1. Classificazione dei motori principali ed evoluzione tecnologica
1.1 Categorie di motori e caratteristiche principali
Un motore è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica, funzionando in base ai principi elettromagnetici-generando un movimento rotatorio o lineare attraverso l'interazione tra corrente e campi magnetici. Essendo un componente fondamentale dell'ingegneria e della tecnologia moderna, i motori svolgono un ruolo cruciale nell'azionamento dei macchinari, nella fornitura di energia e nell'abilitazione dei sistemi di controllo. Con i continui progressi tecnologici, le prestazioni e l’efficienza dei motori continuano a migliorare per soddisfare richieste diversificate.
In base al tipo di alimentazione, i motori possono essere suddivisi in motori DC e motori AC.
I motori CC sono alimentati da corrente continua e convertono l'energia elettrica CC in energia meccanica. I loro vantaggi includono velocità stabile, elevata coppia di avviamento e alta efficienza. Tuttavia, la loro struttura complessa, la difficoltà di manutenzione e i costi più elevati ne limitano l’applicazione a settori quali macchine utensili, robotica, veicoli elettrici e navi.
I motori DC con spazzole utilizzano la commutazione meccanica, con poli magnetici fissi e bobine rotanti. La commutazione avviene tramite contatto tra le spazzole ed il commutatore. Questi motori sono semplici nella struttura e maturi nella tecnologia, con caratteristiche quali elevata coppia di avviamento, risposta rapida ed elevata precisione di controllo (fino a 0,01 mm).
I motori CC senza spazzole (BLDC) utilizzano la commutazione elettronica, con bobine fisse e poli magnetici rotanti. Si affidano ai sensori Hall per rilevare la posizione del polo magnetico e cambiare di conseguenza la direzione della corrente. Senza usura delle spazzole, offrono una lunga durata, bassa rumorosità e bassi costi di manutenzione.
I motori CA sono alimentati da corrente alternata e convertono l'energia elettrica CA in energia meccanica. Sono noti per la loro durata, bassi costi di produzione e facilità d'uso e sono ampiamente applicati nei prodotti di consumo e nelle apparecchiature industriali.
I motori mono-fase utilizzano CA mono-fase per generare un campo magnetico che aziona il rotore, richiedendo un condensatore di avviamento per avviare la rotazione. Hanno strutture semplici e costi contenuti, che li rendono adatti per elettrodomestici come ventilatori e aspirapolvere.
I motori trifase- sono costituiti da tre serie di bobine distanziate di 120 gradi l'una dall'altra e utilizzano corrente alternata tri-fase per creare un campo magnetico rotante che aziona il rotore. Con elevata efficienza operativa, forte stabilità e lunga durata, vengono utilizzati principalmente in pompe, ventilatori e compressori industriali.
In termini di utilizzo funzionale, i motori di controllo fungono da attuatori per il controllo preciso della velocità e della posizione, tra cui principalmente:
I motori passo-passo convertono i segnali di impulso in spostamento angolare. Il numero di impulsi controlla lo spostamento e la frequenza degli impulsi controlla la velocità. Sono semplici nella struttura, altamente affidabili e utilizzati negli alimentatori automatici, nelle stampanti, ecc.
I servomotori convertono i segnali di tensione in uscita meccanica. Il feedback dei codificatori consente il controllo-a circuito chiuso. Sono caratterizzati da alta precisione, risposta rapida, forte stabilità e coppia di uscita elevata, che li rendono ideali per sistemi di controllo ad alta-precisione.
I motori torque si concentrano sulla coppia in uscita come parametro di controllo principale, eliminando i componenti di trasmissione meccanica. Con una coppia elevata e capacità di controllo precise, vengono applicati in macchine utensili, linee di produzione automatizzate e giunti robotici. Sono classificati in tipi frameless e alloggiati.
Sul fronte politico, il “Piano di lavoro per la stabilizzazione dell’industria meccanica (2023-2024)” sottolinea il miglioramento delle capacità industriali e il raggiungimento di scoperte nelle tecnologie di base, promuovendo i progressi nella tecnologia dei motori. I "Pareri di attuazione sulla promozione dell'innovazione e dello sviluppo industriale futuri" designano i robot umanoidi come un'area chiave di innovazione, rafforzando il ruolo strategico dei motori come componenti fondamentali dei robot.
2. Motori coreless: caratteristiche tecniche ed ecosistema industriale
2.1 Principi tecnici e classificazione
Essendo un tipo specializzato di servomotore a magnete permanente CC, l'innovazione principale del motore senza nucleo risiede nel design del rotore senza ferro. La struttura comprende un albero, cuscinetti, avvolgimenti a forma di tazza- e un magnete ad anello magnetizzato radialmente (statore), con la sezione trasversale scanalata-del magnete che costituisce una caratteristica distintiva. Le due principali categorie tecniche sono con spazzole e senza spazzole: i motori coreless con spazzole utilizzano il contatto meccanico tra spazzole di carbone e commutatori per la trasmissione di corrente. Sebbene sia semplice e a basso-costo, l'usura delle spazzole provoca scintille e una durata di vita ridotta, limitando le applicazioni-di fascia alta. Sono utilizzati principalmente nei piccoli elettrodomestici. I motori coreless senza spazzole utilizzano la commutazione elettronica per cambiare la direzione della corrente, eliminando l'usura dei contatti e migliorando significativamente le dimensioni, l'efficienza e la durata, rendendoli ideali per droni, giunti robotici e dispositivi medici di precisione.
Grazie alla struttura senza slot e alla tecnologia dell'avvolgimento sospeso, questi motori dimostrano tre vantaggi fondamentali: in primo luogo, un'eccezionale efficienza energetica, con un'efficienza di conversione energetica superiore di oltre il 15% rispetto ai motori tradizionali; in secondo luogo, coppia uniforme a basse velocità, che garantisce il funzionamento regolare delle apparecchiature di precisione; terzo, forte soppressione delle vibrazioni e del rumore alle alte velocità, riducendo l'ampiezza fino a 30 dB.
2.2 Catena industriale e barriere all'ingresso
La catena dell’industria dei motori coreless comprende tre segmenti principali: materie prime a monte, produzione intermedia e applicazioni a valle. I materiali a monte si concentrano su rame (conduttore dell'avvolgimento), magneti al neodimio ferro boro (poli magnetici) e cuscinetti ad alta-precisione, con i magneti che rappresentano il 35% del costo. Il principale collo di bottiglia nella produzione midstream risiede nel processo di avvolgimento della bobina. I tre tipi principali di avvolgimento-lineare, a sella-e obliquo-corrispondono a diverse densità di potenza ed efficienze di spazio. Il processo di avvolgimento obliquo può aumentare la densità di potenza fino a 400 W/kg.
Le applicazioni a valle sono diverse. Nel mercato cinese del 2023, i dispositivi medici rappresentavano la quota maggiore con il 37%, seguiti dalla logistica di magazzino (15%), dall’automazione industriale (12%) e dalla robotica (8%). Il settore si trova ad affrontare tre ostacoli principali:
Barriere tecnichederivano dalla precisione richiesta per l'avvolgimento sospeso. Le tolleranze del diametro del filo devono essere inferiori o uguali a 0,01 mm e la deviazione del conteggio degli avvolgimenti inferiore o uguale a ±1 giro; in caso contrario, i parametri del motore potrebbero variare di oltre il 5%.
Barriere alla personalizzazionenascono da una profonda integrazione con i clienti. Ad esempio, le unità articolari dei robot chirurgici devono corrispondere a specifiche curve di coppia, rendendo difficile per i nuovi attori entrare nelle reti di collaborazione esistenti.
Barriere patrimonialisi riflettono nella necessità di ingenti investimenti in beni quali presse automatiche ad alta- velocità (maggiori o uguali a 2 milioni di RMB per unità) e linee di produzione di rotori di precisione (maggiori o uguali a 5 milioni di RMB per linea). La spesa annuale in ricerca e sviluppo deve costantemente superare il 15% delle entrate.
2.3 Panorama competitivo e potenziale di mercato
Il mercato globale è altamente concentrato. Nel 2023, le società estere detenevano l’85% del mercato, con le prime cinque che rappresentavano una quota combinata del 67%. La tedesca Faulhaber è leader nel controllo di precisione dei micromotori, mentre la svizzera Portescap eccelle nella progettazione ad alta densità di potenza. Allied Motion, con sede negli Stati Uniti, è specializzata in soluzioni personalizzate.
La crescita del mercato è guidata da due motori: la tendenza verso dispositivi medici più precisi spinge la crescita della domanda annuale oltre il 10%-ad esempio, un robot chirurgico Da Vinci richiede sei motori coreless per unità; il boom dei robot umanoidi apre una nuova domanda-L'Optimus di Tesla, ad esempio, ha bisogno di 12 motori solo per le articolazioni delle dita in un'unica mano abile. Sulla base delle proiezioni sulla produzione di massa, quando la produzione di robot umanoidi raggiungerà il milione di unità all’anno, il mercato globale dei motori coreless supererà i 20,5 miliardi di RMB, di cui la Cina rappresenterà circa il 50%. Si prevede che le dimensioni del mercato globale raggiungeranno gli 870 milioni di dollari nel 2024 (in crescita del 7,41% su base annua-su-anno), con la Cina che crescerà ancora più rapidamente al 10,34%, raggiungendo i 320 milioni di RMB.
3. Motori Torqueless: il nucleo dei giunti dei robot umanoidi
3.1 Evoluzione tecnologica
I motori torque senza telaio eliminano alloggiamenti e cuscinetti tradizionali, incorporando statori e rotori direttamente nell'apparecchiatura host per una catena di trasmissione estremamente semplificata. I loro vantaggi tecnici si manifestano in tre modi: l'eliminazione dei riduttori riduce la perdita di energia di oltre il 15%; l'inerzia del sistema è ridotta del 30%, consentendo una precisione di posizionamento di ±0,05 gradi; e l'ampio intervallo di temperature (da -40 gradi a +155 gradi) e la resistenza agli urti su 5G soddisfano gli ambienti più esigenti.
Current technical bottlenecks lie in magnetic circuit design and manufacturing processes. Industrial robot joints require torque density >8Nm/kg. Leader globali come Kollmorgen (Stati Uniti) utilizzano fascette in fibra di carbonio, mentre la tedesca TQ-RoboDrive innova con la tecnologia di invasatura epossidica.
L'evoluzione futura si concentra su due percorsi: prestazioni più elevate e personalizzazione dello scenario. Si prevede che l'ottimizzazione magnetica dell'array Halbach aumenterà la densità di coppia a 12 Nm/kg. I moduli congiunti flessibili per robot collaborativi e i componenti congiunti ad alta-integrazione per robot umanoidi amplieranno l'adattabilità multi-scenario.
3.2 Panorama del mercato e previsione della domanda
In Cina, il mercato mostra un'elevata concentrazione di applicazioni, con la robotica che rappresenta l'80% della domanda-il 45% per i robot umanoidi e il 35% per i robot collaborativi. Il panorama competitivo presenta un parallelo tra dominanza estera e sostituzione interna. Kollmorgen e TQ-RoboDrive monopolizzano il segmento di fascia alta-, mentre aziende nazionali come HETM (quota di mercato del 16% nel 2023) e Han's Motor (12%) stanno penetrando nella fascia media con vantaggi di prezzo.
La produzione di massa di robot umanoidi diventerà il principale motore della crescita. Ogni robot utilizza 28 motori torque senza telaio: 14 per attuatori lineari (con viti a rulli planetari) e 14 per attuatori rotanti (accoppiati con riduttori armonici). Con l’aumento della produzione, i prezzi medi dei motori scenderanno da 1.200 RMB nel 2025 a 800 RMB nel 2030. Sulla base di ciò, quando la produzione annua di robot umanoidi in Cina raggiungerà i 5 milioni di unità, il mercato dei motori torque senza telaio supererà i 279,5 miliardi di RMB. La domanda di Tesla è ancora più sorprendente, con una previsione di approvvigionamento che passerà da 345 milioni di RMB nel 2025 a 27,955 miliardi di RMB entro il 2027, un aumento di 80 volte in tre anni.
4. Tendenze tecnologiche e prospettive del settore
I motori senza nucleo stanno avanzando verso una precisione ultra-di ±0,01 gradi per supportare operazioni complesse come l'infilatura del filo (precisione a livello di 0,1 mm) e l'esecuzione del pianoforte (tempo di risposta<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.
L'industrializzazione sta accelerando: si prevede che l'Optimus di Tesla entrerà in produzione di massa nel 2025, mentre il modello H1 di Unitree sarà consegnato nel 2024. Questi due tipi di motori si spartiranno il mercato dei robot umanoidi da trilioni di-yuan, con il mercato globale dei motori senza nucleo che si prevede supererà i 12 miliardi di RMB entro il 2027, e il mercato cinese dei motori torque senza telaio che dovrebbe raggiungere i 280 miliardi di RMB entro 2030: insieme costituiranno il polo principale della crescita delle apparecchiature intelligenti.
