2.1 伺服电机：控制精度高，广泛应用于工业自动化

伺服电机是工业自动化行业中应用Zui广的电机。伺服来自英文 servo，指系统跟随外部 指令进行人们所期望的运动，实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机具 有响应速度快、精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点，且转速范围宽、高速性 能好、低速运行平稳，同时抗过载能力强，能承受 3 倍于额定转矩的负载，适用于对有瞬 间负载波动和要求快速起动的场合。伺服系统一般由驱动器、电机、编码器构成。①伺服驱动器（指令装置）属于驱动层， 又称“伺服控制器”、“伺服放大器”，一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机 进行控制，实现高精度的传动系统定位；改变控制电压可以变更伺服电机的转速及转向。②伺服电机属于执行层，伺服电机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变 换成转轴的角位移或角速度输出。③编码器（反馈装置）通常内置在伺服电机末端，用来 测量电机的转角、转速和位置，对控制精度具有关键作用。驱动器根据反馈值与目标值进 行比较，调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。伺服电机分为直流和交流伺服电动机。1）直流伺服电机分为有刷和无刷电机：①有刷 电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换 碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求（无尘、易爆环境不宜），通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合；②无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力 矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以实现方波或正弦波换相， 电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。2）交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。交流伺服电机优点在于速度控制特性良好， 在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制， 高jingque度位置控制，额定运行区域内可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维 护。缺点在于控制较复杂，驱动器参数需要现场调整 PID 参数确定，需要更多的连线。高 性能的伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。伺服电机作为工业自动化的核心零部件，市场规模随产业自动化升级稳步增长。1）替 代需求：在机床、纺织机械、印刷机械和包装机械等领域，伺服电机相比步进电机具有精 度、扭矩、过载等性能方面的优势，渗透率不断提升；2）新增需求：工业机器人、电子智 造装备等行业对精度性能要求较高，其迅速增长为伺服电机市场贡献较大增量。根据 Grand View Research 与 MIR 数据统计，2020 年全球伺服电机市场规模 367 亿元，预计 2026 年有望达到 539 亿元。我国伺服电机起步较晚，尚处于成长阶段，2020 年我国伺服电机市 场规模约 149 亿元，预计 2026 年有望达到 225 亿元。伺服电机的核心难度，即导致各国差距之处，主要在于电机的基础性研究、高精度伺 服驱动器和编码器。1）基础性技术研究：包括高端电机的结构设计、产业化制造技术、生 产工艺的突破、性能指标的实用性检验，导致高端伺服电机的性能、质量和稳定性的差异；2）材料，特别是适应高温的材料；磁材和绝缘性材料等，国内的磁材总体性能差，伸缩长 度会发生变化；3）驱动系统：目前的伺服系统标准仍然依靠国外定义，包括共目线结构体 系，先进的控制算法，自适应振动抑制，自适应参数整定，齿槽转矩补偿，磁饱和控制，弱磁控制、安全控制等，需要时间和经验的积累、大量的数据逐步实现各项功能；4）编码 器：目前高精度编码器严重依赖进口，小型化仍待突破，而编码器对定位精度影响很大。伺服电机行业 65%份额为外资品牌，高端市场基本被外资垄断。根据 MIR 数据，我国 伺服电机竞争格局中外资品牌占 65%，国产品牌占35%。根据前瞻产业研究院报告，目前 主流品牌可分为欧系、日系和国产品牌等类别，其中欧系日系占据中高端市场，国产主要 集中在中低端市场。①欧系品牌占比 20%：如西门子、伦茨、博世力士乐等，过载能力高、 动态响应好、驱动器开放性强，但价格昂贵、体积重量大；②日系品牌占比 45%：如安川、 三菱、松下等，品牌性能和价格相对低、体积小、重量轻、可靠性和稳定性强，但动态响应能力较弱、开放性较差低，总体上性价比更高，Zui适合中端需求；③国产伺服占比 35%：如台湾台达、汇川技术、华中数控等，产品基本成熟，精度和可靠性较差，中小功率居多， 中低端伺服系统已实现大规模量产，但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力。2.2 步进电机：经济性更高，适合低精度要求场景步进电机也是一种控制电机。步进电机源于自英语单词“Step”，意为“走一步”， 是一种形象的翻译。步进电机能将电脉冲信号转换为角位移/直线位移，并且位移量与脉冲 数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。通过调整电脉冲信号或脉冲频率就可以实现 对电机的运动控制。步进电机能根据控制脉冲的要求迅速启动、反转、制动和无极调速；工作时能不失步，精度高，停止时能锁住。步进电机包括 VR、PM、HB 三种。1）VR 步进电机，即反应式（Variable Reluctance）， 由绕组、转子由软磁材料组成，结构简单，成本低，但动态性能差，效率低，发热大，已 逐步被欧美国家淘汰。2）PM 步进电机，即永磁式（Permanent Magnet），由永磁材料 制成，动态性能好，体积相对较小，但精度较差，输出力矩较小，是一种成本较为经济的 选择。3）HB 步进电机，即混合式（Hybrid），综合了前两者的优点，可以实现jingque的小 增量步距运动，转子和定子上有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大，动态性能好，步 距角小，但结构相对复杂，成本相对较高。步进电机控制方式类似于伺服电机，包括驱动器和编码器。驱动器在负载能力的范围 内，通过改变脉冲频率来调速；编码器信号检测转子位置，进行控制信号的反馈和电流调 节。作为开环的控制系统，由于过载能力较低、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不 平衡等问题，一般应用于小型或简易型机器人中。步进电机 VS 伺服系统，可靠性低，经济性高。步进电机相比伺服电机，不足之处在于：精度略低；开环系统的低可靠性，低速存在共振区；运行噪音较高；无过载能力，易失步；能量转化效率低，自身损耗及发热较高；动态响应慢，加减速低；优势在于：调试较为简 单，伺服驱动器涉及的参数多、使用手册长，且不同品牌的驱动器区别可能很大；成本更 低；精度方面，在大多数场合，步进的分辨率已远高于机械要求的精度，对于高要求场合， 通过细分驱动、添加闭环控制等方式，也可以达到很高的控制精度。因此，伺服电机更适 用于要求高效率、高速高响应、高可靠性的场合，步进电机用于要求不高、成本敏感的场 合，控制系统的设计须综合考虑控制要求、成本等因素，选择适当的控制电机。2.3 空心杯电机：结构紧凑，能量转换效率高空心杯电机属于直流、永磁、伺服电机。空心杯电机与传统电机的转子结构不同，采用无铁芯转子，线圈通过连接板，和换向器、主轴链接到一起，共同组成转子。由于线圈 形状像个杯子，因此称为空心杯。无铁芯结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率提高，Zui高可达 90%+，同时降低电机重量和转动惯性，可达到更高的控制和拖动特性。空心杯电机分为有刷和无刷两种。1）空心杯有刷电机：采用电刷换向，转动过程中会 摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷，电机寿命有限，平均为几千小时；容易产生电 火花和电磁波，干扰电子设备；优势在于，有刷电机不存在涡流损耗，特别是在高速运转 下，相比无刷电机的损耗显著更低；结构更简单，成本更低；2）空心杯无刷电机：采用电 子换向，通过霍尔元件感知永磁体位置，电子线路切换线圈中电流的方向，进而改变磁力， 其优势在于消除了电刷的损耗和电火花对电子设备的干扰，寿命可达到数万小时，但无刷 电机存在涡轮损耗，涡轮功率损耗随速度的平方增加；另外添加了换向器和控制器等，增加了系统的组件和成本。空心杯电机具有节能、控制性能好、能量密度高等优点，但功率较低。空心杯电机的 优点在于：1）节能：能量转换效率很高，其Zui大效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 70%）；2）控制性能好：起动、制动迅速，响应极快，机 械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以 上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）拖动 性能好：运行稳定性十分可靠，转速波动能控制在 2%以内；4）能量密度高：与同等功率 的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2；5）散热效果好：铜板线圈内外表面都有 空气流动，温升较小。但缺点在于功率上限低：由于没有牢固的铁芯支撑，线圈厚度较薄， 且线圈和输出轴的连接强度有限，因此体积、功率等无法做到很大，一般空心杯电机Zui大 功率仅几百瓦，属于一种微特电机。空心杯电机在高精度、高速响应、紧凑高效场景得到广泛应用。1）需要快速响应的系 统：军用领域导弹方向的快速调节、高灵敏度的记录和检测设备、工业机器人、仿生义肢；2）对重量和能耗要求的飞行器，包括无人机、航模等；3）其他家电、工业产品，可以替 代传统电机，提高产品性能。根据国际咨询机构 QY Research 统计数据，预计 2022 年全 球空心杯直流电机市场规模为 7.5 亿美元，2022-2028 年复合增速 8%，至 2028 年增加至 11.9 亿美元；2021 年中国、欧洲市场份额分别为 35%、26%。空心杯市场长期被外资垄断，蕴藏大量国产替代机遇。空心杯电机的产品制造和量产 的难度高，绕线和自动化工艺复杂，对绕线工人的技能水平要求高，难以实现大规模量产。目前空心杯市场被德国 FAULHABER 与瑞士 Maxon 主导，随着guoneishichang对空心杯电机认 知程度不断提高，国产厂商的量产工艺水平不断突破，未来有望实现国产替代。

3. 解析不同机器人对电机的差异化需求