高端装备制造：空心杯电机行业研究报告.docx

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1、高端装备制造：空心杯电机行业研究报告一、空心杯电机：本体“小巧，性能精悍，是电机领域“皇冠上的明珠”（一）空心杯电机：人形机器人灵巧手的核心零部件灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件，十分重要且复杂，对电机性能要求较高。灵巧手作为机器人实现操作的终端工具，十分重要，其设计高度仿人手，结构比较复杂，面临的最大难题是空间极小而驱动自由度极多，需要配备功率密度高，体积小且控制精度高的电机。空心杯电机与灵巧手关节适配性高，特斯拉OPtimUS选用其作为动力源。空心杯电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，与灵巧手的需求高度适配。特斯拉机器人灵巧手”使用较为经典的六电机驱动方式，和人

2、手一样同样使用5个手指，拥有11个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动。电机采用蜗杆传动机构的目的与腿部直线伺服如出一辙，采用机构自锁降低能耗。为追求形态美观及自适应性，手指采用拉线的传动机构，拥有负重20磅（9KG）和自适应抓取（能够抓取不同形状、尺寸的物体）的能力，可完成搬运、浇花等动作。（二）结构与性能：无铁芯转子结构打破常规，电机性能全方位提升。电机种类繁多，空心杯电机凭借性能优势而备受关注。电机自从被发明出以来逐渐进入我们生活的方方面面，是日常生活中应用最广泛的用电设备之一。电机按工作电源种类可分为采用直流电源的直流电机和采用交流电源的交流电机，按用途分类可

3、分为驱动电机和控制电机，其中控制电机又可以分为开环控制的步进电机和可以实现精确闭环控制的伺服电机。空心杯电机是一种采用永磁铁提供磁场，直流电源供电的微型伺服电机，随着工业技术的不断进步，机电设备对于能更好适应各种需求对伺服电机的技术要求越来越高，而空心杯电机也因其节能效果好、伺服特性好等性能优势而备受关注。到表3电机分类图空心杯电机本体小巧，性能精悍，是电机领域”皇冠上的明珠。从结构上看，以有刷空心杯电机为例，其主要由空心杯绕组、永磁体、电刷、换向器等部件组成，采用了无铁芯转子结构，各部件组合紧密，通常尺寸比较小，直径不超过40mmo从性能上看，无铁芯转子结构使电机的性能得到了极大的改善，使其

4、具有卓越的节能，高效，高灵敏度，运行稳定等特点。空心杯电机VS传统直流电机：无铁芯转子结构打破常规，电机性能全方位提升。空心杯电机采用无铁芯空心杯绕组，是与传统直流电机区分的核心差异。绕组是电机的主要部件，绕组中的感应电动势以及通过绕组的电流产生的电磁转矩实现了机电能量的转化以及电磁功率的传递。传统直流电机的转子是由铁芯及绕组构成，而空心杯电机的绕组是由缠绕成杯子状的导线构成，结构的差异使二者性能大有不同。独特的空心杯形线圈结构使电机性能得到极大改善。这种新式结构由于没有冲片齿槽结构和铁芯，减少了电机运行时的磁阻力矩，从而降低输出转矩波动。空心杯电机从根本上消除了铁芯涡流效应带来的损耗，进而减

5、少了电机运行时的能量损耗，同时减轻了电机的重量，性能得到了极大的改善。空心杯电机相对传统直流电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点。(I)无铁损与轻质量使空心杯电机能量转化效率较高，节能效果良好。无铁损：铁损指的是永磁直流电机中的铁芯，因磁体受变动磁场影响，微电机铁芯中损耗的部分能量，损耗能量会以热能的方式散失或以噪音的方式散失，主要包括内部磁场变化感应出循环电流所导致的涡流损耗、磁畴膨胀收缩导致的磁滞损耗和异常损耗(涡流损耗和磁滞损耗之外的损耗)三种类型。空心杯电机采用无铁芯结构，几乎完全消除了涡流效应和磁滞效应带来的能量损耗。同时，由于因此，空心杯电机相比传统直流电机拥

6、有更高的能量转化效率。轻质量：空心杯电机的转动惯量和重量都明显低于普通电机，因此在电机运行过程中转子自身的机械能损耗也会有所降低。由新和电机统计，空心杯电能量转化机效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上，而普通铁芯电机能量转化效率只能达到15%-50%.药表11空心杯电机与有铁芯电机能量转化效率对比图100%90% -90%10%70% -70%60%50%40%30%20%10%15%空心杯电机有铁芯电机二弟光智库(2)高效率与轻质量使空心杯电机具有较高的功率密度。轻质量：功率密度是输出功率与重量或体积的比率。从内部结构来看，空心杯电机省去了铁芯，使得自身重量与体积变小，与同等功率的

7、一般铁芯电机相比，空心杯电机重量减轻1312,体积减小l3-l2o高能量转化效率：与传统的感应线圈相比，铜板线圈的重量更轻。由于绕制线圈时既不需要卷线，也不用添加有槽硅钢片，因此空心杯电机在运行过程中不会产生这方面的涡流损耗和磁滞损耗。虽然铜板线圈也会带来一定的涡流，但是这种损耗很小且易控制，确保了较高的输出功率和输出转矩。总体看来，空心杯电机的输出功率和输出转矩比同规格普通电机高，加上重量或体积小，故功率密度高，一般达30mWcm3(3)更小的转子惯量使空心杯电机具有更快的响应速度。机械时间常数：指的是电机空载加阶跃额定电压时，当转速达到空载转速的63.2%时所需的时间，是反应其动态性能好坏

8、的主要技术指标之一。与相同尺寸的普通有刷直流电机相比，空心杯电机的转子惯量更小，因而拥有更高的响应速度，其机械时间常数通常在28ms以内，部分产品机械时间常数甚至小于Ioms,而有铁芯电机的机械时间常数一般在IoomS以上。(4)无齿槽效应使空心杯电机运行更加平稳。齿槽效应：齿槽效应是由于电磁场的分布不均匀，导致磁力线的密度在不同位置上发生变化，当磁力线密度发生变化时，会产生短时间内的电流脉冲，虽然不会减少或增加电动机的平均转矩，但是会引起噪音、电机振动、速度波动等，对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响，特别是在低速时产生的影响更大。空心杯电机去除了铁芯，采用无齿槽结构，减少了电机运行

9、时的磁阻力矩，从而降低了输出转矩波动，使电机运行更加平稳。(三)分类：无刷空心杯电机是未来发展的方向空心杯电机按照其换向方式可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种。有刷空心杯电机：采用机械电刷换向，一般由机壳、软磁材料内定子、永磁体外定子、空心杯型转子电枢组成；另外一种是无刷空心杯电机，采用电子换向的方式，由机壳，软磁材料、绝缘材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等组成。当空心杯有刷电机通电时，绕组有电流通过，产生转矩，转子开始旋转，若转子转到特定角度，电刷利用机械换向器的方式改变电流方向，使输出转矩方向不变，转子继续旋转。由于空心杯有刷电机采用电刷换向，电机运行过程中存在着一定的相对摩

10、擦，这就会产生噪声电火花，降低了电机使用寿命。无刷空心杯电机：通过控制电子元件的通断使不同绕组接入电路，达到换向的效果，这种电子换向方式使空心杯无刷电机具有效率高、转矩波动小、使用寿命高、结构精巧、维护方便、易保养等特点。无刷空心杯电机性能更好，寿命更长，是未来的发展方向。寿命方面，无刷空心杯电机寿命受限于轴承，有刷空心杯电机寿命受限于电刷，电刷寿命比轴承短得多，空心杯电机通常随电刷的报废而报废。有刷空心杯电机换向时会有电火花，电火花会有电磁干扰，无刷空心杯电机通过霍尔元件换向，几乎没有电磁干扰的影响。此外，无刷空心杯电机还有转速快，效率高等优点。虽然有刷空心杯电机价格更低，控制方式更加简单，

11、但随着人形机器人灵巧手对于空心杯电机性能和寿命的更高追求，预计无刷空心杯电机会有更大的发展空间。二、行业分析：人形机器人带来全新机遇，降本需求助推国内企业打破原有格局(一)下游应用：优异的性能带来广阔的下游应用领域空心杯电机性能优势突出，使其具备广阔的下游应用领域。空心杯电动机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。根据QYreSearCh在GlobalCorelessDCMotorsMarketResearch

12、Report2022中的测算，除人形机器人灵巧手方面的应用，预计2022年全球空心杯电机市场规模约为50亿元。空心杯电动机的应用，从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，十多年来得到迅速的发展，尤其是在工业发达国家，己经涉及到大部分行业和许多产品：需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等，空心杯电动机能很好地满足其技术要求。对驱动元件要求平稳持久拖动的产品。如各类便携式的仪器仪表，个人随身装备，野外作业的仪器设备，电动车、玩具车、电动牙刷等，同样一组电源，供电时间可以延长一倍以上。各种飞行器，包括航空

13、、航天、航模等。利用空心杯电动机重量轻，体积小，能耗低的优点，可以很大程度地减轻飞行器的重量。各种各样的民用电器、工业产品。采用空心杯电动机作为执行元件。医疗设备：在转运患者时，需要用到功能强大、高效的便携式呼吸机。无刷空心杯直流电机在保证提供更高压力和流量的条件下减小了电机鼓风机组件的尺寸，能够作出更快的响应，且更为安静、可靠、高效，能够在夜间、转院途中、急救车或洲际飞行期间通过电池供电，高效地驱动呼吸机鼓风机。牙科医生需要使用重量轻、功率大且高效的手持式牙科手机成功完成牙科手术。无刷空心杯直流电机是牙科治疗的理想选择。空心杯电机具有紧凑的设计，可在较小的封装中提供最大化的扭矩和功率，在治疗

14、过程中实现精确而集中的工作，同时可消除对牙医和患者造成的任何不愉快的噪音。工业自动化：电动夹爪是自动化工业中一种重要的装置，在自动化高速发展的今天，电动夹爪能帮助人们完成复杂系数较高的事情。需要电机具有可靠性高、精准度高、反应速度快等优点。空心杯电机很好地适配电动夹爪的需求，兆威机电基于驱动齿轮箱设计、仿真分析、噪音分析等多项技术手段，提出了电动夹爪驱动系统的解决方案，通过优化驱动控制方式、增大抓持力的输出功率，有效的解决了电动夹爪使用时的更杂程度、噪音大等问题，使其得到广泛应用。精密点胶机作为一种专门用于汽车电子、智能家居、工业自动化、医疗器械等行业的高精度设备，其作用是为产品进行极致的精细

15、化点胶。目前市面上某些点胶机进行精细化点胶的过程中，由于驱动系统的精度及力矩欠佳，在长时间使用过程中，点胶机容易出现吐胶量不稳定的情况，造成点胶错误。通过使用无刷高性能电机配合精密齿轮箱，以电机带动螺杆在定子型腔内旋转实现定量输送功能，可形成稳定吐胶效果，进而提高点胶机性能。具有结构简单、操作方便、使用寿命长等特点。航空航天：无人机也称为UAV（无人驾驶飞行器），其用途广泛，可用于国防和监控、农业和物流等各种应用。无人机需具备极度灵活的导航功能，并且必须极其耐用，因为它们经常需要在恶劣的环境中作业。这些UAV应用需要有效的推进力来提高可操作性（即延长电池使用时间）、降低噪音和热特性，以确保不被

16、发现，并精确控制相机云台和其他辅助应用。无刷空心杯电机可满足无人机对响应性、可靠性和运动精度的要求，在紧凑、轻量化的外壳中提供最佳的扭矩和效率，并且完全能够在恶劣的环境条件下运行。驾驶舱飞行控制元件也称为舱内控制元件，能够帮助飞行员控制飞机飞行的方向。这些装置将飞行员的指令传输到固定翼飞机或旋翼飞机的操纵面，同时，向飞行员提供主动力反馈；由此，飞行员能够看到并感觉到飞行控制元件的运动，类似于转弯时车辆方向盘上的阻力。主动力反馈设备包括侧置操纵杆装置（SSU）、方向舵踏板/方向舵制动踏板装置（RBPU）.油门控制组件（TCA）/油门控制拉索（TCQ）以及自动驾驶/自动油门和智能执行器。驾驶舱飞行控制元件的关键特性要求小型电机必须可靠、精确，空间和重量限制需要紧凑、轻量化和高功率密度（SWaP）的解决方案。空心杯无刷电机不仅具有出色的性能，同时具有较小的尺寸和重量，高度适配驾