Robot Frameless Torque Motor. Outer Rotor vs. Ներքին ռոտոր - Կառուցվածքային տարբերություններ և կիրառման սցենարներ

Ներածություն

Յուրաքանչյուր արագ շրջադարձի և մարդանման ռոբոտի ճշգրիտ ընկալման հետևում թաքնված է լուռ աշխատող «մկանների» խումբ. առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչ : Այս շարժիչները թափում են ավանդական շարժիչների մեծածավալ պատյանը՝ պահպանելով միայն ստատորը և ռոտորը որպես իրենց հիմնական բաղադրիչներ: Մերկ «հիմնական շարժման սարքերի» նման նրանք ուղղակիորեն ներկառուցված են ռոբոտի հոդերի կառուցվածքում՝ ստանձնելով առանցքային հոդերը, ինչպիսիք են ուսը, ազդրը և ծնկը, ծայրահեղ կոմպակտությամբ և մեծ ոլորող մոմենտով խտությամբ վարելու կարևոր խնդիրները:

Այնուամենայնիվ, առանց շրջանակի ոլորող մոմենտների շարժիչները միանվագ լուծում չեն: Կախված ռոտորի և ստատորի հարաբերական դիրքից, դրանք կարելի է բաժանել երկու հիմնական դպրոցների՝  արտաքին ռոտորների  և  ներքին ռոտորների  նախագծման: Այս երկուսը կառուցվածքային առումով տարբերվում են, յուրաքանչյուրն ունի իր կատարողական ուժեղ կողմերը, և դրանք ցույց են տալիս աշխատանքի հստակ բաժանում կիրառման մեջ: Tesla's Optimus-ի պտտվող հոդերը և MIT Cheetah չորքոտանի ռոբոտի պրոպրիոսեպտիկ շարժիչները երկուսն էլ կանխամտածված ընտրություն են կատարում այս երկու կոնֆիգուրացիաների միջև:

01 Հիմնական հասկացողություն. Ի՞նչ է առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչը:

Արտաքին և ներքին ռոտորների միջև տարբերությունը հասկանալու համար մեզ նախ անհրաժեշտ է հիմնարար պատկերացում կազմել առանց շրջանակի ոլորող մոմենտային շարժիչի մասին:

Ավանդական շարժիչը ամբողջական, փաթեթավորված ագրեգատ է. այն գալիս է պատյանով, ծայրային կափարիչներով, առանցքակալներով և լիսեռով՝ ինքնուրույն ուժային մոդուլ, որը կարող է պտտվել հոսանքին միանալուց հետո: Շրջանակային ոլորող մոմենտ շարժիչը լիովին շրջում է այս հայեցակարգը.  այն բաղկացած է միայն երկու անկախ բաղադրիչներից՝ ստատորից և ռոտորից , առանց պատյանների, առանց առանցքակալների և առանց ելքային լիսեռի:

Այս մինիմալիստական ​​դիզայնը առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչը ինքնուրույն սարքից վերածում է «ուժային բջիջի», որը կարող է ուղղակիորեն ինտեգրվել մեխանիկական կառուցվածքին: Ինժեներները կարող են ամրացնել ստատորը ռոբոտի հոդերի պատյանում և ռոտորն ուղղակիորեն ամրացնել բեռնվածքի լիսեռի վրա՝ հնարավորություն տալով «զրոյական փոխանցման շղթա» ուժի փոխանցումը շարժիչից դեպի միացում:

Այս դիզայնի հիմնական առավելությունները էական են. այն կտրուկ մեծացնում է տարածության օգտագործումը (30%-ից ավելի ծավալի կրճատում), վերացնում է փոխանցման հետադարձ կապը, հասնում է փոխանցման ավելի քան 95% արդյունավետության և թույլ է տալիս հարմարեցման բարձր աստիճան՝ հիմնվելով հանգույցի հատուկ չափերի և ոլորող մոմենտների պահանջների վրա:

Հաշվի առնելով, որ երկուսն էլ ստատորի և ռոտորի համակցություններ են, ի՞նչն է կոնկրետ տարբերակում արտաքին ռոտորը ներքին ռոտորից:

02 Կառուցվածքը վերծանված է. Երբ ռոտորը տարբերվում է 'Inside' և 'Outside'

Արտաքին և ներքին ռոտորային շարժիչների միջև հիմնարար տարբերությունը կարելի է ամփոփել մեկ արտահայտությամբ.  ռոտորի և ստատորի միջև տարածական հարաբերությունները ամբողջովին շրջված են..

Ներքին  ռոտորի  կոնֆիգուրացիան ներկայացնում է ավելի 'ավանդական' դիզայնի մոտեցումը: Ներքին ռոտորի առանց շրջանակի շարժիչի մեջ ռոտորը (պարունակում է մշտական ​​մագնիսներ) նստում է շարժիչի կենտրոնում, մինչդեռ ստատորի ոլորունները շրջապատում և փաթաթում են ռոտորի արտաքին կողմը: Ռոտորը միացված է բեռին ելքային լիսեռի միջոցով՝ ընդհանուր կառուցվածքին տալով բարակ, երկարավուն ձև: Այս կոնֆիգուրացիան հետևում է սովորական արդյունաբերական շարժիչների շառավղին, որի համար ինժեներները ունեն խորը դիզայնի փորձ:

Արտաքին  ռոտորի  կոնֆիգուրացիան 'ներսից դուրս' դիզայն է: Արտաքին ռոտորի առանց շրջանակի շարժիչում ստատորի ոլորունները ամրացված են կենտրոնական հիմքի վրա, մինչդեռ ռոտորը, որը հիշեցնում է սնամեջ գավաթաձև պատյան, դրսից պարուրում է ամբողջ ստատորը: Ռոտորի կեղևն ինքնին պտտվող մաս է, որը ուղղակիորեն միանում է սարքավորումների բեռին, ինչի արդյունքում ընդհանուր կառուցվածքը ավելի հարթ է:

Պարզ ասած՝ վերցրեք ներքին ռոտորային շարժիչը և շրջեք այն 'ներսից դուրս'—տեղափոխեք սկզբնական արտաքին ստատորը դեպի ներս և շրջեք սկզբնական ներքին ռոտորը դեպի դուրս, և դուք կստանաք արտաքին ռոտորի շարժիչ: Կառուցվածքային այս շրջադարձը հանգեցնում է համապարփակ տարաձայնության ամեն ինչում՝ կատարողականից մինչև կիրառություն:

03 Կատարման ցուցադրություն. վեցաչափ համեմատություն

Կառուցվածքային 'ինվերսիան' ուղղակիորեն որոշում է արտաքին և ներքին ռոտորային շարժիչների կատարողականության կտրուկ տարբեր բնութագրերը: Ահա վեց հիմնական չափերի մանրամասն համեմատություն.

1. Ոլորման ելք. Արտաքին ռոտորի 'Հերկուլեսի ուժը'

Ոլորող մոմենտ ստեղծելու հնարավորությունը արտաքին ռոտորի շարժիչի ամենահայտնի կատարողական պիտակն է: Հաշվի առնելով նույն ծավալը և հոսանքը, արտաքին ռոտորի առանց շրջանակի շարժիչն ապահովում է 30%-50% ավելի մեծ պտտող մոմենտ, քան ներքին ռոտորը: Պատճառը պարզ է՝ ոլորող մոմենտ = ուժ × լծակ թև: Արտաքին ռոտորն ունի պտտման ավելի մեծ շառավիղ և ավելի երկար լծակի թեւ, որը բնականաբար ավելի մեծ ոլորող մոմենտ է առաջացնում նույն էլեկտրամագնիսական ուժի համար: Այս առավելությունը հատկապես ընդգծված է ցածր արագությամբ, ծանր բեռի սցենարներում:

2. Արագություն և դինամիկ արձագանք. Ներքին ռոտորի 'Արագ քայլ'

Ներքին ռոտորի շարժիչի ռոտորը գտնվում է կենտրոնում, ինչը հանգեցնում է ցածր պտտվող իներցիային: Սա այն դարձնում է ավելի ճկուն մեկնարկի, կանգառի և արագացման ժամանակ՝ հնարավորություն տալով ավելի արագ դինամիկ արձագանքել: Բացի այդ, ներքին ռոտորային շարժիչները սովորաբար ունենում են ավելի քիչ բևեռային զույգեր և ավելի բարձր արագություններ, ինչը նրանց դարձնում է հարմար այնպիսի ծրագրերի համար, որոնք պահանջում են բարձր արագությամբ շահագործում և հաճախակի մեկնարկներ և կանգառներ: Ռոտորի ավելի մեծ զանգվածի և ավելի մեծ իներցիայի շնորհիվ արտաքին ռոտորային շարժիչն ունի համեմատաբար ավելի դանդաղ դինամիկ արձագանք, բայց ավելի սահուն է գործում՝ ավելի քիչ արագության տատանումներով:

3. Ջերմության ցրում. արտաքին ռոտորի «Ներկառուցված ռադիատոր»

Արտաքին ռոտորային շարժիչի ռոտորի կեղևն ուղղակիորեն շփվում է օդի հետ՝ ապահովելով ջերմության տարածման մեծ տարածք: Ջերմությունը կարող է արագ արտանետվել արտաքին միջավայր՝ այն հարմարեցնելով երկարատև և բարձր էներգիայի աշխատանքի համար: Ներքին ռոտորի շարժիչում ստատորի ոլորունները պարփակված են արտաքին ռոտորով, փակելով ջերմությունը ներսում և դժվարացնելով դրա ցրումը: Սա պահանջում է ապավինել շարժիչի հիմքին կամ ջերմային կառավարման լրացուցիչ ջերմահաղորդիչ կառույցներին: Այս տարբերությունը դառնում է կրիտիկական շարունակական բարձր բեռի պայմաններում:

4. Կառավարման ճշգրտություն. յուրաքանչյուրն ունի իր ուժեղ կողմերը

Ինչ վերաբերում է դիրքավորման ճշգրտությանը, ապա երկուսը ներկայացնում են հետաքրքիր փոխլրացում: Ներքին ռոտորի շարժիչը, իր արագ դինամիկ արձագանքով, ավելի հարմար է այն ծրագրերի համար, որոնք պահանջում են բարձր դիրքային արձագանքման արագություն: Արտաքին ռոտորային շարժիչը, իր սահուն աշխատանքով և ցածր ոլորող պտույտով, ավելի հարմար է այն սցենարների համար, որոնք պահանջում են դիրքավորման խիստ ճշգրտություն և շարժման սահունություն:

5. Կառուցվածքային բարդություն և տեղադրման դժվարություն

Արտաքին ռոտորի կեղևը պետք է միաժամանակ կատարի մի քանի գործառույթ՝ մագնիսական հոսքի անցում, ջերմության ցրում և մշտական ​​մագնիսների կրում: Սա ավելի մեծ պահանջներ է դնում նյութերի և արտադրական գործընթացների վրա, ինչը հանգեցնում է համեմատաբար ավելի բարձր ծախսերի: Տեղադրումը նաև պահանջում է ստատորի և ռոտորի միջև օդային բացվածքի միատեսակության և համակցվածության ճշգրիտ վերահսկում, ինչը դարձնում է ավելի դժվար, քան ներքին ռոտորի շարժիչը: Ներքին ռոտորային շարժիչներն ունեն համեմատաբար ավելի պարզ կառուցվածք և ավելի ցածր արժեք, և ներկայումս հիմնական ընտրությունն են մարդանման ռոբոտների ոլորտում:

6. Տիեզերքի օգտագործման և ինտեգրման մեթոդ

Ներքին ռոտորային շարժիչն ունի կոմպակտ, երկարավուն կառուցվածք, որը հարմար է նեղ հոդերի մեջ ներկառուցվելու համար: Արտաքին ռոտորային շարժիչն ունի հարթ, նրբաբլիթի կառուցվածք, ինչը հեշտացնում է ուղղակիորեն միացումը բեռնման գլանափաթեթներին կամ եզրերին, ինչը եզակի առավելություններ է տալիս այնպիսի ծրագրերում, ինչպիսիք են հանգույցային շարժիչները և ոլորուն սարքավորումները:

Ինտուիտիվ համեմատության համար ստորև բերված ամփոփ աղյուսակը մի հայացքից պարզ է.

 

04 Կիրառման քարտեզագրում. դերերի բաժին ռոբոտների հոդերի մեջ

Եթե ​​կատարողականի տարբերությունները «կոշտ ուժ» են, ապա կիրառական սցենարների բաժանումը վառ կերպով նախագծում է այդ տարբերությունները գործնականում: Ռոբոտաշինության մեջ ներքին և արտաքին ռոտորային շարժիչները խաղում են իրենց առանձին դերերը:

Ներքին ռոտոր. «Հիմնական ուժը» արագաշարժ շարժման համար

Հումանոիդ ռոբոտներում ներքին ռոտորի առանց շրջանակի ոլորող շարժիչները, իրենց ցածր իներցիայով և արագ արձագանքով, նախընտրելի ընտրությունն են հոդերի համար, որոնք պահանջում են հաճախակի մեկնարկներ, կանգառներ և կեցվածքի արագ ճշգրտումներ, ինչպիսիք են գոտկատեղը և ուսերը: Նրանք ներկայումս կազմում են  մարդանման ռոբոտների առանց շրջանակի ոլորող մոմենտների ընտրության ավելի քան 70%-ը.

Tesla Optimus-ի պտտվող հոդերը լայնորեն օգտագործում են ներքին ռոտորի առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչներ՝ զուգակցված ներդաշնակ ռեդուկտորների և ոլորող մոմենտների սենսորների հետ՝ ապահովելու հզորություն, որը համատեղում է պայթյունավտանգ ուժն ու ճշգրտությունը խոշոր հոդերի համար, ինչպիսիք են ուսերը և կոնքերը: Չորսոտանի ռոբոտների ոլորտում, բնօրինակ MIT Cheetah-ն ընտրել է նաև ներքին ռոտորի կոնֆիգուրացիա՝ իր պրոպրիոսեպտիկ շարժիչի դիզայնի համար:

Արտաքին ռոտոր. «Էլեկտրակայան»՝ կրող և հարվածային դիմադրության համար

Արտաքին ռոտորի շարժիչների բարձր ոլորող մոմենտը և գերազանց սահունությունը դրանք անփոխարինելի են դարձնում ծանր բեռնված հոդերի դեպքում: Ներքին ընկերությունները արդյունաբերական առաջընթացի են հասել արտաքին ռոտորի առանց շրջանակի շարժիչներով՝ հասնելով 285 Նմ առավելագույն ելքային ոլորող մոմենտ ստեղծելու (համեմատության համար՝ ներքին ռոտորների հիմնական մոդելների գագաթնակետը 50-150 Նմ է): Այս շարժիչները կարող են անցնել հարվածային դիմադրության թեստեր 5 անգամ գերազանցող ոլորող մոմենտով, հանգիստ վարելով բարձր ինտենսիվության գործողությունները, ինչպիսիք են ցատկելը և կրող կրելը:

Արդյունաբերական ռոբոտների ոլորտում արտաքին ռոտորային շարժիչները լայնորեն օգտագործվում են գոտկատեղի և դաստակի հոդերի մեջ, որոնք պահանջում են բարձր ոլորող մոմենտ և ճշգրտություն: Չորսոտանի ռոբոտների շարքում MIT Cheetah Mini-ն ընդունեց արտաքին ռոտորի կոնֆիգուրացիան՝ ամբողջությամբ օգտագործելով իր հարթ կառուցվածքը և մեծ ոլորող մոմենտների առավելությունները՝ կոմպակտ համատեղ դիզայնի հասնելու համար:

Cross-Over հավելվածներ. ռոբոտաշինությունից մինչև ավելի լայն աշխարհ

Այս երկու շարժիչների տեսակների կիրառական լանդշաֆտը տարածվում է ռոբոտի միացումներից շատ հեռու: Արտաքին ռոտորային շարժիչը, իր հարթ կառուցվածքով և մեծ ոլորող մոմենտով բնութագրերով, գերազանցում է հանգույցային շարժիչները (էլեկտրոնային հեծանիվներ, էլեկտրոնային սկուտերներ), բժշկական պատկերազարդման սարքավորումները (CT սկաների պտտվող բաղադրիչներ) և ճշգրիտ գիմբալները: Ներքին ռոտորային շարժիչը, օգտագործելով իր բարձր արագության արձագանքման առավելությունը, լայնորեն օգտագործվում է բարձր արագությամբ սպինդլներում (CNC մեքենաներ, փորագրող մեքենաներ), անօդաչու շարժման համակարգերում և տարբեր փոքր սերվո համակարգերում: Համատեղ ռոբոտներում և էկզոկմախքներում երկուսն էլ ունեն իրենց ուժեղ կողմերը. էկզոկմախքի սցենարները հակված են օգտագործել արտաքին ռոտորային շարժիչներ՝ ինտեգրված մոլորակային փոխանցումատուփով, մինչդեռ համատեղ ռոբոտները հիմնականում ընդունում են առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչներ՝ ինտեգրված ներդաշնակ ռեդուկտորներով:

05 Տեխնոլոգիական միտումներ և շուկայի հեռանկարներ

Շրջանակային մոմենտ շարժիչները գտնվում են արագ զարգացման ոսկե դարաշրջանում: Ըստ QYResearch-ի, առանց շրջանակի ոլորող շարժիչների համաշխարհային վաճառքը հասել է 5,461 միլիարդ RMB-ի (մոտ 803 միլիոն ԱՄՆ դոլար) 2025 թվականին, և կանխատեսվում է, որ մինչև 2032 թվականը կաճի մինչև 9,63 միլիարդ RMB (մոտ 1,416 միլիարդ ԱՄՆ դոլար)՝ մոտ 84% տարեկան աճի տեմպերով:

Այս աճի հիմնական շարժիչ ուժը մարդանման ռոբոտների արդյունաբերության պայթյունն է: Հետազոտություններից մեկը կանխատեսում է, որ մինչև 2030 թվականը մարդանման ռոբոտների շարժիչների համաշխարհային շուկայի տարածքը կարող է հասնել 91,76 միլիարդ RMB-ի, ընդ որում, միայն մարդանման ռոբոտների համար առանց շրջանակի մոմենտ ռոբոտների հատվածը կկազմի 2,397 միլիարդ դոլար:

Տեխնոլոգիական էվոլյուցիայի առումով արտաքին և ներքին ռոտորները գտնվում են զարգացման առանձին ուղիների վրա. ներքին ռոտորային շարժիչները շարունակում են օպտիմիզացնել ավելի մեծ հզորության խտության և սեղմման ավելի ցածր ոլորող մոմենտ ստեղծելու համար՝ ամրապնդելով իրենց հիմնական դիրքը մարդանման ռոբոտների հոդերի մեջ: Արտաքին ռոտորային շարժիչները ճեղքում են դեպի ավելի մեծ ոլորող մոմենտ ստեղծելու և ավելի լավ ջերմային դիզայն: Միևնույն ժամանակ, դրանց ծախսերը աստիճանաբար նվազում են, քանի որ արտադրական գործընթացները հասունանում են՝ խոստանալով փոխարինել ավանդական լուծումները ավելի ծանր հոդերի և արդյունաբերական սցենարներում:

06 Ամփոփում և ընտրության առաջարկություններ

Չկա բացարձակ գերազանցություն արտաքին և ներքին ռոտորների առանց շրջանակի ոլորող մոմենտ շարժիչների միջև: Բանալին  'շարժիչը հոդին հարմարեցնելն է':  Ընտրության հետևյալ սկզբունքները կարող են ծառայել որպես հղում.

• Հաշվի առեք ծանրաբեռնվածությունը.  ծանր բեռով, ցածր արագությամբ և մեծ ոլորող հոդերի համար (ինչպես ազդրը և ծնկը), առաջնահերթություն տվեք արտաքին ռոտորի շարժիչին: Թեթև բեռնվածությամբ, բարձր արագությամբ, հաճախակի մեկնարկի/դադարեցման հոդերի համար (ինչպես ուսի և դաստակի) ավելի հարմար է ներքին ռոտորի շարժիչը:

•  Հաշվի առեք տարածությունը.  լայն սռնի տարածություն ունեցող, բայց խիտ շառավղային տարածությամբ բարակ հոդերի համար ներքին ռոտորային շարժիչը լավ տեղավորվում է: Համեմատաբար չամրացված շառավղային տարածություն ունեցող սցենարների համար, որոնք պահանջում են հարթ դիզայն, արտաքին ռոտորի շարժիչը ակնհայտ առավելություն ունի:

• Հաշվի առեք սառեցման պայմանները.  երկարատև, ծանր բեռնվածության շահագործման համար, որտեղ սառեցումը հիմնված է բնական կոնվեկցիայի վրա, արտաքին ռոտորային շարժիչն ավելի հուսալի է:

• Հաշվի առեք ծախսերը և տեղադրումը.  սահմանափակ բյուջեի դեպքում կամ երբ անհրաժեշտ է արագ ինտեգրում, ներքին ռոտորի շարժիչը առավել պրագմատիկ ընտրությունն է: Ծայրահեղ ոլորող մոմենտների սահունության և հարվածային դիմադրության ծայրահեղ պահանջներ ունեցող ծրագրերի համար արտաքին ռոտորի շարժիչը արժե ներդրումներ կատարել:

• Հաշվի առեք ճշգրտության պահանջները.  Ընտրեք ներքին ռոտորի շարժիչ արագ դիրքավորման արձագանքման համար; ընտրեք արտաքին ռոտորի շարժիչ՝ շարժման սահունության և դիրքավորման ճշգրտության համար:

Քանի որ մարդանման ռոբոտները լաբորատորիայից անցնում են զանգվածային արտադրության, արագանում են առանց շրջանակի ոլորող շարժիչների տեխնոլոգիական կրկնությունը և արդյունաբերականացումը: Արտաքին և ներքին ռոտորների միջև հիմնական տարբերությունների ըմբռնումը կօգնի ինժեներներին գտնել օպտիմալ լուծում բարդ ընտրության որոշումներում, ճիշտ այնպես, ինչպես ընտրելով ճիշտ «մկանները» տարբեր դիրքերում հոդերի համար: յուրաքանչյուրն ունի ուժ գործադրելու իր ամենահարմար եղանակը: