Rahmenloser Torquemotor für Roboter: Außenrotor vs. Innenrotor – Strukturelle Unterschiede und Anwendungsszenarien

Einführung

Hinter jeder flinken Drehung und jedem präzisen Griff eines humanoiden Roboters verbirgt sich eine Gruppe lautlos arbeitender „Muskeln“ – die rahmenloser Torquemotor . Diese Motoren verzichten auf das sperrige Gehäuse herkömmlicher Motoren und behalten nur den Stator und den Rotor als Kernkomponenten bei. Wie bloße „Antriebskräfte“ werden sie direkt in die Gelenkstruktur eines Roboters eingebettet und übernehmen die kritische Aufgabe, wichtige Gelenke wie Schulter, Hüfte und Knie mit extremer Kompaktheit und ultrahoher Drehmomentdichte anzutreiben.

Allerdings sind rahmenlose Torquemotoren keine Universallösung. Abhängig von der relativen Position von Rotor und Stator können sie in zwei Hauptschulen unterteilt werden:  Außenrotor-  und  Innenrotor  -Designs. Die beiden unterscheiden sich strukturell, haben jeweils ihre eigenen Leistungsstärken und weisen eine klare Arbeitsteilung in der Anwendung auf. Die Drehgelenke von Teslas Optimus und die propriozeptiven Aktuatoren des MIT-Vierbeinroboters Cheetah treffen beide bewusst eine Wahl zwischen diesen beiden Konfigurationen.

01 Grundverständnis: Was ist ein rahmenloser Torquemotor?

Um den Unterschied zwischen Außen- und Innenrotoren zu verstehen, benötigen wir zunächst ein grundlegendes Verständnis des rahmenlosen Torquemotors selbst.

Ein herkömmlicher Motor ist eine komplette, verpackte Einheit: Er wird mit einem Gehäuse, Endkappen, Lagern und einer Welle geliefert – einem eigenständigen Leistungsmodul, das sich drehen kann, sobald es an die Stromversorgung angeschlossen ist. Der rahmenlose Torquemotor stellt dieses Konzept völlig auf den Kopf:  Er besteht nur aus zwei unabhängigen Komponenten, dem Stator und dem Rotor , ohne Gehäuse, ohne Lager und ohne Abtriebswelle.

Dieses minimalistische Design verwandelt den rahmenlosen Torquemotor von einem eigenständigen Gerät in eine „Kraftzelle“, die direkt in eine mechanische Struktur integriert werden kann. Ingenieure können den Stator im Gelenkgehäuse eines Roboters befestigen und den Rotor direkt auf der Lastwelle montieren, was eine „Null-Übertragungskette“-Übertragung der Kraft vom Motor zum Gelenk ermöglicht.

Die Hauptvorteile dieser Konstruktion sind erheblich: Sie erhöht die Raumausnutzung erheblich (Volumenreduzierung um über 30 %), eliminiert Getriebespiel, erreicht einen Übertragungswirkungsgrad von über 95 % und ermöglicht ein hohes Maß an Anpassung an die spezifischen Abmessungen und Drehmomentanforderungen der Verbindung.

Angesichts der Tatsache, dass es sich bei beiden um Kombinationen aus Stator und Rotor handelt, stellt sich die Frage: Was genau unterscheidet einen Außenrotor von einem Innenrotor?

02 Struktur entschlüsselt: Wenn sich der Rotor „innen“ und „außen“ unterscheidet

Der grundlegende Unterschied zwischen Außen- und Innenläufermotoren lässt sich in einem Satz zusammenfassen:  Das räumliche Verhältnis zwischen Rotor und Stator ist völlig umgekehrt.

Die  Innenrotorkonfiguration  repräsentiert den eher „traditionellen“ Designansatz. Bei einem rahmenlosen Innenrotormotor sitzt der Rotor (der die Permanentmagnete enthält) in der Mitte des Motors, während die Statorwicklungen die Außenseite des Rotors umgeben und umwickeln. Der Rotor ist über eine Abtriebswelle mit der Last verbunden, wodurch die Gesamtkonstruktion eine schlanke, langgestreckte Form erhält. Diese Konfiguration folgt der Tradition gängiger Industriemotoren, bei denen die Ingenieure über umfassende Konstruktionserfahrung verfügen.

Die  äußere Rotorkonfiguration  ist ein „Inside-Out“-Design. Bei einem rahmenlosen Außenrotormotor sind die Statorwicklungen an einer zentralen Basis befestigt, während der Rotor, der einer hohlen, becherförmigen Hülle ähnelt, den gesamten Stator von außen umhüllt. Das Rotorgehäuse selbst ist das rotierende Teil und ist direkt mit der Gerätelast verbunden, was zu einer flacheren Gesamtstruktur führt.

Einfach ausgedrückt: Nehmen Sie einen Innenrotormotor und drehen Sie ihn „von innen nach außen“ – bewegen Sie den ursprünglich äußeren Stator nach innen und drehen Sie den ursprünglich inneren Rotor nach außen, und Sie erhalten einen Außenrotormotor. Diese Strukturumkehr führt zu einer umfassenden Divergenz von der Leistung bis zur Anwendung.

03 Performance Showdown: Ein sechsdimensionaler Vergleich

Die strukturelle „Umkehrung“ bestimmt unmittelbar die stark unterschiedlichen Leistungsmerkmale von Außen- und Innenläufermotoren. Hier ist ein detaillierter Vergleich über sechs Kerndimensionen:

1. Drehmomentabgabe: Die „Herkulesstärke“ des Außenrotors

Die Drehmomentfähigkeit ist das wichtigste Leistungsmerkmal des Außenrotormotors. Bei gleichem Volumen und gleichem Strom liefert ein gehäuseloser Außenrotormotor ein um 30–50 % höheres Drehmoment als ein Innenrotormotor. Der Grund ist einfach: Drehmoment = Kraft × Hebelarm. Der Außenrotor hat einen größeren Rotationsradius und einen längeren Hebelarm, wodurch bei gleicher elektromagnetischer Kraft natürlich ein größeres Drehmoment erzeugt wird. Dieser Vorteil kommt besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten und hoher Last zum Tragen.

2. Geschwindigkeit und dynamische Reaktion: Der „Quick Step“ des Innenrotors

Der Rotor eines Innenrotormotors befindet sich in der Mitte, was zu einer geringen Rotationsträgheit führt. Dies macht es beim Starten, Stoppen und Beschleunigen agiler und ermöglicht eine schnellere dynamische Reaktion. Darüber hinaus verfügen Innenrotormotoren typischerweise über weniger Polpaare und höhere Drehzahlen, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und häufige Starts und Stopps erfordern. Aufgrund der größeren Masse und der höheren Trägheit des Rotors weist ein Außenrotormotor eine vergleichsweise langsamere dynamische Reaktion auf, arbeitet jedoch gleichmäßiger und weist weniger Drehzahlschwankungen auf.

3. Wärmeableitung: Der „eingebaute Kühler“ des Außenrotors

Der Rotormantel eines Außenrotormotors steht in direktem Kontakt mit der Luft und bietet so eine große Wärmeableitungsfläche. Die Wärme kann schnell an die Außenumgebung abgegeben werden und eignet sich daher für den Langzeitbetrieb mit hoher Leistung. Bei einem Innenrotormotor sind die Statorwicklungen vom Außenrotor umschlossen, wodurch die Wärme im Inneren eingeschlossen wird und deren Ableitung erschwert wird. Dies erfordert den Einsatz des Motorsockels oder zusätzlicher wärmeleitender Strukturen für das Wärmemanagement. Dieser Unterschied wird unter kontinuierlichen Hochlastbedingungen kritisch.

4. Kontrollpräzision: Jeder hat seine Stärken

Hinsichtlich der Positionierungsgenauigkeit weisen die beiden eine interessante Komplementarität auf. Der Innenrotormotor eignet sich aufgrund seiner schnellen dynamischen Reaktion besser für Anwendungen, die eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit bei der Positionierung erfordern. Der Außenrotormotor eignet sich aufgrund seines reibungslosen Betriebs und der geringen Drehmomentwelligkeit besser für Szenarien, die eine hohe Positionierungsgenauigkeit und Bewegungsglätte erfordern.

5. Strukturelle Komplexität und Installationsschwierigkeiten

Die Hülle des Außenrotors muss mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen: Magnetflussleitung, Wärmeableitung und Lagerung der Permanentmagnete. Dies stellt höhere Anforderungen an Materialien und Herstellungsverfahren, was zu relativ höheren Kosten führt. Die Installation erfordert außerdem eine präzise Kontrolle der Gleichmäßigkeit des Luftspalts und der Koaxialität zwischen Stator und Rotor, was sie anspruchsvoller macht als einen Innenrotormotor. Innenrotormotoren haben einen relativ einfacheren Aufbau und geringere Kosten und sind derzeit die gängige Wahl im Bereich humanoider Roboter.

6. Raumnutzungs- und Integrationsmethode

Der Innenrotormotor hat eine kompakte, längliche Bauform, die sich zum Einbetten in enge Gelenkräume eignet. Der Außenrotormotor hat eine flache, pfannkuchenartige Struktur, die den direkten Anschluss an Lastrollen oder Flansche erleichtert und einzigartige Vorteile bei Anwendungen wie Nabenantrieben und Wickelgeräten bietet.

Für einen intuitiven Vergleich ist die folgende Übersichtstabelle auf einen Blick klar:

 

04 Anwendungskartierung: Rollenverteilung in Robotergelenken

Wenn Leistungsunterschiede die „harte Kraft“ sind, dann projiziert die Aufteilung der Anwendungsszenarien diese Unterschiede anschaulich in die Praxis. In der Robotik spielen Innen- und Außenrotormotoren jeweils ihre eigene Rolle.

Innenrotor: Die „Hauptkraft“ für agile Bewegung

Bei humanoiden Robotern sind rahmenlose Innenrotor-Torquemotoren aufgrund ihrer geringen Trägheit und schnellen Reaktion die bevorzugte Wahl für Gelenke, die häufiges Starten und Stoppen sowie schnelle Haltungsänderungen erfordern, wie z. B. Taille und Schultern. Sie machen derzeit  über 70 % der Auswahl an rahmenlosen Torquemotoren in humanoiden Robotern aus.

Die Drehgelenke des Tesla Optimus verwenden weitgehend rahmenlose Innenrotor-Torquemotoren, gepaart mit Oberschwingungsreduzierern und Drehmomentsensoren, um eine Leistungsabgabe zu liefern, die explosive Kraft und Präzision für große Gelenke wie Schultern und Hüften kombiniert. Im Bereich der vierbeinigen Roboter wählte auch der ursprüngliche MIT Cheetah eine Innenrotorkonfiguration für sein propriozeptives Aktuatordesign.

Außenrotor: Das „Kraftpaket“ für Tragfähigkeit und Schlagfestigkeit

Das hohe Drehmoment und die hervorragende Laufruhe von Außenläufermotoren machen sie in hochbelasteten Gelenken unersetzlich. Inländische Unternehmen haben mit rahmenlosen Außenrotormotoren industrielle Durchbrüche erzielt und ein maximales Ausgangsdrehmoment von 285 Nm erreicht (zum Vergleich: Mainstream-Innenrotormodelle erreichen ihren Spitzenwert bei 50–150 Nm). Diese Motoren bestehen Schlagfestigkeitstests mit dem Fünffachen des Nenndrehmoments und bewältigen hochintensive Aktionen wie Springen und Tragen von Lasten ruhig.

Im Industrieroboterbereich werden Außenrotormotoren häufig in Hüft- und Handgelenken eingesetzt, die ein hohes Drehmoment und eine hohe Präzision erfordern. Unter den vierbeinigen Robotern übernahm der MIT Cheetah Mini eine Außenrotorkonfiguration und nutzte seine flache Struktur und die Vorteile des hohen Drehmoments voll aus, um ein kompaktes Gelenkdesign zu erreichen.

Cross-Over-Anwendungen: Von der Robotik in eine größere Welt

Die Anwendungslandschaft dieser beiden Motortypen reicht weit über Robotergelenke hinaus. Der Außenrotormotor mit seiner flachen Struktur und seinen hohen Drehmomenteigenschaften eignet sich hervorragend für Nabenantriebe (E-Bikes, E-Scooter), medizinische Bildgebungsgeräte (rotierende Komponenten von CT-Scannern) und Präzisionskardanringe. Der Innenrotormotor nutzt seinen Vorteil bei der Ansprechgeschwindigkeit bei hoher Geschwindigkeit und wird häufig in Hochgeschwindigkeitsspindeln (CNC-Maschinen, Graviermaschinen), Drohnenantriebssystemen und verschiedenen kleinen Servosystemen eingesetzt. Bei kollaborativen Robotern und Exoskeletten haben beide ihre eigenen Stärken – Exoskelett-Szenarien verwenden in der Regel Außenrotormotoren mit integrierten Planetengetrieben, während kollaborative Roboter meist rahmenlose Torquemotoren mit integrierten harmonischen Untersetzungsgetriebe verwenden.

05 Technologietrends und Marktaussichten

Rahmenlose Torquemotoren befinden sich in einer goldenen Ära rasanter Entwicklung. Laut QYResearch erreichte der weltweite Umsatz mit rahmenlosen Torquemotoren im Jahr 2025 5,461 Milliarden RMB (ca. 803 Millionen US-Dollar) und soll bis 2032 auf 9,63 Milliarden RMB (ca. 1,416 Milliarden US-Dollar) ansteigen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 8,4 %.

Der Haupttreiber dieses Wachstums ist die explosionsartige Entwicklung der humanoiden Roboterindustrie. Eine Studie prognostiziert, dass der weltweite Markt für humanoide Robotermotoren bis 2030 91,76 Milliarden RMB erreichen könnte, wobei allein das Segment der rahmenlosen Torquemotoren für humanoide Roboter 2,397 Milliarden US-Dollar erreichen könnte.

Im Hinblick auf die technologische Entwicklung befinden sich Außen- und Innenrotoren auf unterschiedlichen Entwicklungspfaden: Innenrotormotoren werden weiterhin auf eine höhere Leistungsdichte und ein geringeres Rastmoment hin optimiert und festigen so ihre Hauptposition in den Gelenken humanoider Roboter. Außenläufermotoren bahnen sich den Durchbruch in Richtung höherer Drehmomentabgabe und besserem thermischen Design an. Mittlerweile sinken ihre Kosten mit zunehmender Reife der Herstellungsprozesse allmählich und versprechen, herkömmliche Lösungen bei stärker beanspruchten Verbindungen und in Industrieszenarien zu ersetzen.

06 Zusammenfassung und Auswahlempfehlungen

Es gibt keine absolute Überlegenheit zwischen rahmenlosen Torquemotoren mit Außen- und Innenrotor. Der Schlüssel liegt in  der „Anpassung des Motors an das Gelenk“.  Folgende Auswahlprinzipien können als Referenz dienen:

• Berücksichtigen Sie die Belastung:  Für Gelenke mit hoher Belastung, niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment (wie Hüfte und Knie) sollten Sie einem Außenrotormotor den Vorzug geben. Für Gelenke mit geringer Belastung, hoher Geschwindigkeit und häufigem Start/Stopp (wie Schulter und Handgelenk) ist ein Innenrotormotor besser geeignet.

•  Berücksichtigen Sie den Platzbedarf:  Für schlanke Gelenke mit großem axialem Raum, aber geringem radialem Raum eignet sich ein Innenrotormotor gut. Für Szenarien mit relativ geringem radialem Platzbedarf, die eine flache Bauweise erfordern, ist der Außenläufermotor klar im Vorteil.

• Berücksichtigen Sie die Kühlbedingungen:  Für einen Langzeitbetrieb mit hoher Last, bei dem die Kühlung auf natürlicher Konvektion beruht, ist ein Außenrotormotor zuverlässiger.

• Berücksichtigen Sie Kosten und Installation:  Bei einem begrenzten Budget oder wenn eine schnelle Integration erforderlich ist, ist der Innenrotormotor die pragmatischere Wahl. Für Anwendungen mit extremen Anforderungen an Drehmomentgleichmäßigkeit und Schlagfestigkeit lohnt sich die Investition in den Außenrotormotor.

• Berücksichtigen Sie die Präzisionsanforderungen:  Wählen Sie einen Innenrotormotor für eine schnelle Positionierungsreaktion; Wählen Sie einen Außenrotormotor für gleichmäßige Bewegungen und Positionierungsgenauigkeit.

Während humanoide Roboter vom Labor zur Massenproduktion übergehen, beschleunigt sich die technologische Weiterentwicklung und Industrialisierung rahmenloser Torquemotoren. Das Verständnis der Kernunterschiede zwischen Außen- und Innenrotoren wird Ingenieuren dabei helfen, bei komplexen Auswahlentscheidungen die optimale Lösung zu finden – genau wie bei der Auswahl des richtigen „Muskels“ für Gelenke in verschiedenen Positionen; Jeder hat seine geeignetste Art, Kraft auszuüben.