SIEMENS西门子四川省成都市（授权）伺服电机一级代理商——西门子西南总代理

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，Zui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Zui 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Zui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Zui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Zui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Zui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。Zui后，还需考虑限制条件包括：驱动单元的Zui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Zui高转速和Zui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

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。