Бескаркасный моментный двигатель робота: внешний ротор против. Внутренний ротор — структурные различия и сценарии применения

Введение

За каждым ловким поворотом и точным хватом робота-гуманоида скрывается группа молча работающих «мускулов» — безрамный моментный двигатель . Эти двигатели избавились от громоздкого корпуса традиционных двигателей, сохранив в качестве основных компонентов только статор и ротор. Подобно голым «первичным двигателям», они встроены непосредственно в структуру суставов робота, беря на себя критически важные задачи по управлению ключевыми суставами, такими как плечевой, тазобедренный и коленный, с чрезвычайной компактностью и сверхвысокой плотностью крутящего момента.

Однако безрамные моментные двигатели не являются универсальным решением. В зависимости от взаимного расположения ротора и статора их можно разделить на две основные школы:  внешнего ротора  и  внутреннего ротора .  конструкции Они различаются структурно, каждый имеет свои сильные стороны в производительности и демонстрирует четкое разделение труда в применении. Вращающиеся шарниры Optimus Теслы и проприоцептивные приводы четвероногого робота MIT Cheetah делают осознанный выбор между этими двумя конфигурациями.

01 Основные сведения: что такое безрамный моментный двигатель?

Чтобы понять разницу между внешним и внутренним роторами, нам сначала необходимо фундаментальное понимание самого безрамного моментного двигателя.

Традиционный двигатель представляет собой законченный, упакованный блок: он поставляется с корпусом, торцевыми крышками, подшипниками и валом — автономным силовым модулем, который может вращаться после подключения к источнику питания. Безрамный моментный двигатель полностью опровергает эту концепцию:  он состоит только из двух независимых компонентов, статора и ротора , без корпуса, подшипников и выходного вала.

Этот минималистский дизайн превращает безрамный моментный двигатель из автономного устройства в «силовой элемент», который можно напрямую интегрировать в механическую конструкцию. Инженеры могут закрепить статор в корпусе шарнира робота и установить ротор непосредственно на нагрузочный вал, обеспечивая передачу мощности от двигателя к шарниру по принципу «нулевой цепи передачи».

Основные преимущества этой конструкции существенны: она значительно увеличивает использование пространства (уменьшение объема более чем на 30%), устраняет люфт трансмиссии, достигает эффективности трансмиссии более 95% и обеспечивает высокую степень настройки в зависимости от конкретных размеров и требований к крутящему моменту шарнира.

Учитывая, что оба представляют собой комбинацию статора и ротора, что именно отличает внешний ротор от внутреннего?

02 Расшифровка структуры: когда ротор различается «внутри» и «снаружи»

Фундаментальное различие между двигателями с внешним и внутренним ротором можно выразить одной фразой:  пространственное соотношение между ротором и статором полностью перевернуто..

Конфигурация внутреннего  ротора  представляет собой более «традиционный» подход к проектированию. В бескаркасном двигателе с внутренним ротором ротор (содержащий постоянные магниты) расположен в центре двигателя, а обмотки статора окружают ротор и охватывают его снаружи. Ротор соединен с нагрузкой через выходной вал, что придает всей конструкции стройную, вытянутую форму. Эта конфигурация соответствует линии обычных промышленных двигателей, инженеры которых обладают глубоким опытом проектирования.

Конфигурация внешнего  ротора  представляет собой конструкцию «наизнанку». В бескорпусном двигателе с внешним ротором обмотки статора закреплены на центральном основании, а ротор, напоминающий полую чашеобразную оболочку, охватывает весь статор снаружи. Сам корпус ротора является вращающейся частью, непосредственно подключаемой к нагрузке оборудования, что приводит к более плоской общей конструкции.

Проще говоря: возьмите двигатель с внутренним ротором и выверните его «наизнанку» — переместите изначально внешний статор внутрь и переверните изначально внутренний ротор наружу, и вы получите двигатель с внешним ротором. Эта структурная инверсия приводит к всеобъемлющему расхождению во всем, от производительности до применения.

03 Разбор производительности: шестимерное сравнение

Структурная «инверсия» напрямую определяет совершенно разные рабочие характеристики двигателей с внешним и внутренним ротором. Вот подробное сравнение по шести основным измерениям:

1. Выходной крутящий момент: «геркулесова сила» внешнего ротора

Максимальный крутящий момент является наиболее заметным показателем характеристик двигателя с внешним ротором. При одинаковом объеме и токе бескаркасный двигатель с внешним ротором обеспечивает на 30–50 % больший крутящий момент, чем двигатель с внутренним ротором. Причина проста: крутящий момент = сила × плечо рычага. Внешний ротор имеет больший радиус вращения и более длинное плечо рычага, что, естественно, создает больший крутящий момент при той же электромагнитной силе. Это преимущество особенно заметно в сценариях с низкой скоростью и большой нагрузкой.

2. Скорость и динамический отклик: «быстрый шаг» внутреннего ротора.

Ротор двигателя с внутренним ротором расположен в центре, что обеспечивает низкую инерцию вращения. Это делает его более маневренным при запуске, остановке и ускорении, обеспечивая более быструю динамическую реакцию. Кроме того, двигатели с внутренним ротором обычно имеют меньшее количество пар полюсов и более высокие скорости, что делает их подходящими для применений, требующих высокоскоростной работы и частых запусков и остановок. Из-за большей массы ротора и более высокой инерции двигатель с внешним ротором имеет относительно более медленную динамическую реакцию, но работает более плавно с меньшими колебаниями скорости.

3. Рассеяние тепла: «встроенный радиатор» внешнего ротора.

Корпус ротора двигателя с внешним ротором находится в непосредственном контакте с воздухом, обеспечивая большую площадь рассеивания тепла. Тепло может быстро выделяться во внешнюю среду, что делает его пригодным для длительной работы с высокой мощностью. В двигателе с внутренним ротором обмотки статора окружены внешним ротором, удерживая тепло внутри и затрудняя его рассеивание. Это требует использования основания двигателя или дополнительных теплопроводящих конструкций для управления температурой. Эта разница становится критической в ​​условиях постоянной высокой нагрузки.

4. Точность управления: у каждого есть свои сильные стороны

Что касается точности позиционирования, эти два устройства представляют интересную взаимодополняемость. Двигатель с внутренним ротором, обладающий быстрой динамической реакцией, лучше подходит для применений, требующих высокой скорости реакции на позиционирование. Двигатель с внешним ротором, обладающий плавной работой и низкими пульсациями крутящего момента, больше подходит для сценариев, требующих строгой точности позиционирования и плавности движения.

5. Конструктивная сложность и сложность установки.

Оболочка внешнего ротора должна одновременно выполнять несколько функций: проводить магнитный поток, рассеивать тепло и поддерживать постоянные магниты. Это предъявляет более высокие требования к материалам и производственным процессам, что приводит к относительно более высоким затратам. Установка также требует точного контроля однородности воздушного зазора и соосности между статором и ротором, что делает ее более сложной задачей, чем двигатель с внутренним ротором. Двигатели с внутренним ротором имеют относительно более простую конструкцию и более низкую стоимость и в настоящее время являются основным выбором в области гуманоидных роботов.

6. Метод использования пространства и интеграции.

Двигатель с внутренним ротором имеет компактную удлиненную конструкцию, подходящую для установки в узкие щели. Двигатель с внешним ротором имеет плоскую блинообразную структуру, что позволяет легко подключаться непосредственно к нагрузочным роликам или фланцам, что дает уникальные преимущества в таких приложениях, как ступичные приводы и намоточное оборудование.

Для интуитивного сравнения приведена сводная таблица, приведенная ниже, которая понятна с первого взгляда:

 

04 Картирование приложений: разделение ролей в соединениях роботов

Если различия в производительности являются «жесткой силой», то разделение сценариев приложений наглядно демонстрирует эти различия на практике. В робототехнике каждый двигатель с внутренним и внешним ротором играет свою различную роль.

Внутренний ротор: «Основная сила» гибкого движения

В роботах-гуманоидах безрамные моментные двигатели с внутренним ротором, обладающие низкой инерцией и быстрым откликом, являются предпочтительным выбором для суставов, требующих частых запусков, остановок и быстрой регулировки положения, таких как поясница и плечи. В настоящее время на их долю приходится  более 70% безрамных моментных двигателей в роботах-гуманоидах..

Во вращающихся шарнирах Tesla Optimus широко используются безрамные моментные двигатели внутреннего ротора в сочетании с гармоническими редукторами и датчиками крутящего момента, чтобы обеспечить выходную мощность, сочетающую в себе взрывную силу и точность для крупных суставов, таких как плечи и бедра. Что касается четвероногих роботов, оригинальный MIT Cheetah также выбрал конфигурацию внутреннего ротора для конструкции проприоцептивного привода.

Внешний ротор: «мощная установка» для несущей способности и ударопрочности

Высокий крутящий момент и превосходная плавность хода двигателей с внешним ротором делают их незаменимыми в соединениях с большими нагрузками. Отечественные компании добились промышленных прорывов с безрамными двигателями с внешним ротором, достигнув максимального выходного крутящего момента 285 Нм (для сравнения, у основных моделей с внутренним ротором максимальный крутящий момент составляет 50-150 Нм). Эти двигатели могут пройти испытания на ударопрочность при крутящем моменте, в 5 раз превышающем номинальный, спокойно справляясь с высокоинтенсивными действиями, такими как прыжки и несущая нагрузка.

В секторе промышленных роботов двигатели с внешним ротором широко используются в поясных и лучезапястных суставах, где требуется высокий крутящий момент и точность. Среди четвероногих роботов MIT Cheetah Mini использовал конфигурацию внешнего ротора, полностью используя его плоскую структуру и преимущества высокого крутящего момента для достижения компактной конструкции соединения.

Перекрестные приложения: от робототехники к более широкому миру

Область применения этих двух типов двигателей выходит далеко за рамки соединений роботов. Двигатель с внешним ротором, благодаря своей плоской конструкции и высокому крутящему моменту, отлично подходит для ступичных приводов (электронные велосипеды, электронные скутеры), медицинского оборудования для визуализации (вращающиеся компоненты компьютерного томографа) и прецизионных подвесов. Двигатель с внутренним ротором, используя свое преимущество высокой скорости реакции, широко используется в высокоскоростных шпинделях (станки с ЧПУ, гравировальные станки), двигательных системах дронов и различных небольших сервосистемах. У коллаборативных роботов и экзоскелетов есть свои сильные стороны: в сценариях экзоскелетов обычно используются двигатели с внешним ротором со встроенными планетарными редукторами, тогда как в коллаборативных роботах в основном используются безрамные моментные двигатели, интегрированные с гармоническими редукторами.

05 Технологические тенденции и перспективы рынка

Безрамные моментные двигатели переживают золотую эпоху быстрого развития. По данным QYResearch, глобальные продажи безрамных моментных двигателей достигли 5,461 млрд юаней (приблизительно 803 млн долларов США) в 2025 году и, по прогнозам, вырастут до 9,63 млрд юаней (приблизительно 1,416 млрд долларов США) к 2032 году, при совокупном годовом темпе роста около 8,4%.

Основной движущей силой этого роста является бурный рост индустрии гуманоидных роботов. Одно исследование прогнозирует, что к 2030 году глобальный рынок двигателей гуманоидных роботов может достичь 91,76 миллиарда юаней, при этом только сегмент безрамных моментных двигателей для роботов-гуманоидов достигнет 2,397 миллиарда долларов США.

С точки зрения технологической эволюции внешний и внутренний роторы находятся на разных путях развития: двигатели внутреннего ротора продолжают оптимизироваться для более высокой удельной мощности и более низкого крутящего момента, закрепляя свою основную позицию в суставах гуманоидных роботов. Двигатели с внешним ротором обеспечивают более высокий крутящий момент и лучшую тепловую конструкцию. Между тем, их стоимость постепенно снижается по мере развития производственных процессов, что обещает заменить традиционные решения в более тяжелых соединениях и промышленных сценариях.

06 Резюме и рекомендации по выбору

Абсолютного превосходства между безрамными моментными двигателями с внешним и внутренним ротором не существует. Ключевым моментом является  «подгонка двигателя под шарнир».  Ориентиром могут служить следующие принципы выбора:

• Учитывайте нагрузку.  Для тяжелых, низкоскоростных и высокомоментных суставов (таких как тазобедренный и коленный) отдайте предпочтение двигателю с внешним ротором. Для суставов с небольшой нагрузкой, высокой скоростью и частым запуском/остановкой (таких как плечо и запястье) больше подходит двигатель с внутренним ротором.

•  Учитывайте пространство:  для тонких соединений с достаточным осевым пространством, но ограниченным радиальным пространством хорошо подходит двигатель с внутренним ротором. Для сценариев с относительно свободным радиальным пространством, требующим плоской конструкции, двигатель с внешним ротором имеет явное преимущество.

• Учитывайте условия охлаждения.  Для длительной работы с большими нагрузками, когда охлаждение основано на естественной конвекции, двигатель с внешним ротором более надежен.

• Учитывайте стоимость и установку.  При ограниченном бюджете или при необходимости быстрой интеграции двигатель с внутренним ротором является более прагматичным выбором. Для применений с повышенными требованиями к плавности крутящего момента и ударопрочности двигатель с внешним ротором стоит вложений.

• Учитывайте требования к точности:  выберите двигатель с внутренним ротором для быстрого реагирования на позиционирование; выберите двигатель с внешним ротором для обеспечения плавности движения и точности позиционирования.

По мере того как роботы-гуманоиды переходят из лабораторий к массовому производству, технологические итерации и индустриализация безрамных моментных двигателей ускоряются. Понимание основных различий между внешними и внутренними роторами поможет инженерам найти оптимальное решение в сложных решениях по выбору — точно так же, как выбор правильной «мышцы» для суставов в разных положениях; у каждого есть свой наиболее подходящий способ приложения силы.