被人形机器人“绑架”的空心杯电机

玩转机器人是我 2024-07-13 10:42:58

今天要写的内容和观点,可能会得罪人,也可能会有朋友不赞同。

一切都要从一个巧合说起。

昨天,有两个朋友问了我同一个问题:空心杯电机的前景究竟如何?

对我而言,这样的问题其实真的很难回答。

这两年,在不同的场合,出现了很多类似这样的表述:空心杯电机——人形机器人的“明珠”,前景广阔。

可是,这两年人形机器人的“明珠”似乎太多了点。

伺服电机是“明珠”,减速器是“明珠”,控制器是“明珠”,空心杯电机还是“明珠”。也不知人形机器人到底偷摸生了多少闺女。

某人形机器人公司的联合创始人曾私下和我说:“老弟,老实讲,干人形机器人之前,我都不知道空心杯电机是个什么玩意儿。”

一位某券商研究员曾跟我说:“要不是因为马斯克和人形机器人,我们可能不会去做这么细的空心杯电机的调研,虽然也不过是些桌面调研。谁关心这玩意儿啊?”

台前:明珠;私下:玩意儿。

(以上两位已同意我引用他们的话。)

是的,人形机器人火了,于是与之相关的产业链也火了,一些原本压根没几个人知道的部件和上游企业被广为关注。这当然是一件好事,因为有关注才有发展。我一直认为,无论是to B还是to C玩家,都要有“深入寻常百姓家”、尽量让自己被更多人关注的意识。什么意思呢?

你看,to B从业者尤其是制造业老炮们习以为常的是和政府或企业客户鏖战,基本没关心过普通老百姓平时在想什么,因为直接付钱给他们的不是C端人群。这是没错的,我也一直告诉to B的科技类初创企业要优先聚焦核心目标人群。可是,大家也要想想,客户的客户以及客户的客户的客户是谁?是老百姓,社会整体运转的基石是什么?是老百姓的纳税和消费。

所以,无论是做什么生意,都绝没有不关注C端的理由。

几年前,做空心杯电机的企业,恐怕没多少能想到自己干的行业后来会因为人形机器人而走上台前,也想不到这个和老百姓没关系的领域,居然有一天会被股票投资者翻来覆去研究。这种“想不到”是制造业的传统运转惯性带来的认知层面的必然结果。

因此,对于像空心杯电机这样的上游”玩意儿“,现在可能是最好的时代——当然也可能后面还有更好的日子,因为人形机器人已经是社会性话题而不只是科技圈的热点,而且目前还看不出人形机器人热度下降的明显趋势。

可如果人形机器人没发展起来呢?这阵风过去之后,研究员、媒体、投资人会去追捧新的热点,做空心杯电机的厂家尤其是其中的中小企业呢?他们手里还剩下什么?

关键是,即便在人形机器人火热的当下,也并没有多少人形机器人的产量实际发生……也就是说,事实上人形机器人并没有给空心杯电机带来很大的销量提升。

因此,对大部分厂家来说,更现实的恐怕还是抓紧利用风口,实现品牌和生态关系的完善。但是这两件事对于几乎所有机器人上游玩家都适用,今后我们再做专门讨论,比如如何实现品牌叙事的家国化、制造业企业如何利用内容营销以小博大等。

(以前曾写过一些相关文章,可参阅↓

《机器人企业的新媒体运营,如何从 0 打造 1000+ 私域流量池》、

《“给你们公司写文案,让我遭遇了婚姻危机”》、

《机器人公司的市场部,是0存在价值的绿叶?》)

此处多说说另一件事:行业科普。

要想让更多的人了解一个行业,除了企业自身的努力,还要有人去做科普工作。虽然这也是很多行业共同的需求,但毕竟各行的情况不同。

科普空心杯电机,也就顺带回答了前面的那个问题:空心杯电机的前景究竟如何?

如果打个形象的比方,空心杯电机相当于机器人的什么?

或许,可以认为空心杯电机之于机器人,就像是人类的肌肉——它就像肌肉在人体中负责产生力量和控制精细的动作那样,服务于机器人的运转。

空心杯电机在机器人中提供的功能大体如下:

1. 力量来源:肌肉是我们身体移动和进行各种活动的力量来源,而空心杯电机则是机器人执行动作的动力源泉,例如移动肢体、抓取物体等。

2. 精细控制:肌肉的收缩和放松能够实现人体的精细动作,比如书写、弹奏乐器或是进行外科手术。同样地,空心杯电机的高精度控制允许机器人执行高度精确的任务,如组装微小零件等复杂的操作。

3. 反应速度:肌肉能够迅速响应大脑的指令,使我们做出即时的反应。空心杯电机的高速响应特性让机器人能够快速调整其动作,以适应动态环境。

4. 适应性:肌肉的强度和灵活性可以根据需要进行调整,而空心杯电机也可以根据不同的负载和速度要求来调节其输出功率和扭矩。

5. 效率和耐力:肌肉的效率和持久力是体育运动员和体力劳动者成功的关键,而空心杯电机的高效能和耐用性对于保证机器人长期稳定运行至关重要。

说白了,空心杯电机就是一种高性能的直流、永磁、伺服微特电机,通过消除涡流(涡流损耗是导致能量损失和发热的主要原因之一),空心杯电机不仅效率高,重量和转动惯量也小,转子自身的机械能耗损也少。因此这样的设计使得电机能达到更高的能量密度,与同等功率的传统铁芯电机相比,其重量和体积可以减少三分之一到二分之一。

参考资料:毕紫莉. 基于Bertotti模型的铁磁材料磁滞及损耗特性研究[D].河北工业大学,2022.DOI:10.27105/d.cnki.ghbgu.2022.000285.,中金公司研究部(f为磁场交变频率、B为磁密幅值,Kh为磁滞损耗系数、Ke为涡流损耗系数,Kex为附加损耗系数)

这使得空心杯电机能用于要求高精度、快速响应和低噪声的应用场景,例如在人形机器人、航空航天设备、精密仪器、医疗器械、高端摄影设备以及其他需要高精度控制的小功率控制系统中。

电机的绕组通常采用精密的绕线工艺完成,这需要专门的绕线设备,而这类设备往往掌握在技术领先的公司手中,构成了一定程度的技术壁垒。空心杯电机的绕组通过换向器与外部电路连接,换向器和一对贵金属刷共同工作,以减少电刷火花,降低电磁干扰。

绕线机绕线工作过程 来源:《永磁无刷空心杯电机及控制器研究》

资料来源:赵秉生,苏克科,邱鹤年.绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备[J].微特电机,1985(04):33-35.

空心杯电机的技术难点,主要也正是在空心杯的部分,很大一部分原因是买不到绕线设备——国外技术能力强的企业有不少不对外出售,很多国内空心杯电机厂商采购日本企业的产品来实现空心杯电机的生产。

同时,空心杯电机本身也面临一些技术和工程挑战,比如说成本高——空心杯电机通常使用较高质量的材料和复杂的制造工艺,这导致其生产成本高于传统的铁芯电机;对于有刷空心杯电机,电刷的磨损是一个问题,因为这会限制电机的使用寿命。无刷设计可以解决这一问题,但增加了复杂性和成本;空心杯电机虽说效率高,但在高负载下仍然会产生热量,因此有效的散热机制也算是个挑战;高精度和快速响应要求先进的控制算法,这增加了电机驱动和控制系统的设计复杂度,特别是对于需要动态调整扭矩和速度的应用;实现高质量和一致性的大规模生产,同时保持成本效益,是另一个重要挑战,尤其是在追求更高性能和更小尺寸的趋势下……

那么,这样的空心杯电机,前景如何呢?

我认为,在当下的时代语境下,谈论一个硬科技领域的前景,必须结合三个维度:问题与挑战、产业政策、目标场景。

空心杯电机的挑战已经说过了,应该如何与后两者结合起来思考呢?

首先无可置疑的是,中国产业政策对高端制造业的扶持力度会长期持续,财政补贴、税收减免、研发支持等手段刺激着更多资源投入于技术创新和产业升级(当然,不应回避整体经济的运转态势和社会机制问题,但这个话题不太方便展开谈,容易触及雷区),这其中当然也包括空心杯电机。从长期看,在政策整体加持下,空心杯电机有机会在材料科学、制造工艺和设计优化等方面持续取得进展,从而克服成本高、技术门槛高等挑战。

与此同时,应关注全球科技消费电子产品市场的情况。对于空心杯电机的应用场景,前文已有叙述,为何此处要谈科技消费电子?因为随着AI的发展,该领域开始处于持续扩张状态(知名机构TechInsights此前预测,全球消费电子2023年市场规模接近9500亿美元,2024年消费电子市场规模有望突破1万亿美元大关),有机会催生对高性能、高效率电机的巨大需求。从智能穿戴设备到无人机,从高端相机到医疗设备,每一个细分市场都需要能够满足特定性能指标的电机解决方案。理论上讲,空心杯电机低惯量、高响应速度、高效率的特点,是契合这些场景的需求的。

一言以蔽之,空心杯电机的前景取决于外部环境和自身的突围,这本是极朴素的规律。根据 GII 引用 QY Research 的统计数据,全球空心杯电机市场规模由 2022 年的 7.48 亿美元将增长至 2028 年的 11.86 亿美元,期间 CAGR 为 7.98%。它虽然因人形机器人而“火”,其未来却未必取决于人形机器人的未来,其发展也绝无逃脱朴素规律的可能。

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