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物流移动机器人电机市场状况与采购选型

2022/8/30    来源:物流技术与应用    作者:喜崇彬      
关键字:物流  机器人  选型  
本文对电机相关知识和业内专家观点经验机械能梳理整合,介绍了物流移动机器人电机市场的基本格局及发展状况,以供业内参考。

电机为物流移动机器人的行走和其他动作功能提供动力

电机为物流移动机器人的行走和其他动作功能提供动力

       作为智能化物流装备,物流移动机器人(AGV/AMR)的发展在业内外受到广泛关注。电机是构成物流移动机器人产品的重要的配套件之一,本文对电机相关知识和业内专家观点经验机械能梳理整合,介绍了物流移动机器人电机市场的基本格局及发展状况,以供业内参考。

电机的分类及特点

       电机(Electric machinery),俗称“马达”,是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源。按工作电源种类划分,电机可分为直流电机和交流电机。其中,直流电动机按结构及工作原理可划分为无刷直流电动机和有刷直流电动机;电机按用途可划分为驱动用电动机和控制用电动机,控制用电动机又可划分为步进电动机和伺服电动机等。

       物流移动机器人的驱动系统,主要由驱动电源、电机和减速装置组成。电机作为一种将电能转换为机械能的配套件,在物流移动机器人中扮演着重要角色,电机的性能参数及减速装置规格型号的确定直接决定着整车的动力性,即车辆的运动速度和驱动力直接决定整车的动力特性。电机种类繁多,在物流移动机器人中主要用到的电机包括四种:直流有刷电机、直流无刷电机、直流伺服电机、步进电机。

       据苏州牧星智能科技有限公司CTO黄志明先生介绍,一台物流移动机器人设备上通常会用到多台、多种类型的电机。因为如今的物流移动机器人除运动行走外,还集合了很多其他动作功能,如顶升、旋转等动作,还有提升背篓、启动伸缩货叉等;这些动作都需要通过电机输出动力。物流移动机器人行走主要采用三种模式——差速、舵轮、迈轮式三种。差速式的AGV最少要一对两个电机。叉车式物流移动机器人用舵轮比较多,一组舵轮就是两个电机。迈轮最少三个轮子,每个轮子最少需要1个电机。因此,一般的物流移动机器人,即便只是行走加上其他一些基本功能,最少也需要4、5个电机。如果动作功能复杂些,需要的电机则更多。

       不同类型的电机,具有不同的特点:

       直流有刷电机。直流有刷电机是内含电刷装置的将直流电能转换成机械能(直流电动机),或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。直流有刷电机是所有电机的基础,具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。与此同时,因为电刷和换向器的存在,容易产生火花,特定场合容易产生危险;并且,电刷和换向器之间一直存在物理摩擦,使用寿命不长,具有需要后期维护等缺点。在物流移动机器人中,如果控制电路简单,在对电机使用寿命没有过高要求的场合中,可以选用直流有刷电机。

       直流无刷电机。直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化。与有刷电机最明显的不同是,采用电子换向,去掉电刷。电机主体由三个绕组A、B、C组成,采用对称星形接法。转子是永磁体。为了检测转子位置,常内置霍尔传感器。与有刷电机相比,直流无刷电机具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性等优点,但控制相对复杂一些,需要专用的控制器。

       直流伺服电机。直流伺服采用永磁同步电机,结构与直流无刷区别不大,只是绕组的反电动势不同,直流无刷的发电动势接近方波,更适合六步方波控制,永磁同步电机的发电动势为正弦波,更适合矢量控制。伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解:伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样与伺服电机接收的脉冲形成呼应,或者叫闭环。如此一来,系统就会知道发出多少脉冲给伺服电机,同时又接收多少脉冲回来,从而能够很精确地控制电机转动,实现精确定位,可以达到0.001mm。与直流无刷电机相同的是,需要专用的驱动器来控制,采用更复杂的矢量控制算法。除采用霍尔传感器来检测转子位置,还会采用编码器来检测转子位置,实现转子任意位置的停止。直流伺服电机具有效率高、响应快、转动平滑、力矩稳定、运行噪声小等优点,可在速度模式和位置模式运行。

       物流移动机器人的行走电机常采用直流伺服电机或直流无刷电机,在对精度要求较高的场合常采用直流伺服电机。根据电机本体和驱动器的形式,可以分为分体式和一体式。分体式的,驱动器和电机本体分开,适用于大功率场合;一体式的,驱动器和电机本体组装在一起,结构紧凑,适用于功率较小、对体积有要求的场合。

       步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时,就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(步距角),其旋转是以固定角度一步一步运行,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量。同时,可通过控制脉冲频率来控制电机转动速度,从而达到调速的目的。与直流伺服电机相比,步进电机一般不具有过载能力,速度响应性能比伺服小,主要用在执行机构中。

       总体而言,各类电机中,如果从控制精准度来说,则伺服调速精度最高,步进次之,直流有刷及无刷电机最低。伺服电机一般都是被使用在精度要求高的场合,而无刷电机只用在精度不是特别高的地方,步进电机居中,但步进电机的转速没有无刷电机快。

       对于AGV智能小车所用的电机,用户可以从出发点、侧重点来考虑,进而选择合适的电机。如果侧重于对设备实现精准控制的话,就用伺服电机;如果AGV智能小车对调速要求不必很精准,可以用无刷电机。不同产品之间,价格也相差悬殊,伺服电机价格最高,无刷电机价格最低。

电机市场格局及选型考虑因素

       关于目前物流移动机器人用电机市场的市场格局,本刊记者对苏州牧星公司CTO黄志明先生和宁波中大力德智能传动股份有限公司智能物流事业部经理汪奇健先生进行了采访。他们都认为,电机是技术发展比较成熟的产品,能够给市场提供产品的厂家也比较多,因此市场竞争比较充分,属于买方市场的格局,电机技术相对成熟,国内厂家基本能满足中国市场需求。物流移动机器人对电机要求并没有特别高,国内的技术能力、产量等等基本都能满足。

       据黄志明进一步介绍,物流移动机器人厂家采购电机的考虑因素主要有几方面:从成本角度看,电机在一台物流移动机器人中所占比例大体不超过10%。大部分产量规格比较小的物流移动机器人制造商直接采购电机厂家标准型号的电机。在电机制造商中,上海步科公司和北京和利时公司在物流移动机器人电机领域布局较早,占据比较大的市场份额。而包括苏州牧星在内的一些规模比较大的物流移动机器人厂家,现在更倾向直接到厂家定制相关的电机产品。“我们可以根据自身产品需求提出更细致的要求,同时可以把标准产品中不需要的功能省略掉。这样做初期研发成本比较高,但是量产后成本就能降下来,产品性能与我们物流移动机器人的功能也更加匹配。”

       从物流移动机器人功能实现的角度看,物流移动机器人的移动首先需要启动,因此负责输出移动动力的电机需要瞬间扭矩比较高,需要的瞬间功率也比较高。但是,当物流移动机器人平稳运行时,需要电机输出的功率反而不需要太高。因此,从经济性角度考虑,如果要保证物流移动机器人顺利启动,就需要电机功率比较大,但是达到平稳运行时就会浪费冗余的功率。因此,物流移动机器人厂家采购电机,会考虑瞬时过载能力比较强的电机,也就是启动时瞬间输出功率比较大,但是平常正常运行时功率比较小的电机。“有点像过去电脑攒机,在预算有限的情况下,会选择超频性能比较好的CPU,既能够满足程序启动的需求,又能够满足程序正常运行的需求。”同样的道理,物流移动机器人厂家采购电机,一般要求其瞬时过载功率能超过其标定功率的2至3倍,这样与直接采购大功率电机相比性价比要高得多。

物流移动机器人厂家采购电机还需考虑车体制造需求

物流移动机器人厂家采购电机还需考虑车体制造需求

       此外,物流移动机器人厂家采购电机还要考虑物流移动机器人车体制造需求。尽管现在各家物流移动机器人车体结构千差万别,但是总体来说物流移动机器人车体的空间尺寸有限,需要电机能量密度要高,即小身体要有大能量。如2020年步科研发团队在第一代低压伺服电机的基础上研发了新一代的G2和超短机身的极智系列低压伺服电机,新一代电机采用全新的5对极电磁设计方案,新电机具有以下特点:超短机身:极智系列在保证不损失功率的情况下,机身结构重新设计极大地缩短了机身长度,电机长度平均缩短30%以上,200W电机机身长度最短可以做到46.5mm。极短的长度可以为客户设备节省更多安装空间,有利于物流移动机器人车身尺寸,使设备小型化,提高整体空间利用率。

       据汪奇健介绍,由于物流移动机器人用电机在设计上既要求增加出力,又要求减小体积,还有瞬间过载能力的要求,这都给电机的设计和制造提出更高要求。在物流移动机器人的运行使用中,既要充分发挥电机的过载能力,还必须考虑电机频繁启动、过载运行造成的损耗,要免于损坏,从而提高电机系统的可靠性和物流移动机器人生产运行的连续性。现在很多电机厂家已经设计出一种减速机与低压伺服一体化的方案,可以从体积上更好地服务于物流移动机器人更小机身的设计需求。这种电机结构具有结构紧凑、精度高、噪音低等优点,从而满足物流移动机器人应用领域不断拓展的应用场景需求。而为了进一步提高产品运行的准确性、质量的稳定性和可靠性,物流移动机器人驱控一体化设计被认为是未来的发展方向。

       驱控一体就是把驱动器、控制器、编码器、电机等全部集成到一起,形成一个高度集成和智能化的设备,不仅能够帮助提高这些产品的各项性能,也能够进一步降低成本。
责任编辑:李瑶嘉
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