Động cơ mô-men xoắn không khung Robot: Cánh quạt bên ngoài Vs. Rôto bên trong - Sự khác biệt về cấu trúc và các kịch bản ứng dụng

Giới thiệu

Đằng sau mỗi bước ngoặt nhanh nhẹn và khả năng nắm bắt chính xác của một robot hình người là một nhóm 'cơ bắp' đang hoạt động âm thầm— động cơ mô-men xoắn không khung . Những động cơ này loại bỏ lớp vỏ cồng kềnh của động cơ truyền thống, chỉ giữ lại stato và rôto làm bộ phận cốt lõi của chúng. Giống như 'động cơ chính' trần trụi, chúng được nhúng trực tiếp vào cấu trúc khớp của robot, đảm nhận các nhiệm vụ quan trọng là dẫn động các khớp quan trọng như vai, hông và đầu gối với độ nén cực cao và mật độ mô-men xoắn cực cao.

Tuy nhiên, động cơ mô-men xoắn không khung không phải là giải pháp phù hợp cho tất cả. Tùy thuộc vào vị trí tương đối của rôto và stato, chúng có thể được chia thành hai trường chính: thiết kế  rôto ngoài  và  rôto bên trong  . Cả hai đều khác nhau về mặt cấu trúc, mỗi loại đều có thế mạnh hiệu suất riêng và chúng thể hiện sự phân công lao động rõ ràng trong ứng dụng. Các khớp quay của Optimus của Tesla và bộ truyền động cảm nhận bản thể của robot bốn chân Cheetah của MIT đều đưa ra những lựa chọn có chủ ý giữa hai cấu hình này.

01 Hiểu biết cơ bản: Động cơ mô-men xoắn không khung là gì?

Để hiểu sự khác biệt giữa rôto bên ngoài và rôto bên trong, trước tiên chúng ta cần hiểu biết cơ bản về bản thân động cơ mô-men xoắn không khung.

Động cơ truyền thống là một bộ phận hoàn chỉnh, được đóng gói: nó đi kèm với vỏ, nắp đầu, vòng bi và trục—một mô-đun nguồn khép kín có thể quay sau khi được kết nối với nguồn điện. Động cơ mô-men xoắn không khung hoàn toàn đảo ngược khái niệm này:  nó chỉ bao gồm hai thành phần độc lập là stato và rôto , không có vỏ, không có vòng bi và không có trục đầu ra.

Thiết kế tối giản này biến động cơ mô-men xoắn không khung từ một thiết bị độc lập thành 'tế bào năng lượng' có thể được tích hợp trực tiếp vào cấu trúc cơ khí. Các kỹ sư có thể cố định stato vào vỏ khớp của robot và gắn rôto trực tiếp lên trục tải, cho phép truyền năng lượng 'xích truyền không' từ động cơ đến khớp.

Ưu điểm cốt lõi của thiết kế này là rất đáng kể: nó tăng đáng kể việc sử dụng không gian (giảm âm lượng trên 30%), loại bỏ phản ứng truyền động, đạt hiệu suất truyền động trên 95% và cho phép tùy chỉnh ở mức độ cao dựa trên các kích thước và yêu cầu mô-men xoắn cụ thể của khớp.

Cho rằng cả hai đều là sự kết hợp giữa stato và rôto, điều gì phân biệt chính xác rôto bên ngoài với rôto bên trong?

02 Giải mã cấu trúc: Khi rôto khác nhau 'Bên trong' và 'Bên ngoài'

Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ rôto bên ngoài và động cơ rôto bên trong có thể được tóm tắt bằng một cụm từ:  mối quan hệ không gian giữa rôto và stato hoàn toàn đảo ngược.

Cấu hình  rôto bên trong  thể hiện phương pháp thiết kế 'truyền thống' hơn. Trong động cơ không khung rôto bên trong, rôto (chứa nam châm vĩnh cửu) nằm ở tâm động cơ, trong khi các cuộn dây stato bao quanh và quấn quanh bên ngoài rôto. Rôto được kết nối với tải thông qua trục đầu ra, tạo cho kết cấu tổng thể có dạng thanh mảnh, thon dài. Cấu hình này đi theo dòng động cơ công nghiệp thông thường mà các kỹ sư có kinh nghiệm thiết kế chuyên sâu.

Cấu hình  rôto bên ngoài  là thiết kế 'từ trong ra ngoài'. Trong động cơ không khung rôto bên ngoài, các cuộn dây stato được cố định vào đế trung tâm, trong khi rôto, giống như một lớp vỏ hình cốc rỗng, bao bọc toàn bộ stato từ bên ngoài. Bản thân vỏ rôto là bộ phận quay, kết nối trực tiếp với tải thiết bị nên kết cấu tổng thể phẳng hơn.

Nói một cách đơn giản: lấy một động cơ rôto bên trong và xoay nó 'từ trong ra ngoài'—di chuyển stato bên ngoài ban đầu vào bên trong và lật rôto bên trong ban đầu ra bên ngoài, và bạn sẽ có được một động cơ rôto bên ngoài. Sự đảo ngược cấu trúc này dẫn đến sự khác biệt toàn diện về mọi mặt, từ hiệu suất đến ứng dụng.

03 Cuộc thử thách hiệu suất: So sánh sáu chiều

Cấu trúc 'đảo ngược' trực tiếp xác định các đặc tính hoạt động hoàn toàn khác nhau của động cơ cánh quạt bên ngoài và bên trong. Dưới đây là so sánh chi tiết trên sáu khía cạnh cốt lõi:

1. Công suất mô-men xoắn: 'Sức mạnh Hercules' của rôto bên ngoài

Khả năng mô-men xoắn là nhãn hiệu suất nổi bật nhất của động cơ cánh quạt ngoài. Với cùng mức âm lượng và dòng điện, động cơ không khung rôto bên ngoài mang lại công suất mô-men xoắn cao hơn 30%-50% so với động cơ rôto bên trong. Lý do rất đơn giản: Mô-men xoắn = Lực × Cánh tay đòn. Rôto bên ngoài có bán kính quay lớn hơn và tay đòn dài hơn, tạo ra mô-men xoắn lớn hơn một cách tự nhiên cho cùng một lực điện từ. Ưu điểm này đặc biệt rõ rệt trong các tình huống tải nặng, tốc độ thấp.

2. Tốc độ và phản hồi động: 'Bước nhanh' của rôto bên trong

Rôto của động cơ rôto bên trong được đặt ở trung tâm nên quán tính quay thấp. Điều này làm cho nó linh hoạt hơn trong quá trình khởi động, dừng và tăng tốc, cho phép phản ứng năng động nhanh hơn. Ngoài ra, động cơ rôto bên trong thường có ít cặp cực hơn và tốc độ cao hơn, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vận hành tốc độ cao cũng như khởi động và dừng thường xuyên. Do khối lượng rôto lớn hơn và quán tính cao hơn, động cơ rôto bên ngoài có phản ứng động tương đối chậm hơn nhưng hoạt động trơn tru hơn với tốc độ dao động ít hơn.

3. Tản nhiệt: 'Bộ tản nhiệt tích hợp' của rôto bên ngoài

Vỏ rôto của động cơ rôto bên ngoài tiếp xúc trực tiếp với không khí, mang lại diện tích tản nhiệt lớn. Nhiệt có thể nhanh chóng được giải phóng ra môi trường bên ngoài, phù hợp cho hoạt động lâu dài, công suất cao. Trong động cơ rôto bên trong, cuộn dây stato được bao bọc bởi rôto bên ngoài, giữ nhiệt bên trong và khiến nhiệt khó tiêu tán. Điều này đòi hỏi phải dựa vào đế động cơ hoặc các cấu trúc dẫn nhiệt bổ sung để quản lý nhiệt. Sự khác biệt này trở nên quan trọng trong điều kiện tải cao liên tục.

4. Kiểm soát độ chính xác: Mỗi cái đều có điểm mạnh

Về độ chính xác của việc định vị, cả hai đều có sự bổ sung thú vị. Động cơ rôto bên trong, với khả năng phản hồi động nhanh, phù hợp hơn cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ phản hồi định vị cao. Động cơ cánh quạt bên ngoài, với khả năng vận hành êm ái và độ gợn sóng mô-men xoắn thấp, phù hợp hơn với các tình huống đòi hỏi độ chính xác định vị nghiêm ngặt và chuyển động mượt mà.

5. Độ phức tạp về cấu trúc và khó khăn trong lắp đặt

Vỏ rôto bên ngoài phải đồng thời thực hiện nhiều chức năng: dẫn từ thông, tản nhiệt và mang nam châm vĩnh cửu. Điều này đặt ra nhu cầu cao hơn về vật liệu và quy trình sản xuất, dẫn đến chi phí tương đối cao hơn. Việc lắp đặt cũng yêu cầu kiểm soát chính xác tính đồng nhất và độ đồng trục của khe hở không khí giữa stato và rôto, khiến việc lắp đặt trở nên khó khăn hơn so với động cơ rôto bên trong. Động cơ cánh quạt bên trong có cấu trúc tương đối đơn giản hơn và chi phí thấp hơn, hiện là lựa chọn chủ đạo trong lĩnh vực robot hình người.

6. Phương pháp tích hợp và sử dụng không gian

Động cơ rôto bên trong có kết cấu nhỏ gọn, thon dài, thích hợp để lắp vào những không gian khe hẹp. Động cơ cánh quạt bên ngoài có cấu trúc phẳng, giống bánh kếp, giúp dễ dàng kết nối trực tiếp với con lăn tải hoặc mặt bích, mang lại những ưu điểm độc đáo trong các ứng dụng như bộ truyền động trung tâm và thiết bị cuộn dây.

Để so sánh trực quan, bảng tóm tắt dưới đây rất rõ ràng:

 

04 Lập bản đồ ứng dụng: Phân chia vai trò trong các khớp robot

Nếu sự khác biệt về hiệu suất là 'sức mạnh cứng' thì việc phân chia các kịch bản ứng dụng sẽ phản ánh một cách sinh động những khác biệt này vào thực tế. Trong chế tạo robot, mỗi động cơ cánh quạt bên trong và bên ngoài đều đóng vai trò riêng biệt.

Rôto bên trong: 'Lực chính' cho chuyển động linh hoạt

Trong robot hình người, động cơ mô-men xoắn không khung rôto bên trong, với quán tính thấp và phản ứng nhanh, là lựa chọn ưu tiên cho các khớp yêu cầu khởi động, dừng thường xuyên và điều chỉnh tư thế nhanh chóng, chẳng hạn như thắt lưng và vai. Chúng hiện chiếm  hơn 70% lựa chọn động cơ mô-men xoắn không khung trong robot hình người.

Các khớp quay của Tesla Optimus sử dụng rộng rãi các động cơ mô-men xoắn không khung rôto bên trong, kết hợp với bộ giảm tốc điều hòa và cảm biến mô-men xoắn, để cung cấp công suất đầu ra kết hợp lực nổ và độ chính xác cho các khớp lớn như vai và hông. Trong lĩnh vực robot bốn chân, MIT Cheetah ban đầu cũng chọn cấu hình rôto bên trong cho thiết kế bộ truyền động cảm nhận bản thân của mình.

Rôto bên ngoài: 'Nhà máy điện' cho khả năng chịu tải và chống va đập

Mô-men xoắn cao và độ êm ái vượt trội của động cơ cánh quạt ngoài khiến chúng không thể thay thế được trong các khớp chịu tải nặng. Các công ty trong nước đã đạt được những bước đột phá về mặt công nghiệp với động cơ không khung cánh quạt bên ngoài, đạt mô-men xoắn đầu ra tối đa 285 Nm (để so sánh, các mẫu động cơ cánh quạt bên trong phổ thông đạt đỉnh 50-150 Nm). Những động cơ này có thể vượt qua các bài kiểm tra khả năng chống va đập ở mức gấp 5 lần mô-men xoắn định mức, xử lý bình tĩnh các hành động có cường độ cao như nhảy và chịu tải.

Trong lĩnh vực robot công nghiệp, động cơ cánh quạt ngoài được sử dụng rộng rãi ở các khớp thắt lưng và cổ tay đòi hỏi mô-men xoắn và độ chính xác cao. Trong số các robot bốn chân, MIT Cheetah Mini sử dụng cấu hình cánh quạt bên ngoài, tận dụng tối đa cấu trúc phẳng và lợi thế mô-men xoắn cao để đạt được thiết kế khớp nhỏ gọn.

Các ứng dụng chéo: Từ robot đến một thế giới rộng lớn hơn

Bối cảnh ứng dụng của hai loại động cơ này vượt xa các khớp nối của robot. Động cơ cánh quạt bên ngoài, với cấu trúc phẳng và đặc tính mô-men xoắn cao, vượt trội trong các bộ truyền động trung tâm (xe đạp điện, xe tay ga điện tử), thiết bị hình ảnh y tế (bộ phận quay của máy quét CT) và gimbal chính xác. Động cơ cánh quạt bên trong, tận dụng lợi thế đáp ứng tốc độ cao của nó, được sử dụng rộng rãi trong các trục quay tốc độ cao (máy CNC, máy khắc), hệ thống đẩy máy bay không người lái và các hệ thống servo nhỏ khác nhau. Trong rô-bốt cộng tác và khung ngoài, cả hai đều có thế mạnh riêng—các kịch bản khung ngoài có xu hướng sử dụng động cơ cánh quạt bên ngoài với hộp số hành tinh tích hợp, trong khi rô-bốt hợp tác chủ yếu sử dụng động cơ mô-men xoắn không khung được tích hợp với bộ giảm tốc điều hòa.

05 Xu hướng công nghệ và triển vọng thị trường

Động cơ mô-men xoắn không khung đang trong kỷ nguyên vàng phát triển nhanh chóng. Theo QYResearch, doanh số toàn cầu của động cơ mô-men xoắn không khung đạt 5,461 tỷ RMB (khoảng 803 triệu USD) vào năm 2025 và được dự đoán sẽ tăng lên 9,63 tỷ RMB (khoảng 1,416 tỷ USD) vào năm 2032, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm khoảng 8,4%.

Động lực cốt lõi của sự tăng trưởng này là sự bùng nổ của ngành công nghiệp robot hình người. Một nghiên cứu dự đoán rằng đến năm 2030, không gian thị trường toàn cầu cho động cơ robot hình người có thể đạt 91,76 tỷ RMB, trong đó riêng phân khúc động cơ mô-men xoắn không khung dành cho robot hình người đạt 2,397 tỷ USD.

Về mặt phát triển công nghệ, rôto bên ngoài và rôto bên trong nằm trên những lộ trình phát triển riêng biệt: động cơ rôto bên trong tiếp tục tối ưu hóa để có mật độ công suất cao hơn và mô men xoắn thấp hơn, củng cố vị trí chủ đạo của chúng trong các khớp nối của rô bốt hình người. Động cơ cánh quạt bên ngoài đang đột phá hướng tới công suất mô-men xoắn cao hơn và thiết kế nhiệt tốt hơn. Trong khi đó, chi phí của chúng đang giảm dần khi các quy trình sản xuất hoàn thiện, hứa hẹn sẽ thay thế các giải pháp truyền thống trong các mối nối chịu tải nặng hơn và các kịch bản công nghiệp.

06 Tổng hợp và khuyến nghị lựa chọn

Không có sự vượt trội tuyệt đối giữa động cơ mô-men xoắn không khung rôto bên ngoài và bên trong. Điều quan trọng là  'điều chỉnh động cơ cho khớp.'  Các nguyên tắc lựa chọn sau đây có thể dùng làm tài liệu tham khảo:

• Xem xét tải trọng:  Đối với các khớp chịu tải nặng, tốc độ thấp, mô-men xoắn cao (như khớp háng và đầu gối), hãy ưu tiên động cơ cánh quạt ngoài. Đối với các khớp khởi động/dừng tải nhẹ, tốc độ cao, thường xuyên (như vai và cổ tay), động cơ rôto bên trong sẽ phù hợp hơn.

•  Xem xét không gian:  Đối với các khớp nối thanh mảnh có không gian dọc trục rộng nhưng không gian xuyên tâm chật hẹp, động cơ rôto bên trong sẽ rất phù hợp. Đối với các tình huống có không gian xuyên tâm tương đối lỏng lẻo đòi hỏi thiết kế phẳng, động cơ cánh quạt bên ngoài có lợi thế rõ ràng.

• Xem xét các điều kiện làm mát:  Đối với hoạt động tải nặng, thời gian dài trong đó việc làm mát phụ thuộc vào sự đối lưu tự nhiên, động cơ cánh quạt bên ngoài sẽ đáng tin cậy hơn.

• Xem xét chi phí và lắp đặt:  Với ngân sách hạn hẹp hoặc khi cần tích hợp nhanh, động cơ cánh quạt bên trong là lựa chọn thực tế hơn. Đối với các ứng dụng có nhu cầu cao về độ êm của mô-men xoắn và khả năng chống va đập, động cơ cánh quạt bên ngoài rất đáng để đầu tư.

• Xem xét các yêu cầu về độ chính xác:  Chọn động cơ rôto bên trong để đáp ứng định vị nhanh; chọn động cơ rôto bên ngoài để chuyển động mượt mà và định vị chính xác.

Khi robot hình người chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất hàng loạt, quá trình lặp lại công nghệ và công nghiệp hóa động cơ mô-men xoắn không khung đang tăng tốc. Hiểu được sự khác biệt cốt lõi giữa rôto bên ngoài và rôto bên trong sẽ giúp các kỹ sư tìm ra giải pháp tối ưu trong các quyết định lựa chọn phức tạp – giống như việc chọn “cơ” phù hợp cho các khớp ở các vị trí khác nhau; mỗi người có cách tác dụng lực phù hợp nhất.