01 Động cơ mô-men xoắn không khung là gì?
Động cơ mô-men xoắn không khung là loại động cơ điện có hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Đặc điểm đặc biệt nhất của nó là loại bỏ các bộ phận có trong động cơ truyền thống, chẳng hạn như trục, vòng bi, vỏ và nắp đầu, chỉ giữ lại hai thành phần cốt lõi: rôto và stato.
Thiết kế cấu trúc này cho phép động cơ được tích hợp liền mạch vào cấu trúc máy , sử dụng vòng bi riêng của máy để hỗ trợ rôto, tăng cường đáng kể khả năng tích hợp và độ gọn của hệ thống.
Động cơ mô-men xoắn không khung được đo bằng mô-men xoắn đầu ra của chúng, không giống như định mức công suất đầu ra thường được sử dụng cho động cơ servo. Điều này cho phép chúng tạo ra mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, thích ứng hoàn hảo với yêu cầu chuyển động của các khớp robot.
02 Hé lộ nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của động cơ mô-men xoắn không khung dựa trên định luật cảm ứng điện từ. Khi bộ điều khiển động cơ cấp nguồn, dòng điện ba pha sẽ kích thích một trường điện từ quay trong cuộn dây stato. Trường điện từ này tương tác với các nam châm vĩnh cửu trong rôto, tạo ra mômen quay khiến rôto quay.
Toàn bộ quá trình được điều khiển bởi trình điều khiển, định hình trường điện từ thông qua nguồn điện ba pha U/V/W. Rôto có nam châm vĩnh cửu quay dưới tác dụng của trường này. Động cơ mô-men xoắn không khung có thể sử dụng phần tử Hall cho tín hiệu phản hồi hoặc sử dụng tín hiệu từ bộ mã hóa bổ sung.
Trình điều khiển so sánh giá trị phản hồi với giá trị mục tiêu để điều chỉnh góc quay của rôto , đạt được khả năng điều khiển servo chính xác.
03 Điểm khác biệt so với động cơ truyền thống
So với động cơ có khung truyền thống, động cơ mô-men xoắn không khung có nhiều ưu điểm: Chúng cải thiện hiệu suất máy, cho phép ghép nối trực tiếp (không có phản ứng ngược) và băng thông hệ thống cao hơn; cấu trúc nhỏ gọn hơn, dẫn đến diện tích máy nhỏ hơn và mô-men xoắn cao hơn trên một đơn vị thể tích.
Chúng cũng có độ cứng cao và có thể đóng vai trò là nguồn truyền động trực tiếp, dẫn động tải trực tiếp mà không cần dây đai và ròng rọc, vít me hoặc hộp số; hoạt động yên tĩnh vì việc tích hợp trực tiếp vào cấu trúc của máy sẽ làm thay đổi phương thức truyền dẫn, dẫn đến giảm tiếng ồn đáng kể.
Hơn nữa, chúng làm giảm nhu cầu bảo trì do có ít bộ phận cơ khí hơn và không có bộ phận nào dễ bị mòn hoặc cần bảo trì thường xuyên.
04 Sức mạnh cốt lõi của robot hình người
Trong thời đại trí tuệ nhân tạo và công nghệ robot phát triển nhanh chóng, robot hình người đang thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực như công nghiệp, dịch vụ và chăm sóc sức khỏe 4. Động cơ mô-men xoắn không khung đã trở thành bộ phận dẫn động chủ đạo trong các khớp của robot hình người.
Optimus của Tesla sử dụng động cơ mô-men xoắn không khung làm nguồn năng lượng cho tất cả 28 khớp nối của nó. Các khớp này bao gồm 14 khớp quay và 14 khớp tuyến tính, với mỗi bộ truyền động chứa một động cơ mô-men xoắn không khung.
Các khớp quay bao gồm một động cơ mô-men xoắn không khung, bộ giảm tốc điều hòa, cảm biến mô-men xoắn, cảm biến vị trí, bộ mã hóa, v.v., phân bổ trên vai (6), cổ tay (2), hông (4) và thân (2).
Các khớp tuyến tính bao gồm một động cơ mô-men xoắn không khung, vít con lăn hành tinh, cảm biến mô-men xoắn, cảm biến vị trí, v.v., phân bố trên khuỷu tay (2), cổ tay (4), hông (2), đầu gối (2) và mắt cá chân (4).
05 Ba Vai Trò Chính
Động cơ mô-men xoắn không khung đóng ba vai trò chính tạo nên tính linh hoạt của các khớp robot hình người:
Cung cấp đầu ra mô-men xoắn cao:
Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ, các khớp robot thường cần tạo ra mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp để khắc phục hiệu ứng đòn bẩy và quán tính tải. Động cơ mô-men xoắn không khung có thể tạo ra mô-men xoắn cao ngay cả ở tốc độ tương đối thấp.
Kích hoạt điều khiển chính xác:
Chúng được tích hợp chặt chẽ với các thành phần như bộ mã hóa và cảm biến mô-men xoắn có độ chính xác cao để tạo thành bộ truyền động tích hợp hiệu suất cao. Bộ điều khiển có thể đọc thông tin vị trí khớp từ phản hồi của bộ mã hóa trong thời gian thực và kết hợp với dữ liệu mô-men xoắn từ cảm biến mô-men xoắn, tinh chỉnh mô-men xoắn và tốc độ của động cơ.
Cải thiện tốc độ phản hồi chung:
Với quán tính rôto cực thấp, động cơ có thể phản hồi các lệnh điều khiển ở
tốc độ mili giây . Ngay cả khi môi trường bên ngoài thay đổi hoặc hành động bị thay đổi đột ngột, các khớp của robot có thể nhanh chóng điều chỉnh tư thế, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho robot.
06 Lĩnh vực ứng dụng rộng rãi
Các lĩnh vực ứng dụng của động cơ mô-men xoắn không khung rất rộng. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các khớp và cánh tay robot để cung cấp mô-men xoắn cao và khả năng điều khiển có độ chính xác cao.
Trong thiết bị y tế, động cơ mô-men xoắn không khung được kết hợp với robot phẫu thuật, hệ thống hình ảnh y tế, v.v. để đạt được khả năng điều khiển chuyển động mượt mà và chính xác cao. Chúng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực y tế như robot chụp ảnh y tế và phẫu thuật, thực hiện các ca phẫu thuật với độ chính xác cao ở những khu vực nhỏ hơn nhiều so với những gì bàn tay con người có thể xử lý.
Trong lĩnh vực máy công cụ CNC cao cấp, động cơ mô-men xoắn không khung có thể được sử dụng trong máy 5 trục có độ chính xác cao để cải thiện độ chính xác và khả năng lặp lại trong các quy trình như tạo hình, mài và khoan.
Hơn nữa, chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, chẳng hạn như radar, hệ thống dẫn đường quán tính và bàn xoay.
07 Triển vọng thị trường rộng lớn
Triển vọng thị trường cho động cơ mô-men xoắn không khung là rất rộng. Quy mô thị trường động cơ mô-men xoắn không khung toàn cầu là 4,5 tỷ CNY vào năm 2022 và dự kiến sẽ đạt 22,4 tỷ CNY vào năm 2030, trong đó phân khúc thị trường robot hình người chiếm 16,3 tỷ CNY.
Theo dữ liệu của Valuates Reports, quy mô thị trường động cơ mô-men xoắn không khung toàn cầu là 670 triệu USD vào năm 2022 và dự kiến sẽ tăng lên 1,17 tỷ USD vào năm 2029, thể hiện tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 8%. Người ta dự đoán rằng với sự phát triển nhanh chóng của robot hợp tác và nhu cầu thông minh, thị trường động cơ mô-men xoắn không khung sẽ duy trì tốc độ phát triển cao.
08 Thách thức kỹ thuật và xu hướng tương lai
Mặc dù động cơ mô-men xoắn không khung cho thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực robot hình người nhưng vẫn còn một số thách thức trong công nghệ và sản xuất chúng.
Từ góc độ kỹ thuật, việc tăng thêm mật độ mô-men xoắn của động cơ mô-men xoắn không khung đồng thời giảm mức tăng nhiệt độ của chúng và thu hẹp khoảng cách giữa tốc độ định mức và tốc độ tối đa đặt ra yêu cầu cao về thiết kế điện từ.
Về mặt chi phí, là một thành phần quan trọng của robot hình người, chi phí vẫn còn cao do tỷ lệ sản xuất nội địa của các thành phần cốt lõi ở Trung Quốc hiện đang ở mức thấp.
Xu hướng phát triển trong tương lai bao gồm: cải tiến liên tục các chỉ số hiệu suất cho động cơ mô-men xoắn không khung để đáp ứng các yêu cầu cao hơn về tính linh hoạt và sức mạnh của khớp trong robot hình người.
Đồng thời, tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí sản xuất sẽ trở thành mục tiêu quan trọng cho sự phát triển trong tương lai.
Khi robot hình người chuyển từ 'trình diễn trong phòng thí nghiệm' sang 'thương mại hóa ban đầu trong các tình huống cụ thể', động cơ mô-men xoắn không khung, làm nguồn năng lượng cốt lõi của chúng, đang bước vào thời kỳ phát triển vàng.
Năm 2025 được coi là năm quan trọng đối với việc sản xuất hàng loạt robot hình người. Động cơ mô-men xoắn không khung chiếm 16% giá trị của robot hình người. Giá hiện tại dao động từ vài trăm CNY đến hơn một nghìn CNY, tùy thuộc vào công suất và kích cỡ.
Trong tương lai, với việc mở rộng quy mô và đổi mới quy trình, giá của chúng dự kiến sẽ giảm đáng kể, thúc đẩy hơn nữa việc áp dụng robot hình người.
Công nghệ nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ này, động cơ mô-men xoắn không khung, đang trở thành người hùng thầm lặng đằng sau các khớp linh hoạt của robot hình người , âm thầm hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp robot.
