01 Co to jest bezramowy silnik momentowy?
Bezramowy silnik momentowy jest wysoce wydajnym i energooszczędnym typem silnika elektrycznego. Jego najbardziej charakterystyczną cechą jest usunięcie elementów występujących w tradycyjnych silnikach, takich jak wał, łożyska, obudowa i pokrywy końcowe, przy zachowaniu tylko dwóch głównych elementów: wirnika i stojana.
Taka konstrukcja konstrukcyjna pozwala na płynną integrację silnika ze strukturą maszyny , wykorzystując własne łożyska maszyny do podparcia wirnika, co znacznie poprawia integrację i zwartość systemu.
Bezramowe silniki momentowe są mierzone na podstawie ich wyjściowego momentu obrotowego, w przeciwieństwie do znamionowej mocy wyjściowej powszechnie stosowanej w przypadku serwomotorów. Dzięki temu mogą zapewniać wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach, doskonale dostosowując się do wymagań ruchowych stawów robotów.
02 Odsłonięcie zasady działania
Zasada działania bezramowego silnika momentowego opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej. Kiedy sterownik silnika włącza zasilanie, prąd trójfazowy wzbudza wirujące pole elektromagnetyczne w uzwojeniach stojana. To pole elektromagnetyczne oddziałuje z magnesami trwałymi w wirniku, wytwarzając moment obrotowy, który powoduje obrót wirnika.
Całym procesem steruje sterownik, który kształtuje pole elektromagnetyczne poprzez zasilanie trójfazowe U/V/W. Wirnik z magnesami trwałymi obraca się pod wpływem tego pola. Bezramowe silniki momentowe mogą wykorzystywać elementy Halla do sygnałów zwrotnych lub wykorzystywać sygnały z dodanego enkodera.
Kierowca porównuje wartość sprzężenia zwrotnego z wartością docelową, aby dostosować kąt obrotu wirnika , uzyskując precyzyjną kontrolę serwa.
03 Różnice w stosunku do tradycyjnych silników
W porównaniu z tradycyjnymi silnikami ramowymi, bezramowe silniki momentowe oferują wiele korzyści: Poprawiają wydajność maszyny, umożliwiając bezpośrednie sprzęganie (bez luzów) i większą przepustowość systemu; konstrukcja jest bardziej zwarta, co skutkuje mniejszą powierzchnią maszyny i wyższym momentem obrotowym na jednostkę objętości.
Charakteryzują się również dużą sztywnością i mogą służyć jako źródło napędu bezpośredniego, napędzające obciążenie bezpośrednio bez konieczności stosowania pasów i kół pasowych, śrub pociągowych lub skrzyń biegów; praca jest cicha, ponieważ bezpośrednia integracja z konstrukcją maszyny zmienia sposób transmisji, co prowadzi do znacznej redukcji hałasu.
Co więcej, zmniejszają wymagania konserwacyjne ze względu na mniejszą liczbę części mechanicznych i brak elementów podatnych na zużycie lub wymagających regularnej konserwacji.
04 Podstawowa moc robotów humanoidalnych
W dobie szybkiego rozwoju technologii sztucznej inteligencji i robotyki, roboty humanoidalne głęboko penetrują wiele dziedzin, takich jak przemysł, usługi czy służba zdrowia 4. Bezramowe silniki momentowe stały się głównymi elementami napędowymi w przegubach robotów humanoidalnych.
Optimus Tesli wykorzystuje bezramowe silniki momentowe jako źródło zasilania we wszystkich 28 przegubach. Przeguby te obejmują 14 przegubów obrotowych i 14 przegubów liniowych, przy czym każdy siłownik zawiera bezramowy silnik momentowy.
Przeguby obrotowe składają się z bezramowego silnika momentowego, reduktora harmonicznych, czujnika momentu obrotowego, czujnika położenia, enkodera itp., rozmieszczonych na ramionach (6), nadgarstkach (2), biodrach (4) i tułowiu (2).
Przeguby liniowe składają się z bezramowego silnika momentowego, planetarnej śruby rolkowej, czujnika momentu obrotowego, czujnika położenia itp., rozmieszczonych na łokciach (2), nadgarstkach (4), biodrach (2), kolanach (2) i kostkach (4).
05 Trzy kluczowe role
Bezramowe silniki momentowe odgrywają trzy kluczowe role w elastyczności przegubów humanoidalnych robotów:
Zapewnianie wysokiego momentu obrotowego:
Podczas wykonywania zadań przeguby robota często muszą wytwarzać wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach, aby przezwyciężyć efekt dźwigni i bezwładność obciążenia. Bezramowe silniki momentowe mogą generować wysoki moment obrotowy nawet przy stosunkowo niskich prędkościach.
Umożliwianie precyzyjnego sterowania:
Są ściśle zintegrowane z komponentami, takimi jak precyzyjne enkodery i czujniki momentu obrotowego, tworząc zintegrowaną jednostkę napędową o wysokiej wydajności. Sterownik może w czasie rzeczywistym odczytywać informacje o położeniu przegubów ze sprzężenia zwrotnego enkodera i w połączeniu z danymi dotyczącymi momentu obrotowego z czujnika momentu obrotowego precyzyjnie dostrajać moment obrotowy i prędkość silnika.
Poprawa szybkości reakcji stawów:
Dzięki wyjątkowo niskiej bezwładności wirnika silnik może reagować na polecenia sterujące z
szybkością milisekundową . Nawet jeśli zmieni się otoczenie zewnętrzne lub działania zostaną nagle zmienione, stawy robota mogą szybko dostosować swoją postawę, zapewniając robotowi stabilność i bezpieczeństwo.
06 Szerokie obszary zastosowań
Obszary zastosowań bezramowych silników momentowych są bardzo szerokie. Stosowane są głównie w przegubach i ramionach robotów, aby zapewnić wysoki moment obrotowy i wysoką precyzję sterowania.
W sprzęcie medycznym bezramowe silniki momentowe są dopasowywane do robotów chirurgicznych, systemów obrazowania medycznego itp., aby uzyskać wysoce precyzyjną i płynną kontrolę ruchu. Można je stosować w dziedzinach medycyny, takich jak obrazowanie medyczne i roboty chirurgiczne, wykonując operacje z dużą precyzją w obszarach znacznie mniejszych niż to, co może obsłużyć ludzka dłoń.
W dziedzinie wysokiej klasy obrabiarek CNC bezramowe silniki momentowe można stosować w precyzyjnych maszynach pięcioosiowych w celu poprawy dokładności i powtarzalności w procesach takich jak formowanie, szlifowanie i wiercenie.
Ponadto są one również wykorzystywane w zastosowaniach w przemyśle lotniczym, takich jak radary, systemy nawigacji inercyjnej i obrotnice.
07 Ogromne perspektywy rynkowe
Perspektywy rynkowe dla bezramowych silników momentowych są bardzo szerokie. Wielkość globalnego rynku bezramowych silników momentowych wyniosła 4,5 miliarda CNY w 2022 r. i oczekuje się, że do 2030 r. osiągnie 22,4 miliarda CNY , przy czym segment rynku robotów humanoidalnych będzie wart 16,3 miliarda CNY.
Według danych Valuates Reports wielkość światowego rynku bezramowych silników momentowych wyniosła w 2022 r. 670 mln USD i oczekuje się, że do 2029 r. wzrośnie do 1,17 mld USD, co oznacza złożoną roczną stopę wzrostu (CAGR) wynoszącą 8%. Przewiduje się, że wraz z szybkim rozwojem robotów współpracujących i inteligentnym popytem rynek bezramowych silników momentowych będzie się nadal szybko rozwijał.
08 Wyzwania techniczne i przyszłe trendy
Chociaż bezramowe silniki momentowe wykazują ogromny potencjał w dziedzinie robotów humanoidalnych, nadal istnieją pewne wyzwania w ich technologii i produkcji.
Z technicznego punktu widzenia dalsze zwiększanie gęstości momentu obrotowego bezramowych silników momentowych przy jednoczesnym zmniejszeniu wzrostu ich temperatury i zmniejszeniu różnicy między prędkością znamionową a prędkością maksymalną stawia wysokie wymagania konstrukcji elektromagnetycznej.
Pod względem kosztów, jako kluczowego elementu robotów humanoidalnych, koszty pozostają wysokie ze względu na obecnie niski poziom krajowej produkcji ich głównych komponentów w Chinach.
Przyszłe trendy rozwojowe obejmują: ciągłe doskonalenie wskaźników wydajności bezramowych silników momentowych, aby spełnić wyższe wymagania dotyczące elastyczności połączeń i mocy w robotach humanoidalnych.
Jednocześnie optymalizacja procesów produkcyjnych i redukcja kosztów produkcji staną się ważnymi celami przyszłego rozwoju.
W miarę jak roboty humanoidalne przechodzą od „demonstracji laboratoryjnych” do „wstępnej komercjalizacji w określonych scenariuszach”, bezramowe silniki momentowe, będące ich głównym źródłem zasilania, wkraczają w złoty okres rozwoju.
Rok 2025 jest postrzegany jako krytyczny dla masowej produkcji robotów humanoidalnych. Bezramowe silniki momentowe stanowią 16% wartości robota humanoidalnego. Aktualne ceny wahają się od kilkuset CNY do ponad tysiąca CNY, w zależności od mocy i wielkości.
Oczekuje się, że w przyszłości, wraz ze zwiększaniem skali i innowacjami procesów, ich ceny znacznie spadną, co jeszcze bardziej przyczyni się do przyjęcia robotów humanoidalnych.
Ta kompaktowa, ale potężna technologia, bezramowy silnik momentu obrotowego, staje się niedocenianym bohaterem elastycznych przegubów robotów humanoidalnych , cicho wspierając szybki rozwój przemysłu robotyki.
