01 Qu'est-ce qu'un moteur couple sans cadre ?
Un moteur couple sans cadre est un type de moteur électrique très efficace et économe en énergie. Sa caractéristique la plus distinctive est la suppression des composants présents dans les moteurs traditionnels, tels que l'arbre, les roulements, le boîtier et les embouts, ne conservant que les deux composants principaux : le rotor et le stator.
Cette conception structurelle permet au moteur d'être intégré de manière transparente dans la structure de la machine , en utilisant les propres roulements de la machine pour soutenir le rotor, améliorant ainsi considérablement l'intégration et la compacité du système.
Les moteurs couple sans cadre sont mesurés par leur couple de sortie, contrairement à la puissance de sortie couramment utilisée pour les servomoteurs. Cela leur permet de fournir un couple élevé à basse vitesse, s'adaptant parfaitement aux exigences de mouvement des articulations robotiques.
02 Dévoilement du principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d'un moteur couple sans cadre repose sur la loi de l'induction électromagnétique. Lorsque le pilote du moteur applique de la puissance, l'électricité triphasée excite un champ électromagnétique rotatif dans les enroulements du stator. Ce champ électromagnétique interagit avec les aimants permanents du rotor, générant un couple qui fait tourner le rotor.
L'ensemble du processus est contrôlé par le pilote, qui façonne le champ électromagnétique via l'alimentation triphasée U/V/W. Le rotor à aimants permanents tourne sous l'influence de ce champ. Les moteurs couple sans cadre peuvent utiliser des éléments Hall pour les signaux de retour ou utiliser les signaux d'un encodeur supplémentaire.
Le conducteur compare la valeur de retour avec la valeur cible pour ajuster l'angle de rotation du rotor , obtenant ainsi un servocommande précis.
03 Différences par rapport aux moteurs traditionnels
Par rapport aux moteurs à cadre traditionnels, les moteurs couple sans cadre offrent de multiples avantages : Ils améliorent les performances de la machine, permettant un couplage direct (sans jeu) et une bande passante système plus élevée ; la structure est plus compacte, ce qui se traduit par un encombrement de machine plus petit et un couple plus élevé par unité de volume.
Ils possèdent également une rigidité élevée et peuvent servir de source d'énergie à entraînement direct, entraînant la charge directement sans avoir besoin de courroies, de poulies, de vis mères ou de boîtes de vitesses ; le fonctionnement est silencieux, car l'intégration directe dans la structure de la machine modifie la méthode de transmission, conduisant à une réduction significative du bruit.
De plus, ils réduisent les besoins de maintenance grâce à moins de pièces mécaniques et à l’absence de composants sujets à l’usure ou nécessitant un entretien régulier.
04 La puissance fondamentale des robots humanoïdes
À l’ère du développement rapide de l’intelligence artificielle et de la technologie robotique, les robots humanoïdes pénètrent profondément dans de nombreux domaines tels que l’industrie, les services et la santé 4. Les moteurs couple sans cadre sont devenus les principaux composants d’entraînement des articulations des robots humanoïdes.
L'Optimus de Tesla utilise des moteurs couple sans cadre comme source d'énergie dans ses 28 articulations. Ces joints comprennent 14 joints rotatifs et 14 joints linéaires, chaque actionneur contenant un moteur couple sans cadre.
Les joints rotatifs sont constitués d'un moteur couple sans cadre, d'un réducteur d'harmoniques, d'un capteur de couple, d'un capteur de position, d'un codeur, etc., répartis sur les épaules (6), les poignets (2), les hanches (4) et le torse (2).
Les articulations linéaires se composent d'un moteur couple sans cadre, d'une vis à rouleaux planétaires, d'un capteur de couple, d'un capteur de position, etc., répartis sur les coudes (2), les poignets (4), les hanches (2), les genoux (2) et les chevilles (4).
05 Trois rôles clés
Les moteurs couple sans cadre jouent trois rôles clés dans la flexibilité des articulations des robots humanoïdes :
Fournir un couple de sortie élevé :
lors de l'exécution d'une tâche, les articulations du robot doivent souvent produire un couple élevé à basse vitesse pour surmonter les effets de levier et l'inertie de la charge. Les moteurs couple sans cadre peuvent générer un couple élevé même à des vitesses relativement faibles.
Permettre un contrôle précis :
ils sont étroitement intégrés à des composants tels que des encodeurs de haute précision et des capteurs de couple pour former une unité d'entraînement intégrée hautes performances. Le contrôleur peut lire les informations de position de l'articulation à partir du retour du codeur en temps réel et, combinées aux données de couple du capteur de couple, affiner le couple et la vitesse du moteur.
Amélioration de la vitesse de réponse des articulations :
avec une inertie du rotor extrêmement faible, le moteur peut répondre aux commandes de contrôle à
des vitesses de l'ordre de la milliseconde . Même si l'environnement externe change ou si les actions sont soudainement modifiées, les articulations du robot peuvent ajuster rapidement leur posture, garantissant ainsi la stabilité et la sécurité du robot.
06 Domaines d'application étendus
Les domaines d'application des moteurs couple sans cadre sont très étendus. Ils sont principalement utilisés dans les articulations et les bras des robots pour fournir un couple élevé et un contrôle de haute précision.
Dans les équipements médicaux, les moteurs couple sans cadre sont associés à des robots chirurgicaux, des systèmes d'imagerie médicale, etc., pour obtenir un contrôle de mouvement très précis et fluide. Ils peuvent être utilisés dans des domaines médicaux tels que l’imagerie médicale et les robots chirurgicaux, effectuant des opérations avec une grande précision dans des zones bien plus petites que ce que la main humaine peut manipuler.
Dans le domaine des machines-outils CNC haut de gamme, les moteurs couple sans cadre peuvent être utilisés dans des machines à cinq axes de haute précision pour améliorer la précision et la répétabilité des processus tels que le formage, le meulage et le perçage.
En outre, ils sont également utilisés dans des applications dans le domaine aérospatial, telles que les radars, les systèmes de navigation inertielle et les platines.
07 Vastes perspectives de marché
Les perspectives du marché des moteurs couple sans cadre sont très larges. La taille du marché mondial des moteurs couple sans cadre était de 4,5 milliards de CNY en 2022 et devrait atteindre 22,4 milliards de CNY d’ici 2030, le segment de marché des robots humanoïdes représentant 16,3 milliards de CNY.
Selon les données de Valuates Reports, la taille du marché mondial des moteurs couple sans cadre était de 670 millions de dollars en 2022 et devrait atteindre 1,17 milliard de dollars d'ici 2029, ce qui représente un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 8 %. Il est prévu qu’avec la croissance rapide des robots collaboratifs et la demande intelligente, le marché des moteurs couple sans cadre maintiendra un développement à grande vitesse.
08 Défis techniques et tendances futures
Bien que les moteurs couple sans cadre présentent un grand potentiel dans le domaine des robots humanoïdes, leur technologie et leur production présentent encore certains défis.
D'un point de vue technique, l'augmentation supplémentaire de la densité de couple des moteurs couple sans cadre tout en réduisant leur élévation de température et en réduisant l'écart entre la vitesse nominale et la vitesse maximale impose des exigences élevées en matière de conception électromagnétique.
En termes de coûts, en tant que composant essentiel des robots humanoïdes, le coût reste élevé en raison du faible taux de production national actuel de ses composants de base en Chine.
Les tendances de développement futures incluent : l'amélioration continue des indicateurs de performance pour les moteurs couple sans cadre afin de répondre aux exigences plus élevées en matière de flexibilité et de puissance des articulations des robots humanoïdes.
Simultanément, l’optimisation des processus de production et la réduction des coûts de production deviendront des objectifs importants pour le développement futur.
Alors que les robots humanoïdes passent des « démonstrations en laboratoire » à la « commercialisation initiale dans des scénarios spécifiques », les moteurs couple sans cadre, en tant que source d'énergie principale, entrent dans une période dorée de développement.
2025 est considérée comme une année critique pour la production de masse de robots humanoïdes. Les moteurs couple sans cadre représentent 16 % de la valeur d’un robot humanoïde. Les prix actuels varient de quelques centaines de CNY à plus d'un millier de CNY, selon la puissance et la taille.
À l’avenir, avec l’expansion de l’échelle et l’innovation des processus, leurs prix devraient diminuer considérablement, favorisant ainsi l’adoption de robots humanoïdes.
Cette technologie compacte mais puissante, le moteur couple sans cadre, est en train de devenir le héros méconnu derrière les articulations flexibles des robots humanoïdes , soutenant discrètement le développement rapide de l'industrie robotique.
