01 Що таке безкаркасний моментний двигун?
Безкаркасний моментний двигун є високоефективним і енергозберігаючим типом електродвигуна. Його найвідмітнішою особливістю є видалення компонентів традиційних двигунів, таких як вал, підшипники, корпус і торцеві кришки, зберігаючи лише два основні компоненти: ротор і статор.
Така структурна конструкція дозволяє легко інтегрувати двигун у структуру машини , використовуючи власні підшипники машини для підтримки ротора, що значно покращує системну інтеграцію та компактність.
Крутний момент безкаркасних двигунів вимірюється їх вихідним крутним моментом, на відміну від вихідної потужності, яка зазвичай використовується для серводвигунів. Це дозволяє їм створювати високий крутний момент на низьких швидкостях, ідеально адаптуючись до вимог руху роботизованих суглобів.
02 Розкриття принципу роботи
Принцип роботи безкаркасного моментного двигуна заснований на законі електромагнітної індукції. Коли драйвер двигуна подає потужність, трифазна електрика збуджує обертове електромагнітне поле в обмотках статора. Це електромагнітне поле взаємодіє з постійними магнітами в роторі, створюючи крутний момент, який змушує ротор обертатися.
Весь процес контролюється драйвером, який формує електромагнітне поле через U/V/W трифазне живлення. Під дією цього поля обертається ротор з постійними магнітами. Безкаркасні моментні двигуни можуть використовувати елементи Холла для сигналів зворотного зв’язку або використовувати сигнали від додаткового кодера.
Водій порівнює значення зворотного зв’язку з цільовим значенням, щоб відрегулювати кут обертання ротора , досягаючи точного сервокерування.
03 Відмінності від традиційних двигунів
Порівняно з традиційними рамними двигунами безкаркасні моментні двигуни пропонують численні переваги: вони покращують продуктивність машини, забезпечуючи пряме з’єднання (без люфту) і більшу пропускну здатність системи; структура більш компактна, що призводить до меншої площі машини та більшого крутного моменту на одиницю об’єму.
Вони також мають високу жорсткість і можуть служити джерелом живлення прямого приводу, приводячи вантаж напряму без необхідності використання ременів і шківів, ходових гвинтів або коробок передач; робота тиха, оскільки пряма інтеграція в структуру машини змінює спосіб передачі, що призводить до значного зниження шуму.
Крім того, вони зменшують потреби в обслуговуванні завдяки меншій кількості механічних частин і відсутності компонентів, схильних до зносу або потребуючих регулярного обслуговування.
04 Основна сила гуманоїдних роботів
В епоху швидкого розвитку технологій штучного інтелекту та робототехніки людиноподібні роботи глибоко проникають у численні галузі, такі як промисловість, послуги та охорона здоров’я 4. Безкаркасні моментні двигуни стали основними рушійними компонентами в суглобах гуманоїдних роботів.
Tesla Optimus використовує безкаркасні моментні двигуни як джерело живлення у всіх 28 своїх шарнірах. Ці з’єднання включають 14 поворотних з’єднань і 14 лінійних з’єднань, причому кожен привод містить безкаркасний моментний двигун.
Обертові з’єднання складаються з безкаркасного моментного двигуна, гармонічного редуктора, датчика крутного моменту, датчика положення, кодера тощо, розподілених по плечах (6), зап’ястях (2), стегнах (4) і тулубі (2).
Лінійні з’єднання складаються з безкаркасного крутного двигуна, планетарного роликового гвинта, датчика крутного моменту, датчика положення тощо, розподілених по ліктях (2), зап’ястях (4), стегнах (2), колінах (2) і щиколотках (4).
05 Три ключові ролі
Безкаркасні моментні двигуни відіграють три ключові ролі в гнучкості суглобів роботів-гуманоїдів:
Забезпечення високого крутного моменту:
під час виконання завдання шарнірам роботів часто потрібно видавати високий крутний момент на низьких швидкостях, щоб подолати ефект важеля та інерцію навантаження. Безкаркасні моментні двигуни можуть генерувати високий крутний момент навіть при відносно низьких швидкостях.
Забезпечення точного керування:
вони тісно інтегровані з такими компонентами, як високоточні кодери та датчики крутного моменту, утворюючи високопродуктивний інтегрований приводний блок. Контролер може зчитувати інформацію про положення з’єднання із зворотного зв’язку кодера в режимі реального часу та в поєднанні з даними про крутний момент від датчика крутного моменту точно регулювати крутний момент і швидкість двигуна.
Покращення швидкості реагування суглобів:
завдяки надзвичайно низькій інерції ротора двигун може реагувати на команди керування зі
швидкістю мілісекунд . Навіть якщо зовнішнє середовище змінюється або дії раптово змінюються, суглоби робота можуть швидко регулювати свою позу, забезпечуючи стабільність і безпеку робота.
06 Широкі сфери застосування
Сфери застосування безкаркасних моментних двигунів дуже широкі. Вони в основному використовуються в суглобах і руках роботів, щоб забезпечити високий крутний момент і високоточне керування.
У медичному обладнанні безкаркасні моментні двигуни поєднуються з хірургічними роботами, системами медичної візуалізації тощо для досягнення високоточного та плавного керування рухом. Їх можна використовувати в таких галузях медицини, як медичні візуалізації та хірургічні роботи, які виконують операції з високою точністю в областях, набагато менших за ті, які може впоратися людська рука.
У сфері високоякісних верстатів з ЧПК безкаркасні моментні двигуни можна використовувати у високоточних п’ятиосьових верстатах для підвищення точності та повторюваності в таких процесах, як формування, шліфування та свердління.
Крім того, вони також використовуються в додатках в аерокосмічній сфері, таких як радари, інерціальні навігаційні системи та вертушки.
07 Широкі ринкові перспективи
Перспективи ринку безкаркасних моментних двигунів дуже широкі. У 2022 році світовий ринок безкаркасних двигунів склав 4,5 мільярда юанів і, як очікується, досягне 22,4 мільярда юанів до 2030 року, при цьому сегмент ринку гуманоїдних роботів становитиме 16,3 мільярда юанів.
Згідно з даними Valuates Reports, у 2022 році світовий ринок безкаркасних двигунів із крутним моментом становив 670 мільйонів доларів США, а до 2029 року очікується, що він зросте до 1,17 мільярда доларів США, що відповідає середньорічному темпу зростання (CAGR) у 8%. Очікується, що завдяки швидкому зростанню колаборативних роботів і інтелектуальному попиту ринок безкаркасних двигунів з крутним моментом підтримуватиме високу швидкість розвитку.
08 Технічні виклики та майбутні тенденції
Незважаючи на те, що безкаркасні моментні двигуни демонструють великий потенціал у сфері гуманоїдних роботів, все ще є деякі проблеми в їх технології та виробництві.
З технічної точки зору подальше збільшення щільності крутного моменту безкаркасних моментних двигунів, одночасно зменшуючи підвищення їх температури та звужуючи розрив між номінальною швидкістю та максимальною швидкістю, висуває високі вимоги до електромагнітної конструкції.
З точки зору вартості, як критичного компонента гуманоїдних роботів, вартість залишається високою через нині низькі темпи внутрішнього виробництва його основних компонентів у Китаї.
Майбутні тенденції розвитку включають: безперервне вдосконалення показників продуктивності безкаркасних моментних двигунів для задоволення вищих вимог до гнучкості та потужності суглобів у роботах-гуманоїдах.
Одночасно оптимізація виробничих процесів і зниження витрат виробництва стануть важливими цілями для майбутнього розвитку.
Поки людиноподібні роботи переходять від 'лабораторних демонстрацій' до 'початкової комерціалізації в конкретних сценаріях', безкаркасні моментні двигуни, як їхнє основне джерело енергії, вступають у золотий період розвитку.
2025 рік вважається критичним для масового виробництва роботів-гуманоїдів. Безкаркасні моментні двигуни становлять 16% вартості робота-гуманоїда. Поточні ціни коливаються від кількох сотень юанів до понад тисячі юанів залежно від потужності та розміру.
У майбутньому, із розширенням масштабу та інноваційними процесами, очікується, що їхні ціни значно зменшаться, що ще більше сприятиме прийняттю гуманоїдних роботів.
Ця компактна, але потужна технологія, безкаркасний моментний двигун, стає неоспіваним героєм за гнучкими суглобами роботів-гуманоїдів , тихо підтримуючи швидкий розвиток індустрії робототехніки.
