01 Что такое безрамный моментный двигатель?
Безрамный моментный электродвигатель – это высокоэффективный и энергосберегающий тип электродвигателя. Его наиболее отличительной особенностью является удаление компонентов традиционных двигателей, таких как вал, подшипники, корпус и торцевые крышки, с сохранением только двух основных компонентов: ротора и статора.
Такая конструктивная конструкция позволяет легко интегрировать двигатель в конструкцию машины , используя собственные подшипники машины для поддержки ротора, что значительно повышает интеграцию системы и ее компактность.
Безрамные моментные двигатели измеряются по выходному крутящему моменту, в отличие от номинальной выходной мощности, обычно используемой для серводвигателей. Это позволяет им обеспечивать высокий крутящий момент на низких скоростях, идеально адаптируясь к требованиям движения роботизированных соединений.
02 Раскрытие принципа работы
Принцип работы безрамного моментного двигателя основан на законе электромагнитной индукции. Когда драйвер двигателя подает мощность, трехфазное электричество возбуждает вращающееся электромагнитное поле в обмотках статора. Это электромагнитное поле взаимодействует с постоянными магнитами ротора, создавая крутящий момент, который заставляет ротор вращаться.
Весь процесс контролируется драйвером, который формирует электромагнитное поле посредством трехфазного напряжения U/V/W. Ротор с постоянными магнитами вращается под действием этого поля. Безрамные моментные двигатели могут использовать элементы Холла для сигналов обратной связи или сигналы от дополнительного энкодера.
Водитель сравнивает значение обратной связи с целевым значением, чтобы отрегулировать угол вращения ротора , достигая точного сервоуправления.
03 Отличия от традиционных двигателей
По сравнению с традиционными рамными двигателями безрамные моментные двигатели обладают множеством преимуществ: они улучшают производительность машины, обеспечивая прямое соединение (без люфта) и более высокую пропускную способность системы; конструкция более компактна, что приводит к уменьшению занимаемой площади и более высокому крутящему моменту на единицу объема.
Они также обладают высокой жесткостью и могут служить источником мощности прямого привода, приводя в движение нагрузку напрямую, без необходимости использования ремней и шкивов, ходовых винтов или редукторов; работа бесшумна, поскольку прямая интеграция в конструкцию машины изменяет метод передачи, что приводит к значительному снижению шума.
Кроме того, они сокращают потребности в техническом обслуживании благодаря меньшему количеству механических деталей и отсутствию компонентов, склонных к износу или требующих регулярного обслуживания.
04 Основная сила роботов-гуманоидов
В эпоху быстрого развития технологий искусственного интеллекта и робототехники роботы-гуманоиды глубоко проникают во многие области, такие как промышленность, услуги и здравоохранение 4. Безрамные моментные двигатели стали основными компонентами привода в суставах роботов-гуманоидов.
Tesla Optimus использует безрамные моментные двигатели в качестве источника энергии во всех 28 суставах. Эти шарниры включают в себя 14 поворотных шарниров и 14 линейных шарниров, каждый из которых оснащен безрамным моментным двигателем.
Вращающиеся шарниры состоят из безрамного моментного двигателя, редуктора гармоник, датчика крутящего момента, датчика положения, кодера и т. д., расположенных на плечах (6), запястьях (2), бедрах (4) и туловище (2).
Линейные шарниры состоят из безрамного моментного двигателя, планетарной ролико-винтовой передачи, датчика крутящего момента, датчика положения и т. д., расположенных в локтях (2), запястьях (4), бедрах (2), коленях (2) и лодыжках (4).
05 Три ключевые роли
Безрамные моментные двигатели играют три ключевые роли в гибкости суставов гуманоидных роботов:
Обеспечение высокого выходного крутящего момента.
Во время выполнения задачи шарнирам робота часто требуется выдавать высокий крутящий момент на низких скоростях, чтобы преодолеть эффекты рычага и инерцию нагрузки. Безрамные моментные двигатели могут генерировать высокий крутящий момент даже на относительно низких скоростях.
Обеспечение точного управления:
они тесно интегрированы с такими компонентами, как высокоточные энкодеры и датчики крутящего момента, образуя высокопроизводительный интегрированный приводной блок. Контроллер может считывать информацию о положении шарнира из обратной связи энкодера в режиме реального времени и в сочетании с данными о крутящем моменте от датчика крутящего момента точно настраивать крутящий момент и скорость двигателя.
Улучшение скорости реакции соединения.
Благодаря чрезвычайно низкой инерции ротора двигатель может реагировать на команды управления с
миллисекундной скоростью . Даже если внешняя среда изменится или действия внезапно изменятся, суставы робота смогут быстро отрегулировать свое положение, обеспечивая стабильность и безопасность робота.
06 Широкие области применения
Области применения бескорпусных моментных двигателей очень обширны. Они в основном используются в суставах и манипуляторах роботов для обеспечения высокого крутящего момента и высокоточного управления.
В медицинском оборудовании безрамные моментные двигатели используются в хирургических роботах, системах медицинской визуализации и т. д. для достижения высокоточного и плавного управления движением. Их можно использовать в таких областях медицины, как медицинская визуализация и хирургические роботы, выполняя операции с высокой точностью на участках, гораздо меньших, чем те, с которыми может справиться человеческая рука.
В области высокотехнологичных станков с ЧПУ безрамные моментные двигатели могут использоваться в высокоточных пятиосных станках для повышения точности и повторяемости в таких процессах, как формовка, шлифование и сверление.
Кроме того, они также используются в аэрокосмической сфере, например, в радарах, инерциальных навигационных системах и проигрывателях.
07 Огромные рыночные перспективы
Перспективы рынка безрамных моментных двигателей очень широки. Объем мирового рынка безрамных моментных двигателей составил 4,5 млрд юаней в 2022 году и, как ожидается, достигнет 22,4 млрд юаней к 2030 году, при этом сегмент рынка роботов-гуманоидов составит 16,3 млрд юаней.
Согласно данным Valuates Reports, объем мирового рынка безрамных моментных двигателей в 2022 году составил 670 миллионов долларов США, и ожидается, что к 2029 году он вырастет до 1,17 миллиарда долларов США, что представляет собой совокупный годовой темп роста (CAGR) 8%. Ожидается, что благодаря быстрому росту числа коллаборативных роботов и интеллектуальному спросу рынок безрамных моментных двигателей будет продолжать быстро развиваться.
08 Технические проблемы и будущие тенденции
Хотя безрамные моментные двигатели демонстрируют большой потенциал в области человекоподобных роботов, в их технологии и производстве все еще существуют некоторые проблемы.
С технической точки зрения дальнейшее увеличение плотности крутящего момента бескорпусных моментных двигателей при одновременном снижении их температуры и сокращении разрыва между номинальной и максимальной скоростью предъявляет высокие требования к электромагнитной конструкции.
С точки зрения затрат, стоимость этого важнейшего компонента гуманоидных роботов остается высокой из-за низких темпов внутреннего производства его основных компонентов в Китае.
Будущие тенденции развития включают: постоянное улучшение показателей производительности безрамных моментных двигателей для удовлетворения более высоких требований к гибкости суставов и мощности гуманоидных роботов.
Одновременно оптимизация производственных процессов и снижение производственных затрат станут важными целями будущего развития.
По мере того как роботы-гуманоиды переходят от «лабораторных демонстраций» к «первоначальной коммерциализации в конкретных сценариях», безрамные моментные двигатели, как их основной источник энергии, вступают в золотой период развития.
2025 год рассматривается как критический год для массового производства человекоподобных роботов. Безрамные моментные двигатели составляют 16% стоимости робота-гуманоида. Текущие цены варьируются от нескольких сотен до более тысячи юаней, в зависимости от мощности и размера.
Ожидается, что в будущем, с расширением масштабов и инновациями в процессах, их цены значительно снизятся, что будет способствовать дальнейшему внедрению гуманоидных роботов.
Эта компактная, но мощная технология, безрамный моментный двигатель, становится невоспетым героем гибких суставов гуманоидных роботов , незаметно поддерживая быстрое развитие индустрии робототехники.
