电机的 使用寿命。一般国内的“空心杯电机”泛指有刷电机; ②无刷空心杯电机(也被称为直流无刷无齿槽电机,定子无铁芯):采用电子换向的方式,一 般由机壳,软磁材料、绝缘材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等组成。空心杯无刷 电机通过控制电子元件的通断使不同绕组接入电路,达到换向的效果。这种换向方式使空心 杯无刷电机具有效率高、转矩波动小、使用寿命高、结构精巧,维护方便,易保养等特点。

  空心杯电机工艺流程复杂,加工难度远超普通直流有槽电机。以鼎智科技的直流无槽电机(即 其空心杯电机产品)为例,从前段线圈绕制、中段轴承、芯轴、支撑环等核心零部件安装, 到后段后盖安装和线 道工序,复杂程度远超普通直流有槽电机。线圈 的生产需要经历漆包线——绕线——加热整形——出线脱漆、接公共线——线圈安装等环节。

  其中,线圈制造是空心杯电机的核心流程之一。无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成, 这是一根绝缘铜线,外面有一层漆。在制造过程中,通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔 化在一起。适当的粘合(胶带或玻璃纤维)可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性,这一点 在高电流负载下尤为重要。

  空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为三类: 1)人工绕线。通过一系列复杂的工艺,包括插针、手动卷线、手动排线)绕卷式生产技术。绕卷式生产技术是半自动化生产,首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形 的主轴上,达到需要的长度后将其取下,然后压扁成线板,最后将线板卷绕成杯状的线圈。 以一种绕卷式空心杯为例,其制造流程大致分为以下几步:①六边形线坯线圈绕制:在斜绕 组绕线机上进行;②线坯线圈粘贴二条定型压敏胶带,脱模待展平;③展平:将定型板插入 线坯线圈,并将线圈相错拉平,再送入展平机展平,成为扁平线坯。用竹质刮板整形。剪掉 多余的胶带,仅留一只搭头,搭头应留在扁平线坯稍微隆起的一面,以利卷筒成行;④卷筒: 把扁平线坯送入空心杯卷筒机卷筒,使线坯首尾衔接,胶带搭头粘贴于线坯首部外表,成为 空心杯线圈;⑤涂环氧定型:涂环氧胶粘剂后,放入烘箱固化定型。 3)一次成型生产技术。绕线机通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上,线圈卷绕 成杯状后取下,一次成型,不需要卷圆压扁等多道工序,自动化程度高。

  海外绕线工艺发展早,自动化程度高于国内。国内主要采用绕卷式生产,工艺比较繁琐,工 人劳动强度大,无法完成线径较粗的线圈,废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术,自动化程度较高,生产效率高,线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密,电机种类 多、性能好。 空心杯电机按绕线方式可分为直绕形、马鞍形和斜绕形。1958 年,德国的 Dr.F.Faulhaber (冯哈伯)研制出斜绕组线 年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技 术。德国、瑞士、日本等对空心杯电机的研制较早,在绕线工艺方面积累了丰富经验。全球 空心杯电机三大龙头中,瑞士 Maxon 多采用直绕形和马鞍形,德国 Faulhaber 和瑞士 Portescap 多采用斜绕形。直绕形绕制方法工艺较为复杂,多用于较长绕组结构,常为多次 绕制而成;马鞍形可减小线圈厚度,在高功率密度电机上有效减小磁路气隙,增加切割磁场 的长度,更好地利用定子磁性;斜绕形发展较早,相对来说绕制简单、排线紧密、适用于大 批量生产。

  绕线是空心杯电机核心技术壁垒所在。①设计环节:海外三大家技术起源于 1960 年代,国 内空心杯电机起步较晚,研究较少,缺少结合材料细分牌号、转子杯类型对电机的优化,欠 缺体系化的正向设计,缺乏定制化要求的系统驱动方案配置与产品设计能力;②加工环节: 与传统的无刷电机、有刷电机、伺服电机相比,空心杯电机的结构属于无齿槽结构,没有定 子槽,所有漆包线都是悬空绕线,内部没有任何支撑,在工艺上难度很高,早期成品率低。 在绕线精度方面,空心杯电机精度要求比传统电机更高。空心杯电机本身体积较小,对误差 的容忍度和普通永磁电机、步进电机相比更低,加工精度直接影响磁场的稳定性。导线粗细、 绕组匝数的不同,使得绕组电阻值、启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。因 此,国内厂商需要在生产加工环节提高精度、良品率、自动化程度。 与海外相比,我国在绕线设备方面也相对薄弱。绕线设备可分为全自动和需要人工的非自动 设备。与海外相比,我国绕线设备自动化程度相对较低。全球领先的绕线设备制造商包括瑞 士 Me、日本田中精机株式会社和日特机械工程株式会社。国内企业在设备方面仍然处于 相对空缺的状态,多外购日本绕线设备,价格从几十万到百万不等。国内相对具有代表性的公司包括中特科技、东莞市台立电子机械有限公司、勤联科技、昆山库克等。

  空心杯电机属于微特电机,上游原材料与微特电机原材料类似,包括铜、钢材、磁钢、轴承、 塑料等。空心杯电机最初被应用于航空、航天、军事等尖端行业,近年来其应用领域逐步扩 展至民用行业,如医疗装置、消费类电子产品、电动工具、工业自动化等场景。

  空心杯电机的不同性能对应其在不同领域的应用: 1)体积小、重量轻、功率体积比大的特征使其适用于对重量要求较高的领域,如各类飞行器 等,可以最大限度减轻飞行器的重量;也被广泛用于各类消费类电子产品,如电动牙刷、便 携电风扇等。 2)起动制动迅速、响应极快的特点使其适用于需要实现快速自动控制的领域,如对控制性能 要求较高的导弹方向调节、高倍率光驱随动、高灵敏设备、工业机器人等。 3)能量转化效率高、运行时间长的特点使其适用于各类对节能和续航有要求的领域,如便 携式仪表及野外工作的仪器设备。

  人形机器人打开了空心杯电机应用新蓝海。据特斯拉5 月AIDay 发布的人形机器人 Optimus最新进展,每只手包括 6 个驱动器和 11 个自由度,大拇指包含两个驱动器,其他四指各包 含一个驱动器,手部可负重 20 磅。手部关节模组主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠 丝杠和传感器构成。空心杯电机使手指拥有活动能力,精密行星齿轮箱使得机械手定位更精 准、运用更灵活,编码器提供了手部高精度位置反馈和速度反馈,传感器使机器人拥有类似 人类的知觉功能和反应能力。 据马斯克预计,未来人形机器人数量或将超过人类数量,长期有望达到百亿台级别。空心杯 电机是机器人手部主流技术方案,确定性较高。人形机器人每只手用到 6 个空心杯电机,考 虑终局情形,人形机器人有望达到百亿台级别,若人形机器人量产落地,将拉动空心杯电机 相关企业营收大幅增长。

  空心杯电机属于微特电机的一个细分领域。微特电机一般指功率在 750 瓦以下,机座外径不 大于 160mm 或中心高不大于 90mm 的电机,简称微电机,全称微型特种电机。微特电机主要应 用领域包括电动玩具、模型制作、家用电器、汽车行业、医疗器械、机器人制造、电动工具、 安防设备等。据 SKYQUEST 数据,2022 年全球微特电机市场规模为 406.5 亿美元,2030 年预 计达到 560.7 亿美元,2022-2030 年 CAGR 为 4.1%。 据 QY Research 数据,2022 年全球空心杯电机市场规模 7.48 亿美元,同比增长 10.55%,增 速高于微特电机 2022 年的同比增速。①分地区看,2021 年空心杯电机全球市场规模 6.77 亿 美元,中国、欧洲和其他地区分别占比 34.80%、25.85%和 39.35%。2022 年亚太、欧洲、北 美地区分别占比 49%、25%和 20%。②分产品类别看,2022 年有刷空心杯电机市场规模 4.92 亿美元,占比 65.8%;无刷空心杯电机市场规模 2.56 亿美元,占比 34.2%。随着空心杯电机 技术的持续成熟,无刷空心杯电机占比预计持续提升,2028 年预计达到 42.2%。

  空心杯电机目前市场规模较小,我们以微特电机为例对其下游市场应用比例进行大致把握。 微特电机主要应用领域为 C 端民用产品,消费电子占 29%,家用电器占 26%。武器、航空、农 业、纺织、医疗、包装合计占比 20%,其余汽车电子、影像处理、工业控制及其他分别占比 13%、7%和 5%。

  空心杯电机作为微特电机中的高端产。