Robot Frameless Torque Motor: Outer Rotor vs. روتور داخلی - تفاوت های ساختاری و سناریوهای کاربردی

مقدمه

پشت هر چرخش زیرک و درک دقیق یک ربات انسان نما، گروهی از 'عضلات' که در سکوت کار می کنند نهفته است. موتور گشتاور فریم لس . این موتورها محفظه حجیم موتورهای سنتی را از بین می برند و تنها استاتور و روتور را به عنوان اجزای اصلی خود حفظ می کنند. مانند «محرک‌های اصلی»، مستقیماً در ساختار مفصل ربات تعبیه شده‌اند و وظایف حیاتی هدایت مفاصل کلیدی مانند شانه، لگن و زانو را با فشردگی فوق‌العاده و تراکم گشتاور فوق‌العاده بر عهده می‌گیرند.

با این حال، موتورهای گشتاور بدون فریم راه حلی برای همه نیستند. بسته به موقعیت نسبی روتور و استاتور، آنها را می توان به دو مدرسه اصلی تقسیم کرد:  روتور بیرونی  و  روتور داخلی .  طراحی این دو از نظر ساختاری متفاوت هستند، هر کدام نقاط قوت عملکرد خود را دارند و تقسیم کار واضحی را در کاربرد نشان می‌دهند. مفاصل چرخشی Optimus تسلا و محرک‌های حس عمقی ربات چهارپا یوزپلنگ MIT هر دو انتخاب عمدی بین این دو پیکربندی را انجام می‌دهند.

01 درک اساسی: موتور گشتاور بدون قاب چیست؟

برای درک تفاوت بین روتورهای بیرونی و داخلی، ابتدا به درک اساسی از خود موتور گشتاور بدون فریم نیاز داریم.

موتور سنتی یک واحد کامل و بسته بندی شده است: دارای محفظه، کلاهک های انتهایی، یاتاقان ها و شفت است - یک ماژول قدرت مستقل که می تواند پس از اتصال به برق بچرخد. موتور گشتاور بدون قاب کاملاً این مفهوم را زیر و رو می کند:  فقط از دو جزء مستقل تشکیل شده است، استاتور و روتور ، بدون محفظه، بدون یاتاقان و بدون شفت خروجی.

این طراحی مینیمالیستی، موتور گشتاور بدون قاب را از یک دستگاه مستقل به یک 'سلول قدرت' تبدیل می کند که می تواند مستقیماً در یک ساختار مکانیکی ادغام شود. مهندسان می‌توانند استاتور را در محفظه مفصل ربات ثابت کنند و روتور را مستقیماً روی شفت بار نصب کنند و انتقال قدرت از موتور به مفصل را امکان‌پذیر می‌سازند.

مزایای اصلی این طراحی قابل توجه است: استفاده از فضا را به طور چشمگیری افزایش می دهد (کاهش حجم بیش از 30٪)، واکنش برگشتی انتقال را حذف می کند، بازده انتقال بیش از 95٪ را به دست می آورد و اجازه می دهد تا درجه بالایی از سفارشی سازی بر اساس ابعاد خاص و گشتاور مورد نیاز اتصال را فراهم کند.

با توجه به اینکه هر دو ترکیبی از استاتور و روتور هستند، دقیقاً چه چیزی یک روتور بیرونی را از روتور داخلی متمایز می کند؟

02 ساختار رمزگشایی شده: هنگامی که روتور 'Inside' و 'Outside' متفاوت است

تفاوت اساسی بین موتورهای روتور بیرونی و داخلی را می توان در یک عبارت خلاصه کرد:  رابطه فضایی بین روتور و استاتور کاملا معکوس است..

پیکربندی نشان  روتور داخلی  دهنده رویکرد طراحی 'سنتی' بیشتر است. در یک موتور بدون قاب روتور داخلی، روتور (حاوی آهنرباهای دائمی) در مرکز موتور قرار دارد، در حالی که سیم‌پیچ‌های استاتور بیرون روتور را احاطه کرده و می‌پیچند. روتور از طریق یک شفت خروجی به بار متصل می شود و به ساختار کلی فرمی باریک و کشیده می دهد. این پیکربندی از اصل و نسب موتورهای صنعتی رایج پیروی می کند که مهندسان تجربه طراحی عمیقی برای آنها دارند.

پیکربندی یک  روتور بیرونی  طراحی 'داخل به بیرون' است. در یک موتور بدون قاب روتور بیرونی، سیم‌پیچ‌های استاتور به یک پایه مرکزی ثابت می‌شوند، در حالی که روتور، شبیه یک پوسته فنجانی توخالی، کل استاتور را از بیرون می‌پوشاند. پوسته روتور خود قسمت چرخشی است که مستقیماً به بار تجهیزات متصل می شود و در نتیجه ساختار کلی صاف تری ایجاد می کند.

به زبان ساده: یک موتور روتور داخلی را بردارید و آن را 'داخل بیرون' بچرخانید—استاتور خارجی اصلی را به داخل حرکت دهید و روتور داخلی اولیه را به بیرون بچرخانید و یک موتور روتور بیرونی دریافت می کنید. این وارونگی ساختاری منجر به یک واگرایی جامع در همه چیز از عملکرد تا کاربرد می شود.

03 نمایش عملکرد: مقایسه شش بعدی

'وارونگی' ساختاری مستقیماً مشخصه های عملکردی متفاوت موتورهای روتور بیرونی و داخلی را تعیین می کند. در اینجا یک مقایسه دقیق بین شش بعد اصلی وجود دارد:

1. گشتاور خروجی: «قدرت هرکول» روتور بیرونی

قابلیت گشتاور برجسته ترین برچسب عملکرد موتور روتور بیرونی است. با توجه به حجم و جریان یکسان، یک موتور بدون قاب روتور بیرونی 30 تا 50 درصد گشتاور خروجی بالاتری نسبت به روتور داخلی ارائه می دهد. دلیل ساده است: گشتاور = نیرو × بازوی اهرمی. روتور بیرونی شعاع چرخش بزرگتر و بازوی اهرمی بلندتری دارد که به طور طبیعی برای نیروی الکترومغناطیسی یکسان گشتاور بیشتری تولید می کند. این مزیت به ویژه در سناریوهای با سرعت کم و بار سنگین قابل مشاهده است.

2. سرعت و پاسخ پویا: 'گام سریع' روتور داخلی

روتور یک موتور روتور داخلی در مرکز قرار دارد و در نتیجه اینرسی دورانی پایینی دارد. این باعث می شود در هنگام استارت، توقف و شتاب گیری چابک تر شود و پاسخ دینامیکی سریع تری را ممکن می کند. بعلاوه، موتورهای روتور داخلی معمولاً دارای جفت قطب کمتر و سرعت بالاتری هستند، که آنها را برای کاربردهایی که نیاز به کار با سرعت بالا و شروع و توقف مکرر دارند، مناسب می کند. به دلیل جرم بیشتر روتور و اینرسی بیشتر، یک موتور روتور بیرونی پاسخ دینامیکی نسبتاً کندتری دارد اما با نوسانات سرعت کمتری نرم‌تر عمل می‌کند.

3. اتلاف گرما: «رادیاتور داخلی» روتور بیرونی

پوسته روتور یک موتور روتور بیرونی در تماس مستقیم با هوا است و منطقه اتلاف گرما زیادی را ارائه می دهد. گرما را می توان به سرعت به محیط خارجی رها کرد و آن را برای عملکرد طولانی مدت و با قدرت بالا مناسب می کند. در موتور روتور داخلی، سیم‌پیچ‌های استاتور توسط روتور بیرونی محصور می‌شوند و گرما را در داخل محبوس می‌کنند و دفع آن را دشوار می‌کنند. این نیاز به تکیه بر پایه موتور یا ساختارهای رسانای حرارتی اضافی برای مدیریت حرارتی دارد. این تفاوت در شرایط بار بالا و مداوم بسیار مهم می شود.

4. دقت کنترل: هر کدام نقاط قوت خود را دارند

با توجه به دقت موقعیت یابی، این دو مکمل جالبی هستند. موتور روتور داخلی، با پاسخ دینامیکی سریع خود، برای کاربردهایی که سرعت پاسخ موقعیت یابی بالا را می طلبند، مناسب تر است. موتور روتور بیرونی، با عملکرد نرم و موج گشتاور کم، برای سناریوهایی که نیاز به دقت موقعیت یابی و نرمی حرکت دارند، مناسب تر است.

5. پیچیدگی سازه و سختی نصب

پوسته روتور بیرونی باید به طور همزمان چندین عملکرد را انجام دهد: هدایت شار مغناطیسی، اتلاف گرما، و تحمل آهنرباهای دائمی. این امر تقاضاهای بیشتری را برای مواد و فرآیندهای تولید ایجاد می کند که منجر به هزینه های نسبتاً بالاتر می شود. نصب همچنین مستلزم کنترل دقیق یکنواختی شکاف هوا و هم محوری بین استاتور و روتور است که آن را نسبت به موتور روتور داخلی چالش برانگیزتر می کند. موتورهای روتور داخلی ساختار نسبتاً ساده‌تری دارند و هزینه کمتری دارند و در حال حاضر انتخاب اصلی در زمینه ربات انسان‌نما هستند.

6. روش استفاده و ادغام فضا

موتور روتور داخلی دارای ساختار فشرده و کشیده ای است که برای جاسازی در فضاهای مفصلی باریک مناسب است. موتور روتور بیرونی دارای ساختاری مسطح و شبیه پنکیک است که اتصال مستقیم به غلتک های بار یا فلنج ها را آسان می کند و مزایای منحصر به فردی را در کاربردهایی مانند هاب درایو و تجهیزات سیم پیچ ارائه می دهد.

برای مقایسه شهودی، جدول خلاصه زیر در یک نگاه واضح است:

 

04 نقشه برداری برنامه: تقسیم نقش در اتصالات ربات

اگر تفاوت‌های عملکردی «قدرت سخت» است، پس تقسیم سناریوهای کاربردی به وضوح این تفاوت‌ها را در عمل نشان می‌دهد. در رباتیک، موتورهای روتور داخلی و خارجی هر کدام نقش متمایز خود را ایفا می کنند.

روتور داخلی: 'نیروی اصلی' برای حرکت چابک

در ربات های انسان نما، موتورهای گشتاور بدون قاب روتور داخلی، با اینرسی کم و پاسخ سریع، انتخاب ارجح برای مفاصلی هستند که نیاز به استارت، توقف مکرر، و تنظیمات سریع وضعیت بدن مانند کمر و شانه دارند. آنها در حال حاضر  بیش از 70٪ از انتخاب موتورهای گشتاور بدون قاب را در ربات های انسان نما تشکیل می دهند.

مفاصل چرخشی Tesla Optimus به طور گسترده از موتورهای گشتاور بدون قاب روتور داخلی، همراه با کاهنده هارمونیک و حسگرهای گشتاور استفاده می کنند تا قدرتی را ارائه دهند که نیروی انفجاری و دقت را برای مفاصل بزرگ مانند شانه ها و باسن ترکیب می کند. در حوزه ربات‌های چهارپا، یوزپلنگ اصلی MIT همچنین یک پیکربندی روتور داخلی را برای طراحی محرک حس عمقی خود انتخاب کرد.

روتور بیرونی: 'پاورخانه' برای تحمل بار و مقاومت در برابر ضربه

گشتاور بالا و نرمی فوق العاده موتورهای روتور بیرونی آنها را در اتصالات با بار سنگین غیر قابل تعویض می کند. شرکت‌های داخلی با موتورهای بدون قاب روتور بیرونی به پیشرفت‌های صنعتی دست یافته‌اند و به حداکثر گشتاور خروجی 285 نیوتن‌متر دست یافته‌اند (برای مقایسه، مدل‌های اصلی روتور داخلی حداکثر 50 تا 150 نیوتن متر هستند). این موتورها می توانند تست های مقاومت در برابر ضربه را با 5 برابر گشتاور نامی انجام دهند و با آرامش اقدامات با شدت بالا مانند پرش و تحمل بار را انجام دهند.

در بخش ربات‌های صنعتی، موتورهای روتور بیرونی به طور گسترده در مفاصل کمر و مچ استفاده می‌شوند که به گشتاور و دقت بالایی نیاز دارند. در میان روبات‌های چهارپا، MIT Cheetah Mini از پیکربندی روتور بیرونی استفاده کرد و از ساختار مسطح و مزایای گشتاور بالا برای دستیابی به طراحی مفصل فشرده استفاده کرد.

کاربردهای متقاطع: از رباتیک تا دنیای گسترده تر

چشم انداز کاربرد این دو نوع موتور بسیار فراتر از اتصالات ربات است. موتور روتور بیرونی، با ساختار تخت و ویژگی‌های گشتاور بالا، در هاب درایوها (دوچرخه‌های الکترونیکی، اسکوترهای الکترونیکی)، تجهیزات تصویربرداری پزشکی (قطعات چرخان اسکنر سی تی)، و گیمبال‌های دقیق برتری دارد. موتور روتور داخلی، با بهره گیری از مزیت پاسخ سرعت بالا، به طور گسترده در دوک های با سرعت بالا (دستگاه های CNC، ماشین های حکاکی)، سیستم های رانش پهپاد و سیستم های مختلف سروو کوچک استفاده می شود. در روبات‌های مشارکتی و اسکلت‌های بیرونی، هر دو نقاط قوت خود را دارند - سناریوهای اسکلت بیرونی تمایل دارند از موتورهای روتور بیرونی با گیربکس‌های سیاره‌ای یکپارچه استفاده کنند، در حالی که ربات‌های مشارکتی عمدتاً از موتورهای گشتاور بدون قاب یکپارچه با کاهنده‌های هارمونیک استفاده می‌کنند.

05 روندهای فناوری و چشم انداز بازار

موتورهای گشتاور فریم لس در دوران طلایی توسعه سریع هستند. طبق QYResearch، فروش جهانی موتورهای گشتاور فریم لس در سال 2025 به 5.461 میلیارد یوان (تقریباً 803 میلیون دلار) رسید و پیش بینی می شود تا سال 2032 با نرخ رشد مرکب سالانه حدود 8 درصد به 9.63 میلیارد یوان (تقریباً 1.416 میلیارد دلار) برسد.

محرک اصلی این رشد، انفجار صنعت ربات های انسان نما است. یک مطالعه پیش‌بینی می‌کند که تا سال 2030، فضای بازار جهانی برای موتورهای ربات انسان‌نما می‌تواند به 91.76 میلیارد یوان برسد، و تنها بخش موتورهای گشتاور بدون قاب برای ربات‌های انسان‌نما به 2.397 میلیارد دلار می‌رسد.

از نظر تکامل تکنولوژیکی، روتورهای بیرونی و داخلی در مسیرهای توسعه جداگانه قرار دارند: موتورهای روتور داخلی به بهینه سازی برای چگالی توان بالاتر و گشتاور چرخشی کمتر ادامه می دهند و موقعیت اصلی خود را در مفاصل ربات انسان نما تثبیت می کنند. موتورهای روتور بیرونی به سمت گشتاور خروجی بالاتر و طراحی حرارتی بهتر نفوذ می کنند. در همین حال، هزینه های آنها به تدریج کاهش می یابد، زیرا فرآیندهای تولید به بلوغ می رسند و نوید جایگزینی راه حل های سنتی را در مفاصل سنگین تر و سناریوهای صنعتی می دهند.

06 خلاصه و توصیه های انتخاب

هیچ برتری مطلقی بین موتورهای گشتاور بدون قاب روتور بیرونی و داخلی وجود ندارد. نکته کلیدی  'تنظیم موتور برای اتصال' است.  اصول انتخاب زیر می تواند به عنوان مرجع عمل کند:

• بار را در نظر بگیرید:  برای مفاصل با بار سنگین، با سرعت کم و گشتاور بالا (مانند لگن و زانو)، موتور روتور بیرونی را در اولویت قرار دهید. برای مفاصل استارت/توقف مکرر با بار سبک، سرعت بالا و مکرر (مانند شانه و مچ دست)، موتور روتور داخلی مناسب تر است.

•  فضا را در نظر بگیرید:  برای اتصالات باریک با فضای محوری زیاد اما فضای شعاعی تنگ، موتور روتور داخلی به خوبی جا می‌شود. برای سناریوهایی با فضای شعاعی نسبتا شل که نیاز به طراحی مسطح دارند، موتور روتور بیرونی یک مزیت آشکار دارد.

• شرایط خنک کننده را در نظر بگیرید:  برای عملیات طولانی مدت و با بار سنگین که در آن خنک سازی متکی به همرفت طبیعی است، موتور روتور بیرونی قابل اطمینان تر است.

• هزینه و نصب را در نظر بگیرید:  با بودجه محدود یا زمانی که به یکپارچه سازی سریع نیاز است، موتور روتور داخلی انتخاب عملی تری است. برای کاربردهایی با تقاضاهای شدید برای صافی گشتاور و مقاومت در برابر ضربه، موتور روتور بیرونی ارزش سرمایه گذاری را دارد.

• الزامات دقیق را در نظر بگیرید:  یک موتور روتور داخلی را برای پاسخ موقعیت سریع انتخاب کنید. یک موتور روتور بیرونی را برای صافی حرکت و دقت موقعیت یابی انتخاب کنید.

همانطور که روبات های انسان نما از آزمایشگاه به سمت تولید انبوه حرکت می کنند، تکرار تکنولوژیکی و صنعتی شدن موتورهای گشتاور بدون قاب شتاب می گیرد. درک تفاوت‌های اصلی بین روتورهای بیرونی و داخلی به مهندسان کمک می‌کند تا راه‌حل بهینه را در تصمیم‌گیری‌های پیچیده انتخاب پیدا کنند - درست مانند انتخاب 'عضله' مناسب برای مفاصل در موقعیت‌های مختلف. هر کدام مناسب ترین روش خود را برای اعمال نیرو دارند.