Neįvertinta juodoji technologija: kodėl bevielis variklis yra toks judrus humanoidiniams robotams?

Kai galvojate apie variklius, dauguma žmonių įsivaizduoja sunkų varinės vielos ir geležies gabalą. Šiandien kalbame ne tik apie „variklio pasaulio išskirtinumą“, bet ir apie nepakeičiamą humanoidinių robotų sielą{1}}be branduolio variklį.

Kodėl jis sulaukė tiek daug technologijų tinklaraštininkų ir produktų vadybininkų dėmesio? Pažiūrėkime atidžiau.

I. Kas tai tiksliai? Pradėkime nuo „No Iron Core“

Struktūriškai tipiškas nuolatinės srovės variklis rotoriaus viduje turi storą geležinę šerdį, tankiai suvyniotą varinėmis ritėmis, todėl jis atrodo tvirtas. Tačiau variklis be šerdies visiškai atsisako geležies šerdies. Jo rotorius pagamintas iš vielos, suvyniotos tiesiai į tuščiavidurę, plonasienę cilindrinę ritę, panašią į vandens stiklinę.

Šis paprastas struktūrinis skirtumas lemia revoliucinį našumo šuolį.

Kadangi geležies šerdis yra pašalinta, labiausiai varginantis „geležies praradimas“ tradiciniuose varikliuose{0}}energijos praradimas dėl sūkurinės srovės ir histerezės efektų{1}}visiškai išnyksta. Tai tarsi sunkiausio automobilio variklio komponento – smagračio – pašalinimas; lengvesnis rėmas sukasi, sumažindamas pasipriešinimą ir natūraliai padidindamas efektyvumą.

II. Penki pagrindiniai pranašumai, kurie pranoksta tradicinius variklius

Supratę principą, pažvelkime į jo pranašumus. Tikslaus perdavimo srityje bešerdžiai varikliai, pasižymintys dideliu galios tankiu, greitu atsaku ir puikiu efektyvumu, vis dažniau tampa pagrindiniu pažangių programų galios pasirinkimu. Konkrečiai, jo pranašumai daugiausia sutelkti į šiuos penkis punktus:

1. Energijos-taupymas ir labai efektyvus, matomas energijos taupymas

Be geležies nuostolių ir kompaktiškos magnetinės grandinės konstrukcijos energijos konversijos efektyvumas gali siekti 70–90 %, o tradiciniai geležies{2}}gysliniai varikliai paprastai pasiekia tik apie 70 %. Nešiojamiems įrenginiams ir orlaiviams, kurie naudojasi akumuliatoriaus energija, tas pats maitinimo šaltinis gali žymiai pailginti skrydžio laiką.

2. Milisekundės-lygio atsakas, toks greitas, kad dar negalite reaguoti

Reagavimo greitis yra išskirtinė variklio be šerdies savybė. Kadangi rotorius yra beveik nesvarus ir turi labai mažą inercijos momentą, jo mechaninė laiko konstanta paprastai yra mažesnė nei 28 milisekundės, o kai kurie aukščiausios{2} pakopos produktai pasiekia net mažiau nei 10 milisekundžių. Priešingai, tradiciniams geležies{5}}šerdies varikliams dažnai reikia daugiau nei 100 milisekundžių. Tai reiškia, kad jis gali akimirksniu užsivesti ir sustoti, kaip F1 lenktyninis automobilis, o tai labai svarbu scenarijuose, į kuriuos reikia nedelsiant reaguoti, pavyzdžiui, raketos sparnų reguliavimas ir fotoaparato automatinis fokusavimas.

3. Didelis galios tankis, didelė energija mažo dydžio

Dėl geležies-šerdies-mažesnės konstrukcijos begydžio variklio tūris ir svoris gali būti sumažintas maždaug 1/3–1/2, kai išėjimo galia yra tokia pati. Įrenginiams su itin ribota vieta – būtent apie tokią galios šerdį jie svajojo.

4. Sklandus ir sklandus veikimas, beveik jokio trūkčiojimo

Tradiciniai geležies{0}}gysliniai varikliai, esant mažam greičiui, dažnai trūkčioja ir jaučia šiurkštumą dėl magnetinio geležies šerdies traukos (sutraukimo efektas). Bešerdžiai varikliai fiziškai pašalina šį sukibimo efektą, todėl veikia itin sklandžiai, sumažėja triukšmas ir elektromagnetiniai trukdžiai.

5. Tiksli kontrolė, tikslingas vykdymas

Jo greičio svyravimus galima lengvai valdyti 2 % ribose, o kartu su didelės-raiškos koduotuvu galima pasiekti itin tikslų padėties ir greičio valdymą. Tai ypač svarbu įrenginiuose, kuriems taikomi griežti valdymo tikslumo reikalavimai, pavyzdžiui, chirurginiuose robotuose ir bioniniuose protezuose.

III. Šepetys prieš šepetėlius: kurį pasirinkti?

Nors varikliai be šerdies apeina geležinę šerdį, jie vis tiek patenka į „šepečių“ ir „bešepetėlių“ kategorijas, kurios labai skiriasi struktūra ir naudotojo patirtimi.

Šlifuoto begydžio variklio rotorius yra tiesiog begyslė ritė, naudojant fizinius šepečius ir komutatorių srovės krypčiai perjungti. Jo pranašumai yra paprastas valdymas, palyginti maža kaina ir mažesnė kaina. Tačiau kompromisas- apima trintį sukeliančias elektros kibirkštis ir susidėvėjimą, trumpesnę eksploatavimo trukmę (maždaug 1000–3000 valandų) ir galimybę, kad elektros kibirkštys trukdys aplinkinei tiksliajai elektroninei įrangai. Jis labiau tinka brangiems-įrenginiams su mažu veikimo dažniu arba trumpalaikiu{7}}naudojimu.

Bešepetėlis bešerdis variklis yra priešinga-ritė yra fiksuota, o nuolatinis magnetas veikia kaip besisukantis rotorius. Jis nustato padėtį naudodamas Hall efekto jutiklius ir užbaigia komutaciją su elektroniniu valdikliu, visiškai pašalindamas fizinę trintį. Tai žymiai pailgina jo eksploatavimo laiką iki daugiau nei 10 000 valandų, padidina maksimalų greitį (apie 15 000 aps./min be apkrovos) ir užtikrina tylesnį veikimą ir mažiau elektromagnetinių trukdžių. Neigiama yra sudėtinga jo struktūra, kuriai reikalingas specialus variklio vairuotojas, o tai padidina jo kainą. Tai ilgalaikis{10}}pažangios įrangos{11}}našumas, tinkamas programoms, kurioms reikalingas ilgalaikis{12}}stabilus veikimas.

IV. Nuo pirštų galiukų iki kosmoso: belaidžiai varikliai yra visur
Bešerdžių variklių pritaikymo scenarijai yra labai platūs – nuo ​​aukščiausios-karinės technologijos iki kasdieninės buitinės elektronikos:

Robotai, ypač humanoidiniai robotai, yra „kiekvieno akies obuolys“: tai viena iš labiausiai stebimų sričių pastaraisiais metais. Tesla Optimus roboto mikli ranka naudoja klasikinę šešių{1} variklių pavaros schemą su 11 laisvės laipsnių ir lengvai atlieka subtilius judesius, pvz., sugriebimą ir nešimą. Būtent dėl ​​begydžio variklio gebėjimo pasiekti didelį tikslumą ir didelį galios tankį mažame dydžiui roboto pirštų galiukai tampa tokie lankstūs.

Orlaiviai ir kariškiai: sudėtingais scenarijais, tokiais kaip raketos skrydžio padėties reguliavimas, drono rotoriaus pavara ir palydovinio padėties valdymas, bešerdis variklis, pasižymintis lengvu svoriu ir dideliu efektyvumu, padeda sumažinti orlaivio svorį kiekvienu gramu.

Medicina ir sveikatos priežiūra: naudojant minimaliai invazinius chirurginius instrumentus, endoskopus, odontologinę įrangą ir bioninius protezus, jis užtikrina labai stabilų, tikslią ir nevibruojančią-galią, turinčią tiesioginės įtakos operacijos saugai ir efektyvumui.

Aukščiausios-buitinės elektronikos ir išmanieji namai: ši miniatiūrinė, tačiau galinga „širdis“ slypi aukšto-dažnio elektrinių dantų šepetėlių vibracijoje, VR akinių automatiniame fokusavime, galingame aukštos-pagalybės plaukų džiovintuvų oro sraute ir net išmaniuosiuose durų spynose bei elektriniuose įrankiuose.