人形機(jī)器人快速進(jìn)化，電機(jī)是其重要部件。

隨著工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)的認(rèn)識(shí)日益加深，與工業(yè)機(jī)器人相對(duì)固定的作業(yè)環(huán)境不同，人形機(jī)器人通常使用于人類的日常生活環(huán)境中。

人形機(jī)器人具備類似人類的感知、決策、行為以及擬人化的移動(dòng)特性，從外觀上更加容易被使用者接受并產(chǎn)生親切感，因此能夠在人類所在的環(huán)境中與人類和諧相處，協(xié)助人類完成復(fù)雜和多樣的工作。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度起決定作用。電機(jī)（俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。

核心零部件供給是未來機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，人形機(jī)器人三大核心零部件包括減速器、伺服系統(tǒng)和控制器，成本合計(jì)占比超70%。目前在Optimus人形機(jī)器人核心零部件中，電機(jī)價(jià)值量合計(jì)占比約25%。假設(shè)未來10年全球人形機(jī)器人出貨量達(dá)到500萬臺(tái)，無框電機(jī)單價(jià)2500元、空心杯電機(jī)單價(jià)1300元，則10年后人形機(jī)器人帶來的無框電機(jī)增量市場有望為3500億元，空心杯電機(jī)增量市場有望為780億元，合計(jì)4280億元市場空間。

【鳴志電器】主業(yè)穩(wěn)扎穩(wěn)打，HB步進(jìn)電機(jī)份額全球第四。空心杯電機(jī)領(lǐng)域國內(nèi)領(lǐng)先，技術(shù)儲(chǔ)備、生產(chǎn)工藝上具備先發(fā)優(yōu)勢和卡位優(yōu)勢。

【鼎智科技】微特電機(jī)領(lǐng)域隱形冠軍，人形機(jī)器人線性執(zhí)行器+空心杯電機(jī)雙產(chǎn)品布局。業(yè)績增速、盈利水平行業(yè)領(lǐng)先，成長潛力大。

【拓邦股份】智能控制器國內(nèi)龍頭，成立以來陸續(xù)發(fā)力家電、工具、新能源領(lǐng)域，電機(jī)業(yè)務(wù)有望成為公司第四增長曲線?？招谋姍C(jī)業(yè)務(wù)起步早，產(chǎn)品已在智能制造、醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用

【天奇股份】明確布局人形機(jī)器人行業(yè)，包括伺服電機(jī)等產(chǎn)品。預(yù)計(jì)首臺(tái)工業(yè)人形機(jī)器人樣機(jī)的交付時(shí)間不晚于2023年12月底。

【江蘇雷利】空心杯電機(jī)等產(chǎn)品可用于人形機(jī)器人，部分產(chǎn)品在樣品測試階段已得到客戶認(rèn)可；

【偉創(chuàng)電氣】2022年成立機(jī)器人行業(yè)部，提供低壓伺服、空心杯電機(jī)、特種無框力矩電機(jī)等核心部件；

【昊志機(jī)電】自主研發(fā)的DD電機(jī)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)模組中，提供機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)力來源；

【禾川科技】在機(jī)器人行業(yè)有產(chǎn)品和技術(shù)積累，未來將在無框力矩電機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)組合式產(chǎn)品；

【拓普集團(tuán)】設(shè)立電驅(qū)事業(yè)部，機(jī)器人產(chǎn)品包括旋轉(zhuǎn)、直線執(zhí)行器，已多次向客戶送樣并獲得認(rèn)可及好評(píng)。

人形機(jī)器人電機(jī)分類

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，按應(yīng)用領(lǐng)域分為動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)。動(dòng)力電機(jī)輸出功率大，驅(qū)動(dòng)性能好，常應(yīng)用于汽車、家電等領(lǐng)域。控制電機(jī)控制精度高、響應(yīng)速度快，常在控制系統(tǒng)中承擔(dān)執(zhí)行、檢測和解算功能。控制電機(jī)分為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、力矩電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單但效率和精度較低，多用于辦公自動(dòng)化、通信設(shè)備、印刷設(shè)備等領(lǐng)域。伺服電機(jī)增加了編碼器與反饋機(jī)制，控制精度高，適用于半導(dǎo)體、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域?？招谋姍C(jī)屬于特殊的伺服電機(jī)。力矩電機(jī)以扭矩為控制方向，在電動(dòng)機(jī)低速時(shí)仍能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并提供穩(wěn)定的力矩給負(fù)載,具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),分為有框力矩電機(jī)和無框力矩電機(jī)。

無框力矩電機(jī)：機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)，國內(nèi)外廠商性能仍有差距

為什么機(jī)器人關(guān)節(jié)要用無框力矩電機(jī)？機(jī)器人關(guān)節(jié)要求電機(jī)體積小、扭矩大、響應(yīng)快。而無框力矩電機(jī)僅由轉(zhuǎn)子和定子組成，體積小，同時(shí)具有較高的功率，低轉(zhuǎn)速情況下能夠輸出更大扭矩，更符合人形機(jī)器人的需求。

如何看待無框力矩電機(jī)的壁壘、競爭格局?(1)壁壘:磁路和工藝設(shè)計(jì)。海外廠商起步早,工藝技術(shù)擁有先發(fā)優(yōu)勢,例如科爾摩根采用分布式的分?jǐn)?shù)槽及碳纖維綁扎技術(shù),TQRobodrive采用模塊化定子和環(huán)氧塑封灌膠技術(shù)。國內(nèi)企業(yè)起步晚,工藝水平和國外相比存在差距。(2)格局:全球龍頭為科爾摩根,國內(nèi)外廠商產(chǎn)品性能仍有差距?？茽柲Ω侨驘o框力矩電機(jī)龍頭,其電機(jī)性能在全球處于第一梯隊(duì)。國內(nèi)目前進(jìn)展較快的公司包括步科股份、航天電器。相比海外龍頭,國產(chǎn)無框力矩電機(jī)輸出扭矩較小,在產(chǎn)品性能方面仍有差距。

為什么機(jī)器人靈巧手要用空心杯電機(jī)？靈巧手空間狹小，需要配備小型化且控制精度高的電機(jī)。空心杯電機(jī)屬于特殊的伺服電機(jī)，采用無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，具有體積小、控制精度高、壽命長、轉(zhuǎn)速快、能效高、能量密度大等優(yōu)勢，完美契合了靈巧手對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕量化和高精度要求。

如何看待空心杯電機(jī)的壁壘、競爭格局？

壁壘1：線圈繞組設(shè)計(jì)。（1）線圈成型方式分為卷繞生產(chǎn)和一次成型生產(chǎn)，后者工藝簡單、效率高。國內(nèi)廠商多采用卷繞式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，廢品率高，線圈直徑小。（2）線圈繞法分為直繞形、馬鞍形和斜繞形，其中斜繞形和馬鞍形工藝簡單，具有輸出力矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、時(shí)間常數(shù)小等優(yōu)勢，國外廠商工藝更加純熟。

壁壘2：繞線設(shè)備。海外廠商Meteor、田中精機(jī)等設(shè)備先進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了繞線設(shè)備的自動(dòng)化、智能化。國內(nèi)設(shè)備自動(dòng)化程度低，尤其是面對(duì)較大功率電機(jī)的粗線徑線圈，在可靠性和繞制精度方面與海外廠商仍有較大差距。格局：海外廠商技術(shù)領(lǐng)先，國產(chǎn)替代空間廣闊?？招谋姍C(jī)全球頭部企業(yè)包括瑞士Maxon、瑞士Portescap和德國Faulhaber三家。國內(nèi)企業(yè)中，鳴志電器技術(shù)水平位居全球前列，拓邦股份空心杯電機(jī)已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用；江蘇雷利處于小批量驗(yàn)證階段；偉創(chuàng)電氣處于產(chǎn)品內(nèi)部測試階段，其余企業(yè)技術(shù)相對(duì)薄弱，國產(chǎn)替代空間廣闊。

無框電機(jī)是人形關(guān)節(jié)傳動(dòng)主力

在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常傾向于選用現(xiàn)成的封裝電機(jī)，即電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子通過軸承和法蘭等封裝在電機(jī)外殼內(nèi)。這樣只需要將電機(jī)整體安裝到機(jī)械設(shè)備上，連接負(fù)載即可使用。

然而，在很多實(shí)際應(yīng)用中，安裝空間受到很大的限制。例如，協(xié)作機(jī)器人的手臂，通常要集成6個(gè)、7個(gè)甚至更多電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)。由于沒有足夠的安裝空間，傳統(tǒng)的電機(jī)封裝形式無法滿足應(yīng)用需求。有什么辦法進(jìn)一步節(jié)省安裝空間呢？無框電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

無框電機(jī)由獨(dú)立的轉(zhuǎn)子和定子部件組成，這些部件分別安裝到機(jī)械設(shè)備中，以將扭矩傳遞給負(fù)載。他們通常與其他組件集成在一起，包括外殼、軸系、軸承、反饋裝置和其他元件，構(gòu)成整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)子部分通常由固定在輪轂上的高能稀土磁體組成，輪轂安裝在軸和軸承組件上。

定子部分則由繞組組成并安裝在機(jī)械設(shè)備外殼內(nèi)，該外殼可以是機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的一部分。

由于無框電機(jī)取消外殼和軸承，通過精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定子和轉(zhuǎn)子分別直接固定至機(jī)械設(shè)備上，從而精簡了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、減小了整體的空間。

與此同時(shí)，借助設(shè)備外殼巧妙地實(shí)現(xiàn)了防護(hù)，采用無框電機(jī)的機(jī)械設(shè)備也達(dá)到了極高的整體防護(hù)等級(jí)。

無框電機(jī)的應(yīng)用還帶來了更多的定制可能性，以便電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠更好的融入機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去。

為什么要使用無框電機(jī)呢？

普通的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電機(jī)具有節(jié)省體積、降低重量、節(jié)能環(huán)保、高精度，免維護(hù)等諸多有點(diǎn)。而無框電機(jī)除了具備這些優(yōu)勢之外，還進(jìn)一步通過減小體積、降低重量優(yōu)化了整體尺寸，通過降低系統(tǒng)慣量、提高系統(tǒng)帶寬提升了系統(tǒng)性能。

憑借更少的空間占用，更大的轉(zhuǎn)矩密度和更輕的重量，設(shè)備的整體性能得以大幅提升。通過與無框電機(jī)制造商的進(jìn)一步密切配合，無框電機(jī)的定制化設(shè)計(jì)還賦予了設(shè)備制造商更多的商業(yè)價(jià)值。一方面，獨(dú)特的設(shè)計(jì)有助于設(shè)備制造商進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。另一方面，無標(biāo)的內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)也有助于保障設(shè)備制造商在售后市場的收入。在特殊的環(huán)境條件下，無框的結(jié)構(gòu)還有助于提升設(shè)備的整體散熱性能和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可行性。

從最初的潛望鏡設(shè)計(jì)，到首次阿波羅任務(wù)的萬向節(jié)系統(tǒng)，再到火星探測器的牽引系統(tǒng)，無框電機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，適應(yīng)了各式各樣苛刻的應(yīng)用環(huán)境。

如今，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，還是航空航天等眾多領(lǐng)域都不難尋覓無框電機(jī)的身影。

無框電機(jī)尤其適用于對(duì)于需要尺寸小、重量輕、響應(yīng)快的應(yīng)用場景。

例如，應(yīng)用于工廠自動(dòng)化的機(jī)床、機(jī)器人和機(jī)器人關(guān)節(jié)、小型轉(zhuǎn)臺(tái)等，和用于軍工、航空航天領(lǐng)域的的武器站、傳感器的萬向節(jié)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、無人機(jī)推進(jìn)與導(dǎo)航等等。

無框電機(jī)通常安裝在先進(jìn)的機(jī)器中，具有以下優(yōu)勢：

如何為機(jī)器應(yīng)用確定無框電機(jī)的規(guī)格？

無框電機(jī)的規(guī)格確定方式和傳統(tǒng)的有框伺服電機(jī)一樣，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的扭矩和速度要求對(duì)機(jī)器應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估。由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中沒有齒輪機(jī)構(gòu)、皮帶和皮帶輪或耦合元件，采用無框電機(jī)的機(jī)器通常效率更高。這種效率通?？梢院喕療o框電機(jī)的規(guī)格確定。

了解機(jī)器或部件工作周期時(shí)間，通常可以讓您獲得均方根扭矩和速度以及選擇電機(jī)所需的峰值條件。

此外，無框電機(jī)性能曲線生成工具使機(jī)器設(shè)計(jì)人員即使在不同的母線電壓、驅(qū)動(dòng)器電流和環(huán)境溫度限制下，也可以了解電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際性能。該工具可以幫助您根據(jù)機(jī)器的實(shí)際要求優(yōu)化對(duì)無框電機(jī)繞組的選擇，而不是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入母線電壓從一組有限的繞組中進(jìn)行選擇。

無框電機(jī)最適合哪種應(yīng)用？

無框電機(jī)在多種機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋：機(jī)器人、醫(yī)藥、機(jī)床、包裝、印刷、加工和通用自動(dòng)化?；旧?，任何領(lǐng)域都希望能夠?qū)崿F(xiàn)高機(jī)器效率、結(jié)構(gòu)緊湊和減少維護(hù)等優(yōu)勢，而無框電機(jī)是他們的理想選擇。

如何進(jìn)行無框電機(jī)的安裝？

大多數(shù)人以為安裝無框電機(jī)是一項(xiàng)復(fù)雜且艱巨的任務(wù)。無框電機(jī)組件可以利用配合公差和現(xiàn)有的工業(yè)粘合劑安裝到基本的機(jī)器外殼設(shè)計(jì)中。使用無框電機(jī)組件就不需要對(duì)聯(lián)軸器、齒輪和皮帶進(jìn)行調(diào)整，這往往可以提高可制造性并縮短機(jī)器的安裝時(shí)間。此外，由于系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重復(fù)性提高，因此系統(tǒng)微調(diào)和調(diào)試時(shí)間也將縮短。

無框電機(jī)

無框電機(jī)顧名思義無機(jī)殼等外圍部件，將定轉(zhuǎn)子部件直接裝配在機(jī)構(gòu)中，便于終端產(chǎn)品的高度集成化，縮小體積。

高度集成，縮短關(guān)節(jié)寬度

無框電機(jī)和反饋裝置的集成助力縮短關(guān)節(jié)寬度。

在額定扭矩確認(rèn)的情況下，根據(jù)D2L規(guī)則，將力臂直徑翻倍，則電機(jī)的軸向長度可以縮短1/4，直徑大，不但縮短了電機(jī)長度，并且擁有了更大的孔徑容納接線和其他組件。

無框電機(jī)優(yōu)勢

1、采用多級(jí)多槽方案

實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度和低齒槽轉(zhuǎn)矩輸出，使結(jié)構(gòu)更加緊湊、運(yùn)行更加平穩(wěn)。

2、采用真空灌膠工藝

輔助高導(dǎo)熱系數(shù)灌封膠，使電機(jī)散熱更加優(yōu)越，溫升更低。

3、HALL組件和定子組件高度集成化

實(shí)現(xiàn)電機(jī)的超薄化設(shè)計(jì)。

4、轉(zhuǎn)子特殊化設(shè)計(jì)

◇跳出了傳統(tǒng)纏芳綸纖維的工藝，最小定轉(zhuǎn)子氣隙可達(dá)0.25mm。

◇磁鋼正弦化設(shè)計(jì)，電機(jī)反動(dòng)勢更加正弦，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高伺服特性。

無框電機(jī)應(yīng)用

競爭格局

無框力矩電機(jī)目前存在較高的技術(shù)壁壘，國內(nèi)只有少量廠商能提供品質(zhì)較高的無框力矩電機(jī)，市場呈頭部集中的趨勢。主要玩家包括步科股份、科爾摩根、航天電器、昊志機(jī)電、微精電機(jī)等。

人形機(jī)器人無框電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

內(nèi)容提要：無框電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域的價(jià)值

為什么選擇在機(jī)器人應(yīng)用中使用無框電機(jī)，其原因類似于在其他應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)無法勝任的制約因素。最常見的因素是緊湊的尺寸或環(huán)境方面的特殊需求，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)高功率和高轉(zhuǎn)矩密度。

使用無框電機(jī)設(shè)計(jì)還有其他優(yōu)勢，比如提高效率，提高系統(tǒng)帶寬，以及減少占地面積。當(dāng)應(yīng)用中需要尺寸小巧重量輕的伺服電機(jī)，并能夠輸出強(qiáng)大的功率和轉(zhuǎn)矩時(shí)，無框電機(jī)便是理想的選擇。

在本白皮書中，我們將努力消除無框電機(jī)選型的障礙，并幫助機(jī)器人工程師制定自己的規(guī)格要求，以便他們在與無框電機(jī)廠商開始交流時(shí)，更高效地對(duì)話。

例如，通過對(duì)尺寸、傳動(dòng)、發(fā)熱和機(jī)械需求的全面了解，我們的團(tuán)隊(duì)可以快速地為您介紹現(xiàn)有的選項(xiàng)，無論是我們已經(jīng)生產(chǎn)的電機(jī)，還是需要稍加調(diào)整的電機(jī)，或者可能是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)。

了解這些技術(shù)選項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)因素也很關(guān)鍵，以便我們的工程師們幫助您找到節(jié)省成本的具體領(lǐng)域，并最大限度減少對(duì)您設(shè)計(jì)的影響。

隨著更多的組織和企業(yè)實(shí)施精益制造，以及在日常運(yùn)營中進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，無框電機(jī)成為整個(gè)行業(yè)創(chuàng)新解決方案的核心。

在應(yīng)用中集成無框電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，從更清潔的組件和更簡化的維護(hù)到更高的效率和更少的停機(jī)時(shí)間。此外，無框電機(jī)比人們想象的更容易安裝。無論您是否擁有MathCAD或類似的工具來計(jì)算扭矩和速度需求，或者您在該領(lǐng)域需要一些支持，擁有豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和淵博知識(shí)的工程師都可以幫助您優(yōu)化除機(jī)械因素之外的因素，這對(duì)于獲得進(jìn)展是非常寶貴的。

如今，樣機(jī)的快速研發(fā)通常是最重要的問題，因此與完全定制的設(shè)計(jì)相比，采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品方案可以讓您的時(shí)間軸縮短數(shù)周。理解時(shí)間與優(yōu)化之間，以及速度和轉(zhuǎn)矩與發(fā)熱因素之間的權(quán)衡，可以幫助您在最快的時(shí)間獲得卓越解決方案，并隨著您的應(yīng)用向前推進(jìn)。

無框電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

選擇將直驅(qū)無框電機(jī)加入到您的設(shè)計(jì)中的原因有很多。直驅(qū)無框電機(jī)可以提供簡潔的機(jī)械裝配，并且比人們想象的更容易裝配。由于沒有需要張緊和調(diào)整的皮帶，更不必說傳動(dòng)潤滑要求和整體磨損，因此直驅(qū)無框電機(jī)的部件更少、維護(hù)更少。這一切也意味著更少的停機(jī)時(shí)間。

不僅如此，除了清潔性和維護(hù)方面的優(yōu)點(diǎn)之外，直驅(qū)無框電機(jī)提供的性能改善也不容忽視。直驅(qū)無框電機(jī)無需慣量匹配即可確保穩(wěn)定的性能。

此外，無框電機(jī)的運(yùn)行噪聲要比伺服電機(jī)的低，在6,000rpm或更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，噪聲可以低至20分貝。因此，如果您擔(dān)心采用無框電機(jī)是否值得，那么答案將毫無疑問是肯定的。

構(gòu)建電機(jī)規(guī)格

從設(shè)計(jì)階段開始電機(jī)選型。當(dāng)您考慮機(jī)器人應(yīng)用將要執(zhí)行的工作時(shí)，您需要考慮實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和電壓。比如了解負(fù)載慣量，摩擦力，和加速度等因素，將有助于您確定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。然而，對(duì)于如何考慮電機(jī)的尺寸和規(guī)格以處理這些因素并保持穩(wěn)定高效的輸出功率，您可以有一些選擇。

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)您的項(xiàng)目時(shí)，不能低估外形因素的重要性。D2L規(guī)則就是平衡考慮外形因素和影響整體性能的例子。

D2L規(guī)則簡單地說就是當(dāng)您將電機(jī)電樞的軸向長度加倍時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率也將增加。而且其增加量與電樞軸向長度的增加量成正比?；旧?，如果您把長度翻倍，連續(xù)轉(zhuǎn)矩也將翻倍。

然而，如果不是將長度翻倍，而是將轉(zhuǎn)子力矩臂的直徑翻倍，轉(zhuǎn)矩將會(huì)成平方增加。您可以通過采用加倍的直徑來使連續(xù)轉(zhuǎn)矩容量提高四倍。

科爾摩根的性能曲線生成器可以幫助設(shè)計(jì)者優(yōu)化整體系統(tǒng)。

諸如D2L規(guī)則等設(shè)計(jì)原則，正是要從設(shè)計(jì)早期階段開始電機(jī)選型的原因，可以幫助您盡早優(yōu)化電機(jī)的外形規(guī)格，實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)器人設(shè)計(jì)。

多年來，我們創(chuàng)建了獨(dú)特的工具來幫助客戶根據(jù)其需求快速優(yōu)化電機(jī)。例如，科爾摩根開發(fā)的性能曲線生成器可用來優(yōu)化整體系統(tǒng)，并試驗(yàn)不同的母線電壓如何改變系統(tǒng)性能，或者理解不同的驅(qū)動(dòng)器電流額定值如何影響電機(jī)性能。

性能曲線生成器甚至可以讓設(shè)計(jì)工程師評(píng)估環(huán)境和最大電機(jī)繞組溫度選項(xiàng)。使用LiquidCooling（液體冷卻）持續(xù)增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩也是建?？捎眠x項(xiàng)的一部分。

MOTIONEERING的工作過程首先是收集數(shù)據(jù)輸入，然后將結(jié)果與電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)品目錄進(jìn)行比較。如果您在填寫應(yīng)用配置文件問題時(shí)不確定您需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是多少，這個(gè)工具可以幫助您找到答案，然后您即可使用相關(guān)的3D模型來完成模型驗(yàn)證

許多客戶有自己的工具和流程以確定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求。即便如此，您可直接將數(shù)字輸入到這些工具中，以幫助選擇滿足您應(yīng)用需求的合適電機(jī)。

無論這是您首次考慮電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器要求，還是您多年來一直從事這方面的工作，一份注意事項(xiàng)列表都會(huì)是一個(gè)有用的工具。在本文結(jié)尾，您將會(huì)找到一份應(yīng)用配置問題列表，您或您的團(tuán)隊(duì)可以使用該列表來準(zhǔn)備與支持工程師進(jìn)行對(duì)話

您將會(huì)找到與機(jī)械外形、電機(jī)類型、工作與環(huán)境條件下的最低和最高溫度、最大轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以及占空比相關(guān)的重要問題。

后續(xù)工作都有什么？

一旦您了解電機(jī)的性能需求，工程師和產(chǎn)品專家團(tuán)隊(duì)即可開始工作。工程師有三種方式可以與您合作來確定針對(duì)每種應(yīng)用的完美無框電機(jī)。

例如，在科爾摩根，工程師會(huì)首先將您的要求與可能正好滿足您需求的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)產(chǎn)品目錄進(jìn)行匹配。如果標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)并不完全適合，下一步是參看簡單的修改，比如更換繞組和進(jìn)行其他機(jī)械定制。

此外，如果您的應(yīng)用要求某些材料能夠承受惡劣的環(huán)境條件，則可以將材料更改合并到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。無論采用哪種方式，您都可以從多種定制服務(wù)進(jìn)行選擇，包括更小或更大的直徑、更改繞組、更改疊片長度等。

如果您的需求與標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)不匹配，或者所需的修改超出了簡單修改，最后的選項(xiàng)就是從頭開始。即便如此，許多現(xiàn)有電機(jī)元件也可納入，而定制部件的設(shè)計(jì)旨在滿足獨(dú)特的外形規(guī)格或不尋常的環(huán)境條件。

如果您已知外形規(guī)格、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求，另外一個(gè)選項(xiàng)就是使用科爾摩根的其他在線工具：直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇器。雖然許多客戶依賴產(chǎn)品目錄，但是這個(gè)在線工具的使用效果很好。

您可以從轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和母線電壓信息開始入手，將它們作為產(chǎn)品選擇的最初輸入，這將為您提供極具優(yōu)勢的起點(diǎn)。這實(shí)際上是返回性能曲線生成器的一個(gè)好時(shí)機(jī)，因?yàn)槟梢杂盟鼇磉M(jìn)一步優(yōu)化您的產(chǎn)品選擇。

一旦您通過選型工具生成一系列符合的產(chǎn)品，這也是與經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程師互動(dòng)的絕佳時(shí)機(jī)，他們可以指導(dǎo)您完成與使用性能曲線生成器相同的優(yōu)化步驟。

您還將受益于我們的專業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高效地得到電機(jī)原型樣機(jī)，以幫助您快速推進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)，該原型機(jī)可以提供應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)矩和速度，即便該電機(jī)沒有針對(duì)您的確切需求得到完全優(yōu)化。

這些優(yōu)化解決方案會(huì)需要一定時(shí)間才能完成，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以在原型機(jī)上工作，以證明您的設(shè)計(jì)概念，同時(shí)保持性能需求的完整性。由于時(shí)間對(duì)于原型機(jī)在許多項(xiàng)目中的成功發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此通過隨時(shí)可用的部件來節(jié)省時(shí)間會(huì)至關(guān)重要。

為了更深入地了解這一過程如何運(yùn)作，讓我們來看看科爾摩根產(chǎn)品如何對(duì)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)揮作用，特別是無框電機(jī)在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)上的應(yīng)用。

關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)需要考慮很多因素。針對(duì)本報(bào)告，讓我們更詳細(xì)地研究以下因素：有效載荷容量、轉(zhuǎn)速、發(fā)熱管理，以及減速機(jī)方面的注意事項(xiàng)。

機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用的有效載荷容量可通過系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)來確定。通常，這種設(shè)計(jì)所反映的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷是在CAD中建模的，方便設(shè)計(jì)師更靈活地確定“假設(shè)”系統(tǒng)特性需如何反映電機(jī)要求。

如果需要多協(xié)作機(jī)械臂，會(huì)有一個(gè)由行業(yè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的較小的有效載荷作為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)“機(jī)械臂”的長度和所需的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)，可以從此類CAD模型確定RMS和峰值電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

有效載荷的速度，或者它每秒鐘必須行進(jìn)的距離，將由安全因素、控制器以及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定。這些設(shè)計(jì)參數(shù)也將在基于CAD的模型中確定。

通常，機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有作為其“秘密配置”核心的獨(dú)特安全或控制設(shè)計(jì)要素，或許他們的優(yōu)勢不在設(shè)計(jì)的機(jī)電部分。這正是科爾摩根的專業(yè)知識(shí)可以幫助您減少設(shè)計(jì)時(shí)間和迭代次數(shù)的地方。

設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)熱管理的考慮需求來自多個(gè)不同的注意事項(xiàng)。由于機(jī)器人在工作單元中與人類的距離很近，因此有必要讓機(jī)器人保持與人互動(dòng)所需的“安全觸碰”的表面溫度?？梢詫峤^緣或隔層添加到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，但是重量和體積可能會(huì)限制其他性能或外觀因素。

此外，其他系統(tǒng)器件附近的熱量也可能存在限制，比如減速機(jī)、反饋裝置和軸承。如果機(jī)器人設(shè)計(jì)師試圖從電機(jī)供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目錄中獲得其電機(jī)繞組的最大額定溫度值，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)列表中寫著155°C，因?yàn)檫@反映了采用傳統(tǒng)無框和有框伺服電機(jī)的行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣系統(tǒng)溫度。

許多編碼器反饋設(shè)備希望將光電組件的最大溫度保持在100°C-120°C，而大多數(shù)減速機(jī)解決方案可能有65°C的溫度限制。針對(duì)這種熱限制的可能解決方案包括：

增加散熱片，但需要權(quán)衡重量的增加會(huì)減少有效負(fù)載容量。

增加軸承、編碼器或減速機(jī)裝置的軸向距離，這也需要增加權(quán)衡重量并減少載荷容量。

降低無框電機(jī)設(shè)計(jì)的最大繞組溫度限制，這也會(huì)降低電機(jī)的可用轉(zhuǎn)矩。

如果使用的減速機(jī)的最高溫度額定值為65°C，且附近電機(jī)最高繞組溫度僅能夠高15°C，這將要求80°C的最高繞組溫度。這些信息隨后將被用于電機(jī)選型過程，以便使用性能曲線生成器工具來評(píng)估實(shí)際電機(jī)能力。

機(jī)器人設(shè)計(jì)工程師可以使用性能曲線生成器來觀察實(shí)際連續(xù)和峰值轉(zhuǎn)矩與速度能力。系統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的電機(jī)性能所需數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以輕松地與選定的電機(jī)進(jìn)行比較。

由于協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速要求相對(duì)較低，只要系統(tǒng)背隙可以保持為零，減速裝置就非常實(shí)用。應(yīng)變波減速機(jī)上所觀察到的零背隙和中等剛性使得它們非常適合這些應(yīng)用。

"確保將不同的減速機(jī)扭矩傳遞效率（通常介于60%-70%）納入設(shè)計(jì)考量。

此外，請注意所使用的任何減速機(jī)類型所需的潤滑材料的溫度限制，因?yàn)辇X輪與電機(jī)的相對(duì)距離較近，足以限制系統(tǒng)性能，將其保持在制造商建議的工作溫度范圍內(nèi)。"

高傳動(dòng)比（通常約為100：1）的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在可以提高輸出端的可用轉(zhuǎn)矩，還體現(xiàn)在可顯著降低電機(jī)的折算負(fù)載慣量。帶動(dòng)最大負(fù)重而完全伸展的機(jī)械臂的負(fù)載慣量會(huì)非?？捎^。

傳動(dòng)比的平方將會(huì)降低傳遞到電機(jī)端的負(fù)載慣量值。如果傳動(dòng)比為100:1，電機(jī)的折算慣量是負(fù)載慣量的1/10,000。機(jī)械效率、發(fā)熱因素以及系統(tǒng)預(yù)期壽命都反映了在機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用中所選擇的減速機(jī)類型和減速比。

由于有眾多因素會(huì)影響機(jī)器人電機(jī)的運(yùn)行和使用壽命，因此制造協(xié)作機(jī)器人的制造商需要靈活耐用的解決方案。TBM系列是科爾摩根提供的一款創(chuàng)新直驅(qū)無框電機(jī)技術(shù)。

TBM(Torquer無刷電機(jī))系列專門用于大功率密度，傳動(dòng)應(yīng)用要求高的領(lǐng)域，比如機(jī)器人關(guān)節(jié)，醫(yī)療機(jī)器人，以及傳感器萬向節(jié)。

無框電機(jī)可以為機(jī)械和設(shè)備工程團(tuán)隊(duì)提供廣泛的解決方案，用以實(shí)現(xiàn)擁有卓越靈活性、功率密度、動(dòng)態(tài)性能和耐久性的應(yīng)用。

除了所提供的技術(shù)優(yōu)勢外，科爾摩根的KBM和TBM平臺(tái)還包括17種機(jī)框尺寸和許多預(yù)先設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。對(duì)于機(jī)器人公司來說，從初創(chuàng)公司到正在成長和擴(kuò)展到新市場的公司，科爾摩根可以為其提供從標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品到聯(lián)合研發(fā)定制的多方位服務(wù)。

應(yīng)用和驗(yàn)證解決方案

毋庸置疑的是，當(dāng)今市場的需求不會(huì)給錯(cuò)誤留下很大的余地。無論您是否面臨時(shí)間限制、追求更好的性能，或者已經(jīng)在當(dāng)前設(shè)備的制造過程中考慮了下一代設(shè)備，各種創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)解決方案都可能成為新的挑戰(zhàn)。

配備以高效和高質(zhì)量的選型工具，工程師可以幫助您加速從設(shè)計(jì)到原型到批量生產(chǎn)，同時(shí)確保比如反饋、發(fā)熱、軸承和減速機(jī)等影響因素均被考慮在內(nèi)。

在使用了所有工具并且完成3D模型并加以測試之后，剩下的就是安裝和驗(yàn)證電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際工作。好消息是，當(dāng)您將高性能無框電機(jī)集成到您的機(jī)器設(shè)計(jì)中時(shí)，您無需擔(dān)憂。安裝相對(duì)簡單，因?yàn)榕c無框電機(jī)配合安裝的軸的加工公差將會(huì)保證電機(jī)輸出穩(wěn)健性能。

結(jié)論

正確規(guī)劃、選擇和安裝的無框電機(jī)可以為創(chuàng)新解決方案打開大門。雖然在您為應(yīng)用選擇和優(yōu)化無框電機(jī)時(shí)要比選擇標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)需要更多的工作量，但是結(jié)果非常值得。

從一開始就與專業(yè)的工程師團(tuán)隊(duì)合作，是防止出現(xiàn)問題和確保應(yīng)用的任何方面都未被忽視的卓越方式。無論您正在嘗試超越極限、嘗試一些以往從未做過的事情，還是您只是想確保您的應(yīng)用高效率運(yùn)行，科爾摩根為您提供的工具和團(tuán)隊(duì)將讓這一切成為可能。

步科股份電機(jī)調(diào)研20230621

Q1:各個(gè)業(yè)務(wù)板塊的展望

預(yù)期還是比較穩(wěn)定的，移動(dòng)機(jī)器人20%增速。醫(yī)療一直是長期穩(wěn)定的水平我們也在開拓其他醫(yī)療客戶，希望可以有突破。新能源以前是合并在通用里面業(yè)務(wù)規(guī)模很小，今年單獨(dú)列出來，是因?yàn)槲磥砗荛L時(shí)間新能源都是保持比較好增長的大的市場，我們也確實(shí)取得一些小的成績，在終端客戶的認(rèn)證取得了進(jìn)展

Q2:公司去年是5億多的收入，分為機(jī)器人、醫(yī)療、機(jī)器物聯(lián)網(wǎng)等，未來增長是哪一塊?

業(yè)務(wù)分類里，第一大板塊是通用自動(dòng)化，占比30%，其次是機(jī)器物聯(lián)網(wǎng)不到30%，主要是人機(jī)界面產(chǎn)品的銷售。其次是機(jī)器人行業(yè)，大部分還是低壓同服解決方案。然后是醫(yī)療，包括醫(yī)療影像設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的解決方案

Q3:二季度的情況還沒有數(shù)據(jù)

Q4:年報(bào)里分類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)哪些東西?

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是包括伺服，變頻，標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，低壓伺服驅(qū)動(dòng)器，低壓伺服電機(jī)，電機(jī)模組，電機(jī)和減速機(jī)的模組，還有電機(jī)+減速器+輪子的模組。驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)都是有自己的難度和要求的

Q6:下游是什么?

低壓伺服是移動(dòng)機(jī)器人為主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單價(jià)有下降，是什么原因?第一是宏觀經(jīng)濟(jì)影響，客戶群體很分散，我們現(xiàn)在新能源單獨(dú)拿出來是因?yàn)榭蛻籼胤N明確而且體量比較大的所以獨(dú)立作為一個(gè)市場，此外大部分都是比較分散了，過去兩年也有競爭壓力降價(jià)要求，銷售體量有下滑。未來我們會(huì)專注在新能源高端增長的國產(chǎn)替代

Q7:新能源市場空間有多大?

有鋰電，光伏，儲(chǔ)能，新能源車，機(jī)器設(shè)備領(lǐng)域都會(huì)覆蓋。頭部鯉電池設(shè)備廠家單年采購人機(jī)界面可以上億，我們拿到一定份額的話對(duì)我們貢獻(xiàn)還是會(huì)比較大的

Q8:公司是做新能源、光伏、電的設(shè)備，是會(huì)持續(xù)采購嗎?

是設(shè)備商會(huì)采購。

Q9:協(xié)作機(jī)器人

協(xié)作機(jī)器人里做的主要是無框力矩電機(jī)為主。未來會(huì)考慮給部分客戶定制加驅(qū)動(dòng)器或編碼器的方案

Q10:移動(dòng)機(jī)器人

一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人一般用三個(gè)軸，1000元一套，我們也在給客戶提供同服輪毅單套在3000元。去年伺服輪已經(jīng)上市了，今年在上量過程中

Q11:無框力矩電機(jī)，公司新產(chǎn)品推出的背景和優(yōu)勢？

2015年接到客戶需求，當(dāng)時(shí)美國協(xié)作機(jī)器人廠家已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得成功應(yīng)用，國內(nèi)客戶也有往這個(gè)方向創(chuàng)新。已經(jīng)有低壓伺服等產(chǎn)品線，基于原有產(chǎn)品給客戶做了定制，想比較早獲得先發(fā)優(yōu)勢，所以比較早進(jìn)入這個(gè)市場，伴隨客戶做產(chǎn)品迭代，去年已經(jīng)是第三代了

Q12:客戶開拓情況

協(xié)作機(jī)器人廠家還比較分散，未來協(xié)作機(jī)器人可以做的場景是很豐富的，每家都是不同場景。個(gè)別龍頭是自研電機(jī)的，也有一些龍頭是由我們提供的

Q13:一個(gè)協(xié)作機(jī)器人要用多少個(gè)?

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作機(jī)器人一般用6個(gè)，價(jià)格在幾百元到千把塊錢，我們有10款產(chǎn)品，價(jià)格會(huì)不一樣。

Q14:人形機(jī)器人的無框力矩電機(jī)和協(xié)作機(jī)器人用的是一樣的嗎?

要看客戶具體選擇，產(chǎn)品是和協(xié)作機(jī)器人類似的。有的客戶選擇就是標(biāo)準(zhǔn)品，有的也在共研過程中

Q15:無框力矩電機(jī)的難度

對(duì)磁路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)會(huì)有比較高要求，也是從最開始不斷摸索，到第三代才有標(biāo)準(zhǔn)化的過程，也是和客戶共創(chuàng)的。更考驗(yàn)和客戶的合作以及你本身的產(chǎn)品創(chuàng)新能力。

Q16:毛利率展望30-40%

Q17:人形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器會(huì)放出來嗎?

人形機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)器要求更高，所以這塊應(yīng)該不會(huì)輕易放出來

Q18：編碼器

低壓伺服大部分用的都是自研的編碼器,協(xié)作機(jī)器人未來可能考慮先把編碼器做成標(biāo)準(zhǔn)品給客戶

Q19:模組化產(chǎn)品的價(jià)值量

協(xié)作機(jī)器人單電機(jī)6個(gè)軸，就是三四千元，人形機(jī)器人沒有單獨(dú)拆分，因?yàn)槿诵螜C(jī)器人大家都還是在初期研究階段

Q20:人形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器和編碼器是公司可以做的嗎?

是的，和協(xié)作機(jī)器人是類似的。

Q21：編碼器的價(jià)格？幾百元

Q22:拓普，三花等自己把無框力矩電機(jī)做，他們是不是不會(huì)對(duì)外采購了?

要看他們戰(zhàn)略和自己做產(chǎn)品的情況。不管他們做不做還是會(huì)繼續(xù)產(chǎn)品創(chuàng)新和市場拓展

Q23:公司和匯川、禾川他們在伺服的區(qū)別是什么?

起家產(chǎn)品是人機(jī)界面，現(xiàn)在做伺服系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)伺服是最大市場，也是友商匯川、禾川發(fā)力比較早，份額比較大的，有一個(gè)特殊是低壓伺服是行業(yè)領(lǐng)先的，在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域有40%市占率，在整體低壓伺服市占率也有10%，是國內(nèi)起步比較早而且產(chǎn)品系列比較豐富的，性能也比較優(yōu)。在傳統(tǒng)通用伺服上，可能大家是一樣的，公開競爭

Q24:人形機(jī)器人是不是只能用低壓伺服?

人形要移動(dòng)，電池供電，必須是低壓伺服

Q25:無框力矩電機(jī)和無刷直流電機(jī)區(qū)別

無框力矩電機(jī)是交流同步伺服電機(jī)，動(dòng)態(tài)性能比無刷電機(jī)更優(yōu)。無刷電機(jī)優(yōu)勢是價(jià)格更低，但力矩輸出和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都沒有無框力矩電機(jī)好。

Q26:工業(yè)機(jī)器人

比協(xié)作機(jī)器人便宜，去年有30多萬臺(tái)，協(xié)作機(jī)器人不到2萬臺(tái)。小的工業(yè)機(jī)械警領(lǐng)域未來都可以被協(xié)作機(jī)器人替代。

審核編輯：黃飛

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