机器人新增电机需求,伺服电机在众多分类中的脱颖而出。

   日期:2023-01-24     来源:网络整理    作者:离合器网    浏览:197    评论:0    
核心提示:轻量化、高性能是电机行业发展方向。Day)发布人形机器人产品,人形机器人有望催生更大的电机用量需求。伺服电机将是未来人形机器人的主要配臵。Day)发布人形机器人产品。个,较传统工业机器人的电机用量大幅增长。工业机器人:伺服电机用量需求保持稳定增长。人形机器人有望带动空心杯电机用量大幅增长。动力问题是机器人的核心问题,波士顿动力采用液压执行器进行辅助驱动。

指导

人形机器人对电机有了新的要求,伺服电机在多个品类中脱颖而出。

1、机器技术日趋成熟,伺服电机和步进电机是行业主流

1.1 经过200年的技术变革和工业锤炼,电机逐渐成熟

从广义上讲,“电动机”包括电动机、发动机、原动机等一切能实现电能和机械能相互转换的装置,但通常所说的电动机是指电动机。 电动机也称电机,其作用是将电能转化为机械能,产生驱动转矩,作为电器和机械设备的动力源。 电机的发展已有200多年的历史,其发展过程可分为以下四个重要阶段。

第一阶段:基本理论建立,直流电动机问世(1821-1870)。 1821年,法拉第制成世界上第一台实验电机模型,并于1831年发现电磁感应定律。 1832年,Pixie利用磁铁和线圈的相对运动,制成了原始的旋转磁极直流电动机,这就是现在直流发电机的雏形。 1834年至1870年期间,发电机领域发生了三大发明和改进,即永磁体转变为电流线圈,西门子兄弟从蓄电池的单独励磁发展到发电机的自励磁,以及Graham 提出的环形绕组。 可逆性原理被广泛接受,两者同步发展。

第二阶段:直流电机趋于成熟,交流电机开始受到重视(1870-1880)。 1873年,Hefner Altenek发明了鼓形绕线,提高了线材的利用率。 1880年爱迪生提出使用叠层铁芯,进一步降低了铁芯损耗和绕组温升。 鼓形电枢绕组和开槽叠片铁芯结构至今仍在使用。 随着直流电机的广泛应用,其固有的缺点很快暴露出来。 主要问题是远距离输电和电机换向困难。 因此,1880年代以后,人们的目光逐渐转向交流电动机的方向。

第三阶段:交流电动机的诞生及其不断发展(1885-1890)。 1885年,伽利略法拉利提出旋转磁场原理,并研制出两相异步电动机模型。 1886年,尼古拉·特斯拉也独立研制出两相异步电动机。 1889年,Dolivo Dob Rovolsky制成三相交流单鼠笼式异步电动机。 与单相和两相系统相比,三相系统效率高,铜耗少。 比率和材料利用率都得到了显着提高。 交流电动机的研制,特别是三相交流电动机的研制成功,为远距离输电创造了条件,使电气技术上了一个新台阶。

第四阶段:电机理论、设计、制造技术逐步完善(20世纪至21世纪)。 进入20世纪,工业的高速发展不断对电机提出新的要求,自动化的特殊需求使得控制电机和特种电机得到快速发展。 同时,这一时期电机理论不断丰富,材料和冷却技术不断改进,交直流电机的单机容量、功率密度和材料利用率均有显着提高。

第五阶段:永磁电机是21世纪(21世纪至今)电机发展的方向。 进入21世纪,专用化、轻量化、高性能是电机工业的发展方向。 在专业化的基础上,特种电机的节电潜力非常大。 永磁电机控制性能好、节能、体积小,可以通过改变频率进行调节,容易做成低速直驱。 它在医疗器械、视听产品、计算机、数控机床、电动车、航天产品等领域得到广泛应用。 同时,在轻量化需求下,永磁伺服电机中的小功率空心杯电机等微型电机开始受到各行业的关注。

1.2 仿人机器人电机新需求,伺服电机多品类脱颖而出

电动机的种类很多,按用途可分为动力电动机和控制电动机两大类。 动力电机功率大,着重于电机的启动、运行和制动等性能指标,而控制电机输出功率小,着重于电机的性能。 控制精度、响应速度等指标。 动力电机:按运动方式可分为旋转电机和直线电机。 旋转电机按其电压特性分为直流电机和交流电机。 直流电机按内部是否有碳刷可分为有刷电机和无刷电机; 交流电动机按结构可分为同步电动机和异步电动机。 不同的数字可分为三相交流电动机和单相交流电动机。 根据转子结构的不同,交流电动机还可分为笼型和绕线转子型,其中笼型三相异步电动机是应用最广泛的动力电动机。 控制电机:根据控制方式和用途不同,可分为步进电机、伺服电机、测速电机、力矩电机(也称直驱电机)等。其中步进电机是一种电脉冲信号转换成角位移或直线位移电机,每个脉冲信号对应一个角度,速度与脉冲频率有关。 从整体上看,控制电机与动力电机相比,增加了控制电路,但电机部分与动力电机没有本质区别,仍可按动力电机的分类方法进行划分。

伺服和步进电机是控制电机下的主要产品,伺服电机的优势更加明显。 步进电机是将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的电机。 每输入一个脉冲信号,转子旋转一个角度或前进一步,输出的角位移或线位移与输入脉冲数成正比。 Proportional,转速与脉冲频率成正比。 伺服电机是一种辅助电机间接变速装置,可以控制速度,位置精度非常准确。 伺服电机分为两大类:直流伺服电机和交流伺服电机。 其主要特点是信号电压为零时不旋转。 ,转速随着转矩的增加而匀速下降。 在数字化控制的发展趋势下,步进电机或全数字式交流伺服电机作为运动控制系统中的执行电机居多。 两者在控制方式(脉冲信号和方向信号)上相似,但在性能和应用上存在差异。 步进电机通常采用开环控制,容易失速或与控制器失去同步。 伺服电机为闭环控制,通过实时闭环信号反馈进行调整,实现更精确的控制。 总的来说,伺服电机在控制精度、低频特性、过载能力、速度响应等方面都优于步进电机,更适用于工业自动化、机器人等领域。 然而,步进电机具有成本效益优势。 在一些要求不高的地方还是可以用的。

人形机器人增加了更多的电机要求,伺服电机和步进电机都可以适应。 特斯拉预计将在9月30日特斯拉第二个人工智能日(AI Day)发布人形机器人产品。人形机器人有望产生更大的电机使用需求。 从电机消耗量来看,单人形机器人使用的电机超过40个。 对于所使用的电机产品,控制精度更高、广泛应用于工业机器人和通用自动化的伺服电机将是未来仿人机器人最重要的组成部分。 主要配置。 此外,对于步进电机,它对人形机器人的眼睛有很好的适应性。 在目前的学术研究和实验设计中,在机器人的仿生眼中使用步进电机是一种理想而可靠的选择,因为仿生眼需要具有与人类相同的视觉功能,而且体积小。 要求驱动相机的驱动机构具有小尺寸并提供两个自由度(180°)。 位置控制,保证运行平稳,因此在人形机器人眼中安装步进电机具有更好的适应性。

2、人形机器人时代来临,伺服电机需求有望爆发

2.1 伺服电机种类繁多,高效+轻量化+小型化产品是未来发展方向

伺服电机产业链层次分明,稀土磁体是必不可少的原材料。 伺服电机产业链涉及稀土磁体、电子元器件、伺服系统制造、机器人等。从上游来看,伺服电机产业上游主要是稀土磁体和电子元器件等材料。 稀土磁体是伺服电机的制造工艺。 必不可少的原材料。 从中游来看,伺服系统除了伺服电机的制造,还包括伺服驱动器的制造和数控系统的研发。 在下游,伺服电机可广泛应用于医疗器械、机器人制造、汽车制造和工业设备制造等领域,具有广阔的应用前景。

国内伺服电机市场规模近200亿元,汇川科技引领国产替代浪潮。 近年来,我国伺服电机市场规模稳步增长。 据工控网数据显示,2021年我国伺服电机市场规模约为169亿元,2017-2021年CAGR约为10%,受下游工业机器人、医疗设备、电子制造设备影响等。由于产业扩张的影响,伺服电机在新兴产业的应用规模也越来越大。 从竞争格局来看,汇川科技已占据国内领先地位。 根据MIR DATABANK数据显示,2021年上半年,在国产品牌中,汇川科技以15.9%的市场份额首次位居国内市场份额第一。 除汇川电机外,排名靠前的电机厂商仍以日本和台湾为主,包括日本安川(11.9%)、台湾台达(8.9%)、日本松下(8.8%)和日本三菱(8.3%),其中CR5工业为53.8%,集中度较高。 不过,从国内其他厂商的竞争力来看,在汇川技术的带领下,国内不少电机企业开始迎头赶上。 包括和川科技、江苏雷力、MOONS' Electric在内的众多国产品牌都推出了自己成熟的伺服电机。 产品,并开始在市场上崭露头角。

在分类方面,以普通伺服电机、舵机和空心杯电机为主。 普通伺服电机主要分为直流伺服电机和交流伺服电机。 其中,直流电动机将直流电能转化为机械能。 按励磁方式分为永磁式、他励式和自励式三种。 ,根据有无电刷(碳刷)也可分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机。

碳刷:碳刷用在电机的换向器或滑环上,作为输出和输入电流的滑动接触体。 具有良好的导电、导热和润滑性能,并具有一定的机械强度和可逆的火花本能。 几乎所有的有刷电机都使用碳刷,碳刷是有刷电机的重要组成部分。 根据有无碳刷,直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机。 有刷电机成本低,结构简单,易于控制,需要维护。 但由于维修不便(更换碳刷),会产生电磁干扰。 为了提高直流电机的使用寿命和运行稳定性,降低直流电机的噪音和电磁干扰,无刷直流电机有逐步取代有刷电机的趋势。 对于交流伺服电机,一般没有恒定磁场,所以不需要换向器,也不需要电刷,所以也是无刷电机的一种,分为同步电机和异步电机。

空心杯电机是直流电机的一种特殊形式。 伺服电机中还有一种直流永磁伺服控制电机,即空心杯电机,体积小,效率高,属于微型电机的一种。 空心杯电机由外壳、线圈、后盖、磁铁和换向器组成。 线圈形似水杯,故称空心杯。 转子,又称空心杯转子,这种转子结构完全消除了铁芯形成的涡流造成的功率损耗,同时其重量和转动惯量大大降低,从而减少了电机的机械能损耗转子本身。 另外,根据有无电刷,空心杯电机还可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机。

以空心杯电机为代表的新型电机具有高效、轻量化、小型化等特点,也是伺服电机未来的发展方向。 在全球节能环保理念广泛普及的背景下,高效、环保、节能电机已成为世界电机行业发展规划的共识。 空心杯电机、直流无刷电机、伺服电动缸等电机功率密度更高,符合绿色环保低碳理念,将逐步渗透到家电、机器人等耗电大、使用频率高的领域在将来。 此外,工业机器人、家用电器等设备也越来越节能、小型化、智能化。 电机作为执行元件的重要组成部分,对轻量化、小型化和响应速度的要求越来越高。 . 以无槽无刷电机为例,近年来无刷直流电机越来越多地替代有刷直流电机,尤其是在高速、长寿命的应用场景中。 绕组一般采用开槽设计,铁芯的齿槽会在磁场中产生齿槽转矩,引起电机的转矩波动、振动和噪声,影响电机的低速性能和速度精度控制系统。 因此,逐渐开发出采用无槽设计的无刷直流电机。 与传统有槽无刷电机相比,具有体积更小、成本更低、功率密度更高、过载能力更强等诸多优点。 综合来看,我们认为以空心杯电机、伺服电动缸、无槽无刷电机为代表的新型电机正逐步朝着高效、轻量化、低成本的方向取得突破。 有望成为产业发展趋势,各类产品将进一步加速在机器人、家电、汽车等领域的渗透。

2.2 仿真人形结构带动伺服电机消费量迎来指数级增长

Tesla Bot即将面世,人形机器人将带来更多想象空间。 特斯拉有望在9月30日特斯拉第二个人工智能日(AI Day)发布人形机器人产品。这款机器人采用了特斯拉最先进的AI技术,基于特斯拉在自动驾驶领域的技术积累而研发。 它被称为2022年最重要的产品开发项目,甚至可能比汽车业务还要重要。 从公布的参数来看,特斯拉人形机器人的主要配置包括:1)身高5英尺8英寸(约1.73米); 2)头顶显示屏,显示信息; 3)一个摄像头,使用Autopilot作为视觉感知传感器,共八个摄像头; 4)以FSD Computer为计算核心; 5)颈部、手臂、手部、腿部和躯干上共安装了40个机电致动器; 6) 配备多摄像头神经网络,基于神经网络 7) 由轻质材料制成,最高时速可达 5 英里/小时。

单个人形机器人的电机消耗超过40个,与传统工业机器人的电机消耗相比有大幅增长。 从传统工业机器人的角度来看,可以分为几类:多关节、SCARA、Delta、协作机器人。 我们根据它们各自的自由度(关节数)对其进行细分。 多关节机器人和协作机器人多为六轴,单个六轴机器人的六个自由度对应六个电机的要求。 SCARA 机器人具有三个相互平行的旋转轴和一个直线轴,因此四个自由度对应四个电机。 Delta机器人为并联结构,由三个从动臂由3个电机组成,第四个电机安装在旋转末端执行器的位置。 目前新一代Delta机器人普遍采用直驱力矩电机代替伺服电机,但数量取决于单个机器人的大小。 电机数量依然是4个,特斯拉Optimus将配备约40个电机,实现对颈部、手臂、手指、躯干、腿部等部位的控制。 与传统工业机器人和服务机器人相比,电机数量大幅增加。

工业机器人:伺服电机需求保持稳定增长。 根据MIR数据,2021年我国工业机器人销量为25.7万台,其中多关节/SCARA/Delta/协作机器人占比分别为61.9%/29.1%/6.0%/3.0%。 假设各类机器人销量占比基本保持稳定,预计2025年我国工业机器人销量有望突破45万台。同时,我们做出如下假设:1)假设既关节机器人和协作机器人为六轴机器人; 2)台达机器人采用伺服电机替代新一代力矩电机; 3)按照多关节/SCARA/delta/cooperative 机器人单个伺服电机分别使用6/4/4/6组进行计算。 在此假设下,预计2025年我国工业机器人电机消费量有望突破240万台,整体需求将保持稳定向上增长。

人形机器人:伺服电机需求呈指数级增长,产业链迎来黄金时代人形机器人预计有 40 多个关节。 我们按照40个关节的数量来计算,对应40个电机的消耗,包括颈部、手臂、手指、躯干、腿部等部位。 在此假设下,预计相应的人形机器人电机用量将达到4000万台,较传统工业机器人电机需求量有大幅增长。 考虑到不同部位配置的电机功率大小不同,价格也不同。 我们假设单台电机均价为1200元,单台人形机器人电机价值有望达到4.8万元。 以100万台销量计算,人形机器人有望带来480亿的增量市场空间。

2.3 仿人机器人手指关节自由度提高,空心杯电机贴合性强

在更加灵活的应用场景驱动下,仿人机器人的手指应该拥有更高的自由度。 人形机器人的重点是替代人类的部分工作场景,同时进行更好的交互,辅助人类的工作。 因此,它将面临更加多样化和复杂的应用场景。 因此电磁制动器价格,赋予它的指关节更高的自由度,使其具备抓取、传球等基本功能是关键。 考虑到仿人机器人的仿真,手指关节需要配备体积小、输出力大的电机。 我们认为,节能、灵敏、小型的空心杯电机和伺服电机与丝杆一体化的模块化产品电缸,自然适合仿人机器人的手指关节。

空心杯电机:优势明显,非常适合仿人机器人。 空心杯电机是一种微型直流永磁伺服电机,可以利用永磁体产生磁场来实现直流供电。 与传统电机不同的是,无铁芯电机的结构是转子没有铁芯。 转子无铁芯的结构设计,一是可以降低电机的质量,二是可以降低电机的机械损耗,便于延长电机的寿命。 消除铁芯引起的铁损,提高效率。 空心杯电机可分为无刷空心杯电机和有刷空心杯电机。 作为一种高效的能量转换装置,优势明显: 1)节能:能量转换效率高,最高效率一般在70%以上; 2)控制特点:起、制动快,响应极快,高速时调速灵敏; 3)运行平稳可靠,速度波动小,可轻松控制在2%以内 4)重量轻,体积小:空心杯电机的能量密度大大提高,与同功率的铁芯电机相比,其重量和体积减少了三分之一以上。 由于空心杯电机克服了铁芯电机难以逾越的技术壁垒,被广泛应用于军事、各种工业产品、高新技术、民用电器等各个领域。 对于工业机器人、仿生假肢等,空心杯电机凭借其快速响应的伺服系统可以发挥很好的作用。 对于仿人机器人而言,空心杯电机除了响应速度快外,体积小、重量轻、节能等特点非常符合仿人机器人的需求。 随着人形机器人时代的到来,空心杯电机有望迎来需求爆发。

海外品牌占据高端市场,国产产品性价比优势明显。 由于空心杯电机是微电机的一种,而微电机又是技术密集型产业,起源于瑞士,发展于日本,后来随着技术的扩散逐渐转移到发展中国家。 还是有一定的差距。 从微特电机下游来看,信息处理、家电和兵器、航空等领域占据主要份额。 目前,在IT微特电机领域,日本企业相对领先。 其中,硬盘主轴电机属于技术含量较高的微型电机。 Nidec和inebea是代表性厂商,只有SEMCO(三星电机)等少数几家公司可以供应手机用线性振动电机。 在汽车微特电机领域,日本企业也占据市场主导地位。 日本电产(电产)、阿斯摩(ASMO)、三叶(三叶)、电装(电装)占据主要市场份额,空心杯电机属于新型电机。 国外厂商也加强了产品布局,如Maxon(瑞士)、Faulhaber(德国)等知名微电机厂商已申请了大量空心杯电机相关专利技术。 目前,国内厂商开始在微型专用电机领域,尤其是空心杯电机领域奋起直追电磁制动器价格,不断加速国产替代。 从价格上看,国内厂商的微特电机产品价格从几百元不等,性能也逐渐趋同。 与国外同类型产品相比,性价比优势突出。

人形机器人有望带动空心杯电机消费大幅增长。 考虑到空心杯电机体积更小,更容易装配在机器人的小关节处,在保守假设下,我们假设空心杯电机只用在仿人机器人的手指关节处,只考虑三个手指组装空心杯电机(一只手臂),则单台机器人所需空心杯电机数量为6,中性假设人形机器人销量达到100万台,对应空心杯电机需求量为600万台。

2.4 伺服电动缸满足仿人机器人降低能耗目标,产品需求有望持续增长

动力问题是机器人的核心问题,波士顿动力采用液压执行器进行辅助驱动。 波士顿动力早期的机器人主要采用电机通过齿轮驱动连杆机构,这对于没有负载要求的机器人来说已经足够了,但BigDog以内燃机为动力,需要承载较大的负载,系统能耗高,多倍的能源消耗。 转换和多链路传输造成较大的能量损耗,原设计方案无法满足。 为了提高机器人运行效率、降低功耗和提高运动鲁棒性,波士顿动力公司通过判断关节上负载的类型和大小来选择合适的液压或电动制动器,以最大限度地降低机器人的功耗。 但从其动力来源来看,最主要的驱动方式仍是液压驱动。 腿的上下肢之间的关节大多是液压驱动器。 与纯电动执行器相比,它们可以降低功耗,在提高效率方面还存在一些不足。

伺服电动缸:有望替代液压执行器,完美契合仿人机器人产品的需求导向。 伺服电动缸是将伺服电机和丝杆集成为一体的模块化产品,将伺服电机的旋转运动转换为直线运动。 伺服电动缸通过结构改造,将伺服电机的优点转化为精确的速度控制、精确的位置控制和精确的推力控制,从而实现高精度的直线运动。 从优势上看,伺服电动缸可以快速与PLC等控制系统连接,实现高精度的运动控制。 同时具有噪音低、节能、清洁、刚性高、耐冲击、寿命长、操作维护简单等优点。 能适应恶劣环境工作,广泛应用于造纸行业、化工行业、汽车行业、电子行业、机械自动化行业、焊接行业等领域。 对于人形机器人来说,伺服电动缸的节能、轻量化特点比液压驱动更有优势,符合特斯拉自身的电动化方向,也符合未来人形机器人产品的需求。

伺服电动缸适用于未来仿人机器人多方位的应用场景,需求量有望相应增加。 伺服电动缸高精度运动控制的特点满足了仿人机器人的要求。 同时,低噪音、节能、高刚性、适应恶劣环境等特点满足了当前用户对人形机器人应用场景的期待。 从产品适配来看,伺服电动缸主要针对仿人机器人的膝关节、肘关节、肩关节等关节,起到辅助驱动的作用。 与液压执行器相比,使用伺服电动缸可以在控制成本的同时控制成本。 ,还可以减轻机器人的重量,降低功耗。 We make a conservative forecast, assuming that the servo electric cylinders are only used in the knee, elbow and shoulder joints of humanoid robots, the number of servo electric cylinders required for a single robot is 6, and the neutral assumption is that the sales volume of humanoid robots reaches 1 million units, corresponding to a demand of 6 million coreless motors.

结尾

 
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