Motor Torsi Tanpa Bingkai Robot: Rotor Luar Vs. Rotor Bagian Dalam — Perbedaan Struktural dan Skenario Aplikasi

Perkenalan

Di balik setiap belokan yang gesit dan genggaman yang tepat dari robot humanoid terdapat sekelompok “otot” yang bekerja secara diam-diam—the motor torsi tanpa bingkai . Motor ini melepaskan kerangka besar motor tradisional, hanya mempertahankan stator dan rotor sebagai komponen intinya. Seperti “penggerak utama”, mereka tertanam langsung ke dalam struktur sendi robot, mengambil tugas penting untuk menggerakkan sendi-sendi penting seperti bahu, pinggul, dan lutut dengan kekompakan ekstrim dan kepadatan torsi sangat tinggi.

Namun, motor torsi tanpa bingkai bukanlah solusi universal. Tergantung pada posisi relatif rotor dan stator, keduanya dapat dibagi menjadi dua aliran utama:  rotor luar  dan  rotor dalam .  desain Keduanya berbeda secara struktural, masing-masing memiliki kekuatan kinerja tersendiri, dan menunjukkan pembagian kerja yang jelas dalam penerapannya. Sambungan putar Optimus Tesla dan aktuator proprioseptif robot berkaki empat MIT Cheetah keduanya membuat pilihan yang disengaja antara dua konfigurasi ini.

01 Pemahaman Dasar: Apa itu Motor Torsi Tanpa Bingkai?

Untuk memahami perbedaan antara rotor luar dan dalam, pertama-tama kita memerlukan pemahaman mendasar tentang motor torsi frameless itu sendiri.

Motor tradisional adalah unit yang lengkap dan dikemas: dilengkapi dengan rumahan, penutup ujung, bantalan, dan poros—modul daya mandiri yang dapat berputar setelah tersambung ke daya. Motor torsi tanpa bingkai sepenuhnya menjungkirbalikkan konsep ini:  hanya terdiri dari dua komponen independen, stator dan rotor , tanpa rumah, tanpa bantalan, dan tanpa poros keluaran.

Desain minimalis ini mengubah motor torsi tanpa bingkai dari perangkat mandiri menjadi 'sel daya' yang dapat langsung diintegrasikan ke dalam struktur mekanis. Insinyur dapat memasang stator ke dalam rumah sambungan robot dan memasang rotor langsung ke poros beban, sehingga memungkinkan transfer daya “rantai transmisi nol” dari motor ke sambungan.

Keuntungan inti dari desain ini sangat besar: meningkatkan pemanfaatan ruang secara dramatis (pengurangan volume lebih dari 30%), menghilangkan reaksi balik transmisi, mencapai efisiensi transmisi lebih dari 95%, dan memungkinkan penyesuaian tingkat tinggi berdasarkan dimensi spesifik dan persyaratan torsi sambungan.

Mengingat keduanya merupakan kombinasi stator dan rotor, apa sebenarnya yang membedakan rotor luar dengan rotor dalam?

02 Struktur Diterjemahkan: Ketika Rotor Berbeda 'Di Dalam' dan 'Di Luar'

Perbedaan mendasar antara motor rotor luar dan dalam dapat diringkas dalam satu kalimat:  hubungan spasial antara rotor dan stator sepenuhnya terbalik..

Konfigurasi mewakili  rotor bagian dalam  pendekatan desain yang lebih “tradisional”. Pada motor tanpa bingkai rotor bagian dalam, rotor (mengandung magnet permanen) berada di tengah motor, sedangkan belitan stator mengelilingi dan membungkus bagian luar rotor. Rotor dihubungkan ke beban melalui poros keluaran, sehingga struktur keseluruhannya berbentuk ramping dan memanjang. Konfigurasi ini mengikuti garis keturunan motor industri pada umumnya, yang mana para insinyur memiliki pengalaman desain yang mendalam.

Konfigurasi adalah  rotor luar  desain 'dalam-keluar'. Pada motor tanpa rangka rotor luar, belitan stator dipasang pada alas pusat, sedangkan rotor, menyerupai cangkang berbentuk cangkir berongga, menyelimuti seluruh stator dari luar. Cangkang rotor sendiri merupakan bagian yang berputar, menghubungkan langsung ke beban peralatan, sehingga menghasilkan struktur keseluruhan yang lebih datar.

Sederhananya: ambil motor rotor bagian dalam dan putar 'dalam ke luar'—pindahkan stator bagian luar yang asli ke dalam, dan balikkan rotor bagian dalam yang asli ke luar, dan Anda mendapatkan motor rotor bagian luar. Pembalikan struktural ini menyebabkan perbedaan menyeluruh dalam segala hal mulai dari kinerja hingga aplikasi.

03 Performance Showdown: Perbandingan Enam Dimensi

Struktur “inversi” secara langsung menentukan karakteristik kinerja motor rotor luar dan dalam yang sangat berbeda. Berikut adalah perbandingan rinci enam dimensi inti:

1. Keluaran Torsi: 'Kekuatan Besar' Rotor Luar

Kemampuan torsi merupakan label performa paling menonjol dari motor rotor luar. Dengan volume dan arus yang sama, motor tanpa bingkai rotor luar menghasilkan keluaran torsi 30%-50% lebih tinggi dibandingkan motor rotor dalam. Alasannya sederhana: Torsi = Gaya × Lengan Tuas. Rotor luar memiliki radius putaran yang lebih besar dan lengan tuas yang lebih panjang, sehingga secara alami menghasilkan torsi yang lebih besar untuk gaya elektromagnetik yang sama. Keuntungan ini terutama terlihat pada skenario kecepatan rendah dan beban berat.

2. Kecepatan dan Respon Dinamis: 'Langkah Cepat' Rotor Bagian Dalam

Rotor motor rotor bagian dalam terletak di tengah, sehingga menghasilkan inersia rotasi yang rendah. Hal ini membuatnya lebih lincah saat start, stop, dan akselerasi, sehingga memungkinkan respons dinamis yang lebih cepat. Selain itu, motor rotor bagian dalam biasanya memiliki pasangan kutub yang lebih sedikit dan kecepatan yang lebih tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi yang memerlukan pengoperasian kecepatan tinggi serta sering menghidupkan dan mematikan. Karena massa rotor yang lebih besar dan inersia yang lebih tinggi, motor rotor luar memiliki respons dinamis yang relatif lebih lambat namun beroperasi lebih lancar dengan fluktuasi kecepatan yang lebih sedikit.

3. Pembuangan Panas: 'Radiator Bawaan' Rotor Luar

Cangkang rotor motor rotor luar bersentuhan langsung dengan udara, sehingga menawarkan area pembuangan panas yang besar. Panas dapat dilepaskan dengan cepat ke lingkungan luar, sehingga cocok untuk pengoperasian berdurasi lama dan berdaya tinggi. Pada motor rotor bagian dalam, belitan stator ditutup oleh rotor luar, sehingga memerangkap panas di dalam dan membuatnya sulit untuk dihilangkan. Hal ini memerlukan ketergantungan pada dasar motor atau struktur konduktif termal tambahan untuk pengelolaan termal. Perbedaan ini menjadi penting dalam kondisi beban tinggi yang terus menerus.

4. Kontrol Presisi: Masing-masing Memiliki Kekuatannya

Soal akurasi posisi, keduanya menghadirkan saling melengkapi yang menarik. Motor rotor bagian dalam, dengan respons dinamisnya yang cepat, lebih cocok untuk aplikasi yang menuntut kecepatan respons pemosisian tinggi. Motor rotor luar, dengan pengoperasian yang mulus dan riak torsi rendah, lebih cocok untuk skenario yang memerlukan akurasi posisi dan kelancaran gerakan yang ketat.

5. Kompleksitas Struktural dan Kesulitan Pemasangan

Cangkang rotor luar harus secara bersamaan menjalankan beberapa fungsi: konduksi fluks magnet, pembuangan panas, dan bantalan magnet permanen. Hal ini menimbulkan tuntutan yang lebih tinggi terhadap bahan dan proses manufaktur, sehingga menyebabkan biaya yang relatif lebih tinggi. Pemasangannya juga memerlukan kontrol yang tepat terhadap keseragaman dan koaksialitas celah udara antara stator dan rotor, sehingga lebih menantang dibandingkan motor rotor bagian dalam. Motor rotor bagian dalam memiliki struktur yang relatif lebih sederhana dan biaya lebih rendah, dan saat ini menjadi pilihan utama di bidang robot humanoid.

6. Metode Pemanfaatan dan Integrasi Ruang

Motor rotor bagian dalam memiliki struktur kompak dan memanjang, cocok untuk dipasang pada ruang sambungan sempit. Motor rotor luar memiliki struktur datar seperti pancake, sehingga mudah dihubungkan langsung ke roller beban atau flensa, menawarkan keunggulan unik dalam aplikasi seperti penggerak hub dan peralatan penggulungan.

Untuk perbandingan intuitif, tabel ringkasan di bawah ini sekilas terlihat jelas:

 

04 Pemetaan Aplikasi: Pembagian Peran dalam Sendi Robot

Jika perbedaan kinerja adalah “kekuatan utama”, maka pembagian skenario aplikasi dengan jelas memproyeksikan perbedaan-perbedaan ini ke dalam praktik. Dalam robotika, motor rotor dalam dan luar masing-masing memainkan peran berbeda.

Rotor Bagian Dalam: 'Kekuatan Utama' untuk Gerakan Agile

Pada robot humanoid, motor torsi tanpa bingkai rotor bagian dalam, dengan inersia rendah dan respons cepat, merupakan pilihan utama untuk sambungan yang memerlukan sering memulai, berhenti, dan penyesuaian postur cepat, seperti pinggang dan bahu. Mereka saat ini mencakup  lebih dari 70% pemilihan motor torsi tanpa bingkai pada robot humanoid.

Sambungan putar Tesla Optimus secara ekstensif menggunakan motor torsi tanpa bingkai rotor dalam, dipasangkan dengan peredam harmonik dan sensor torsi, untuk menghasilkan keluaran daya yang menggabungkan kekuatan ledakan dan presisi untuk sambungan besar seperti bahu dan pinggul. Di bidang robot berkaki empat, MIT Cheetah asli juga memilih konfigurasi rotor bagian dalam untuk desain aktuator proprioseptifnya.

Rotor Luar: 'Pembangkit Listrik' untuk Penahan Beban dan Ketahanan Benturan

Torsi tinggi dan kehalusan luar biasa dari motor rotor luar menjadikannya tak tergantikan pada sambungan beban berat. Perusahaan domestik telah mencapai terobosan industri dengan motor tanpa bingkai rotor luar, mencapai torsi keluaran maksimum sebesar 285 Nm (sebagai perbandingan, model rotor dalam arus utama mencapai puncaknya pada 50-150 Nm). Motor ini dapat lulus uji ketahanan benturan dengan torsi 5 kali lipat, dengan tenang menangani tindakan intensitas tinggi seperti melompat dan menahan beban.

Pada sektor robot industri, motor rotor luar banyak digunakan pada sambungan pinggang dan pergelangan tangan yang menuntut torsi dan presisi tinggi. Di antara robot berkaki empat, MIT Cheetah Mini mengadopsi konfigurasi rotor luar, sepenuhnya memanfaatkan struktur datar dan keunggulan torsi tinggi untuk mencapai desain sambungan yang kompak.

Aplikasi Cross-Over: Dari Robotika ke Dunia yang Lebih Luas

Lanskap penerapan kedua jenis motor ini jauh melampaui sambungan robot. Motor rotor luar, dengan struktur datar dan karakteristik torsi tinggi, unggul dalam penggerak hub (e-bike, e-skuter), peralatan pencitraan medis (komponen berputar pemindai CT), dan gimbal presisi. Motor rotor bagian dalam, memanfaatkan keunggulan respons kecepatan tinggi, banyak digunakan pada spindel berkecepatan tinggi (mesin CNC, mesin pengukiran), sistem propulsi drone, dan berbagai sistem servo kecil. Dalam robot kolaboratif dan exoskeleton, keduanya memiliki kelebihannya masing-masing—skenario exoskeleton cenderung menggunakan motor rotor luar dengan gearbox planetary terintegrasi, sedangkan robot kolaboratif sebagian besar mengadopsi motor torsi tanpa bingkai yang terintegrasi dengan peredam harmonik.

05 Tren Teknologi dan Pandangan Pasar

Motor torsi tanpa bingkai berada di era keemasan perkembangan pesat. Menurut QYResearch, penjualan global motor torsi tanpa bingkai mencapai RMB 5,461 miliar (sekitar USD 803 juta) pada tahun 2025, dan diproyeksikan akan tumbuh hingga RMB 9,63 miliar (sekitar USD 1,416 miliar) pada tahun 2032, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sekitar 8,4%.

Pendorong utama pertumbuhan ini adalah ledakan industri robot humanoid. Sebuah studi memperkirakan bahwa pada tahun 2030, ruang pasar global untuk motor robot humanoid dapat mencapai RMB 91,76 miliar, dengan segmen motor torsi tanpa bingkai saja untuk robot humanoid mencapai USD 2,397 miliar.

Dalam hal evolusi teknologi, rotor luar dan dalam berada pada jalur pengembangan yang terpisah: motor rotor dalam terus mengoptimalkan kepadatan daya yang lebih tinggi dan torsi penggerak yang lebih rendah, sehingga mengkonsolidasikan posisi utama mereka dalam sambungan robot humanoid. Motor rotor luar menerobos menuju keluaran torsi yang lebih tinggi dan desain termal yang lebih baik. Sementara itu, biayanya secara bertahap menurun seiring dengan semakin matangnya proses manufaktur, sehingga menjanjikan untuk menggantikan solusi tradisional pada sambungan yang lebih berat dan skenario industri.

06 Ringkasan dan Rekomendasi Seleksi

Tidak ada keunggulan mutlak antara motor torsi tanpa bingkai rotor luar dan dalam. Kuncinya adalah  'menyesuaikan motor dengan sambungannya.'  Prinsip pemilihan berikut dapat menjadi acuan:

• Pertimbangkan Bebannya:  Untuk sambungan beban berat, kecepatan rendah, dan torsi tinggi (seperti pinggul dan lutut), prioritaskan motor rotor luar. Untuk sambungan start/stop dengan beban ringan, berkecepatan tinggi, dan sering (seperti bahu dan pergelangan tangan), motor rotor bagian dalam lebih cocok.

•  Pertimbangkan Ruangnya:  Untuk sambungan ramping dengan ruang aksial yang luas tetapi ruang radial sempit, motor rotor bagian dalam sangat cocok. Untuk skenario dengan ruang radial yang relatif longgar yang memerlukan desain datar, motor rotor luar memiliki keunggulan yang jelas.

• Pertimbangkan Kondisi Pendinginan:  Untuk pengoperasian beban berat dan durasi lama di mana pendinginan bergantung pada konveksi alami, motor rotor luar lebih andal.

• Pertimbangkan Biaya dan Pemasangan:  Dengan anggaran terbatas atau ketika integrasi cepat diperlukan, motor rotor bagian dalam adalah pilihan yang lebih pragmatis. Untuk aplikasi dengan tuntutan ekstrim akan kehalusan torsi dan ketahanan benturan, motor rotor luar layak untuk diinvestasikan.

• Pertimbangkan Persyaratan Presisi:  Pilih motor rotor bagian dalam untuk respons pemosisian yang cepat; pilih motor rotor luar untuk kelancaran gerakan dan akurasi posisi.

Saat robot humanoid berpindah dari laboratorium ke produksi massal, iterasi teknologi dan industrialisasi motor torsi tanpa bingkai semakin cepat. Memahami perbedaan inti antara rotor luar dan dalam akan membantu para insinyur menemukan solusi optimal dalam keputusan pemilihan yang rumit—seperti memilih “otot” yang tepat untuk sambungan pada posisi berbeda; masing-masing memiliki cara yang paling cocok untuk mengerahkan kekuatan.