01 Wat is een frameloze koppelmotor?
Een frameloze koppelmotor is een zeer efficiënte en energiebesparende elektromotor. Het meest onderscheidende kenmerk is het verwijderen van componenten die in traditionele motoren voorkomen, zoals de as, lagers, behuizing en eindkappen, waarbij alleen de twee kerncomponenten behouden blijven: de rotor en de stator.
Dankzij dit structurele ontwerp kan de motor worden geïntegreerd naadloos in de machinestructuur , waarbij gebruik wordt gemaakt van de eigen lagers van de machine om de rotor te ondersteunen, waardoor de systeemintegratie en compactheid aanzienlijk worden verbeterd.
Frameloze koppelmotoren worden gemeten aan de hand van hun uitgangskoppel, in tegenstelling tot het uitgangsvermogen dat gewoonlijk wordt gebruikt voor servomotoren. Hierdoor kunnen ze een hoog koppel leveren bij lage snelheden, waardoor ze zich perfect aanpassen aan de bewegingsvereisten van robotgewrichten.
02 Onthulling van het werkingsprincipe
Het werkingsprincipe van een frameloze koppelmotor is gebaseerd op de wet van elektromagnetische inductie. Wanneer de bestuurder van de motor stroom levert, wekt driefasige elektriciteit een roterend elektromagnetisch veld op in de statorwikkelingen. Dit elektromagnetische veld werkt samen met de permanente magneten in de rotor en genereert koppel waardoor de rotor gaat draaien.
Het hele proces wordt bestuurd door de driver, die het elektromagnetische veld vormgeeft via de U/V/W driefasige stroom. Onder invloed van dit veld draait de rotor met permanente magneten. Frameloze koppelmotoren kunnen Hall-elementen gebruiken voor feedbacksignalen of signalen van een toegevoegde encoder gebruiken.
De bestuurder vergelijkt de feedbackwaarde met de doelwaarde om de rotatiehoek van de rotor aan te passen , waardoor een nauwkeurige servobesturing wordt bereikt.
03 Verschillen met traditionele motoren
Vergeleken met traditionele framemotoren bieden frameloze koppelmotoren meerdere voordelen: ze verbeteren de machineprestaties, waardoor directe koppeling (geen speling) en een hogere systeembandbreedte mogelijk is; de structuur is compacter, wat resulteert in een kleinere machinevoetafdruk en een hoger koppel per volume-eenheid.
Ze bezitten ook een hoge stijfheid en kunnen dienen als een krachtbron met directe aandrijving, waarbij ze de last rechtstreeks aandrijven zonder dat er riemen en katrollen, spindels of versnellingsbakken nodig zijn; De werking is stil, omdat directe integratie in de structuur van de machine de transmissiemethode verandert, wat leidt tot aanzienlijke geluidsreductie.
Bovendien verminderen ze de onderhoudsbehoeften omdat er minder mechanische onderdelen zijn en er geen onderdelen zijn die onderhevig zijn aan slijtage of regelmatig onderhoud vereisen.
04 De kernkracht van humanoïde robots
In het tijdperk van snelle ontwikkeling op het gebied van kunstmatige intelligentie en robotica-technologie dringen humanoïde robots diep door in tal van domeinen, zoals de industrie, de dienstensector en de gezondheidszorg 4. Frameloze koppelmotoren zijn de belangrijkste aandrijfcomponenten geworden in de gewrichten van humanoïde robots.
Tesla's Optimus maakt gebruik van frameloze koppelmotoren als krachtbron in alle 28 gewrichten. Deze verbindingen omvatten 14 roterende verbindingen en 14 lineaire verbindingen, waarbij elke actuator een frameloze koppelmotor bevat.
De roterende gewrichten bestaan uit een frameloze koppelmotor, harmonische reducer, koppelsensor, positiesensor, encoder, etc., verdeeld over de schouders (6), polsen (2), heupen (4) en romp (2).
De lineaire gewrichten bestaan uit een frameloze koppelmotor, planetaire rolschroef, koppelsensor, positiesensor etc., verdeeld over de ellebogen (2), polsen (4), heupen (2), knieën (2) en enkels (4).
05 Drie sleutelrollen
Frameloze koppelmotoren spelen drie sleutelrollen in de flexibiliteit van humanoïde robotgewrichten:
Het leveren van een hoog koppel:
Tijdens de uitvoering van taken moeten robotgewrichten vaak een hoog koppel leveren bij lage snelheden om hefboomeffecten en traagheid van de belasting te overwinnen. Frameloze koppelmotoren kunnen zelfs bij relatief lage snelheden een hoog koppel genereren.
Maakt nauwkeurige controle mogelijk:
ze zijn nauw geïntegreerd met componenten zoals zeer nauwkeurige encoders en koppelsensoren om een krachtige geïntegreerde aandrijfeenheid te vormen. De controller kan in realtime gezamenlijke positie-informatie uit de encoderfeedback lezen en, gecombineerd met koppelgegevens van de koppelsensor, het koppel en de snelheid van de motor nauwkeurig afstellen.
Verbetering van de gezamenlijke responssnelheid:
Dankzij de extreem lage rotortraagheid kan de motor met
snelheden van milliseconden reageren op besturingsopdrachten . Zelfs als de externe omgeving verandert of acties plotseling worden gewijzigd, kunnen de robotgewrichten hun houding snel aanpassen, waardoor de stabiliteit en veiligheid van de robot wordt gegarandeerd.
06 Brede toepassingsgebieden
De toepassingsgebieden van frameloze koppelmotoren zijn zeer uitgebreid. Ze worden voornamelijk gebruikt in robotgewrichten en -armen om een hoog koppel en een uiterst nauwkeurige regeling te bieden.
In medische apparatuur worden frameloze koppelmotoren gecombineerd met chirurgische robots, medische beeldvormingssystemen, enz., om een zeer nauwkeurige en soepele bewegingscontrole te bereiken. Ze kunnen worden gebruikt op medische gebieden zoals medische beeldvorming en chirurgische robots, waarbij ze operaties met hoge precisie uitvoeren in gebieden die veel kleiner zijn dan wat de menselijke hand aankan.
Op het gebied van hoogwaardige CNC-bewerkingsmachines kunnen frameloze koppelmotoren worden gebruikt in uiterst nauwkeurige vijfassige machines om de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid te verbeteren bij processen zoals vormen, slijpen en boren.
Bovendien worden ze ook gebruikt in toepassingen binnen de lucht- en ruimtevaart, zoals radars, traagheidsnavigatiesystemen en draaitafels.
07 Grote marktvooruitzichten
De marktvooruitzichten voor frameloze koppelmotoren zijn zeer breed. De mondiale omvang van de markt voor frameloze koppelmotoren bedroeg in 2022 4,5 miljard CNY en zal naar verwachting in 2030 22,4 miljard CNY bereiken , waarbij het marktsegment voor humanoïde robots 16,3 miljard CNY voor zijn rekening neemt.
Volgens gegevens van Valuates Reports bedroeg de mondiale marktomvang van frameloze koppelmotoren in 2022 670 miljoen dollar en zal deze naar verwachting in 2029 groeien tot 1,17 miljard dollar, wat neerkomt op een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 8%. Er wordt verwacht dat met de snelle groei van collaboratieve robots en de intelligente vraag de markt voor frameloze koppelmotoren zich snel zal blijven ontwikkelen.
08 Technische uitdagingen en toekomstige trends
Hoewel frameloze koppelmotoren een groot potentieel hebben op het gebied van humanoïde robots, zijn er nog steeds enkele uitdagingen in hun technologie en productie.
Vanuit technisch perspectief stelt het verder verhogen van de koppeldichtheid van frameloze koppelmotoren, terwijl de temperatuurstijging ervan wordt verminderd en de kloof tussen nominale snelheid en maximale snelheid wordt verkleind, hoge eisen aan het elektromagnetische ontwerp.
Wat de kosten betreft, als cruciaal onderdeel van humanoïde robots, blijven de kosten hoog vanwege de momenteel lage binnenlandse productiesnelheid van de kerncomponenten in China.
Toekomstige ontwikkelingstrends zijn onder meer: de voortdurende verbetering van prestatie-indicatoren voor frameloze koppelmotoren om te voldoen aan de hogere eisen voor gezamenlijke flexibiliteit en kracht bij humanoïde robots.
Tegelijkertijd zullen het optimaliseren van productieprocessen en het verlagen van de productiekosten belangrijke doelstellingen voor toekomstige ontwikkeling worden.
Terwijl humanoïde robots van ‘laboratoriumdemonstraties’ naar ‘initiële commercialisering in specifieke scenario’s’ evolueren, gaan frameloze koppelmotoren, als hun belangrijkste krachtbron, een gouden ontwikkelingsperiode in.
2025 wordt gezien als een cruciaal jaar voor de massaproductie van mensachtige robots. Frameloze koppelmotoren zijn goed voor 16% van de waarde van een humanoïde robot. De huidige prijzen variëren van een paar honderd CNY tot meer dan duizend CNY, afhankelijk van het vermogen en de grootte.
In de toekomst, met schaalvergroting en procesinnovatie, zullen hun prijzen naar verwachting aanzienlijk dalen, waardoor de adoptie van humanoïde robots verder zal worden bevorderd.
Deze compacte maar krachtige technologie, de frameloze koppelmotor, wordt de onbezongen held achter de flexibele gewrichten van humanoïde robots en ondersteunt stilletjes de snelle ontwikkeling van de robotica-industrie.
