מנוע חסר ליבה - עוזר לרובוטים דמויי אדם להשתלט על העתיד

רובוטים דמויי אדם הפכו לכוכב נוצץ בתחום הבינה המלאכותית.

 

בשנים האחרונות רובוטים דמויי אדם הפכו לאחד מהישגי הדרך של טכנולוגיית AI, עם היישומים הנרחבים שלהם בתחומים כמורְפוּאִיושירותים. כדי לקדם את הפיתוח של מוצר חדשני זה, מדינות ברחבי העולם הציגו מדיניות ותמיכה מוגברת ברובוטים דמויי אדם ומרכיבי המפתח שלהם. בשרשרת תעשיית הרובוטים דמויי האדם, המנוע ללא ליבות, כמרכיב חיוני של מערכת בקרת התנועה, ממלא תפקיד הכרחי. לדוגמה, היד + המיומנות של הרובוט האנושי של טסלה משתמש במנועים חסרי ליבה כרכיב הליבה, כאשר כל רובוט מרכיב 12 מהם (6 בכל יד). מאמר זה, כמחקר על מנוע חסר ליבה+, בוחן את המאפיינים הטכניים שלו, מצב השוק והסיכויים העתידיים שלו.

 

 

1. קונספט וסיווג של מנועים

מנוע הוא מכשיר הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. זה פועל על ידי יצירת כוח בשדה מגנטי דרך סליל של תיל (סלילה סטאטור), אשר מניע את סיבוב הרוטור. באופן עקרוני, המנוע מנצל את השפעת הכוח של הזרם בשדה המגנטי כדי להשיג המרת אנרגיה יעילה.

 

עקרון בסיסי של פעולת מנוע:

מסביב לציר המסתובב משתמשים במגנטים קבועים:

על ידי יצירת שדה מגנטי מסתובב, המגנטים מופעלים.

בהתבסס על העיקרון ש"כמו קטבים דוחים, קטבים מנוגדים מושכים", הציר המסתובב מונע. במילים פשוטות, כאשר זרם זורם דרך החוט בצורת סליל, הוא יוצר שדה מגנטי מסתובב, הגורם למגנט להסתובב.

 

לאחר הכנסת ליבת ברזל לתוך הסליל, נתיב השטף המגנטי הופך מרוכז יותר, וחוזק השדה המגנטי מוגבר באופן משמעותי. בשלב זה, השדה המגנטי של המנוע נוצר על ידי הפעולה המשולבת של זרם הסליל וליבת הברזל, ויוצרים קטבים ברורים N ו-S, המניעים את הרוטור להסתובב.

 

רכיבי מפתח של מנוע

גַלגַל מְכַוֵן:

הסטטור הוא החלק הנייח של המנוע, ומבנה הליבה שלו כולל קטבים מגנטיים, פיתולים והמסגרת:

קטבים מגנטיים: עשויים מליבת ברזל וסלילים, תפקידם העיקרי הוא ליצור את השדה המגנטי.

פיתולים: סלילי הסטטור, העשויים בדרך כלל מחומרים מוליכים ומבודדים, משמשים ליצירת כוח מגנטי כאשר זרם עובר דרכם.

מסגרת: עשויה בדרך כלל מסגסוגת אלומיניום, המספקת תמיכה מבנית ועמידות וחוזק בפני קורוזיה מצוינים.

 

רוטור:

הרוטור הוא החלק המסתובב של המנוע, המורכב מהרכיבים העיקריים הבאים:

אבזור: עשוי ממוליכים ומחומרי בידוד, המשמשים ליצירת שדה מגנטי כאשר זרם עובר דרכו.

מיסבים: עשויים בדרך כלל מפלדה או קרמיקה, בעלי עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה מצוינים, הם תומכים בסיבוב הרוטור.

כיסויי קצה: עשויים מחומרים כמו סגסוגת אלומיניום, אלו מספקים אטימה וחוזק מבני למנוע.

 

באמצעות ניתוח מרכיבי הליבה של המנוע ועקרונותיו, קל לראות שהמנוע חסר הליבה, בעל מאפייניו הקומפקטיים והיעילים, הפך לכוח מניע חשוב לפיתוח טכנולוגיית הרובוטים האנושיים. בעתיד, ככל שהטכנולוגיה תמשיך להתקדם, היישום של מנועים חסרי ליבה בתחום הרובוטים החכמים יהפוך לנפוץ עוד יותר.

 

2. הגדרה וסיווג מוטורי ללא ליבה

ניתן לאתר את לידתו של המנוע חסר הליבה לשנת 1958, כאשר ד"ר פ. פאולהבר הציע לראשונה את טכנולוגיית סליל הפיתול הטיה, ובשנת 1965, הוא השיג את הפטנט הקשור, שסימן את הופעתו של המנוע חסר הליבה. העיצוב החדשני שלו השיג איזון מושלם בין גודל המנוע ליעילות. המנוע חסר ליבה שייך לקטגוריית מנועי הסרוו מגנט קבוע DC ומורכב בעיקר משני חלקים עיקריים: הסטטור והרוטור. הסטטור מורכב מיריעות וסלילים מפלדת סיליקון, והעיצוב הייחודי חסר החריצים שלו מונע למעשה את אפקט ההנעה הנראה בדרך כלל במנועים מסורתיים, ומפחית את אובדן הברזל ואובדן זרם המערבולת. הרוטור מורכב ממגנט קבוע, פיר ומכלול קבוע, באמצעות מגנט קבוע בצורת טבעת, המקל על העיבוד וההתקנה.

 

בהשוואה למנועים מסורתיים, המאפיין הייחודי ביותר של המנוע ללא ליבה הוא החידוש במבנה הרוטור שלו. שלא כמו רוטור ליבת הברזל במנועים מסורתיים, המנוע חסר ליבה מאמץ מבנה רוטור חסר ברזל, המכונה הרוטור חסר ליבה. בפנים הוא מוקף בפיתולי תיל ומגנטים, היוצרים מבנה בצורת כוס חלול.

 

במנועים מסורתיים, תפקידה של ליבת הברזל הוא:

1. ריכוז והנחיית השדה המגנטי: ליבת הברזל עשויה בדרך כלל מחומרים בעלי חדירות מגנטית גבוהה (כגון יריעות פלדת סיליקון) המרכזות ומנחות ביעילות את השטף המגנטי, ובכך משפרות את חוזק ויעילות השדה המגנטי של המנוע.

 

2. תמיכה בפיתולים: ליבת הברזל מספקת תמיכה יציבה לפיתולי המנוע, ומבטיחה את יציבות צורת הפיתולים ומיקומם במהלך פעולת המנוע.

 

לעומת זאת, המנוע נטול ליבות משתמש ברוטור גלילי חלול בעל קירות דקים, כאשר הפיתולים כרוכים ישירות סביב הרוטור, ומבטלים את הצורך בתמיכה נוספת בליבת ברזל.

 

היתרונות של העיצוב ללא ברזל משמעותיים מאוד:

1. ביטול זרם מערבול והיסטרזיס: במנועים מסורתיים, ליבת הברזל מייצרת בקלות זרמי מערבול והפסדי היסטרזה בשדה המגנטי המתחלף, מה שמפחית את יעילות המנוע. המנוע ללא ליבה, עקב היעדר ליבת ברזל, מבטל את ההפסדים הללו, ומשפר מאוד את יעילות המרת האנרגיה של המנוע.

 

2. הפחתת משקל והורדת אינרציה סיבובית: העיצוב ללא ברזל הופך את הרוטור לקלה יותר, מפחית את האינרציה הסיבובית, מה שמביא לזמני תגובה מהירים יותר, מהירויות התנעה ועצירה מהירות יותר, ומתאים מאוד ליישומים הדורשים תאוצה וזמני תגובה גבוהים.

 

עם מבנה גלילי חלול מעוצב במדויק ופריסה מתפתלת אופטימלית, המנוע ללא ליבה יכול להפיץ טוב יותר את השדה המגנטי, להפחית דליפה מגנטית ולשפר עוד יותר את היעילות התפעולית וביצועי המנוע.

 

סיווג מוטורי חסר ליבות

מנועים חסרי ליבה מסווגים בדרך כלל לשתי קטגוריות בהתבסס על שיטת הקומוטציה:

מנוע מוברש ללא ליבות: סוג זה של מנוע משתמש במברשות פחמן מכאניות להחלפה.

 

מנוע ללא מברשות ללא ליבות: מנוע זה משתמש בקומוטציה אלקטרונית במקום במברשות פחמן מסורתיות להעברה. עיצוב זה לא רק מבטל את הניצוצות החשמליים וחלקיקי אבק הפחמן הנפוצים במנועים מסורתיים, ומפחית את הרעש, אלא גם מאריך משמעותית את תוחלת החיים של המנוע.

 

על ידי השוואת מוצרים שונים, ברור שהמנוע ללא ליבות ללא מברשות כבר לא דורש מברשות פחמן, אלא משתמש בחיישני הול כדי לזהות את השינויים בשדה המגנטי של הרוטור בזמן אמת, תוך המרת תיווך מכאני לאותות אלקטרוניים להעברה. עיצוב זה מפשט מאוד את המבנה הפיזי של המנוע, מה שהופך אותו ליעיל ועמיד יותר.

 

טבלה: השוואה בין מנועי DC מוברשים וללא מברשות
קָטֵגוֹרִיָה	מנוע DC ללא מברשות	מנוע DC מוברש
הַחלָפָה	קומוטטור מתג אלקטרוני	המברשת נמצאת במגע מכני עם חלק המיישר
תכונות מבניות	בדרך כלל, הרוטור הוא מגנט קבוע והסטטור הוא אבזור	בדרך כלל, הרוטור הוא האבזור והסטטור הוא המגנט הקבוע
שיטת היפוך	שנה את הרצף של קומוטטור המתג האלקטרוני	שנה את קוטביות מתח המסוף
יתרונות	ביצועים מכניים טובים, חיים ארוכים, רעש נמוך, פיזור חום טוב	ביצועים מכניים טובים, עלות נמוכה
חסרונות	עלות התחלתית מעט גבוהה יותר	רעש גבוה, פיזור חום לקוי, תמורה דורשת תחזוקה

 

3. היתרונות של מנוע ללא ליבות

המנוע חסר הליבה, באמצעות עיצוב מבנה הרוטור החדשני שלו, שובר את המגבלות של רוטורי המנוע המסורתיים ומפחית מאוד את הפסדי זרם המערבולת הנגרמים על ידי ליבת הברזל.יחד עם זאת, עיצוב זה מקל ביעילות את משקל המנוע ומפחית את האינרציה הסיבובית שלו, ובכך ממזער את אובדן האנרגיה המכאנית של הרוטור במהלך התנועה. בסך הכל, המנוע ללא ליבה מציג יתרונות משמעותיים במספר תחומים, כולל צפיפות הספק גבוהה, תוחלת חיים ארוכה, תגובה מהירה, מומנט שיא גבוה וביצועי פיזור חום מצוינים.

 

צפיפות הספק גבוהה

צפיפות ההספק של מנוע ללא ליבה מתייחסת להספק המוצא ליחידת נפח או ליחידת משקל. בהשוואה למנועים מסורתיים, המנוע חסר הליבה קל ויעיל יותר בשל הרוטור חסר הברזל שלו. הרוטור נטול הברזל מבטל את הפסדי זרם המערבולת וההיסטרזה הנגרמים על ידי ליבת הברזל, משפר את היעילות של המנוע המיניאטורי ובכך מאפשר לו לספק כוח פלט ומומנט גדולים יותר בתוך נפח קטן יותר. היעילות של המנוע ללא ליבה מגיעה בדרך כלל ליותר מ-80%, בעוד שהיעילות של מנועי DC מוברש מסורתיים נמוכה בהרבה, בדרך כלל בסביבות 50%. לכן, המנוע נטול ליבות מתאים במיוחד למכשירים המופעלים על ידי סוללה הדורשים פעולה יציבה לטווח ארוך, כגון משאבות דגימת אוויר ניידות, רובוטים דמויי אדם, ידיים ביוניות וכלים חשמליים כף יד.

 

צפיפות מומנט גבוהה

הודות לעיצוב ללא ברזל, הרוטור של המנוע ללא ליבה הוא לא רק קל משקל אלא גם בעל אינרציה סיבובית קטנה יותר, כלומר המנוע יכול להאיץ ולהאט במהירות, וליצור מומנט גדול יותר בפרק זמן קצר יותר. בנוסף, בשל המבנה הקומפקטי יותר של הרוטור נטול הברזל, המנוע נטול הליבה מסוגל לספק תפוקת מומנט גבוהה יותר בשטח מוגבל.

 

תוחלת חיים ארוכה

למנוע חסר הליבה יש יותר מקטעי קומוטטור, ותנודות הזרם במהלך תהליך הקומוטציה קטנות יותר, מה שמפחית את השראות ומוריד משמעותית את קורוזיה האלקטרו של מערכת המנוע במהלך הקומוטציה. לכן, תוחלת החיים של המנוע ללא ליבה ארוכה בהרבה מזו של מנועי DC מוברשים מסורתיים. על פי מחקרים קשורים, אורך החיים הצפוי של מנוע ללא ליבה הוא בדרך כלל בין 1000 ל-3000 שעות, בעוד שלמנועי DC מוברש הוא בדרך כלל רק כמה מאות שעות.

 

תגובה מהירה

למנועים מסורתיים, בשל נוכחות ליבת הברזל, יש אינרציה סיבובית גדולה יותר ובכך זמני תגובה איטיים יותר. לעומת זאת, למנוע ללא ליבות יש מבנה קומפקטי ומשתמש בסליל בצורת כוס התומך בעצמו עבור הרוטור, מה שהופך אותו לקל יותר ומפחית את האינרציה הסיבובית שלו. זה נותן למנוע ללא ליבה מאפיינים רגישים מאוד של התחלה-עצירה. על פי נתונים קשורים, קבוע הזמן המכני של מנוע ללא ליבה הוא בדרך כלל פחות מ-28ms, כאשר חלק מהמוצרים אפילו מתחת ל-10ms, שהוא עדיף בהרבה על קבוע הזמן של 100ms של מנועי ליבת ברזל מסורתיים.

High Peak Torque

המנוע חסר הליבה יכול להשיג שיא מומנט גדול יותר בפרק זמן קצר מכיוון שקבוע המומנט של המנוע נשאר יציב במהלך עליית הזרם, ויש קשר ליניארי בין זרם למומנט. לעומת זאת, מנועי DC מסורתיים בליבת ברזל אינם יכולים עוד להגדיל את המומנט ברגע שהם מגיעים לנקודת הרוויה.

 

ביצועי פיזור חום מעולים

משטח הרוטור של המנוע ללא ליבה מאפשר זרימת אוויר, ומספק פיזור חום טוב יותר מאשר מנועי ליבת ברזל מסורתיים. במנועים מסורתיים, הסליל של רוטור ליבת הברזל מוטמע בדרך כלל בחריצים של יריעות פלדת סיליקון, מה שגורם לזרימת אוויר קטנה יותר על פני הסליל ולעליית טמפרטורה גבוהה יותר. באותם תנאי תפוקת כוח, למנוע ללא ליבה יש עליית טמפרטורה נמוכה משמעותית ופיזור חום יעיל יותר.

 

4. נתיב טכני של מנוע חסר ליבה

תהליך המפתח בייצור מנועים חסרי ליבה הוא ייצור הסליל, כך שתהליך התכנון והליפוף של הסליל הופכים למחסומים טכניים. קוטר החוט, מספר הסיבובים והמאפיינים הליניאריים של החוט משפיעים ישירות על פרמטרי הליבה של המנוע, בעוד ששיטת הפיתול קובעת ישירות את היעילות והביצועים של המנוע.

 

שיטות עיצוב ופיתול סליל

עיצוב הפיתול של המנוע ללא ליבה כולל בעיקר פיתול ישר, פיתול מוטה וליפוף אוכף.

 

פיתול ישר: שיטת פיתול זו כוללת סלילים שבהם החוט מקביל לציר המנוע, ויוצר פיתול מרוכז. אמנם עיצוב זה פשוט, אך חלקי הקצה של האבזור אינם יכולים ליצור מומנט יעיל, והוא מגדיל את משקלו והתנגדותו של האבזור.

 

פיתול שיפוע: ידוע גם בשם פיתול חלת דבש, שיטה זו משתמשת בפיתול זוויתי שבו חלקי הקצה של הפיתול קטנים יותר ואין פיתולי קצה. בהשוואה לליפוף ישר, פיתול מוטה מפחית את המשקל ואת האינרציה הסיבובית של האבזור, ומשפר את יכולת התאוצה של המנוע ואת מומנט המוצא. מותגים כמו Faulhaber הגרמני ו-Portescap השוויצרי משתמשים בדרך כלל בעיצוב זה.

 

סלילה אוכף: שיטת סלילה זו משתמשת בחוט אמייל מקשר עצמי ומשפרת את קצב מילוי החריצים באמצעות תהליכי עיצוב וסידור מרובים. סלילה אוכף יכולה לצמצם ביעילות את מרווח האוויר ולהגדיל את קצב הניצול של המגנט הקבוע, ובכך לשפר את צפיפות ההספק של המנוע. כמה מוצרים מבית Maxon השוויצרי מאמצים את העיצוב המפותל הזה.

 

לשיטות הליפוף השונות הללו יש השפעה חשובה על היעילות, ההספק והמומנט של המנוע ללא ליבה, והן גם קובעות את עלות הייצור של המנוע ואת תרחישי היישום המתאימים.

 

סיווג תהליכי סיפוף

מנקודת מבט של טכנולוגיית ייצור, ניתן לחלק את תהליכי יצירת הסליל של מנועים חסרי ליבה לשלוש קטגוריות: סלילה ידנית, טכנולוגיית ייצור סליל סלילים וטכנולוגיית ייצור של שלב אחד.

 

1. סלילה ידנית

סלילה ידנית היא תהליך ייצור בעבודת יד הכולל סדרה של שלבים מורכבים כגון הכנסת סיכה, סלילה ידנית וסידור סלילה ידני. אמנם שיטה זו מתאימה למוצרים מותאמים במיוחד, אך יעילות הייצור שלה נמוכה יחסית, והעקביות והיציבות של המוצרים מוגבלות. לכן, תהליך זה נפוץ יותר עבור אצווה קטנה או ייצור דרישות מיוחדות.

 

2. טכנולוגיית ייצור סליל סליל

טכנולוגיית ייצור סליל סליל היא תהליך חצי אוטומטי שבו מלופף חוט אמייל על גבי ציר עם חתך יהלום בסדר מסוים. לאחר הגעה לאורך הדרוש, הסליל מוסר ולאחר מכן משטחים ללוח חוט, אשר לאחר מכן מלופף לסליל בצורת כוס. לתהליך זה יש יעילות ייצור גבוהה יותר והוא יכול לענות על צורכי ייצור בקנה מידה בינוני. על פי הנתונים במאמר "תהליך סלילה וציוד לייצור אבזור ללא ליבות", ציוד המשתמש בארבעה עובדים יכול להשיג ייצור שנתי של 30,000 יחידות. עם זאת, המגבלה של טכנולוגיית סליל סליל היא שהיא מתאימה בעיקר לסלילים חסרי ליבה בקטרים ​​של 20-30 מ"מ. עבור סלילים קטנים יותר עם קטרים ​​של פחות מ-10-12 מ"מ, במיוחד אלו עם מרווח ברזים של פחות מ-7 מ"מ, הליפוף הופך למאתגר יותר. בנוסף, תהליך סלילה של סליל דורש עבודה ידנית ניכרת, מה שעלול להשפיע על עקביות המוצר.

 

3. טכנולוגיית ייצור חד-שלבי

טכנולוגיית ייצור בצורת שלב אחד משתמשת בציוד אוטומטי ביותר כדי לגלגל חוט מצופה אמייל על ציר לפי תבנית ספציפית. ברגע שהסליל מסובב לצורת כוס, הוא מוסר ישירות בשלב אחד, ומבטל את הצורך בתהליכים נוספים כמו גלגול או רידוד. שיטה זו מציעה רמה גבוהה יותר של אוטומציה, מספקת יעילות ייצור גבוהה יותר ועקביות טובה יותר של המוצר. עם זאת, זה גם דורש השקעה ראשונית גבוהה יותר בציוד. בהשוואה לטכנולוגיית פיתול סליל, טכנולוגיית יצירת שלב אחד יכולה לייצר מגוון גדול יותר של סוגי מנועים ומפרטים, והיא יכולה לשלוט טוב יותר על האיכות והאטימות של סידור הסליל.

טבלה: השוואה בין תהליך סלילה לתהליך יצירה חד-שלבי
	תהליך פצע	טכנולוגיית ייצור ליצירת ירייה אחת
מחיר ציוד	נָמוּך	גָבוֹהַ
תואר אוטומציה	נמוך, לא מתאים לייצור אוטומטי בקנה מידה גדול	ייצור אוטומטי בקנה מידה גדול אפשרי
שיעור גרוטאות	גָבוֹהַ	נָמוּך
קושי טכני מקיף	נָמוּך	גָבוֹהַ

 

ראה עוד:טכנולוגיית סלילה היא מחסום הליבה של מנוע כוס חלול

 

 

רובוטים דמויי אדם, הידועים גם בתור רובוטים אנתרופומורפיים, הם רובוטים אינטליגנטיים שנועדו לעבוד ולקיים אינטראקציה בסביבות הדומות לאלו של בני אדם. רובוטים אלו נועדו לחקות מראה והתנהגות אנושיים, מסוגלים לחוש את הסביבה הסובבת, לזהות עצמים ובני אדם, לעבד ולהבין נתונים מרחביים ולספק שירותים יעילים וחכמים. באמצעות שילוב של חיישנים, מפעילים, אלגוריתמים ומערכות חומרה ותוכנה אחרות, רובוטים דמויי אדם יכולים לתפוס, לעבד מידע ביעילות ולהגיב לצרכים אנושיים.

 

עם הפיתוח המתמשך של הטכנולוגיה, רובוטים דמויי אדם מיושמים יותר ויותר בתעשיות שונות וצפויים להפוך לשוק של טריליון דולר בדומה לסמארטפונים, רכבי נוסעים וטכנולוגיות אחרות בעתיד. בתחום התעשייתי, במיוחד בייצור, רובוטים דמויי אדם יכולים להחליף בני אדם בביצוע משימות בעצימות גבוהה, מסוכנות וחוזרות על עצמן, כגון טיפול בחומרים, ריתוך, ליטוש ועוד. טסלה מתכננת להכניס רובוטים דמויי אדם למפעלי הג'יגה שלה לפעולות פס ייצור כדי להגביר את יעילות הייצור ולהפחית את סיכוני הפציעה של עובדים; China General Nuclear Power Group שוקלת גם לפרוס רובוטים דמויי אדם בתחנות כוח גרעיניות; פוקסקון מבצעת פיילוט ברובוטים דמויי אדם כדי לטפל בבעיות בקרת איכות, תחלופת עובדים ולהקל על העומס הפיזי הנגרם ממשימות מסוימות שחוזרות על עצמן. תעשיית השירותים אינה יוצאת דופן. עם התפיסה הסביבתית העוצמתית שלהם ויכולות האינטראקציה המצוינות של אדם-רובוט, רובוטים דמויי אדם יכולים לבצע משימות כמו משלוח וליווי במסעדות, בתי חולים ובמקומות אחרים, כמו גם לשמש כספקי טיפול ביתי ומלווה בסביבות ביתיות. לדוגמה, אפולו, רובוט של חברת Apptronik האמריקאית, משמש בעיקר לניהול מחסנים ומסייע בהובלת סחורות, עם חיי סוללה של 4 שעות; G1, רובוט דמוי אדם לשימוש כללי שפותח על ידי Yushu Technology, יכול לבצע תנועות עדינות כמו פתיחת פקק של בקבוק.

 

מבחינת המבנה של רובוטים דמויי אדם, הם מחולקים בדרך כלל למערכת הביצוע, מערכת התפיסה ומערכות אחרות. מערכת הביצוע כוללת בעיקר מפעילים ליניאריים, מפעילים סיבוביים וידיים זריזות. מערכת התפיסה, בהתאם לנתיב הטכני, כוללת חיישנים חזותיים, מכ"ם גלי מילימטר, מערכות ניווט אינרציאליות ומכשירים נוספים. מערכות אחרות כוללות רכיבי מפתח כמו שבבים וסוללות. היד המיומנת, כאחד ממרכיבי המפתח של מערכת הביצוע, פועלת על בסיס שיתוף הפעולה בין המנוע ללא ליבה לתיבת ההילוכים הפלנטרית. המנוע חסר הליבה מניע את תיבת ההילוכים הפלנטרית כדי ליצור כוח תגובה הפוכה, אשר לאחר מכן מושך את מפרקי האצבעות דרך צירים או חיבורים אחרים, והופך תנועה סיבובית לתנועה ליניארית. על ידי הפעלת מתח קדימה או אחורה, המנוע חסר הליבה יכול לשלוט בהארכת ומשיכה של האצבעות, ולאפשר אחיזה או שחרור של חפצים.

 

אם לוקחים את רובוט האופטימוס של טסלה כדוגמה, היד המיומנת שלו מורכבת ממנוע חסר ליבה, תיבת הילוכים פלנטרית מדויקת, בורג כדורי, חיישנים ומקודדים. המנוע חסר הליבה מהווה כ-50% מעלות רכיבי ההפעלה של היד, וכ-4~4.5% מהעלות הכוללת של רובוט בודד. כל יד מיומנת מונעת על ידי שישה מנועים, כאשר שני מודולי מנוע חסרי ליבה מותקנים בקטע האגודל לביצוע תנועות הארכה והיפוך בו-זמנית; כל אחת מהאצבעות האחרות מונעת על ידי מודול מנוע אחד ללא ליבה. ששת מודולי המנוע פועלים יחד עם ציוד התולעת ומערכת הגידים כדי לבצע פעולות גמישות ומדויקות של היד.

 

בנוסף, רובוטים דמויי אדם מכילים גם מרכיב חיוני נוסף: מנוע המומנט חסר המסגרת, המשמש בדרך כלל באזורים הדורשים מומנט גבוה, כגון מפרקים. כסוג של מנוע סרוו, המנוע חסר הליבה מציע דיוק שליטה גבוה יותר ומהירות תגובה מהירה יותר, מה שהופך אותו לשימוש נרחב ברכיבים כמו ידיים זריזות הדורשות דיוק ותגובתיות רבה יותר. מכיוון שמאמר זה מתמקד במנועים חסרי ליבה, לא יורחב ניתוח מפורט של מנועי מומנט חסרי מסגרת.

 

 

1. נכון לעכשיו, ההתפתחות המהירה של בינה מלאכותית פתרה שני אתגרים מרכזיים לרובוטים: חוסר אינטליגנציה והיעדר תרחישי יישומים. במקביל, החומרה של רובוטים דמויי אדם עוברת איטרציה מהירה. הפריסה של הרשת התעשייתית המקומית תורמת להפחתת עלויות במהירות, ובכך מניחה את הבסיס לפופולאריזציה של רובוטים דמויי אדם. מאמר זה מאמין שהצמיחה בשוק הרובוטים דמויי האדם תתרחש בשלושה שלבים:

 

שלב 1: 2024-2026: מונע בעיקר על ידי מדיניות והון, צפוי שחברות ייכנסו בהדרגה לשלב הייצור ההמוני של רובוטים דמויי אדם. בשלוש השנים הראשונות, המיקוד של יישומים מסחריים יהיה לענות על הצרכים הלא מובנים של השוק התעשייתי, תוך השלמת קווי ייצור תעשייתיים מסורתיים. במהלך שלב זה, קצב הגידול השנתי המורכב (CAGR) של מכירות רובוט דמוי אדם צפוי להיות כ-50%.

 

שלב 2: 2027-2030: עם הפחתת עלויות מתמשכת ושיפור יעילות בשרשרת האספקה, כמו גם פריצות דרך טכנולוגיות מתמשכות, רובוטים דמויי אדם יתפשטו בהדרגה ויהפכו לפופולריים באזורים פוטנציאליים של שוק הבית והשירותים, כאשר פוטנציאל היישומים מתמשך נחקר. ה-CAGR של מכירות רובוט דמוי אדם בשלב זה צפוי להיות כ-100%.

 

שלב 3: אחרי 2030: הביקוש בתרחישים כמו טיפול בקשישים, חברות רגשית ויישומים צבאיים יהפכו לכוח המניע העיקרי לצמיחת רובוט דמוי אדם, מה שיוביל למגמת עלייה ארוכת טווח בשוק. ה-CAGR של מכירות רובוט דמוי אדם בשלב זה צפוי להיות כ-20%.

 

2. מנקודת מבט של תמחור, המחיר הנוכחי ליחידה של מנועים חסרי ליבה בשווקים המקומיים והבינלאומיים הוא 1200 RMB ליחידה. בהנחה שהמחיר יישאר יציב בעתיד.

 

3. בהנחה שמספר המנועים חסרי ליבה המשמשים בכל רובוט דמוי אדם נשאר זהה לעכשיו, כלומר, 12 מנועים לכל רובוט.

 

לפי ההערכה, החל משנת 2028, הגידול בקנה מידה השוק של מנועים חסרי ליבה בתחום הרובוטים האנושיים יגיע לרמת מיליארד יואן. עד שנת 2030, היקף השוק המצטבר מתחום הרובוטים האנושיים יעלה על 40% מהיקף השוק המשולב של תחומים אחרים.

טבלה: הערכה של תוספת קנה המידה של מנועי כוסות חלולים שהובאו על ידי רובוטים דמויי אדם
	2024	2025	2026	2027	2028	2029	2030	2031	2032
מכירות רובוט דמוי אדם (10,000 יחידות)	1	1.5	2.25	4.5	9	18	36	43.2	51.84
מכירות רובוט דמוי אדם (יאו)		50%	50%	100%	100%	100%	100%	20%	20%
מספר מנועי כוס חלולה לכל מכשיר (יחידות)	12	12	12	12	12	12	12	12	12
מכירות של מנועי כוס חלולה בתחום זה (10,000 יחידות)	12	18	27	54	108	216	432	518.4	622.08
מחיר יחידה של מנועי כוס חלולה (יואן)	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000
עלייה בהיקף השוק של מנועי כוסות חלולים (10,000 יואן)	12000	18000	27000	54000	108000	216000	432000	518000	622080

 

 

 

בעולם, ייצור מנועים חסרי ליבה, בשל הטכנולוגיה המתקדמת והיתרונות התחרותיים שלו, בשילוב עם טכנולוגיית ציוד פיתול מתקדם ורמת אוטומציה גבוהה, שומרת זה מכבר על נתח שוק גבוה, מה שמקנה לו יתרון של מוביל ראשון. מובילי התעשייה העולמיים כוללים את Maxon השוויצרית, Faulhaber הגרמנית ו-Portescap השוויצרית. בשוק הסיני, חברות ייצוגיות כוללות את VSD, שנוסדה בשנת 2011. ייצור מנועי ליבה בסין החל מאוחר יותר, עם פער טכנולוגי מסוים בהשוואה לחברות מעבר לים. עם זאת, נהנה מהיתרון החזק של השרשרת התעשייתית המלאה ומאגר הכישרונות המהנדסים של סין, צפוי להדביק קצב מהיר.

 

Maxon (שוויץ): Maxon נוסדה בשנת 1961, ומחזיקה בסביבות 3,300 עובדים ברחבי העולם, המפוזרים על פני 40 מדינות. בשנת 2022, החברה השיגה מחזור של 708 מיליון פרנק שוויצרי, עם ייצור שנתי של 5 מיליון יחידות וכ-12,000 זני מוצרים. המוצרים שלהם כוללים בעיקר מנועי DC ללא מברשות ומוברש, תיבות הילוכים שונות, חיישנים, מקודדים, מגברי סרוו, בקרי מיקום, רכיבי CIM ו-MIM, ופתרונות מותאמים אישית לצרכי הלקוח. המנועים חסרי הליבה שלהם נעים בין קטרים ​​של 4-90מ"מ, עם הספק שנעים בין 1.2-400 וואט. ביצועי המומנט מצוינים, עם הספק גבוה, טווח מהירויות רחב וחיי שירות ארוכים.

 

פאולהבר (גרמניה): כעסק משפחתי עצמאי, טכנולוגיית ההנעה של פאולהבר היא דוגמה יוצאת דופן להנדסת דיוק וטכנולוגיית מנוע. לפולהבר מרכזי מו"פ וייצור בגרמניה, שוויץ, ארה"ב, רומניה והונגריה, עם רשת המשתרעת על פני למעלה מ-30 מדינות ואזורים, ויותר מ-2,300 עובדים מקצועיים. המנוע B-Micro ללא ליבות ללא מברשות שלהם הוא בגודל מינימלי של 3 מ"מ, ולמנוע ללא ליבות מוברש 0615N1.5S יש גודל מינימלי של 6 מ"מ.

 

Portescap (שוויץ): נוסדה בשנת 1931 בשוויץ, Portescap התמקדה בתחילה בתעשיית השעונים והציגה את מנוע DC הרוטור חסר ליבה המהפכני EscapTM בשנת 1959, ונכנס לתעשיית המנוע המיניאטורי. בשנת 2023, היא נרכשה על ידי RegalRexnord. מוצרי המיקרו-מנועים של החברה עונים על צורכי ההולכה של שווקי קצה, החל ממכשירים רפואיים ועד ליישומים תעשייתיים שונים.

 

VSD (סין): VSD, שנוסדה ב-2011, התפתחה במהירות, תחילה בסין, ובתוך מספר שנים, היא עלתה במהירות והפכה לאחת מיצרניות המיקרו-מנועי המובילות בסין, והחלה להתרחב בינלאומית. היא כבר שיתפה פעולה עם חברות בינלאומיות ידועות כמו Montaplast, Panasonic ו-Philips, וזכתה לאמון ולשבחים. שטח המפעל הכולל של החברה עולה על 10,000 מ"ר, עם מתקני ייצור נפרדים למנועים מוברשים וללא מברשות, ומאות מכונות אוטומטיות מתקדמות (כולל מכונות ליפוף מתקדמות), עשרות מהנדסי מחקר מנוסים ומאות עובדים בחזית. , מייצרת 200,000 מנועים מדי יום.