人形机器人行业专题报告:伺服电机再次讨论

  

  首先,电机技术越来越完善,伺服电机和步进电机是行业的主流

  1.1经过200年的技术变革和工业磨炼,电机逐渐成熟

  “电机”从广义上讲,它包括所有可以实现电能和机械能相互转换的装置,如电机、发动机和原动机,但通常所谓的电机是指电机。电机,也称为电机,其功能是将电能转化为机械能,产生驱动力矩,作为电器和机械设备的电源。电机已经发展了200多年,其发展过程可分为以下四个重要阶段。

  第一阶段:基立基础理论,产生直流电机(1821-1870)。1821年,法拉第制造了世界上第一个测试电机模型,1831年发现了电磁感应定律。1832年,皮克西利用磁铁和线圈的相对运动,制造了一种原始的旋转磁极直流发动机,这是今天直流发电机的原型。1834年至1870年,发电机领域产生了三大发明和优化,即永磁体转化为电流线圈,西门子兄弟从电池发展为发电机自励,格拉姆提出了环绕电阻。此后,发电机和电机的可逆原理被广泛接受,两者同时发展。

  第二阶段:DC电机趋于完善,交流电机开始受到关注(1870-1880)。1873年,海夫纳阿尔泰涅克发明了鼓形绕组,提高了导线的利用率。1880年,爱迪生提出选择叠层铁芯,进一步降低了铁芯的损耗和绕组温度。鼓形电枢绕组和带槽叠层铁芯结构一直沿用至今。随着DC电机的广泛应用,其固有的缺陷很快就暴露出来了。主要问题是长距离输电,电机难以转向。因此,19世纪80年代以后,人们的注意力逐渐转向交流电机。

  第三阶段:交流电机(1885-1890)诞生并不断向前发展。1885年,加利奥·费拉里斯提出了旋转磁场的原理,并在1886年开发了两相异步电动机模型并迁移到尼古拉〃特斯拉还独立开发了二相异步电动机。1889年,多利沃多勃多〃罗沃利斯基制造了一个三相交流单鼠笼异步电动机。与单相和两相系统相比,三相系统效率高,铜较少,电机成本性能、容量比和材料利用率显著提高。交流电机的发展和发展,特别是三相交流电机的发展,为远程输电创造了条件,将电气技术提升到了一个新的阶段。

  第四阶段:电机理论与设计,制造技术不断完善(20世纪至21世纪)。20世纪,随着工业的蓬勃发展,对电机的新需求不断提出,而自动化的特殊需求使得控制电机和特殊电机迅速发展。同时,在此期间,电机理论不断完善,材料和冷却技术不断完善。直流电机的单机容量、功率密度和材料利用率显著提高。

  第五阶段:永磁电机是21世纪电机的发展方向(自21世纪以来)。进入21世纪,专用性、轻量化、高性能是电机行业的发展方向。在专用性的基础上,专用电机具有很大的节能潜力。永磁电机具有控制性能好、节能、体积小等优点。它可以通过频率的变化来调整速度,并且很容易制成低速直接驱动器。广泛应用于医疗器械、视听产品、计算机、数控机床、电动汽车、航空航天产品等领域。同时,在轻量化的需求下,永磁伺服电机中的小功率空心杯电机等微电机开始受到各行各业的关注。

  1.2.塑料机器人对新电机的需求,伺服电机在许多类别中脱颖而出

  电机种类繁多,按用途可分为动力电机和控制电机。动力电机功率大,侧重于电机启动、运行和制动的性能参数,而控制电机输出功率小,侧重于电机控制精度和响应速度。动力电机:根据运动模式,可分为旋转电机和直线电机。旋转电机根据电压特性分为直流电机和交流电机,直流电机根据内部碳刷可分为有刷电机和无刷电机;交流电机根据结构可分为同步电机和异步电机,根据不同的相位可分为三相交流电机和单相交流电机。根据其转子结构的不同,交流电机也可分为笼和缠绕转子型,其中笼型三相异步电机是应用最广泛的动力电机。控制电机:根据不同的控制措施和使用,可分为步进电机、伺服电机、速度测量电机、转矩电机(也称为直接驱动电机)等,步进电机是电动脉冲信号转换为角速或线位移电机,每个脉冲信号,相应的透视,速度与脉冲频率相关。一般来说,与动力电机相比,控制电机增加了控制电路,但电机部分与动力电机没有本质区别,仍然可以按照动力电机的分类方法进行划分。

  控制电机下的主要产品是伺服和步进电机,伺服电机的优势更加明显。步进电机是一种将电动脉冲信号转换为相应的角速度或线位移的电机。每次输入脉冲信号时,转子旋转一个角度或向前移动。输出角速度或线位移与输入脉冲数成正比,速度与脉冲频率成正比。伺服电机是一种补贴电机间接速度调整装置,可以控制速度,定位精度非常准确。伺服电机分为直流和交流伺服电机。其主要特点是当信号电压为零时没有旋转现象,随着转距的增加,速度平均降低。在数字控制的发展趋势下,步进电机或全显式交流伺服电机主要用于运动控制系统。两者在控制模式(脉冲和方向信号)上相似,但在使用性能和应用方面存在差异。步进电机一般为开环控制,容易出现振动或与控制器同步。伺服电机为闭环控制,通过实时的闭环信号反馈进行调整,实现更精确的控制。一般来说,伺服电机在控制精度、低频特性、过载能力、速率响应等方面优于步进电机,更适合工业自动化、机器人等领域,但步进电机具有成本效益优势,在某些要求较低的场合仍可使用。

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  人形机器人增加了更多的电机需求,伺服电机和步进电机具有适应性。特斯拉预计将于9月30日在特斯拉举行第二个人工智能日(AIDay)发布人形机器人商品,人形机器人有望产生更大的电机消耗需求。从电机消耗的角度来看,器人电机的消耗量超过40台。对于所使用的电机产品,它们具有更高的控制精度,并广泛应用于工业机器人。一般自动化领域的伺服电机将是未来人类机器人的主要配置。此外,对于步进电机,它在塑料机器人的眼睛部分具有良好的适应性。目前,在学术研究和实验设计中,步进电机在机器人仿生眼中的应用是一种理想可靠的选择。由于仿生眼需要具有与人类相同的视觉功能,且体积较小,因此需要驱动摄像机的驱动机构体积较小,可提供两个自由度运动(180)°),而且步进电机可以实现无位传感器的位置控制,并保证运行平稳,因此在人形机器人眼部安装步进电机具有较好的适配性。

  第二,随着人形机器人时代的到来,伺服电机的需求有望爆发

  2.伺服电机种类繁多,效率高,轻量化小型化产品是未来的发展方向

  伺服电机产业链清晰,稀土磁性材料是必要的原材料。伺服电机产业链涉及稀土磁性材料、电子原装置、伺服系统制造、机器人等。在上游,伺服电机行业的上游主要是稀土磁性材料和电子部件等材料,稀土磁性材料是伺服电机制造过程中必要的重要原材料。在中游,除了伺服电机制造外,伺服系统还包括伺服控制器制造和数控机床的研发。在下游,伺服电机可广泛应用于医疗设备、机器人制造、汽车制造和工业设备制造,具有广阔的应用前景。