01 Ce este un motor cuplu fără cadru?
Un motor cuplu fără cadru este un tip de motor electric extrem de eficient și care economisește energie. Caracteristica sa cea mai distinctivă este îndepărtarea componentelor găsite în motoarele tradiționale, cum ar fi arborele, rulmenții, carcasa și capacele de capăt, reținând doar cele două componente de bază: rotorul și statorul.
Acest design structural permite ca motorul să fie integrat perfect în structura mașinii , utilizând rulmenții proprii ai mașinii pentru a susține rotorul, îmbunătățind semnificativ integrarea și compactitatea sistemului.
Motoarele cu cuplu fără cadru sunt măsurate prin cuplul lor de ieșire, spre deosebire de puterea nominală de ieșire utilizată în mod obișnuit pentru servomotoarele. Acest lucru le permite să furnizeze un cuplu ridicat la viteze mici, adaptându-se perfect la cerințele de mișcare ale articulațiilor robotizate.
02 Dezvăluirea principiului de lucru
Principiul de funcționare al unui motor de cuplu fără cadru se bazează pe legea inducției electromagnetice. Când driverul motorului aplică putere, electricitatea trifazată excită un câmp electromagnetic rotativ în înfășurările statorului. Acest câmp electromagnetic interacționează cu magneții permanenți din rotor, generând un cuplu care face rotorul să se rotească.
Întregul proces este controlat de driver, care modelează câmpul electromagnetic prin puterea trifazată U/V/W. Rotorul cu magneți permanenți se rotește sub influența acestui câmp. Motoarele cu cuplu fără cadru pot folosi elemente Hall pentru semnale de feedback sau pot utiliza semnale de la un encoder adăugat.
Driverul compară valoarea de feedback cu valoarea țintă pentru a regla unghiul de rotație al rotorului , obținând un servocontrol precis.
03 Diferențele față de motoarele tradiționale
În comparație cu motoarele tradiționale cu cadru, motoarele cu cuplu fără cadru oferă multiple avantaje: Îmbunătățesc performanța mașinii, permițând cuplarea directă (fără joc) și o lățime de bandă mai mare a sistemului; structura este mai compactă, rezultând o amprentă mai mică a mașinii și un cuplu mai mare pe unitate de volum.
De asemenea, au o rigiditate ridicată și pot servi ca sursă de putere cu transmisie directă, conducând sarcina direct, fără a fi nevoie de curele și scripete, șuruburi sau cutii de viteze; funcționarea este silențioasă, deoarece integrarea directă în structura mașinii modifică metoda de transmisie, ducând la o reducere semnificativă a zgomotului.
În plus, reduc nevoile de întreținere datorită mai puține piese mecanice și fără componente predispuse la uzură sau care necesită întreținere regulată.
04 Puterea de bază a roboților humanoizi
În epoca dezvoltării rapide a inteligenței artificiale și a tehnologiei robotice, roboții umanoizi pătrund profund în numeroase domenii, cum ar fi industria, serviciile și asistența medicală 4. Motoarele cu cuplu fără cadru au devenit principalele componente de conducere în articulațiile roboților umanoizi.
Optimus de la Tesla folosește motoare de cuplu fără cadru ca sursă de energie în toate cele 28 de articulații ale sale. Aceste îmbinări includ 14 îmbinări rotative și 14 îmbinări liniare, fiecare actuator conținând un motor cuplu fără cadru.
Articulațiile rotative constau dintr-un motor de cuplu fără cadru, reductor de armonici, senzor de cuplu, senzor de poziție, encoder etc., distribuite pe umeri (6), încheieturi (2), șolduri (4) și trunchi (2).
Articulațiile liniare constau dintr-un motor de cuplu fără cadru, șurub cu role planetară, senzor de cuplu, senzor de poziție etc., distribuite pe coate (2), încheieturi (4), șolduri (2), genunchi (2) și glezne (4).
05 Trei roluri cheie
Motoarele de cuplu fără cadru joacă trei roluri cheie în flexibilitatea articulațiilor robotilor umanoizi:
Furnizarea unui cuplu ridicat:
în timpul executării sarcinii, articulațiile robotului trebuie adesea să emită un cuplu ridicat la viteze mici pentru a depăși efectele pârghiei și inerția sarcinii. Motoarele cu cuplu fără cadru pot genera un cuplu ridicat chiar și la viteze relativ mici.
Permiterea unui control precis:
sunt strâns integrate cu componente precum codificatoare de înaltă precizie și senzori de cuplu pentru a forma o unitate de antrenare integrată de înaltă performanță. Controlerul poate citi informațiile despre poziția articulației din feedback-ul codificatorului în timp real și, combinat cu datele de cuplu de la senzorul de cuplu, poate regla fin cuplul și viteza motorului.
Îmbunătățirea vitezei de răspuns la articulație:
Cu o inerție extrem de scăzută a rotorului, motorul poate răspunde la comenzile de control la
viteze în milisecunde . Chiar dacă mediul extern se modifică sau acțiunile sunt modificate brusc, articulațiile robotului își pot regla rapid postura, asigurând stabilitatea și siguranța robotului.
06 Câmpuri ample de aplicare
Domeniile de aplicare ale motoarelor cu cuplu fără cadru sunt foarte extinse. Ele sunt utilizate în principal în articulațiile și brațele robotului pentru a oferi un cuplu ridicat și un control de înaltă precizie.
În echipamentele medicale, motoarele de cuplu fără cadru sunt combinate cu roboți chirurgicali, sisteme de imagistică medicală etc., pentru a obține un control extrem de precis și neted al mișcării. Ele pot fi utilizate în domenii medicale, cum ar fi imagistica medicală și roboții chirurgicali, efectuând operații cu mare precizie în zone mult mai mici decât cele pe care mâna omului le poate descurca.
În domeniul mașinilor-unelte CNC de ultimă generație, motoarele de cuplu fără cadru pot fi utilizate în mașinile de înaltă precizie cu cinci axe pentru a îmbunătăți acuratețea și repetabilitatea în procese precum formarea, șlefuirea și găurirea.
Mai mult, ele sunt, de asemenea, utilizate în aplicații din domeniul aerospațial, cum ar fi radare, sisteme de navigație inerțială și plăci turnante.
07 Perspective vaste ale pieței
Perspectivele pieței pentru motoarele cu cuplu fără cadru sunt foarte largi. Dimensiunea globală a pieței motoarelor cu cuplu fără cadru a fost de 4,5 miliarde CNY în 2022 și este de așteptat să atingă 22,4 miliarde CNY până în 2030, segmentul de piață al robotilor umanoizi reprezentând 16,3 miliarde CNY.
Potrivit datelor Valuates Reports, dimensiunea globală a pieței motoarelor cu cuplu fără cadru a fost de 670 de milioane USD în 2022 și este de așteptat să crească la 1,17 miliarde USD până în 2029, reprezentând o rată de creștere anuală compusă (CAGR) de 8%. Se anticipează că, odată cu creșterea rapidă a roboților colaborativi și a cererii inteligente, piața motoarelor cu cuplu fără cadru va menține o dezvoltare de mare viteză.
08 Provocări tehnice și tendințe viitoare
Deși motoarele cu cuplu fără cadru prezintă un potențial mare în domeniul roboților umanoizi, există încă unele provocări în tehnologia și producția lor.
Dintr-o perspectivă tehnică, creșterea în continuare a densității cuplului a motoarelor cu cuplu fără cadru, reducând în același timp creșterea temperaturii acestora și micșorând decalajul dintre viteza nominală și viteza maximă impune cerințe mari asupra designului electromagnetic.
Din punct de vedere al costurilor, ca componentă critică a roboților umanoizi, costul rămâne ridicat datorită ratei de producție internă scăzută în prezent a componentelor sale de bază în China.
Tendințele viitoare de dezvoltare includ: îmbunătățirea continuă a indicatorilor de performanță pentru motoarele de cuplu fără cadru pentru a îndeplini cerințele mai mari de flexibilitate și putere a articulațiilor la roboții umanoizi.
În același timp, optimizarea proceselor de producție și reducerea costurilor de producție vor deveni obiective importante pentru dezvoltarea viitoare.
Pe măsură ce roboții umanoizi trec de la „demonstrațiile de laborator” la „comercializarea inițială în scenarii specifice”, motoarele cu cuplu fără cadru, ca sursă de energie de bază, intră într-o perioadă de aur de dezvoltare.
2025 este văzut ca un an critic pentru producția în masă de roboți umanoizi. Motoarele cu cuplu fără cadru reprezintă 16% din valoarea unui robot umanoid. Prețurile actuale variază de la câteva sute de CNY la peste o mie de CNY, în funcție de putere și dimensiune.
În viitor, odată cu extinderea la scară și inovarea proceselor, prețurile acestora sunt de așteptat să scadă semnificativ, promovând în continuare adoptarea roboților umanoizi.
Această tehnologie compactă, dar puternică, motorul cuplu fără cadru, devine eroul necunoscut din spatele articulațiilor flexibile ale roboților umanoizi , susținând în liniște dezvoltarea rapidă a industriei robotice.
