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机器人伺服电机关节动力源分析
发布时间:2024-11-06

1. 电机行业概览:万亿级市场,细分领域众多

1.1 电机技术:技术原理共通,延展性较强电机一般指电动机,亦称“马达”,可将电能转换为机械能,为用电器或各种机械提 供驱动力,在现代工业和生活中应用极为普遍。电机的基本原理为电磁感应定律——电能 在线圈上产生旋转磁场,并推动转子转动。电机的基本构造包括:定子(铁芯、绕组和基 座)、转子(铁芯、绕组),此外不同类别电机可能配有电刷、传感器、驱动器、风扇等 配件。电机原理虽然简单,但高端设计十分复杂,牵涉设计、工艺和设备等环节,涵盖电 磁学、摩擦学、热、流体、振动、声学等自然科学和相关技术工程领域。电机技术种类非常多。法拉第 1921 年制成shijiedi一台电机,1831 年发现电磁感应定 律,经过 200 年技术更新迭代,电机品类已十分庞杂。根据电源种类不同,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(转子受力由电流和磁场强度决定),调速范围宽,缺点是需要换向, 结构更 复 杂 ,后 续 维 护不 便 利 ,且 限 制 了电 机 容 量和 速 度 , 功率 范围 W-1000kW;交流电机不需要换向器,因此结构简单、制造方便,牢固,使 用寿命长,功率覆盖范围大(几W-百万 kW)。根据有无电刷,分为有刷电机和无刷电机。交流电机不需要电刷换向,因此有刷 无刷仅涉及直流电机。无刷电机的换向和调速工作由霍尔传感器、控制器、磁编 码器等电子元件完成,替代了电刷,同时赋予电机更多的控制性能,数字变频的 可控性更强。无刷电机解决了电刷运转产生的电火花问题,且运转时的摩擦减少, 噪音降低,寿命延长;缺点在于成本较高,技术难度较高,因此常用在控制要求 较高、转速较高的设备上。根据转子定子是否同步,分为同步电机和异步电机,两者均属于交流电机。同步 电机较复杂,效率高,造价高,大多用于大型发电机场合和 2000KW 以上的电动 机上;异步电动机简单,成本低,易于安装,效率略低,应用更广泛。根据用途不同,分为非控制电机和控制电机。非控制电机用于电动工具、家电和 其他通用小型设备中,侧重电机在启动和运行过程中的力能指标;控制电机可以 对电机的转速、位置和转矩进行精准控制,更侧重于高精度和快速响应,因此多 用于自动化设备中。常见的控制电机包括步进电机和伺服电机两种。步进电机利 用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移,也称脉冲电机;伺服电机利用输入的电压信号转换成角位移或角速度输出,通过改变控制电压改变电机的转速和转向。伺服电机在精度、可靠性、噪音、过载能力、能量转换效率等方面性能优于步进电机,但是成本较高,因此两者呈互补关系。电机核心指标为转速、功率、扭矩等。电机参数指标是选择电机的重要参考,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,震动,噪音, 功率因素,效率,堵转转矩,额定转矩,最大转矩,转动惯量,相间绝缘电阻,相对地绝 缘电阻等。其中,重要参数以及含义分别为:1)额定功率:电机设计时的理想功率也是最 大功率;2)额定电压:该电机的建议工作电压,电压决定了转速和一系列参数,超过电压 可能会出现局部过热问题,不可以长期运行;3)额定转速:额定功率下电机的转速;4) 额定转矩:力矩=里×力臂,相当于电机的“力气”,在机器人领域,转矩一般用于使得机 器人移动或者使得机械臂完成各种动作;5)电机效率:电机输出的机械能与消耗的电能的 之比;6)噪音:电动机在空载稳态运行时的分贝数;7)物理参数:尺寸、重量、固定孔 的位置等;8)寿命;9)价格。此外,控制电机还需考虑控制精度和响应时间等。1)响应时间:电机的转速从零开始 增长的过程。为了满足自动控制快速响应的要求,转速变化时间应尽可能短,即电机转速 变化应迅速跟上控制信号的要求。2)控制精度:电机运行的实际位置与控制器输出位置之 间的偏误程度。不同应用场景的侧重点不同,因此关注的核心指标也有差别。例如汽车电 机更侧重功率密度(单位体积对外输出密度),机器人电机更侧重控制精度,重型机械电 机更侧重扭矩等。1.2 行业特征:市场容量万亿级,诞生细分领域龙头电机的下游应用市场极为广泛,空间千亿美元。电机作为必不可少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,根据祥明智能招股说明书援引高工咨询的数据,发达国家微特电机的家庭平均拥有量 为 80-130 台,而中国大城市家庭平均拥有量大约在 20-40 台;汽车为最主要电机细分市场,一辆商用车采用超过 40个电动机,从低功率到高功率不等。根据 Grandview Research 的研究数据,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%。从下游细分市场来看,汽车占比最高,占 40.5%,其次 为工业机械、HVAC 设备(供热、通风与空气调节)、空调、运输、家电等。电机需求分散化和长尾化,选型考虑因素众多。电机的选择取决于终端产品设计,电 机选型贯穿于工程师设计和生产产品的全过程中,与产品特征和工程师设计理念紧密相关, 因此其需求表现出极强的分散和长尾特征。参考 Maxon 的产品说明书,电机选型考虑因素众多:首先,驱动需求必须明确:驱动负载需要多高的转速和多大的转矩?在不同的负 载状况下,运行持续时间是多少?对加速性能有什么要求?负载惯量是多少?驱 动参数还需考虑同步带、齿轮、丝杠等,全部折算到电机轴。其次,电源供电的要求:对电机引线端施加的最大电压是多少?对电流有什么样 的限制?如果使用电池或太阳能电池供电,还需使用伺服放大器,放大器的最大 电流通常是一个重要的限制参数。此外,其它重要信息也需考虑:被加速的物体 (类型、转动惯量)、运行模式 (连 续、间歇、正反向运行)、环境条件 (温度、湿度、介质)、电源、电池。最后,还需考虑限制条件包括:驱动单元的最大长度是多少 (含齿轮箱和编码器 的直径)?电机的预期使用寿命是多少?使用哪种换向系统?稀有金属换向系统 适合于低电流连续运行工况、石墨换向系统适合于高电流连续运行工况以及频繁 出现电流峰值的场合 (启动/停止操作、正反向运行)。如果希望获得最高转速和最长使用寿命,则应采用电子换向系统。电机轴上的负载力是多少?必须使用滚珠 轴承还是可以使用经济的烧结合金轴承?电机行业总量大、单品产量小、需求长尾化、定制属性强,导致电机行业不存在“赢 家通吃”的情况,大多表现为深耕细分领域的中小型公司,竞争格局高度分散。电机行业 涌现出的youxiu公司主要有三类:1)聚焦于单品销量较大的下游行业,例如汽车电机、空调 电机、洗衣机电机等,公司产品具有性价比优势,国内上市公司如大洋电机、江苏雷利、 微光股份、方正电机、祥明智能等;2)电机平台型公司,电机 SKU 多+快速定制化能力强, 产品具有价格优势、快速响应客户需求,国内外上市公司如瑞士 Maxon、鸣志电器、兆威 机电等;3)电机产品与其他产品产生协同效应,作为核心竞争力为下游产品赋能,如安川 电机、汇川技术、金龙机电等。

2. 机器人行业的典型电机类型一览


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