1. Phân loại động cơ lõi và sự phát triển công nghệ
1.1 Loại động cơ và đặc điểm cốt lõi
Động cơ là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ-tạo ra chuyển động quay hoặc chuyển động tuyến tính thông qua sự tương tác giữa dòng điện và từ trường. Là một thành phần cơ bản trong kỹ thuật và công nghệ hiện đại, động cơ đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển máy móc, cung cấp năng lượng và hỗ trợ các hệ thống điều khiển. Với những tiến bộ công nghệ không ngừng, hiệu suất và hiệu suất của động cơ tiếp tục được cải thiện để đáp ứng nhu cầu đa dạng.
Theo loại nguồn điện, động cơ có thể được chia thành động cơ DC và động cơ AC.
Động cơ DC được cấp nguồn bằng dòng điện một chiều và chuyển đổi năng lượng điện DC thành năng lượng cơ học. Ưu điểm của chúng bao gồm tốc độ ổn định, mô-men xoắn khởi động cao và hiệu suất cao. Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp, khó bảo trì và chi phí cao hơn đã hạn chế ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực như máy công cụ, robot, xe điện và tàu thủy.
Động cơ DC chổi than sử dụng chuyển mạch cơ học, có cực từ cố định và cuộn dây quay. Sự chuyển mạch đạt được thông qua sự tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp. Những động cơ này có cấu trúc đơn giản và công nghệ tiên tiến, với các đặc tính như mô-men xoắn khởi động cao, phản ứng nhanh và độ chính xác điều khiển cao (lên đến 0,01 mm).
Động cơ DC không chổi than (BLDC) sử dụng chuyển mạch điện tử, với cuộn dây cố định và cực từ quay. Họ dựa vào cảm biến Hall để phát hiện vị trí cực từ và chuyển hướng dòng điện cho phù hợp. Không bị mòn chổi, chúng có tuổi thọ dài, độ ồn thấp và chi phí bảo trì thấp.
Động cơ AC được cung cấp năng lượng bằng dòng điện xoay chiều và chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng cơ học. Chúng được biết đến với độ bền, chi phí sản xuất thấp, dễ sử dụng và được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm tiêu dùng và thiết bị công nghiệp.
Động cơ một pha sử dụng dòng điện xoay chiều một pha để tạo ra từ trường điều khiển rôto, cần có tụ điện khởi động để bắt đầu quay. Chúng có cấu trúc đơn giản và giá thành thấp nên phù hợp với các thiết bị gia dụng như quạt và máy hút bụi.
Động cơ ba pha-bao gồm ba bộ cuộn dây cách nhau 120 độ và sử dụng dòng điện xoay chiều ba-pha để tạo ra từ trường quay dẫn động rôto. Với hiệu suất hoạt động cao, độ ổn định cao và tuổi thọ cao nên chúng chủ yếu được sử dụng trong máy bơm, quạt, máy nén công nghiệp.
Về mặt chức năng sử dụng, động cơ điều khiển đóng vai trò là bộ truyền động để điều khiển tốc độ và vị trí chính xác, chủ yếu bao gồm:
Động cơ bước chuyển đổi tín hiệu xung thành chuyển vị góc. Số lượng xung điều khiển sự dịch chuyển và tần số xung điều khiển tốc độ. Chúng có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao và được sử dụng trong máy cấp liệu tự động, máy in, v.v.
Động cơ servo chuyển đổi tín hiệu điện áp thành đầu ra cơ học. Phản hồi từ bộ mã hóa cho phép điều khiển vòng lặp khép kín. Chúng có đặc điểm là độ chính xác cao, phản hồi nhanh, độ ổn định cao và mô-men xoắn đầu ra cao, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các hệ thống điều khiển có độ chính xác cao-.
Động cơ mô-men xoắn tập trung vào mô-men xoắn đầu ra làm thông số điều khiển cốt lõi, loại bỏ các bộ phận truyền động cơ học. Với công suất mô-men xoắn cao và khả năng điều khiển chính xác, chúng được ứng dụng trong máy công cụ, dây chuyền sản xuất tự động và khớp nối robot. Chúng được phân loại thành loại không khung và loại có vỏ.
Về mặt chính sách, "Kế hoạch công tác ổn định ngành cơ khí (2023–2024)" nhấn mạnh việc nâng cao năng lực công nghiệp và đạt được những đột phá trong công nghệ cốt lõi, thúc đẩy những tiến bộ trong công nghệ động cơ. "Các ý kiến thực hiện về thúc đẩy đổi mới và phát triển công nghiệp trong tương lai" chỉ định robot hình người là lĩnh vực đột phá quan trọng, củng cố vai trò chiến lược của động cơ như thành phần cốt lõi của robot.
2. Động cơ không lõi: Tính năng kỹ thuật và hệ sinh thái công nghiệp
2.1 Nguyên tắc kỹ thuật và phân loại
Là một loại động cơ servo nam châm vĩnh cửu DC chuyên dụng, cải tiến cốt lõi của động cơ không lõi nằm ở thiết kế cánh quạt không có sắt. Cấu trúc bao gồm một trục, vòng bi, cuộn dây hình cốc-và một nam châm vòng từ hóa hướng tâm (stato), với mặt cắt ngang có rãnh-của nam châm là một đặc điểm xác định. Hai loại kỹ thuật chính là có chổi than và không chổi than: động cơ không chổi than sử dụng tiếp xúc cơ học giữa chổi than và cổ góp để truyền dòng điện. Mặc dù đơn giản và có chi phí-thấp nhưng việc mài mòn chổi than gây ra tiếng ồn do tia lửa điện và rút ngắn tuổi thọ, hạn chế-các ứng dụng cao cấp. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị gia dụng nhỏ. Động cơ không chổi than sử dụng chuyển mạch điện tử để chuyển hướng dòng điện, loại bỏ hao mòn tiếp xúc và cải thiện đáng kể kích thước, hiệu suất và tuổi thọ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho máy bay không người lái, khớp robot và thiết bị y tế chính xác.
Nhờ cấu trúc không khe và công nghệ cuộn dây treo, những động cơ này thể hiện ba ưu điểm cốt lõi: thứ nhất, hiệu suất năng lượng vượt trội, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn 15% so với động cơ truyền thống; thứ hai, mô-men xoắn đồng đều ở tốc độ thấp, đảm bảo thiết bị chính xác hoạt động trơn tru; thứ ba, độ rung và tiếng ồn mạnh ở tốc độ cao, giảm biên độ tới 30 dB.
2.2 Chuỗi ngành và rào cản gia nhập
Chuỗi công nghiệp động cơ không lõi bao gồm ba phân đoạn chính: nguyên liệu thô thượng nguồn, sản xuất trung nguồn và các ứng dụng hạ nguồn. Các vật liệu thượng nguồn tập trung vào đồng (dây dẫn cuộn), nam châm boron sắt neodymium (cực từ) và vòng bi-có độ chính xác cao, trong đó nam châm chiếm 35% chi phí. Nút thắt cốt lõi trong sản xuất giữa dòng nằm ở quy trình cuộn dây. Ba loại cuộn dây chính-tuyến tính, hình yên{6}}và nghiêng-tương ứng với mật độ năng lượng và hiệu quả không gian khác nhau. Quá trình cuộn dây lệch có thể làm tăng mật độ công suất lên tới 400 W/kg.
Các ứng dụng hạ nguồn rất đa dạng. Tại thị trường Trung Quốc năm 2023, thiết bị y tế chiếm thị phần lớn nhất với 37%, tiếp theo là hậu cần kho bãi (15%), tự động hóa công nghiệp (12%) và robot (8%). Ngành này phải đối mặt với ba rào cản lớn:
Rào cản kỹ thuậtxuất phát từ độ chính xác cần thiết cho cuộn dây treo. Dung sai đường kính dây phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 mm và độ lệch số cuộn dây nhỏ hơn hoặc bằng ±1 vòng; nếu không, các thông số động cơ có thể bị sai lệch trên 5%.
Rào cản tùy chỉnhphát sinh từ sự hội nhập sâu sắc với khách hàng. Ví dụ, các bộ truyền động khớp của robot phẫu thuật phải phù hợp với các đường cong mô-men xoắn cụ thể, khiến những người chơi mới khó có thể xâm nhập vào các mạng hợp tác hiện có.
Rào cản vốnđược phản ánh qua nhu cầu đầu tư tài sản lớn chẳng hạn như-máy ép dập tự động tốc độ cao ( Lớn hơn hoặc bằng 2 triệu RMB mỗi đơn vị) và dây chuyền sản xuất cánh quạt chính xác ( Lớn hơn hoặc bằng 5 triệu RMB mỗi dây chuyền). Chi tiêu R&D hàng năm phải luôn vượt quá 15% doanh thu.
2.3 Bối cảnh cạnh tranh và tiềm năng thị trường
Thị trường toàn cầu có tính tập trung cao độ. Vào năm 2023, các công ty nước ngoài nắm giữ 85% thị trường, trong đó 5 công ty hàng đầu chiếm tổng cộng 67%. Faulhaber của Đức dẫn đầu về khả năng điều khiển chính xác động cơ vi mô, trong khi Portescap của Thụy Sĩ vượt trội về thiết kế mật độ năng lượng cao. Allied Motion có trụ sở tại Hoa Kỳ chuyên về các giải pháp tùy chỉnh.
Tăng trưởng thị trường được thúc đẩy bởi hai động cơ: xu hướng hướng tới các thiết bị y tế chính xác hơn thúc đẩy mức tăng trưởng nhu cầu hàng năm trên 10%-ví dụ: rô-bốt phẫu thuật Da Vinci cần sáu động cơ không lõi trên mỗi đơn vị; sự bùng nổ của robot hình người mở ra nhu cầu mới-Ví dụ: Optimus của Tesla cần 12 động cơ chỉ để nối các khớp ngón tay trong một bàn tay khéo léo. Dựa trên các dự báo sản xuất hàng loạt, khi sản lượng robot hình người đạt một triệu chiếc mỗi năm, thị trường động cơ không lõi toàn cầu sẽ vượt quá 20,5 tỷ RMB, trong đó Trung Quốc chiếm khoảng 50%. Quy mô thị trường toàn cầu dự kiến sẽ đạt 870 triệu USD vào năm 2024 (tăng 7,41% so với cùng kỳ năm ngoái), trong đó Trung Quốc thậm chí còn tăng trưởng nhanh hơn ở mức 10,34%, đạt 320 triệu RMB.
3. Động cơ mô-men xoắn không khung: Cốt lõi của các khớp robot hình người
3.1 Tiến hóa công nghệ
Động cơ mô-men xoắn không khung loại bỏ vỏ và vòng bi truyền thống, gắn stato và rôto trực tiếp vào thiết bị chủ để tạo ra một chuỗi truyền động cực kỳ đơn giản. Ưu điểm kỹ thuật của chúng được thể hiện ở ba khía cạnh: việc loại bỏ bộ giảm tốc giúp giảm tổn thất năng lượng hơn 15%; quán tính của hệ thống giảm 30%, cho phép định vị chính xác ±0,05 độ; và phạm vi nhiệt độ rộng (-40 độ đến +155 độ ) cũng như khả năng chống sốc trên 5G của chúng đáp ứng các môi trường đòi hỏi khắt khe.
Current technical bottlenecks lie in magnetic circuit design and manufacturing processes. Industrial robot joints require torque density >8Nm/kg. Các nhà lãnh đạo toàn cầu như Kollmorgen (Mỹ) sử dụng dải sợi carbon, trong khi TQ-RoboDrive của Đức đổi mới với công nghệ bầu epoxy.
Sự phát triển trong tương lai tập trung vào hai con đường: hiệu suất cao hơn và tùy chỉnh kịch bản. Tối ưu hóa từ tính mảng Halbach dự kiến sẽ nâng mật độ mô-men xoắn lên 12 Nm/kg. Các mô-đun khớp linh hoạt dành cho rô-bốt cộng tác và các bộ phận khớp nối có tính tích hợp- cao dành cho rô-bốt hình người sẽ mở rộng khả năng thích ứng trong nhiều-tình huống.
3.2 Bối cảnh thị trường và dự báo nhu cầu
Tại Trung Quốc, thị trường cho thấy mức độ tập trung ứng dụng cao, trong đó robot chiếm 80% nhu cầu-45% đối với robot hình người và 35% đối với robot cộng tác. Bối cảnh cạnh tranh có sự song hành giữa sự thống trị ở nước ngoài và sự thay thế trong nước. Kollmorgen và TQ{6}}RoboDrive độc quyền ở phân khúc{10}cao cấp, trong khi các công ty trong nước như HETM (16% thị phần vào năm 2023) và Han's Motor (12%) đang thâm nhập vào phân khúc tầm trung với lợi thế về giá.
Sản xuất hàng loạt robot hình người sẽ trở thành động lực tăng trưởng chính. Mỗi robot sử dụng 28 động cơ mô-men xoắn không khung - 14 cho bộ truyền động tuyến tính (với vít con lăn hành tinh) và 14 cho bộ truyền động quay (kết hợp với bộ giảm tốc điều hòa). Khi quy mô sản xuất tăng lên, giá động cơ trung bình sẽ giảm từ 1.200 RMB vào năm 2025 xuống còn 800 RMB vào năm 2030. Dựa trên điều này, khi sản lượng robot hình người hàng năm ở Trung Quốc đạt 5 triệu chiếc, thị trường động cơ mô-men xoắn không khung sẽ vượt quá 279,5 tỷ RMB. Nhu cầu của Tesla thậm chí còn ấn tượng hơn, với lượng mua sắm dự kiến sẽ tăng từ 345 triệu RMB vào năm 2025 lên 27,955 tỷ RMB vào năm 2027 - tăng gấp 80 lần trong ba năm.
4. Xu hướng công nghệ và triển vọng ngành
Động cơ không lõi đang tiến tới độ chính xác cực cao ±0,01 độ-để hỗ trợ các hoạt động phức tạp như xâu chuỗi ren (độ chính xác ở mức 0,1 mm) và chơi đàn piano (thời gian phản hồi<1 ms). Frameless torque motors are adopting nanocrystalline soft magnetic alloys to improve power density by 30%, meeting the 300% instantaneous overload demand of humanoid robots in running conditions.
Quá trình công nghiệp hóa đang tăng tốc: Optimus của Tesla dự kiến sẽ được đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 2025 và mẫu H1 của Unitree dự kiến được giao vào năm 2024. Hai loại động cơ này sẽ chia sẻ thị trường robot hình người trị giá hàng nghìn tỷ-nhân dân tệ, trong đó thị trường động cơ không lõi toàn cầu dự kiến sẽ vượt quá 12 tỷ RMB vào năm 2027 và thị trường động cơ mô-men xoắn không khung của Trung Quốc dự kiến sẽ đạt 280 tỷ RMB vào năm 2030 - cùng nhau hình thành cực tăng trưởng cốt lõi của thiết bị thông minh.
