Roboti raamita pöördemomendi mootor: välimine rootor vs. Sisemine rootor – struktuurierinevused ja kasutusstsenaariumid

Sissejuhatus

Humanoidroboti iga vilgas pöörde ja täpse haarde taga peitub rühm vaikselt töötavaid 'lihaseid' – raamita pöördemomendi mootor . Need mootorid eraldavad traditsiooniliste mootorite mahuka korpuse, säilitades põhikomponentidena ainult staatori ja rootori. Nagu paljad 'peasõidukid', on need põimitud otse roboti liigesestruktuuri, täites ülimalt kompaktse ja ülikõrge pöördemomenditihedusega võtmeliigeste, nagu õla-, puusa- ja põlveliigeste juhtimise kriitilised ülesanded.

Raamita pöördemomendiga mootorid ei ole aga kõigile üks lahendus. Sõltuvalt rootori ja staatori suhtelisest asendist võib need jagada kahte suurde koolkonda:  välimise rootori  ja  sisemise rootori  konstruktsioonid. Need kaks erinevad struktuurselt, mõlemal on oma jõudlustugevused ja need näitavad selget tööjaotust rakenduses. Tesla Optimuse pöörlevad liigendid ja MIT Cheetah neljajalgse roboti propriotseptiivsed ajamid teevad mõlemad nende kahe konfiguratsiooni vahel tahtliku valiku.

01 Põhiline arusaam: mis on raamita pöördemomendi mootor?

Välise ja sisemise rootori erinevuse mõistmiseks vajame kõigepealt põhjalikku arusaama raamita pöördemomendi mootorist endast.

Traditsiooniline mootor on terviklik, pakendatud seade: see on varustatud korpuse, otsakatete, laagrite ja võlliga – iseseisev toitemoodul, mis võib pärast vooluvõrku ühendamist pöörlema ​​panna. Raamita pöördemomendi mootor lükkab selle kontseptsiooni täielikult ümber:  see koosneb ainult kahest sõltumatust komponendist, staatorist ja rootorist , ilma korpuseta, laagriteta ja väljundvõllita.

See minimalistlik disain muudab raamita pöördemomendi mootori eraldiseisvast seadmest 'jõuelemendiks', mille saab integreerida otse mehaanilisse konstruktsiooni. Insenerid saavad kinnitada staatori roboti liigendi korpusesse ja paigaldada rootori otse koormusvõllile, võimaldades 'null-ülekandeahela' jõuülekande mootorilt liigendile.

Selle konstruktsiooni peamised eelised on olulised: see suurendab märkimisväärselt ruumikasutust (mahu vähenemine üle 30%), välistab ülekande lõtku, saavutab üle 95% ülekandeefektiivsuse ja võimaldab suurt kohandamist vastavalt liigendi konkreetsetele mõõtmetele ja pöördemomendi nõuetele.

Arvestades, et mõlemad on staatori ja rootori kombinatsioonid, mis täpselt eristab välimist rootorit sisemisest rootorist?

02 Dekodeeritud struktuur: kui rootor erineb 'sees' ja 'väljas'

Põhilise erinevuse välis- ja siserootori mootorite vahel saab kokku võtta ühe lausega:  rootori ja staatori ruumiline suhe on täielikult ümberpööratud.

Sisemise  rootori  konfiguratsioon esindab 'traditsioonilisemat' disainilahendust. Sisemise rootori raamita mootoris asub rootor (sisaldab püsimagneteid) mootori keskel, staatori mähised ümbritsevad ja ümbritsevad rootori väliskülge. Rootor on koormaga ühendatud väljundvõlli kaudu, andes üldisele struktuurile sihvaka pikliku kuju. See konfiguratsioon järgib tavaliste tööstusmootorite liini, mille inseneridel on põhjalik projekteerimiskogemus.

Välisrootori  konfiguratsioon  on 'seest välja' konstruktsioon. Välisrootori raamita mootoris on staatori mähised kinnitatud kesksele alusele, õõnsat tassikujulist kesta meenutav rootor aga ümbritseb kogu staatori väljastpoolt. Rootori kest ise on pöörlev osa, mis ühendub otse seadme koormusega, mille tulemuseks on lamedam üldine struktuur.

Lihtsamalt öeldes: võtke sisemise rootori mootor ja keerake see 'seest välja' – liigutage algselt välimine staator sissepoole ja keerake algselt sisemine rootor väljapoole ning saate välimise rootori mootori. See struktuurne inversioon toob kaasa ulatusliku lahknevuse kõiges alates jõudlusest kuni rakenduseni.

03 Performance Showdown: kuuemõõtmeline võrdlus

Struktuurne 'inversioon' määrab otseselt välise ja sisemise rootori mootorite järsult erinevad jõudlusnäitajad. Siin on kuue põhidimensiooni üksikasjalik võrdlus:

1. Pöördemomendi väljund: välimise rootori 'heraklese tugevus'

Pöördemomendi suutlikkus on välisrootori mootori kõige silmatorkavam toimivusmärgis. Arvestades sama mahtu ja voolu, annab välimise rootori raamita mootor 30–50% suurema pöördemomendi kui sisemise rootori mootor. Põhjus on lihtne: pöördemoment = jõud × hoob. Välisrootoril on suurem pöörlemisraadius ja pikem hoob, mis loob loomulikult suurema pöördemomendi sama elektromagnetilise jõu korral. See eelis on eriti ilmne madala kiiruse ja suure koormusega stsenaariumide korral.

2. Kiirus ja dünaamiline reaktsioon: sisemise rootori 'kiire samm'

Sisemise rootori mootori rootor asub keskel, mille tulemuseks on madal pöörlemisinerts. See muudab selle käivitamise, seiskamise ja kiirendamise ajal paindlikumaks, võimaldades kiiremat dünaamilist reageerimist. Lisaks on sisemise rootori mootoritel tavaliselt vähem poolusepaare ja suurem kiirus, mistõttu need sobivad rakendustele, mis nõuavad kiiret tööd ning sagedast käivitumist ja seiskamist. Tänu rootori suuremale massile ja suuremale inertsile on välisrootori mootoril suhteliselt aeglasem dünaamiline reaktsioon, kuid see töötab sujuvamalt ja väiksema kiiruse kõikumisega.

3. Soojuse hajumine: välimise rootori 'sisseehitatud radiaator'

Välise rootori mootori rootori kest on otseses kontaktis õhuga, pakkudes suurt soojuse hajumise ala. Soojust saab kiiresti eralduda väliskeskkonda, mistõttu sobib see pikaajaliseks ja suure võimsusega tööks. Sisemise rootori mootoris on staatori mähised ümbritsetud välimise rootoriga, mis hoiab soojuse sisse ja muudab selle hajutamise keeruliseks. See nõuab soojusjuhtimiseks toetumist mootori baasile või täiendavatele soojusjuhtivatele struktuuridele. See erinevus muutub kriitiliseks pideva suure koormuse tingimustes.

4. Kontrollimise täpsus: igal neist on oma tugevused

Positsioneerimise täpsuse osas pakuvad need kaks huvitavat vastastikust täiendavust. Kiire dünaamilise reaktsiooniga sisemise rootori mootor sobib paremini rakendusteks, mis nõuavad suurt positsioneerimisreaktsiooni kiirust. Välisrootori mootor oma sujuva töö ja madala pöördemomendi pulsatsiooniga sobib paremini stsenaariumide jaoks, mis nõuavad ranget positsioneerimistäpsust ja liikumise sujuvust.

5. Struktuurne keerukus ja paigaldusraskused

Välisrootori kest peab samaaegselt täitma mitut funktsiooni: magnetvoo juhtimine, soojuse hajumine ja püsimagnetite kandmine. See seab materjalidele ja tootmisprotsessidele kõrgemad nõudmised, mis toob kaasa suhteliselt suuremad kulud. Paigaldamine nõuab ka õhupilu ühtluse ja staatori ja rootori vahelise koaksiaalsuse täpset kontrolli, muutes selle keerukamaks kui sisemise rootori mootor. Sisemise rootormootoritel on suhteliselt lihtsam struktuur ja madalam hind ning need on praegu humanoidrobotite valdkonnas levinud valik.

6. Ruumi kasutamise ja integreerimise meetod

Sisemise rootori mootoril on kompaktne, piklik struktuur, mis sobib paigaldamiseks kitsastesse ühenduskohtadesse. Välisrootori mootoril on lame pannkoogilaadne struktuur, mis muudab selle hõlpsaks ühendamise otse laadimisrullikute või äärikutega, pakkudes ainulaadseid eeliseid sellistes rakendustes nagu rummuajamid ja mähisseadmed.

Intuitiivseks võrdluseks on allolev kokkuvõtlik tabel ühe pilguga selge:

 

04 Rakenduse kaardistamine: rollijaotus robotliigendites

Kui jõudluse erinevused on 'kõva jõud', projitseerib rakendusstsenaariumide jaotus need erinevused elavalt praktikasse. Robootikas täidavad sise- ja välisrootori mootorid oma erinevat rolli.

Sisemine rootor: Agile Motioni 'peamine jõud'.

Humanoidrobotites on sisemise rootori raamita pöördemomendiga mootorid, millel on madal inerts ja kiire reageerimine, eelistatud valik liigeste jaoks, mis nõuavad sagedast käivitumist, seiskamist ja kiiret kehaasendi reguleerimist, nagu vöökoht ja õlad. Need moodustavad praegu  üle 70% humanoidrobotite raamita pöördemomendi mootorite valikutest.

Tesla Optimuse pöörlevad liigendid kasutavad laialdaselt sisemise rootori raamita pöördemomendi mootoreid, mis on ühendatud harmooniliste reduktorite ja pöördemomendi anduritega, et pakkuda väljundvõimsust, mis ühendab plahvatusliku jõu ja täpsuse suurte liigeste jaoks, nagu õlad ja puusad. Neljajalgsete robotite valdkonnas valis algne MIT Cheetah oma propriotseptiivse täiturmehhanismi jaoks ka sisemise rootori konfiguratsiooni.

Välisrootor: kandevõime ja löögikindluse 'jõujaam'.

Välisrootori mootorite suur pöördemoment ja suurepärane sujuvus muudavad need suure koormusega liigendites asendamatuks. Kodumaised ettevõtted on saavutanud välisrootori raamita mootoritega tööstuslikke läbimurdeid, saavutades maksimaalseks väljundpöördemomendiks 285 Nm (võrdluseks – sisemise rootori põhimudelite tipp on 50–150 Nm). Need mootorid suudavad läbida löögikindluse testid 5-kordse nimipöördemomendiga, toimides rahulikult kõrge intensiivsusega toimingutega, nagu hüpped ja kandevõime.

Tööstusrobotite sektoris kasutatakse välisrootori mootoreid laialdaselt vöö- ja randmeliigendites, mis nõuavad suurt pöördemomenti ja täpsust. Neljajalgsete robotite hulgas kasutas MIT Cheetah Mini välisrootori konfiguratsiooni, kasutades kompaktse liigendikujunduse saavutamiseks täielikult ära selle tasase struktuuri ja suure pöördemomendi eeliseid.

Ristrakendused: robootikast laiema maailmani

Nende kahe mootoritüübi rakendusmaastik ulatub palju kaugemale robotliigenditest. Välisrootori mootor oma lameda struktuuri ja suure pöördemomendiga paistab silma rummuajamite (e-jalgrattad, e-tõukerattad), meditsiinilise pildistamise seadmete (CT-skanneri pöörlevad komponendid) ja täppiskardaanidega. Sisemise rootori mootorit, kasutades ära oma kiire reageerimise eelist, kasutatakse laialdaselt kiiretel spindlitel (CNC-masinad, graveerimismasinad), drooni tõukejõusüsteemides ja mitmesugustes väikestes servosüsteemides. Koostöös tegutsevates robotites ja eksoskelettides on mõlemal oma tugevad küljed – eksoskeleti stsenaariumid kasutavad tavaliselt välisrootori mootoreid koos integreeritud planetaarkäigukastiga, samas kui koostöörobotid kasutavad enamasti harmooniliste reduktoridega integreeritud raamita pöördemomendi mootoreid.

05 Tehnoloogiatrendid ja turuväljavaated

Raamita pöördemomendiga mootorid on kiire arengu kuldajastul. QYResearchi andmetel ulatus raamita pöördemomendiga mootorite ülemaailmne müük 2025. aastal 5,461 miljardi RMB (ligikaudu 803 miljoni USA dollari)ni ja prognooside kohaselt kasvab see 2032. aastaks 9,63 miljardi RMB (ligikaudu 1,416 miljardi USA dollari)ni, kusjuures aastane kasvumäär on umbes 8,4%.

Selle kasvu peamiseks tõukejõuks on humanoidrobotite tööstuse plahvatuslik kasv. Üks uuring ennustab, et 2030. aastaks võib humanoidrobotite mootorite globaalne turg ulatuda 91,76 miljardi RMB-ni, kusjuures ainuüksi humanoidrobotite raamita pöördemomendiga mootorite segment ulatub 2,397 miljardi USA dollarini.

Tehnoloogilise arengu seisukohalt on välimised ja sisemised rootorid eraldi arenguteel: sisemise rootori mootorid jätkavad optimeerimist suurema võimsustiheduse ja väiksema pöördemomendi saavutamiseks, kindlustades oma peamise positsiooni humanoidrobotite liigendites. Välisrootori mootorid on läbi murdmas suurema pöördemomendi ja parema termilise disaini suunas. Samal ajal vähenevad nende kulud järk-järgult tootmisprotsesside küpsedes, lubades asendada traditsioonilised lahendused raskema koormusega liigendites ja tööstuslikes stsenaariumides.

06 Kokkuvõte ja valikusoovitused

Välise ja sisemise rootori raamita pöördemomendiga mootorite vahel puudub absoluutne paremus. Võti on  'mootori kohandamine ühenduskohale'.  Viiteks võivad olla järgmised valikupõhimõtted.

• Kaaluge koormust:  suure koormuse, väikese kiirusega ja suure pöördemomendiga liigeste (nagu puusa- ja põlveliigeste) puhul eelistage välisrootori mootorit. Kerge koormusega, suure kiirusega, sagedaste käivitus-/seiskamisliigendite jaoks (nagu õlg ja randmeosa) on sisemise rootori mootor sobivam.

•  Mõelge ruumile:  õhukeste liigendite jaoks, millel on küllaldane aksiaalruum, kuid kitsas radiaalruum, sobib hästi sisemise rootori mootor. Suhteliselt vaba radiaalse ruumiga stsenaariumide puhul, mis nõuavad lamedat konstruktsiooni, on välisrootori mootoril selge eelis.

• Kaaluge jahutustingimusi.  Pikaajaliseks ja suure koormusega tööks, kus jahutus põhineb loomulikul konvektsioonil, on välimise rootori mootor usaldusväärsem.

• Kaaluge kulusid ja paigaldust:  Piiratud eelarve korral või kui on vaja kiiret integreerimist, on sisemise rootori mootor pragmaatilisem valik. Rakendustes, kus on äärmuslikud nõudmised pöördemomendi sujuvuse ja löögikindluse osas, on välisrootori mootor investeeringut väärt.

• Võtke arvesse täpsusnõudeid:  kiireks positsioneerimisreaktsiooniks valige sisemise rootori mootor; liikumise sujuvuse ja positsioneerimise täpsuse tagamiseks vali välimise rootori mootor.

Kuna humanoidrobotid liiguvad laborist masstootmisse, kiireneb raamita pöördemomendiga mootorite tehnoloogiline iteratsioon ja industrialiseerimine. Väliste ja sisemiste rootorite põhierinevuste mõistmine aitab inseneridel leida keeruliste valikuotsuste tegemisel optimaalse lahenduse – täpselt nagu õige 'lihase' valimine erinevates asendites olevate liigeste jaoks; igaühel neist on kõige sobivam viis jõu avaldamiseks.