01 ¿Qué es un motor de torsión sin marco?
Un motor de torsión sin marco es un tipo de motor eléctrico altamente eficiente y que ahorra energía. Su característica más distintiva es la eliminación de componentes que se encuentran en los motores tradicionales, como el eje, los cojinetes, la carcasa y las tapas de los extremos, conservando solo los dos componentes centrales: el rotor y el estator.
Este diseño estructural permite que el motor se integre perfectamente en la estructura de la máquina , utilizando los propios cojinetes de la máquina para soportar el rotor, lo que mejora significativamente la integración y la compacidad del sistema.
Los motores de torsión sin marco se miden por su par de salida, a diferencia de la potencia nominal de salida comúnmente utilizada para los servomotores. Esto les permite ofrecer un par elevado a bajas velocidades, adaptándose perfectamente a los requisitos de movimiento de las articulaciones robóticas.
02 Revelando el principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de un motor torque sin marco se basa en la ley de la inducción electromagnética. Cuando el controlador del motor aplica energía, la electricidad trifásica excita un campo electromagnético giratorio en los devanados del estator. Este campo electromagnético interactúa con los imanes permanentes del rotor, generando un par que hace que el rotor gire.
Todo el proceso está controlado por el driver, que modela el campo electromagnético a través de la energía trifásica U/V/W. El rotor con imanes permanentes gira bajo la influencia de este campo. Los motores de torsión sin marco pueden usar elementos Hall para señales de retroalimentación o utilizar señales de un codificador adicional.
El conductor compara el valor de retroalimentación con el valor objetivo para ajustar el ángulo de rotación del rotor , logrando un servocontrol preciso.
03 Diferencias con los motores tradicionales
En comparación con los motores con marco tradicionales, los motores de torsión sin marco ofrecen múltiples ventajas: mejoran el rendimiento de la máquina, permitiendo un acoplamiento directo (sin juego) y un mayor ancho de banda del sistema; la estructura es más compacta, lo que da como resultado una máquina que ocupa menos espacio y un mayor par por unidad de volumen.
También poseen una gran rigidez y pueden servir como fuente de energía de accionamiento directo, impulsando la carga directamente sin necesidad de correas y poleas, tornillos de avance o cajas de engranajes; El funcionamiento es silencioso, ya que la integración directa en la estructura de la máquina altera el método de transmisión, lo que conduce a una reducción significativa del ruido.
Además, reducen las necesidades de mantenimiento debido a que tienen menos piezas mecánicas y no tienen componentes propensos a desgastarse o que requieran un mantenimiento regular.
04 El poder central de los robots humanoides
En la era de rápido desarrollo de la inteligencia artificial y la tecnología robótica, los robots humanoides están penetrando profundamente en numerosos campos como la industria, los servicios y la atención sanitaria 4. Los motores de torsión sin marco se han convertido en los principales componentes motrices de las articulaciones de los robots humanoides.
El Optimus de Tesla utiliza motores de torsión sin marco como fuente de energía en sus 28 articulaciones. Estas juntas incluyen 14 juntas rotativas y 14 juntas lineales, y cada actuador contiene un motor de torsión sin marco.
Las juntas rotativas constan de un motor de torsión sin marco, reductor de armónicos, sensor de torsión, sensor de posición, codificador, etc., distribuidos en hombros (6), muñecas (2), caderas (4) y torso (2).
Las articulaciones lineales constan de un motor de torsión sin marco, un tornillo de rodillo planetario, un sensor de torsión, un sensor de posición, etc., distribuidos en los codos (2), muñecas (4), caderas (2), rodillas (2) y tobillos (4).
05 Tres roles clave
Los motores de torsión sin marco desempeñan tres funciones clave en la flexibilidad de las articulaciones de los robots humanoides:
Proporcionar una salida de alto par:
durante la ejecución de la tarea, las articulaciones del robot a menudo necesitan generar un alto par a bajas velocidades para superar los efectos de palanca y la inercia de carga. Los motores de torsión sin marco pueden generar una salida de par elevada incluso a velocidades relativamente bajas.
Permitiendo un control preciso:
están estrechamente integrados con componentes como codificadores de alta precisión y sensores de torsión para formar una unidad de accionamiento integrada de alto rendimiento. El controlador puede leer información de posición de la articulación de la retroalimentación del codificador en tiempo real y, combinado con los datos de torque del sensor de torque, ajustar el torque y la velocidad del motor.
Mejora de la velocidad de respuesta de las articulaciones:
con una inercia del rotor extremadamente baja, el motor puede responder a los comandos de control a
velocidades de milisegundos . Incluso si el entorno externo cambia o las acciones se alteran repentinamente, las articulaciones del robot pueden ajustar rápidamente su postura, garantizando la estabilidad y seguridad del robot.
06 Amplios campos de aplicación
Los campos de aplicación de los motores torque sin bastidor son muy amplios. Se utilizan principalmente en articulaciones y brazos de robots para proporcionar un par elevado y un control de alta precisión.
En equipos médicos, los motores de torsión sin marco se combinan con robots quirúrgicos, sistemas de imágenes médicas, etc., para lograr un control de movimiento suave y altamente preciso. Se pueden utilizar en campos médicos como el de imágenes médicas y robots quirúrgicos, realizando operaciones con alta precisión en áreas mucho más pequeñas de lo que la mano humana puede manejar.
En el campo de las máquinas herramienta CNC de alta gama, los motores de torsión sin marco se pueden utilizar en máquinas de cinco ejes de alta precisión para mejorar la precisión y la repetibilidad en procesos como conformado, rectificado y taladrado.
Además, también se utilizan en aplicaciones dentro del campo aeroespacial, como radares, sistemas de navegación inercial y plataformas giratorias.
07 Grandes perspectivas de mercado
Las perspectivas de mercado para los motores torque sin marco son muy amplias. El tamaño del mercado mundial de motores de torsión sin marco fue de 4.500 millones de CNY en 2022 y se espera que alcance los 22.400 millones de CNY en 2030, y el segmento de mercado de robots humanoides representó 16.300 millones de CNY.
Según datos de Valuates Reports, el tamaño del mercado mundial de motores de torsión sin marco fue de 670 millones de dólares en 2022 y se espera que crezca a 1.170 millones de dólares en 2029, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8%. Se prevé que con el rápido crecimiento de los robots colaborativos y la demanda inteligente, el mercado de motores de torsión sin marco mantendrá un desarrollo de alta velocidad.
08 Desafíos técnicos y tendencias futuras
Aunque los motores torque sin marco muestran un gran potencial en el campo de los robots humanoides, todavía existen algunos desafíos en su tecnología y producción.
Desde una perspectiva técnica, aumentar aún más la densidad de par de los motores de par sin marco mientras se reduce su aumento de temperatura y se reduce la brecha entre la velocidad nominal y la velocidad máxima impone altas exigencias al diseño electromagnético.
En cuanto a los costos, como componente crítico de los robots humanoides, el costo sigue siendo alto debido a la actualmente baja tasa de producción nacional de sus componentes principales en China.
Las tendencias de desarrollo futuras incluyen: la mejora continua de los indicadores de rendimiento de los motores torque sin marco para cumplir con los requisitos más altos de flexibilidad y potencia de las articulaciones en robots humanoides.
Al mismo tiempo, optimizar los procesos de producción y reducir los costos de producción se convertirán en objetivos importantes para el desarrollo futuro.
A medida que los robots humanoides pasan de las 'demostraciones de laboratorio' a la 'comercialización inicial en escenarios específicos', los motores de torsión sin marco, como fuente de energía central, están entrando en un período dorado de desarrollo.
2025 se considera un año crítico para la producción en masa de robots humanoides. Los motores torque sin marco representan el 16% del valor de un robot humanoide. Los precios actuales oscilan entre unos pocos cientos de CNY y más de mil CNY, según la potencia y el tamaño.
En el futuro, con la expansión de escala y la innovación de procesos, se espera que sus precios disminuyan significativamente, promoviendo aún más la adopción de robots humanoides.
Esta tecnología compacta pero potente, el motor de torsión sin marco, se está convirtiendo en el héroe anónimo detrás de las articulaciones flexibles de los robots humanoides , apoyando silenciosamente el rápido desarrollo de la industria robótica.
