Silnik bezrdzeniowy — pomoc humanoidalnym robotom w opanowaniu przyszłości

Roboty humanoidalne stały się gwiazdą w dziedzinie sztucznej inteligencji.

 

W ostatnich latach roboty humanoidalne stały się jednym z przełomowych osiągnięć technologii AI, dzięki ich szerokiemu zastosowaniu w takich dziedzinach jak Medyczny i usługi. Aby promować rozwój tego najnowocześniejszego produktu, kraje na całym świecie wprowadziły polityki i zwiększyły wsparcie dla robotów humanoidalnych i ich kluczowych komponentów. W łańcuchu przemysłu robotów humanoidalnych, silnik bezrdzeniowy jako istotny element układu sterowania ruchem, odgrywa niezastąpioną rolę. Na przykład zręczna ręka humanoidalnego robota Tesli+ wykorzystuje silniki bezrdzeniowe jako główny element, przy czym każdy robot składa 12 z nich (po 6 na każdą rękę). W tym artykule, będącym badaniem silnika bezrdzeniowego+, zbadano jego właściwości techniczne, status rynkowy i perspektywy na przyszłość.

 

 

1. Pojęcie i klasyfikacja silników

Silnik to urządzenie zamieniające energię elektryczną na energię mechaniczną. Działa poprzez wytwarzanie siły w polu magnetycznym poprzez cewkę drutu (uzwojenie stojana), która następnie napędza obrót wirnika. Zasadniczo silnik wykorzystuje efekt siły prądu w polu magnetycznym, aby osiągnąć efektywną konwersję energii.

 

Podstawowa zasada działania silnika:

Wokół obracającego się wału zastosowano magnesy trwałe:

Generując wirujące pole magnetyczne, magnesy wprawiane są w ruch.

W oparciu o zasadę, że „jak bieguny odpychają się, przeciwne bieguny się przyciągają", napędzany jest obracający się wał. Mówiąc najprościej, gdy prąd przepływa przez drut w kształcie cewki, generuje wirujące pole magnetyczne, powodując obrót magnesu.

 

Po włożeniu żelaznego rdzenia do cewki ścieżka strumienia magnetycznego staje się bardziej skoncentrowana, a natężenie pola magnetycznego znacznie wzrasta. W tym momencie pole magnetyczne silnika jest generowane przez połączone działanie prądu cewki i żelaznego rdzenia, tworząc wyraźne bieguny N i S, które wprawiają wirnik w ruch obrotowy.

 

Kluczowe elementy silnika

Stojan:

Stojan jest stacjonarną częścią silnika, a jego struktura rdzenia obejmuje bieguny magnetyczne, uzwojenia i ramę:

Bieguny magnetyczne: wykonane z żelaznego rdzenia i cewek, ich główną funkcją jest generowanie pola magnetycznego.

Uzwojenia: Cewki stojana, zwykle wykonane z materiałów przewodzących i izolacyjnych, służą do wytwarzania siły magnetycznej, gdy przepływa przez nie prąd.

Rama: Zwykle wykonana ze stopu aluminium, który zapewnia wsparcie strukturalne oraz doskonałą odporność na korozję i wytrzymałość.

 

Wirnik:

Wirnik to obracająca się część silnika, składająca się z następujących głównych elementów:

Armatura: Wykonana z przewodników i materiałów izolacyjnych, używana do wytwarzania pola magnetycznego, gdy przepływa przez nią prąd.

Łożyska: Zwykle wykonane ze stali lub ceramiki, o doskonałej odporności na zużycie i korozję, wspomagają obrót wirnika.

Zaślepki końcowe: Wykonane z materiałów takich jak stop aluminium, zapewniają uszczelnienie i wytrzymałość konstrukcyjną silnika.

 

Analizując podstawowe elementy silnika i jego zasady, łatwo zauważyć, że silnik bezrdzeniowy dzięki swoim kompaktowym i wydajnym właściwościom stał się ważną siłą napędową rozwoju technologii robotów humanoidalnych. W przyszłości, wraz z postępem technologii, zastosowanie silników bezrdzeniowych w dziedzinie inteligentnych robotów stanie się jeszcze bardziej powszechne.

 

2. Definicja i klasyfikacja silnika bezrdzeniowego

Narodziny silnika bezrdzeniowego datuje się na rok 1958, kiedy dr F. Faulhaber po raz pierwszy zaproponował technologię cewek skośnych, a w 1965 roku uzyskał powiązany patent, wyznaczając pojawienie się silnika bezrdzeniowego. Jego innowacyjna konstrukcja osiągnęła idealną równowagę pomiędzy rozmiarem silnika i wydajnością. Silnik bezrdzeniowy należy do kategorii serwomotorów prądu stałego z magnesami trwałymi i składa się głównie z dwóch głównych części: stojana i wirnika. Stojan składa się z arkuszy i cewek ze stali krzemowej, a jego unikalna konstrukcja bez szczelin skutecznie pozwala uniknąć efektu zazębienia powszechnie spotykanego w tradycyjnych silnikach, zmniejszając straty żelaza i straty prądu wirowego. Wirnik składa się z magnesu stałego, wału i stałego zespołu, wykorzystującego magnes trwały w kształcie pierścienia, co ułatwia obróbkę i montaż.

 

W porównaniu z tradycyjnymi silnikami najbardziej charakterystyczną cechą silnika bezrdzeniowego jest innowacyjna konstrukcja wirnika. W przeciwieństwie do wirnika z rdzeniem żelaznym w tradycyjnych silnikach, silnik bezrdzeniowy przyjmuje konstrukcję wirnika bez żelaza, zwaną wirnikiem bezrdzeniowym. Wewnątrz jest otoczony zwojami drutu i magnesami, tworząc pustą konstrukcję w kształcie miseczki.

 

W silnikach tradycyjnych funkcją rdzenia żelaznego jest:

1. Koncentracja i kierowanie pola magnetycznego: Żelazny rdzeń jest zwykle wykonany z materiałów o wysokiej przenikalności magnetycznej (takich jak blachy ze stali krzemowej), które skutecznie koncentrują i prowadzą strumień magnetyczny, zwiększając w ten sposób siłę i wydajność pola magnetycznego silnika.

 

2. Podparcie uzwojeń: Żelazny rdzeń zapewnia stabilne podparcie uzwojeń silnika, zapewniając stabilność kształtu i położenia uzwojeń podczas pracy silnika.

 

Natomiast silnik bezrdzeniowy wykorzystuje cienkościenny, pusty w środku cylindryczny wirnik z uzwojeniami bezpośrednio nawiniętymi wokół wirnika, co eliminuje potrzebę dodatkowego wspornika żelaznego rdzenia.

 

Zalety konstrukcji bez żelaza są bardzo znaczące:

1. Eliminacja strat prądu wirowego i histerezy: W tradycyjnych silnikach żelazny rdzeń łatwo generuje prądy wirowe i straty histerezy w zmiennym polu magnetycznym, co zmniejsza wydajność silnika. Silnik bezrdzeniowy, ze względu na brak rdzenia żelaznego, eliminuje te straty, znacznie poprawiając efektywność konwersji energii w silniku.

 

2. Zmniejszenie ciężaru i zmniejszenie bezwładności obrotowej: Konstrukcja pozbawiona żelaza sprawia, że ​​wirnik jest lżejszy, zmniejszając bezwładność obrotową, co skutkuje krótszym czasem reakcji, szybszym uruchamianiem i zatrzymywaniem, i doskonale nadaje się do zastosowań wymagających dużych przyspieszeń i czasów reakcji.

 

Dzięki precyzyjnie zaprojektowanej pustej cylindrycznej strukturze i zoptymalizowanemu układowi uzwojeń, silnik bezrdzeniowy może lepiej rozprowadzać pole magnetyczne, zmniejszać wyciek magnetyczny i jeszcze bardziej poprawiać wydajność operacyjną i wydajność silnika.

 

Klasyfikacja silników bezrdzeniowych

Silniki bezrdzeniowe są ogólnie podzielone na dwie kategorie w oparciu o metodę komutacji:

Bezrdzeniowy silnik szczotkowy: Ten typ silnika wykorzystuje mechaniczne szczotki węglowe do komutacji.

 

Bezrdzeniowy silnik bezszczotkowy: W tym silniku do komutacji zastosowano komutację elektroniczną zamiast tradycyjnych szczotek węglowych. Taka konstrukcja nie tylko eliminuje iskry elektryczne i cząsteczki pyłu węglowego powszechnie występujące w tradycyjnych silnikach, redukując hałas, ale także znacznie wydłuża żywotność silnika.

 

Porównując różne produkty, jasne jest, że bezszczotkowy silnik bezrdzeniowy nie wymaga już szczotek węglowych, lecz zamiast tego wykorzystuje czujniki Halla do wykrywania zmian pola magnetycznego wirnika w czasie rzeczywistym, przekształcając komutację mechaniczną na sygnały elektroniczne do komutacji. Taka konstrukcja znacznie upraszcza fizyczną strukturę silnika, czyniąc go bardziej wydajnym i trwałym.

 

Tabela: Porównanie szczotkowych i bezszczotkowych silników prądu stałego
Kategoria	Bezszczotkowy silnik prądu stałego	Szczotkowany silnik prądu stałego
Komutacja	Elektroniczny komutator przełącznika	Szczotka ma kontakt mechaniczny z częścią prostowniczą
Cechy strukturalne	Ogólnie rzecz biorąc, wirnik jest magnesem trwałym, a stojan jest twornikiem	Ogólnie rzecz biorąc, wirnik jest twornikiem, a stojan jest magnesem trwałym
Metoda odwrócenia	Zmień kolejność komutatora przełącznika elektronicznego	Zmień polaryzację napięcia na zaciskach
Zalety	Dobra wydajność mechaniczna, długa żywotność, niski poziom hałasu, dobre odprowadzanie ciepła	Dobra wydajność mechaniczna, niski koszt
Wady	Nieco wyższy koszt początkowy	Wysoki poziom hałasu, słabe odprowadzanie ciepła, komutacja wymaga konserwacji

 

3. Zalety silnika bezrdzeniowego

Silnik bezrdzeniowy, dzięki innowacyjnej konstrukcji wirnika, przełamuje ograniczenia tradycyjnych wirników silników i znacznie zmniejsza straty prądów wirowych powodowane przez żelazny rdzeń.Jednocześnie taka konstrukcja skutecznie zmniejsza masę silnika i zmniejsza jego bezwładność obrotową, minimalizując w ten sposób straty energii mechanicznej wirnika podczas ruchu. Ogólnie rzecz biorąc, silnik bezrdzeniowy charakteryzuje się znaczącymi zaletami w wielu obszarach, w tym dużej gęstości mocy, długiej żywotności, szybkiej reakcji, wysokim szczytowym momencie obrotowym i doskonałej wydajności rozpraszania ciepła.

 

Wysoka gęstość mocy

Gęstość mocy silnika bezrdzeniowego odnosi się do mocy wyjściowej na jednostkę objętości lub na jednostkę masy. W porównaniu do tradycyjnych silników, silnik bezrdzeniowy jest lżejszy i bardziej wydajny dzięki pozbawionemu żelaza wirnikowi. Wirnik pozbawiony żelaza eliminuje straty prądu wirowego i histerezy powodowane przez żelazny rdzeń, poprawiając wydajność miniaturowego silnika, a tym samym umożliwiając mu zapewnienie większej mocy wyjściowej i momentu obrotowego przy mniejszej objętości. Sprawność silnika bezrdzeniowego zwykle sięga ponad 80%, podczas gdy sprawność tradycyjnych silników szczotkowych prądu stałego jest na ogół znacznie niższa i zwykle wynosi około 50%. Dlatego silnik bezrdzeniowy szczególnie nadaje się do urządzeń zasilanych bateryjnie, wymagających długotrwałej, stabilnej pracy, takich jak przenośne pompy do pobierania próbek powietrza, roboty humanoidalne, ręce bioniczne i ręczne elektronarzędzia.

 

Wysoka gęstość momentu obrotowego

Dzięki konstrukcji pozbawionej żelaza wirnik silnika bezrdzeniowego jest nie tylko lekki, ale także ma mniejszą bezwładność obrotową, co oznacza, że ​​silnik może szybko przyspieszać i zwalniać, generując większy moment obrotowy w krótszym czasie. Ponadto, dzięki bardziej zwartej konstrukcji pozbawionego żelaza wirnika, silnik bezrdzeniowy jest w stanie zapewnić wyższy moment obrotowy na ograniczonej przestrzeni.

 

Długa żywotność

Silnik bezrdzeniowy posiada więcej segmentów komutatora, a wahania prądu podczas procesu komutacji są mniejsze, co zmniejsza indukcyjność i znacznie zmniejsza elektrokorozję układu silnika podczas komutacji. Dlatego żywotność silnika bezrdzeniowego jest znacznie dłuższa niż w przypadku tradycyjnych szczotkowych silników prądu stałego. Według powiązanych badań oczekiwana żywotność silnika bezrdzeniowego wynosi zwykle od 1000 do 3000 godzin, podczas gdy szczotkowych silników prądu stałego wynosi zwykle tylko kilkaset godzin.

 

Szybka reakcja

Tradycyjne silniki, ze względu na obecność żelaznego rdzenia, mają większą bezwładność obrotową, a co za tym idzie wolniejsze czasy reakcji. Natomiast silnik bezrdzeniowy ma zwartą konstrukcję i wykorzystuje samonośną cewkę w kształcie misy jako wirnik, dzięki czemu jest lżejszy i zmniejsza jego bezwładność obrotową. Dzięki temu silnik bezrdzeniowy ma bardzo wrażliwą charakterystykę start-stop. Według powiązanych danych mechaniczna stała czasowa silnika bezrdzeniowego wynosi zazwyczaj mniej niż 28 ms, a w przypadku niektórych produktów nawet poniżej 10 ms, co znacznie przewyższa stałą czasową 100 ms tradycyjnych silników z rdzeniem żelaznym.

Wysoki moment obrotowy

Silnik bezrdzeniowy może osiągnąć większy szczytowy moment obrotowy w krótkim czasie, ponieważ stały moment obrotowy silnika pozostaje stabilny podczas wzrostu prądu, a między prądem a momentem obrotowym istnieje liniowa zależność. Natomiast tradycyjne silniki prądu stałego z rdzeniem żelaznym nie mogą już zwiększać momentu obrotowego po osiągnięciu punktu nasycenia.

 

Doskonała wydajność rozpraszania ciepła

Powierzchnia wirnika silnika bezrdzeniowego umożliwia przepływ powietrza, zapewniając lepsze odprowadzanie ciepła niż w przypadku tradycyjnych silników z rdzeniem żelaznym. W tradycyjnych silnikach cewka wirnika z rdzeniem żelaznym jest zwykle osadzona w rowkach blachy ze stali krzemowej, co skutkuje mniejszym przepływem powietrza na powierzchni cewki i większym wzrostem temperatury. Przy tych samych warunkach mocy wyjściowej silnik bezrdzeniowy charakteryzuje się znacznie niższym wzrostem temperatury i bardziej efektywnym odprowadzaniem ciepła.

 

4. Ścieżka techniczna silnika bezrdzeniowego

Kluczowym procesem w produkcji silników bezrdzeniowych jest wytwarzanie cewki, dlatego konstrukcja i proces nawijania cewki stają się barierami technicznymi. Średnica drutu, liczba zwojów i charakterystyka liniowa drutu bezpośrednio wpływają na parametry rdzenia silnika, natomiast sposób uzwojenia bezpośrednio determinuje sprawność i wydajność silnika.

 

Projektowanie cewek i metody nawijania

Konstrukcja uzwojenia silnika bezrdzeniowego obejmuje głównie uzwojenie proste, uzwojenie skośne i uzwojenie siodłowe.

 

Uzwojenie proste: Ta metoda nawijania obejmuje cewki, w których drut jest równoległy do ​​osi silnika, tworząc skoncentrowane uzwojenie. Chociaż konstrukcja ta jest prosta, końcowe części twornika nie mogą generować efektywnego momentu obrotowego, co zwiększa ciężar i opór twornika.

 

Uzwojenie skośne: Znane również jako uzwojenie o strukturze plastra miodu, metoda ta wykorzystuje uzwojenie kątowe, w którym końcowe części uzwojenia są mniejsze i nie ma uzwojeń końcowych. W porównaniu z uzwojeniem prostym, uzwojenie skośne zmniejsza ciężar i bezwładność obrotową twornika, poprawiając zdolność przyspieszania silnika i wyjściowy moment obrotowy. Takie marki jak niemiecki Faulhaber i szwajcarski Portescap powszechnie korzystają z tego projektu.

 

Nawijanie siodełkowe: Ta metoda nawijania wykorzystuje samospajający emaliowany drut i poprawia szybkość wypełniania szczelin poprzez wielokrotne procesy kształtowania i układania. Uzwojenie siodłowe może skutecznie zmniejszyć szczelinę powietrzną i zwiększyć stopień wykorzystania magnesu trwałego, poprawiając w ten sposób gęstość mocy silnika. Niektóre produkty szwajcarskiej firmy Maxon wykorzystują tę krętą konstrukcję.

 

Te różne metody uzwojenia mają istotny wpływ na wydajność, moc i moment obrotowy silnika bezrdzeniowego, a także określają koszt produkcji silnika i odpowiednie scenariusze zastosowań.

 

Klasyfikacja procesów nawijania

Z punktu widzenia technologii produkcji procesy formowania cewek silników bezrdzeniowych można podzielić na trzy kategorie: nawijanie ręczne, technologia produkcji uzwojeń cewek i technologia produkcji formowania jednoetapowego.

 

1. Nakręcanie ręczne

Nakręcanie ręczne to rzemieślniczy proces produkcyjny obejmujący szereg złożonych etapów, takich jak wkładanie szpilki, ręczne nawijanie i ręczne układanie nawijania. Chociaż metoda ta jest odpowiednia w przypadku produktów wysoce spersonalizowanych, jej wydajność produkcji jest stosunkowo niska, a konsystencja i stabilność produktów są ograniczone. Dlatego proces ten jest częściej stosowany w przypadku produkcji małych partii lub produkcji o specjalnych wymaganiach.

 

2. Technologia produkcji uzwojeń cewek

Technologia produkcji uzwojeń cewek to proces półautomatyczny, podczas którego drut emaliowany nawijany jest na wrzeciono o przekroju diamentowym w określonej kolejności. Po osiągnięciu wymaganej długości cewkę wyjmuje się, a następnie spłaszcza w formie płyty drucianej, która następnie jest zwijana w cewkę w kształcie miseczki. Proces ten charakteryzuje się wyższą wydajnością produkcji i może zaspokoić potrzeby produkcyjne na średnią skalę. Według danych zawartych w artykule „Proces nawijania cewek i sprzęt do produkcji tworników bezrdzeniowych" sprzęt zatrudniający czterech pracowników może osiągnąć roczną produkcję na poziomie 30000 jednostek. Jednakże ograniczeniem technologii nawijania cewek jest to, że nadaje się ona przede wszystkim do cewek bezrdzeniowych o średnicy 20-30 mm. W przypadku mniejszych cewek o średnicach mniejszych niż 10-12 mm, zwłaszcza tych z odstępem gwintowników mniejszym niż 7 mm, nawijanie staje się trudniejsze. Dodatkowo proces nawijania cewek wymaga znacznej pracy ręcznej, co może mieć wpływ na konsystencję produktu.

 

3. Technologia produkcji formowania jednoetapowego

Technologia produkcji jednoetapowego formowania wykorzystuje wysoce zautomatyzowany sprzęt do nawijania emaliowanego drutu na wrzeciono według określonego wzoru. Po zwinięciu zwoju w kształt miseczki jest on bezpośrednio usuwany w jednym kroku, co eliminuje potrzebę dalszych procesów, takich jak zwijanie lub spłaszczanie. Metoda ta zapewnia wyższy stopień automatyzacji, zapewniając wyższą wydajność produkcji i lepszą spójność produktu. Wymaga to jednak również większych inwestycji początkowych w sprzęt. W porównaniu z technologią uzwojenia cewek, technologia formowania jednoetapowego może wytwarzać większą różnorodność typów i specyfikacji silników, a także może lepiej kontrolować jakość i szczelność układu cewek.

Tabela: Porównanie procesu nawijania i jednoetapowego procesu formowania
	Proces rany	Technologia produkcji formowania jednostkowego
Cena sprzętu	Niski	Wysoki
Stopień automatyzacji	Niski, nie nadaje się do zautomatyzowanej produkcji na dużą skalę	Możliwa jest zautomatyzowana produkcja na dużą skalę
Wskaźnik złomu	Wysoki	Niski
Kompleksowe trudności techniczne	Niski	Wysoki

 

Zobacz więcej:Technologia uzwojenia jest podstawową barierą silnika z pustym kubkiem

 

 

Roboty humanoidalne, zwane także robotami antropomorficznymi, to inteligentne roboty zaprojektowane do pracy i interakcji w środowiskach podobnych do ludzkich. Roboty te zaprojektowano tak, aby naśladowały wygląd i zachowanie człowieka, były w stanie wyczuwać otaczające środowisko, rozpoznawać przedmioty i ludzi, przetwarzać i rozumieć dane przestrzenne oraz zapewniać wydajne i inteligentne usługi. Dzięki integracji czujników, siłowników, algorytmów oraz innego sprzętu i oprogramowania roboty humanoidalne mogą skutecznie postrzegać, przetwarzać informacje i reagować na ludzkie potrzeby.

 

Wraz z ciągłym rozwojem technologii roboty humanoidalne są coraz częściej stosowane w różnych gałęziach przemysłu i oczekuje się, że w przyszłości staną się rynkiem wartym bilion dolarów, dorównującym smartfonom, pojazdom osobowym i innym technologiom. W przemyśle, szczególnie w produkcji, roboty humanoidalne mogą zastąpić człowieka w wykonywaniu intensywnych, niebezpiecznych i powtarzalnych zadań, takich jak przenoszenie materiałów, spawanie, polerowanie i nie tylko. Tesla planuje wprowadzić do swoich gigafabryk roboty humanoidalne do obsługi linii montażowych, aby zwiększyć wydajność produkcji i zmniejszyć ryzyko obrażeń pracowników; China General Nuclear Power Group rozważa również rozmieszczenie humanoidalnych robotów w elektrowniach jądrowych; Foxconn pilotuje roboty humanoidalne, aby rozwiązać problemy z kontrolą jakości, rotacją pracowników i złagodzić obciążenie fizyczne spowodowane niektórymi powtarzalnymi zadaniami. Branża usługowa nie jest wyjątkiem. Dzięki doskonałemu postrzeganiu otoczenia i doskonałym możliwościom interakcji człowiek-robot, roboty humanoidalne mogą podejmować zadania, takie jak dostawa i towarzyszenie w restauracjach, szpitalach i innych lokalizacjach, a także służyć jako dostawcy opieki domowej i towarzysze w środowiskach domowych. Na przykład Apollo, robot amerykańskiej firmy Apptronik, służy głównie do zarządzania magazynem i pomaga w transporcie towarów, a czas pracy baterii wynosi 4 godziny; G1, humanoidalny robot ogólnego przeznaczenia opracowany przez Yushu Technology, może wykonywać drobne ruchy, takie jak otwieranie nakrętki butelki.

 

Jeśli chodzi o strukturę robotów humanoidalnych, ogólnie dzieli się je na system wykonawczy, system percepcji i inne systemy. System wykonawczy obejmuje głównie siłowniki liniowe, siłowniki obrotowe i zręczne ręce. System percepcji, w zależności od ścieżki technicznej, obejmuje czujniki wizualne, radar fal milimetrowych, inercyjne systemy nawigacji i inne urządzenia. Inne systemy obejmują kluczowe komponenty, takie jak chipy i baterie. Zręczna ręka, jako jeden z kluczowych elementów układu wykonawczego, działa w oparciu o współpracę silnika bezrdzeniowego i przekładni planetarnej. Silnik bezrdzeniowy napędza przekładnię planetarną, generując siłę reakcji odwrotnej, która następnie przeciąga przeguby palcowe przez zawiasy lub inne połączenia, przekształcając ruch obrotowy w ruch liniowy. Przykładając napięcie przewodzenia lub wstecz, silnik bezrdzeniowy może kontrolować prostowanie i cofanie palców, umożliwiając chwytanie lub uwalnianie przedmiotów.

 

Biorąc za przykład robota Optimus Tesli, jego zręczna ręka składa się z silnika bezrdzeniowego, precyzyjnej przekładni planetarnej, śruby kulowej, czujników i enkoderów. Silnik bezrdzeniowy stanowi około 50% kosztów elementów siłownika dłoni i około 4–4,5% całkowitego kosztu pojedynczego robota. Każda zręczna dłoń napędzana jest sześcioma silnikami, z dwoma bezrdzeniowymi modułami silnika zainstalowanymi w obszarze kciuka, które umożliwiają jednoczesne wykonywanie ruchów prostowania i obracania; każdy z pozostałych palców jest napędzany przez jeden bezrdzeniowy moduł silnika. Sześć modułów silnika współpracuje z przekładnią ślimakową i układem ścięgien, aby wykonywać elastyczne i precyzyjne operacje ręki.

 

Ponadto roboty humanoidalne zawierają także inny kluczowy element: bezramowy silnik momentowy, zwykle używany w obszarach wymagających wysokiego momentu obrotowego, takich jak stawy. Jako rodzaj serwosilnika, silnik bezrdzeniowy zapewnia wyższą precyzję sterowania i większą szybkość reakcji, dzięki czemu jest szeroko stosowany w komponentach takich jak zręczne dłonie, które wymagają większej precyzji i szybkości reakcji. Ponieważ artykuł skupia się na silnikach bezrdzeniowych, szczegółowa analiza bezramowych silników momentowych nie będzie rozwijana.

 

 

1. Obecnie szybki rozwój sztucznej inteligencji rozwiązał dwa kluczowe wyzwania stojące przed robotami: brak inteligencji i brak scenariuszy zastosowań. Jednocześnie sprzęt robotów humanoidalnych również podlega szybkiej iteracji. Układ krajowego łańcucha przemysłowego sprzyja szybkiej redukcji kosztów, kładąc tym samym podwaliny pod popularyzację robotów humanoidalnych. W artykule tym założono, że rozwój rynku robotów humanoidalnych będzie przebiegał w trzech etapach:

 

Etap 1: 2024-2026: Oczekuje się, że firmy kierując się głównie polityką i kapitałem, będą stopniowo wchodzić w fazę masowej produkcji robotów humanoidalnych. Przez pierwsze trzy lata zastosowania komercyjne skupiać się będą na zaspokajaniu nieustrukturyzowanych potrzeb rynku przemysłowego, uzupełniając tradycyjne przemysłowe linie produkcyjne. Oczekuje się, że na tym etapie złożona roczna stopa wzrostu (CAGR) sprzedaży robotów humanoidalnych wyniesie około 50%.

 

Etap 2: 2027-2030: Dzięki ciągłej redukcji kosztów i poprawie wydajności w łańcuchu dostaw, a także ciągłym przełomom technologicznym, roboty humanoidalne będą stopniowo rozprzestrzeniać się i zyskiwać popularność na potencjalnych obszarach rynku domowego i usług, a potencjał ich zastosowań będzie stale zwiększany zbadane. Oczekuje się, że CAGR sprzedaży robotów humanoidalnych na tym etapie wyniesie około 100%.

 

Etap 3: Po 2030 r.: Popyt na scenariusze takie jak opieka nad osobami starszymi, towarzystwo emocjonalne i zastosowania wojskowe stanie się główną siłą napędową rozwoju robotów humanoidalnych, co doprowadzi do długoterminowej tendencji wzrostowej na rynku. Oczekuje się, że CAGR sprzedaży robotów humanoidalnych na tym etapie wyniesie około 20%.

 

2. Z punktu widzenia cenowego aktualna średnia cena jednostkowa silników bezrdzeniowych na rynku krajowym i międzynarodowym wynosi 1200 RMB za sztukę. Zakładając, że cena pozostanie stabilna w przyszłości.

 

3. Zakładając, że liczba silników bezrdzeniowych stosowanych w każdym robocie humanoidalnym pozostanie taka sama jak obecnie, tj. 12 silników na robota.

 

Z szacunków wynika, że ​​począwszy od 2028 r. wzrost skali rynku silników bezrdzeniowych w dziedzinie robotów humanoidalnych osiągnie poziom miliardów juanów. Do roku 2030 przyrostowa skala rynku robotów humanoidalnych przekroczy 40% łącznej skali rynku innych dziedzin.

Tabela: Oszacowanie przyrostu skali silników z pustymi miskami wniesionych przez roboty humanoidalne
	2024	2025	2026	2027	2028	2029	2030	2031	2032
Sprzedaż robotów humanoidalnych (10,000 jednostek)	1	1.5	2.25	4.5	9	18	36	43.2	51.84
Sprzedaż robotów humanoidalnych (r/r)		50%	50%	100%	100%	100%	100%	20%	20%
Liczba silników z pustym kubkiem na urządzenie (szt.)	12	12	12	12	12	12	12	12	12
Sprzedaż silników z pustym kubkiem w tej dziedzinie (10,000 szt.)	12	18	27	54	108	216	432	518.4	622.08
Cena jednostkowa silników z pustym kubkiem (juany)	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000
Wzrost skali rynku silników z wydrążonym kubkiem (10,000 juanów)	12000	18000	27000	54000	108000	216000	432000	518000	622080

 

 

 

Na arenie międzynarodowej produkcja silników bezrdzeniowych, dzięki zaawansowanej technologii i przewadze konkurencyjnej, w połączeniu z odpowiednią technologią zaawansowanego sprzętu uzwojeniowego i wysokim poziomem automatyzacji, od dawna utrzymuje wysoki udział w rynku, co daje jej przewagę jako pierwszy na rynku. Do światowych liderów branży zaliczają się szwajcarska firma Maxon, niemiecka Faulhaber i szwajcarska firma Portescap. Na rynku chińskim do reprezentatywnych firm należy założona w 2011 roku firma VSD. Produkcja silników bezrdzeniowych w Chinach rozpoczęła się później, z pewną luką technologiczną w porównaniu z firmami zagranicznymi. Jednakże, korzystając z mocnej przewagi chińskiego łańcucha przemysłowego i puli talentów inżynieryjnych, oczekuje się szybkiego nadrobienia zaległości.

 

Maxon (Szwajcaria): Założona w 1961 roku firma Maxon zatrudnia około 3300 pracowników na całym świecie, w 40 krajach. W 2022 roku firma osiągnęła obrót w wysokości 708 milionów franków szwajcarskich, przy rocznej produkcji wynoszącej 5 milionów sztuk i około 12000 odmian produktów. Ich produkty obejmują przede wszystkim bezszczotkowe i szczotkowane silniki prądu stałego, różne skrzynie biegów, czujniki, enkodery, serwowzmacniacze, sterowniki położenia, komponenty CIM i MIM oraz niestandardowe rozwiązania dostosowane do potrzeb klienta. Ich silniki bezrdzeniowe mają średnicę od 4-90 mm i moc od 1,2-400 wata. Moment obrotowy jest doskonały, duża moc, szeroki zakres prędkości i długa żywotność.

 

Faulhaber (Niemcy): Jako niezależna firma rodzinna, technologia napędów Faulhaber jest wybitnym przykładem inżynierii precyzyjnej i technologii silników. Faulhaber posiada centra badawczo-rozwojowe i produkcyjne w Niemczech, Szwajcarii, USA, Rumunii i na Węgrzech, a sieć obejmuje ponad 30 krajów i regionów i zatrudnia ponad 2300 profesjonalnych pracowników. Ich bezszczotkowy silnik bezrdzeniowy B-Micro ma minimalny rozmiar 3 mm, a ich szczotkowany silnik bezrdzeniowy 0615N1.5S ma minimalny rozmiar 6 mm.

 

Portescap (Szwajcaria): Założona w 1931 roku w Szwajcarii firma Portescap początkowo skupiała się na przemyśle zegarmistrzowskim, a w 1959 roku wprowadziła na rynek rewolucyjny bezrdzeniowy silnik prądu stałego EscapTM, wchodząc tym samym do branży silników miniaturowych. W 2023 roku została przejęta przez RegalRexnord. Produkty firmy z zakresu mikrosilników spełniają potrzeby w zakresie transmisji na rynkach końcowych, od urządzeń medycznych po różne zastosowania przemysłowe.

 

VSD (Chiny): Założona w 2011 roku firma VSD szybko się rozwinęła, początkowo w Chinach, a w ciągu kilku lat szybko stała się jednym z wiodących chińskich producentów mikrosilników, rozpoczynającym ekspansję międzynarodową. Współpracowała już ze znanymi międzynarodowymi firmami, takimi jak Montaplast, Panasonic, Philips, zdobywając zaufanie i uznanie. Całkowita powierzchnia fabryki firmy przekracza 10000 metrów kwadratowych i obejmuje oddzielne zakłady produkcyjne silników szczotkowych i bezszczotkowych oraz setki zaawansowanych automatów (w tym zaawansowane maszyny do nawijania), dziesiątki doświadczonych inżynierów badawczych i setki pracowników pierwszej linii , produkując 200,000 silników dziennie.