Bezramowy silnik momentowy robota: wirnik zewnętrzny vs. Wirnik wewnętrzny — różnice strukturalne i scenariusze zastosowań

Wstęp

Za każdym zwinnym skrętem i precyzyjnym chwytem humanoidalnego robota kryje się grupa cicho pracujących „mięśni” – bezramowy silnik momentowy . Silniki te porzucają nieporęczną obudowę tradycyjnych silników, zachowując jedynie stojan i wirnik jako podstawowe elementy. Podobnie jak „główne elementy napędowe” są one osadzone bezpośrednio w strukturze przegubów robota i przejmują krytyczne zadania napędzania kluczowych stawów, takich jak ramię, biodro i kolano, z wyjątkową zwartością i bardzo wysoką gęstością momentu obrotowego.

Jednak bezramowe silniki momentowe nie są rozwiązaniem uniwersalnym. W zależności od względnego położenia wirnika i stojana można je podzielić na dwie główne szkoły:  z wirnikiem zewnętrznym  i  wirnikiem wewnętrznym .  konstrukcje Obydwa różnią się strukturą, każdy ma swoje mocne strony i wykazują wyraźny podział pracy w zastosowaniu. Przeguby obrotowe Optimusa Tesli i siłowniki proprioceptywne czworonożnego robota MIT Cheetah dokonują świadomego wyboru między tymi dwiema konfiguracjami.

01 Podstawowe informacje: Co to jest bezramowy silnik momentowy?

Aby zrozumieć różnicę między wirnikami zewnętrznymi i wewnętrznymi, potrzebujemy najpierw podstawowej wiedzy na temat samego bezramowego silnika momentowego.

Tradycyjny silnik to kompletny, zapakowany zespół: wyposażony w obudowę, zaślepki końcowe, łożyska i wał — samodzielny moduł mocy, który po podłączeniu do zasilania może się obracać. Bezramowy silnik momentowy całkowicie obala tę koncepcję:  składa się tylko z dwóch niezależnych elementów, stojana i wirnika , bez obudowy, łożysk i wału wyjściowego.

Ta minimalistyczna konstrukcja przekształca bezramowy silnik momentowy z samodzielnego urządzenia w „ogniwo zasilające”, które można bezpośrednio zintegrować ze strukturą mechaniczną. Inżynierowie mogą przymocować stojan do obudowy przegubu robota i zamontować wirnik bezpośrednio na wale obciążeniowym, umożliwiając przeniesienie mocy z silnika na przegub w ramach „łańcucha o zerowej przekładni”.

Podstawowe zalety tej konstrukcji są znaczne: radykalnie zwiększa wykorzystanie przestrzeni (redukcja objętości o ponad 30%), eliminuje luz w przekładni, osiąga wydajność przekładni przekraczającą 95% i pozwala na wysoki stopień dostosowania w oparciu o specyficzne wymiary i wymagania dotyczące momentu obrotowego złącza.

Biorąc pod uwagę, że oba są kombinacją stojana i wirnika, co dokładnie odróżnia wirnik zewnętrzny od wirnika wewnętrznego?

02 Dekodowana struktura: kiedy wirnik różni się „wewnątrz” i „na zewnątrz”

Podstawową różnicę między silnikami z wirnikiem zewnętrznym i wewnętrznym można podsumować jednym zdaniem:  zależność przestrzenna między wirnikiem a stojanem jest całkowicie odwrócona.

Konfiguracja wewnętrznego  wirnika  reprezentuje bardziej „tradycyjne” podejście do projektowania. W silniku bezramowym z wirnikiem wewnętrznym, wirnik (zawierający magnesy trwałe) znajduje się pośrodku silnika, podczas gdy uzwojenia stojana otaczają i owijają się wokół zewnętrznej części wirnika. Wirnik jest połączony z obciążeniem za pośrednictwem wału wyjściowego, co nadaje całej konstrukcji smukłą, wydłużoną formę. Konfiguracja ta jest zgodna z linią popularnych silników przemysłowych, w przypadku których inżynierowie posiadają głębokie doświadczenie projektowe.

Konfiguracja to  wirnika zewnętrznego  konstrukcja „odwróconej na lewą stronę”. W silniku bezramowym z wirnikiem zewnętrznym uzwojenia stojana są przymocowane do centralnej podstawy, podczas gdy wirnik przypominający wydrążoną skorupę w kształcie miseczki otacza cały stojan od zewnątrz. Sam płaszcz wirnika jest częścią obrotową, połączoną bezpośrednio z obciążeniem urządzenia, co skutkuje bardziej płaską ogólną konstrukcją.

Mówiąc najprościej: weź silnik z wirnikiem wewnętrznym i obróć go „na lewą stronę” – przesuń pierwotnie zewnętrzny stojan do wewnątrz i odwróć pierwotnie wewnętrzny wirnik na zewnątrz, a otrzymasz silnik z wirnikiem zewnętrznym. Ta inwersja strukturalna prowadzi do kompleksowej rozbieżności we wszystkim, od wydajności po zastosowanie.

03 Pojedynek wydajności: porównanie w sześciu wymiarach

Strukturalna „inwersja” bezpośrednio determinuje drastycznie różne charakterystyki wydajności silników z wirnikiem zewnętrznym i wewnętrznym. Oto szczegółowe porównanie sześciu podstawowych wymiarów:

1. Wyjściowy moment obrotowy: „Herkulesowa siła” zewnętrznego wirnika

Moment obrotowy jest najbardziej widoczną etykietą wydajności silnika z wirnikiem zewnętrznym. Przy tej samej objętości i prądzie silnik bezramowy z wirnikiem zewnętrznym zapewnia o 30–50% wyższy moment obrotowy niż silnik z wirnikiem wewnętrznym. Powód jest prosty: moment obrotowy = siła × ramię dźwigni. Zewnętrzny wirnik ma większy promień obrotu i dłuższe ramię dźwigni, co w naturalny sposób generuje większy moment obrotowy przy tej samej sile elektromagnetycznej. Zaleta ta jest szczególnie widoczna w scenariuszach charakteryzujących się niską prędkością i dużym obciążeniem.

2. Szybkość i dynamiczna reakcja: „Szybki krok” wewnętrznego rotora

Wirnik silnika z wirnikiem wewnętrznym jest umieszczony centralnie, co skutkuje małą bezwładnością obrotową. Dzięki temu jest bardziej zwinny podczas ruszania, zatrzymywania i przyspieszania, umożliwiając szybszą dynamiczną reakcję. Ponadto silniki z wirnikiem wewnętrznym mają zazwyczaj mniej par biegunów i wyższe prędkości, dzięki czemu nadają się do zastosowań wymagających pracy z dużymi prędkościami oraz częstych uruchomień i zatrzymań. Ze względu na większą masę wirnika i większą bezwładność, silnik z wirnikiem zewnętrznym ma stosunkowo wolniejszą reakcję dynamiczną, ale działa płynniej przy mniejszych wahaniach prędkości.

3. Rozpraszanie ciepła: „Wbudowany grzejnik” zewnętrznego wirnika

Płaszcz wirnika silnika z wirnikiem zewnętrznym ma bezpośredni kontakt z powietrzem, zapewniając dużą powierzchnię rozpraszania ciepła. Ciepło może być szybko oddawane do środowiska zewnętrznego, dzięki czemu nadaje się do długotrwałej pracy z dużą mocą. W silniku z wirnikiem wewnętrznym uzwojenia stojana są otoczone wirnikiem zewnętrznym, zatrzymując ciepło wewnątrz i utrudniając jego odprowadzanie. Wymaga to polegania na podstawie silnika lub dodatkowych konstrukcjach przewodzących ciepło w celu zarządzania ciepłem. Różnica ta staje się krytyczna w warunkach ciągłego dużego obciążenia.

4. Precyzja sterowania: każdy ma swoje mocne strony

Jeśli chodzi o dokładność pozycjonowania, oba stanowią interesującą komplementarność. Silnik z wirnikiem wewnętrznym, charakteryzujący się szybką reakcją dynamiczną, lepiej nadaje się do zastosowań wymagających dużej szybkości reakcji pozycjonowania. Silnik z wirnikiem zewnętrznym, charakteryzujący się płynną pracą i niskim tętnieniem momentu obrotowego, jest bardziej odpowiedni w scenariuszach wymagających rygorystycznej dokładności pozycjonowania i płynności ruchu.

5. Złożoność strukturalna i trudność instalacji

Zewnętrzna powłoka wirnika musi jednocześnie spełniać wiele funkcji: przewodzenie strumienia magnetycznego, odprowadzanie ciepła i utrzymywanie magnesów trwałych. Nakłada to wyższe wymagania na materiały i procesy produkcyjne, co prowadzi do stosunkowo wyższych kosztów. Instalacja wymaga również precyzyjnej kontroli równomierności szczeliny powietrznej i współosiowości między stojanem a wirnikiem, co czyni ją trudniejszą niż silnik z wirnikiem wewnętrznym. Silniki z wirnikiem wewnętrznym mają stosunkowo prostszą konstrukcję i niższy koszt i są obecnie głównym wyborem w dziedzinie robotów humanoidalnych.

6. Sposób zagospodarowania i integracji przestrzeni

Silnik z wirnikiem wewnętrznym ma zwartą, wydłużoną konstrukcję, odpowiednią do osadzania w wąskich przestrzeniach łączeniowych. Silnik z wirnikiem zewnętrznym ma płaską konstrukcję przypominającą naleśnik, dzięki czemu można go łatwo podłączyć bezpośrednio do rolek załadowczych lub kołnierzy, co zapewnia wyjątkowe korzyści w zastosowaniach takich jak napędy piast i urządzenia do nawijania.

Dla intuicyjnego porównania poniższa tabela podsumowująca jest jasna na pierwszy rzut oka:

 

04 Mapowanie zastosowań: Podział ról w połączeniach robotów

Jeśli różnice w wydajności są „twardą siłą”, to podział scenariuszy zastosowań wyraźnie rzutuje te różnice na praktykę. W robotyce silniki z wirnikiem wewnętrznym i zewnętrznym odgrywają odrębną rolę.

Wewnętrzny wirnik: „Główna siła” zapewniająca zwinność ruchu

W robotach humanoidalnych, bezramowe silniki momentowe z wewnętrznym wirnikiem, charakteryzujące się niską bezwładnością i szybką reakcją, są preferowanym wyborem w przypadku stawów wymagających częstego uruchamiania i zatrzymywania oraz szybkiej regulacji postawy, np. talii i ramion. Obecnie stanowią one  ponad 70% wybranych bezramowych silników momentowych w robotach humanoidalnych.

Przeguby obrotowe Tesli Optimus w szerokim zakresie wykorzystują bezramowe silniki momentowe z wewnętrznym wirnikiem, w połączeniu z reduktorami harmonicznych i czujnikami momentu obrotowego, aby zapewnić moc wyjściową łączącą siłę wybuchową i precyzję dla dużych stawów, takich jak ramiona i biodra. W dziedzinie robotów czworonożnych oryginalny MIT Cheetah również wybrał konfigurację wewnętrznego wirnika ze względu na konstrukcję siłownika proprioceptywnego.

Wirnik zewnętrzny: „Elektrownia” zapewniająca nośność i odporność na uderzenia

Wysoki moment obrotowy i doskonała płynność silników z wirnikiem zewnętrznym sprawiają, że są one niezastąpione w połączeniach obciążonych dużym obciążeniem. Krajowe firmy osiągnęły przełom w przemyśle dzięki silnikom bezramowym z wirnikiem zewnętrznym, osiągając maksymalny wyjściowy moment obrotowy na poziomie 285 Nm (dla porównania, główne modele z wirnikiem wewnętrznym osiągają szczyt na poziomie 50-150 Nm). Silniki te mogą przejść testy odporności na uderzenia przy 5-krotności momentu znamionowego, spokojnie radząc sobie z czynnościami o dużej intensywności, takimi jak skoki i przenoszenie obciążeń.

W sektorze robotów przemysłowych silniki z wirnikiem zewnętrznym są szeroko stosowane w stawach talii i nadgarstków, które wymagają wysokiego momentu obrotowego i precyzji. Wśród robotów czworonożnych w MIT Cheetah Mini zastosowano konfigurację wirnika zewnętrznego, w pełni wykorzystując jego płaską konstrukcję i zalety wysokiego momentu obrotowego, aby uzyskać zwartą konstrukcję złącza.

Zastosowania przekrojowe: od robotyki do szerszego świata

Obszar zastosowań tych dwóch typów silników wykracza daleko poza przeguby robotów. Silnik z wirnikiem zewnętrznym, dzięki swojej płaskiej konstrukcji i charakterystyce o wysokim momencie obrotowym, doskonale sprawdza się w napędach piast (rowery elektryczne, hulajnogi elektryczne), sprzęcie do obrazowania medycznego (elementy obrotowe skanera CT) i precyzyjnych przegubach Cardana. Silnik z wirnikiem wewnętrznym, wykorzystujący zaletę szybkiej reakcji, jest szeroko stosowany w szybkich wrzecionach (maszyny CNC, maszyny grawerujące), układach napędowych dronów i różnych małych układach serwo. W przypadku robotów współpracujących i egzoszkieletów oba mają swoje mocne strony — w scenariuszach egzoszkieletów zwykle wykorzystuje się silniki z wirnikiem zewnętrznym ze zintegrowanymi przekładniami planetarnymi, podczas gdy roboty współpracujące wykorzystują głównie bezramowe silniki momentu obrotowego zintegrowane z reduktorami harmonicznych.

05 Trendy technologiczne i perspektywy rynkowe

Bezramowe silniki momentowe przeżywają złotą erę szybkiego rozwoju. Według QYResearch globalna sprzedaż bezramowych silników momentowych osiągnęła w 2025 r. 5,461 miliarda RMB (około 803 mln USD) i przewiduje się, że do 2032 r. wzrośnie do 9,63 miliarda RMB (około 1,416 miliarda USD), przy łącznej rocznej stopie wzrostu wynoszącej około 8,4%.

Głównym motorem tego wzrostu jest eksplozja przemysłu robotów humanoidalnych. Jedno z badań przewiduje, że do 2030 r. wartość globalnego rynku silników do robotów humanoidalnych może osiągnąć 91,76 miliarda RMB, przy czym wartość samego segmentu bezramowych silników momentowych do robotów humanoidalnych osiągnie wartość 2,397 miliarda dolarów.

Jeśli chodzi o ewolucję technologiczną, wirniki zewnętrzne i wewnętrzne znajdują się na odrębnych ścieżkach rozwoju: silniki z wirnikiem wewnętrznym kontynuują optymalizację pod kątem wyższej gęstości mocy i niższego momentu obrotowego, umacniając swoją główną pozycję w przegubach robotów humanoidalnych. Silniki z wirnikiem zewnętrznym przebijają się w kierunku wyższego wyjściowego momentu obrotowego i lepszej konstrukcji termicznej. Tymczasem ich koszty stopniowo maleją w miarę dojrzewania procesów produkcyjnych, co stwarza szansę na zastąpienie tradycyjnych rozwiązań w bardziej wytrzymałych złączach i scenariuszach przemysłowych.

06 Zalecenia podsumowujące i dotyczące wyboru

Nie ma absolutnej wyższości pomiędzy bezramowymi silnikami momentowymi z wirnikiem zewnętrznym i wewnętrznym. Kluczem jest  „dopasowanie silnika do przegubu”.  Poniższe zasady doboru mogą służyć jako punkt odniesienia:

• Weź pod uwagę obciążenie:  w przypadku połączeń o dużym obciążeniu, niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym (takich jak staw biodrowy i kolanowy) należy zastosować silnik z wirnikiem zewnętrznym. W przypadku małych obciążeń, dużych prędkości i częstych połączeń typu start/stop (takich jak bark i nadgarstek) bardziej odpowiedni jest silnik z wirnikiem wewnętrznym.

•  Weź pod uwagę przestrzeń:  w przypadku smukłych przegubów z dużą przestrzenią osiową, ale małą przestrzenią promieniową, dobrze pasuje silnik z wirnikiem wewnętrznym. W scenariuszach ze stosunkowo luźną przestrzenią promieniową wymagającą płaskiej konstrukcji silnik z wirnikiem zewnętrznym ma wyraźną przewagę.

• Weź pod uwagę warunki chłodzenia:  W przypadku długotrwałej pracy przy dużym obciążeniu, gdzie chłodzenie opiera się na naturalnej konwekcji, bardziej niezawodny jest silnik z wirnikiem zewnętrznym.

• Weź pod uwagę koszty i instalację:  przy ograniczonym budżecie lub gdy wymagana jest szybka integracja, bardziej pragmatycznym wyborem jest silnik z wirnikiem wewnętrznym. W przypadku zastosowań o ekstremalnych wymaganiach dotyczących płynności momentu obrotowego i odporności na uderzenia warto zainwestować w silnik z wirnikiem zewnętrznym.

• Weź pod uwagę wymagania dotyczące precyzji:  Wybierz silnik z wirnikiem wewnętrznym, aby uzyskać szybką reakcję pozycjonowania; wybierz silnik z wirnikiem zewnętrznym, aby zapewnić płynność ruchu i dokładność pozycjonowania.

W miarę jak roboty humanoidalne przechodzą z laboratorium do produkcji masowej, iteracja technologiczna i industrializacja bezramowych silników momentowych nabierają tempa. Zrozumienie podstawowych różnic między wirnikami zewnętrznymi i wewnętrznymi pomoże inżynierom znaleźć optymalne rozwiązanie w przypadku złożonych decyzji dotyczących selekcji – podobnie jak w przypadku wyboru odpowiedniego „mięśnia” dla stawów w różnych pozycjach; każdy ma swój najbardziej odpowiedni sposób wywierania siły.