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博士后工作站/创新研发部
2023 年 7 月
一
电机的定义和分类
广义上的电机包括电动机、发动机、原动机等一切能将电能和机械能相互转换的装置。 但一般来说，电机指的是电动机，也称为电机。 其作用是将电能转化为机械能并产生驱动扭矩。 作为电器和机械设备的动力源，广泛应用于现代生产和生活中。 电机的基本原理是电磁感应定律。 电能在线圈上产生旋转磁场并驱动转子旋转。 电机的基本结构包括定子和转子。 不同类型的电机还可能配备电刷、传感器、驱动器和风扇等配件。 定子是电机的固定部分，通常是外部部分，由铁芯、底座和产生电磁力的绕组组成。 转子由铁芯和绕组组成，是电机的旋转部分，通常是内部组件，直接安装在 PTO 轴上。 转子绕组切割定子的旋转磁场，产生感应电动势和电流。 定子磁场和转子磁场相互作用产生电磁扭矩，电磁扭矩作用于转子产生旋转运动。 电机原理虽然简单，但高端产品却非常复杂，涵盖设计、工艺和设备，涉及电磁学、摩擦学、机械、声学等自然科学及相关技术工程领域。
电机输出扭矩和转速通常呈负相关，增大电机尺寸可以增大输出扭矩，同时降低电机转速。 电机参数指标是电机选型的重要参考，包括：输入功率、输出功率、额定电流、堵转电流、额定转速、加速度、减速度、振动、噪声、功率、效率、堵转扭矩、额定扭矩、最大扭矩、转动惯量、相间绝缘电阻、对地绝缘电阻等。核心指标是转速、功率、扭矩等。控制电机还需要考虑控制精度和响应时间。 不同的应用场景侧重点不同，关注的指标也不同。 例如，汽车电机更注重功率密度（单位体积的外部输出密度），机器人电机更注重控制精度，重型机械电机更注重扭矩。 因此，自1821年法拉第制作出世界上第一个实验电机模型，到1831年发现电磁感应定律以来，在电机理论、设计、材料和制造工艺不断发展的带动下，电机品类已经非常丰富，以适应不同的应用需求。不同的应用场景带来的差异化需求。
电机可以根据不同的尺寸进行分类。 按运动方式可分为旋转电机和直线电机。 按电压性质可分为直流电机和交流电机。 直流电机响应快、启动转矩大、调速性能好、调速范围宽。 缺点是需要换向，结构较复杂，后续维护不方便，且电机的容量和转速受到限制。 功率范围为0.01W-。 直流电机按是否有内部电刷分为有刷电机和无刷电机。 无刷电机的换向和调速是由霍尔传感器、控制器、磁编码器等电子元件完成的，解决了有刷运行时产生电火花的问题，同时赋予了电机更多的控制性能。 更可控。 减少运转时的摩擦，降低噪音，延长使用寿命。 缺点是成本高、技术难度高。 常用于控制要求较高、速度较高的设备。 交流电机不需要换向器，因此结构简单，易于制造，使用寿命长，功率覆盖范围广（几瓦到几百万千瓦）。 根据转子和定子是否同步，交流电机分为同步电机和异步电机。 同步电机较复杂，效率高，成本高，多用于大型发电机及以上电机； 异步电动机结构简单，成本低，安装方便，效率稍低，应用较广泛。 根据相数，交流电机可分为三相交流电机和单相交流电机。 按用途可分为动力电机和控制电机两大类。 动力电机功率较大，重点关注电机的启动、运行和制动等性能指标，用于电动工具、家用电器等通用设备； 控制电机的输出功率较小，与动力电机相比，增加了控制电路，可以精确控制电机的速度、位置和扭矩，并且更注重高精度和快速响应，因此大多用于自动化设备。 根据控制方式的不同，控制电机又可分为步进电机、伺服电机、测速电机、力矩电机等。在数字控制的发展趋势下，运动控制系统中大多采用步进电机或伺服电机作为执行电机。
二
步进电机与伺服电机的比较
步进电机又称脉冲电机，由电脉冲信号控制，转换成相应的角位移或线位移。 每输入一个脉冲信号，转子旋转一个角度或前进一步，输出的角度位移或线位移与输入脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。 步进电机无电刷，易于维护，寿命长，易于控制。 一般不具备过载能力，加速性能较差，不适合快速启动。 步进电机分为三种类型：反应式（也称为磁阻）、永磁式和混合式。 反应式步进电机由软磁材料组成，结构简单、成本低、输出扭矩中等，但动态性能差、效率低、发热高、噪声和振动大，已逐渐被取代。 永磁步进电机采用永磁材料制成，动态性能好，体积相对较小，但精度较差，输出扭矩小。 它是一种更经济的选择，多用于计算机外围设备和办公设备。 由于门槛低，厂家多，价格战严重，采取薄利多销的策略。 混合式步进电机结合了前两者的优点，可以实现精确的小增量步进运动。 转子和定子上有多个小齿，提高步距精度，输出扭矩大，动态性能好，步距角小，但结构相对复杂，成本相对较高，在工业运动控制中应用最为广泛。 技术壁垒远高于永磁步进电机。 全球前十名中只有鸣志电气一家国内企业，其他均为日本企业。
伺服电机将输入电压信号转换为角位移或角速度输出，通过改变控制电压来改变电机的速度和方向。 其主要特点是信号电压为零时不存在自转现象，且转速随着扭矩的增加匀速下降。 。
两者在性能和应用方面存在差异，同时又是互补的。 步进电机没有反馈环路，采用开环控制。 它很容易停止或失去与控制器的同步。 只能用于位置控制，不能用于速度控制。 伺服电机为闭环控制，通过实时闭环信号反馈进行调整，实现更精准的控制。 一般来说，伺服电机在控制精度、低频特性、能量转换效率、过载能力、速度响应等诸多方面均优于步进电机，更适合工业自动化、机器人等领域，但步进电机具有性价比优势。 在一些精度要求不高的场合还是可以使用的。
以仿人机器人为例，控制精度更高的伺服电机将是未来仿人机器人的主要配置，占据绝大多数的使用量。 现有的研究设计表明，在机器人仿生眼中使用步进电机是一种理想且可靠的选择，因为仿生眼需要具有与人类相同的视觉功能，而且体积较小，驱动相机的驱动机构需要具有体积小等特点。 步进电机无需位置传感器即可实现位置控制，保证运行平稳。 因此，安装步进电机在仿人机器人眼中具有更好的适应性。
三
电机产业链
电机产业链上游由磁性材料、编码器、芯片、轴承等结构件组成，成本占比分别约为25%、25-30%、45-50%； 中游为电机体； 下游应用领域主要常见于各行业自动化设备。
(1)上游
电机中使用的磁性材料主要是永磁体。 永磁体主要分为塑料磁体、铁氧体和钕铁硼磁体。 塑料磁铁是一种高分子复合材料。 选用尼龙、聚苯硫醚、弹性塑料等树脂为基材，与铁氧体磁粉、钕铁硼磁粉混合，放入模具中，压铸成磁环或磁钢，塑料磁铁的磁性为低的。 铁氧体中稀土含量较少，具有价格优势，在国外得到广泛应用。 钕铁硼原材料主要是稀土，多用于国内小型电机。 钕铁硼分为粘结钕铁硼和烧结钕铁硼。 粘结钕铁硼是将专用胶水与磁性材料混合，通过模具成型； 烧结钕铁硼不使用胶水，磁性材料通过高温烧结成型。 稀土含量越高，材料的磁性能越好。 相同体积下，钕铁硼的性能远高于铁氧体。 预计未来越来越多的电机将采用钕铁硼。 中国是稀土大国，与国外相比具有价格优势。
编码器是集成在伺服电机内部的传感器。 根据物理介质的不同，伺服电机编码器可分为光电编码器和磁编码器。 与光电编码器相比，磁编码器成本可降低100多元。 光电编码器具有高精度、高分辨率的特点； 磁编码器耐环境能力强、体积小、重量轻、可靠性高。 最新的磁编码器提高了精度和分辨率，并且可以实现离轴检测。 因此，磁编码器的应用逐渐出现在光学编码器市场上。 总体来看，国产编码器的精度和综合性能与国外相比还有较大差距。 国内厂家使用的编码器，尤其是高精度领域使用的编码器大部分需要进口。
以驱动无刷直流电机为例，所需的元件包括控制芯片、预驱动芯片和功率器件。 控制芯片通过PWM波控制预驱动芯片，进而控制功率器件。 据Grand View预估，2022年全球无刷直流电机驱动芯片市场总额约为252亿元。海外主要厂商多采用ARM架构电机主控芯片，提供从控制器到功率器件的完整电机芯片解决方案。 意法半导体、德州仪器等国际大厂商占据市场主导地位，而国内厂商全球市场份额相对较低。
铁氧体：横店东磁； 烧结钕铁硼：； 粘结钕铁硼：、成都银河。
编码器（国产、入门级）：长春汇通、奥普光电、合川科技； 编码器（国外、高精度）：多摩川、尼康图南、光大特材、科德数控。
轴承：长盛轴承、新强联、恒润。
芯片：意法半导体、德州仪器、兆易创新、风宇科技。
轴承：力行股份有限公司、南方精工、国机精工。
(2)中游
电机的选择取决于最终产品的设计，与产品的特性密切相关。 选型需要考虑驱动要求、电源要求、工作环境等诸多因素。 因此，其需求呈现出较强的分散性和长尾特征。 电机行业总量大、单一产品产量小、定制属性强。 因此，电机行业存在大量深耕细分领域的中小企业，竞争格局高度碎片化。 电机行业涌现的优秀企业主要有三类： 1）专注于单品销量较大的下游行业，如汽车电机、空调电机、洗衣机电机等，公司产品具有性价比优点。 国内上市公司有大阳电气、江苏雷力、伟光、方正电机、祥明智能等； 2）电机平台公司，电机种类丰富，快速定制能力强，产品具有价格优势，并能快速响应客户需求。 瑞士Maxon、明志电气、兆威机电等国内外上市公司； 3）电机产品与其他产品具有协同效应，作为核心竞争力，赋能下游产品，如安川电机、汇川技术、金龙机电等。
伺服电机：汇川科技、合川科技、鸣志电气、兆威电气、步科、新捷电气、雷赛智能。
步进电机：MOONS'、江苏雷力、雷赛。
(3)下游
电机下游应用市场极其广泛，从简单的低端普通铁芯电机到航天、军工专用电机，市场需求达数千亿美元。 电机作为不可或缺的关键基础机电部件，广泛应用于家电、汽车、信息处理器、视听设备、工业自动化等领域。 以家庭场景为例，据高工咨询数据显示，发达国家家庭平均微特电机保有量为80-130台，而我国大城市家庭平均保有量约为20-40台; 汽车是最重要的发动机。 按市场来看，一辆商用车使用40多个电动机，从小功率到大功率。 据Grand View研究数据显示，2020年全球电机市场规模为1427亿美元，预计2021-2028年全球电机市场规模复合增长率将达到6.40%。从下游来看细分市场中，汽车占比最高，达到40.5%，其次是工业机械、供暖、通风及空调设备、空调、交通、家电。
四
发展趋势及建议
与多关节、SCARA、DELTA、协作机器人等传统工业机器人相比，仿人机器人拥有更多的自由度，对电机的需求也大幅增加。 特斯拉人形机器人将配备约40个电机，控制颈部、手臂、手指、躯干、腿部等部位。 同时，机器人关节的运行对驱动电机提出了更高的要求。 在灵活性方面，要求具有最大的功率质量比和扭矩惯量比、高启动扭矩、低惯量； 在性能方面，电机必须具有高可靠性、稳定性、快速响应； 在动作方面，能够保持控制特性的连续性和线性； 在速度方面，要求调速范围宽广、平稳； 从形状上看，体积小、质量小、轴向尺寸短，能承受恶劣的工作条件。
目前量产的电机很难满足仿人机器人运动灵活、耐冲击、响应快速等要求。 未来，人形机器人将拓展商业应用场景，实现工业、商业、家庭等领域的应用。 电机技术是关键。 虽然电机的结构和加工方法相对简单，行业进入门槛较低，但向高端电机应用升级的壁垒较高。 （1）资金壁垒高，前期需要大量研发投入，以满足不同的使用标准。 (2)技术壁垒高。 高端领域的客户看重电机制造商在标准产品的基础上以更低的成本满足其定制需求的能力。 设计一款全新的电机需要工程师掌握电磁学、机电学、动力学等底层逻辑，并考虑电磁转换效率、磁场分布、涡流最小化等诸多因素，经过精密计算后完成设计，这是非常有挑战性的。难的。 (3)客户壁垒高。 航空航天、手术机器人、高端医疗设备等应用领域的用户倾向于选择已建立优质品牌的制造商，基本不会更换供应商。
随着人形机器人的逐步落地，高端电机将迎来广阔的市场空间。 目前，世界各地的科研机构和企业都在高扭矩密度、响应速度、轻量化、小型化等领域不断寻求技术突破。 虽然国内电机厂商在技术实力和用户认可度上与国外领先企业存在较大差距，但在上游原材料优势、国内机器人市场巨大需求以及国家政策的驱动下，国内电机厂商迎来了发展机遇。加快高端化发展的重大机遇。 产品国产替代。 研发实力雄厚、能够根据下游客户需求定制产品、成本控制良好的企业更容易从这一趋势中受益。 可以重点关注汇川技术、合川科技、鸣志电气、雷赛智能等公司。
参考
[1]开元证券《工控电机：国产替代加速，消费级机器人有望带来百亿级增量》，2022年。
[2]申万宏源，《机器人伺服电机产业研究：机器人关节动力源，看好国内厂商崛起》，2022年。
注：以上内容不构成任何投资或建议，仅供参考。
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