電機的定義和分類

廣義上，電機包括電動機、發(fā)動機和原動機等所有可實現電能、機械能相互轉化的裝置。但通常情況下電機指電動機，也被稱為馬達，其作用是將電能轉化為機械能，產生驅動力矩，作為用電器和機械設備的動力源，在現代生產生活中應用極為普遍。電機的基本原理為電磁感應定律，電能在線圈上產生旋轉磁場，并推動轉子轉動。電機的基本構造包括定子、轉子，不同類別電機還可能配有電刷、傳感器、驅動器、風扇等配件。定子是電機的固定部分，通常是外部部件，由鐵芯、基座和能產生電磁力的繞組組成。轉子由鐵芯和繞組組成，是電機的轉動部分，通常是內部部件，直接安裝在動力輸出軸。轉子繞組切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流。定子磁場和轉子磁場相互作用產生電磁轉矩，電磁轉矩作用于轉子產生旋轉運動。電機原理雖然簡單，但高端產品十分復雜，涵蓋設計、工藝和設備等環(huán)節(jié)，涉及電磁學、摩擦學、機械、聲學等自然科學和相關技術工程領域。

電機輸出扭矩和轉速通常呈負相關，增加電機的尺寸可提升輸出扭矩，同時會降低電機轉速。電機參數指標是選擇電機的重要參考，包括：輸入功率、輸出功率、額定電流、堵轉電流、額定轉速、加速度、減速度、震動、噪音、功率、效率、堵轉轉矩、額定轉矩、最大轉矩、轉動慣量、相間絕緣電阻、相對地絕緣電阻等。核心指標為轉速、功率、扭矩等。控制電機還需要考慮控制精度和響應時間。不同應用場景的側重點不同，關注的指標也有差別。例如，汽車電機更側重功率密度（單位體積對外輸出密度），機器人電機更側重控制精度， 重型機械電機更側重扭矩。因此，自法拉第1821年制成了世界上第一個實驗電機模型，1831年發(fā)現電磁感應定律以來，在電機理論、設計、材料和制造工藝不斷發(fā)展的推動下，電機品類已十分豐富，以適應不同應用場景帶來的差異化需求。

可以按照多種維度，對電機進行分類。按運動方式，可分為旋轉電機和直線電機。根據電壓性質不同，分為直流電機和交流電機。直流電機響應快，啟動轉矩大，調速性能好，調速范圍寬，缺點是需要換向，結構更復雜，后續(xù)維護不便利，且限制了電機容量和速度，功率范圍0.01W-1000kW。直流電機按內部有無電刷，分為有刷電機和無刷電機。無刷電機的換向和調速工作由霍爾傳感器、控制器、磁編碼器等電子元件完成，解決了電刷運轉產生的電火花問題，同時賦予電機更多的控制性能，數字變頻的可控性更強。運轉時的摩擦減少，噪音降低，壽命延長，缺點在于成本較高，技術難度較高，常用在控制要求較高、轉速較高的設備上。交流電機不需要換向器，因此結構簡單、制造方便、使用壽命長、功率覆蓋范圍大（幾W到百萬kW）。根據轉子定子是否同步，交流電機分為同步電機和異步電機。同步電機較復雜、效率高、造價高，大多用于大型發(fā)電機和2000KW以上的電動機；異步電機簡單、成本低、易于安裝、效率略低，應用更廣泛。按相數不同，交流電機可分為三相交流電機和單相交流電機。按用途，可分為動力電機和控制電機兩大類。動力電機功率較大，側重于電機的啟動、運行和制動方面的性能指標，用于電動工具、家電和其他通用設備中；控制電機輸出功率較小，相較于動力電機，增加了控制電路，可以對電機的轉速、位置和轉矩進行精準控制，更側重于高精度和快速響應，因此多用于自動化設備中。根據控制方法的不同，控制電機可進一步分為步進電機、伺服電機、測速電機、力矩電機等。在數字控制的發(fā)展趨勢下，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或伺服電機作為執(zhí)行電動機。

二

步進電機和伺服電機的對比

步進電機，也稱脈沖電機，利用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移，每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速或線速度與脈沖頻率成正比。步進電機沒有電刷、維護方便、壽命長、容易控制，一般不具備過載能力，加速性能欠佳，不適于快速啟動。步進電機分為反應式（亦稱磁阻式）、永磁式、混合式三類。反應式步進電機由軟磁材料組成，結構簡單、成本低、輸出轉矩中等，但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大、噪聲和振動大，已經被逐漸取代。永磁式步進電機由永磁材料制成，動態(tài)性能好、體積相對較小，但精度較差、輸出力矩較小，是一種成本較為經濟的選擇，多用于計算機外圍設備和辦公設備。由于壁壘低，小廠家多，價格戰(zhàn)嚴重，采取薄利多銷的策略。混合式步進電機綜合了前兩者的優(yōu)點，可以實現精確的小增量步距運動，轉子和定子上有多個小齒以提高步矩精度，輸出力矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結構相對復雜、成本相對較高，在工業(yè)運動控制中應用最為廣泛。技術壁壘遠高于永磁式步進電機，全球前十僅鳴志電氣一家內資企業(yè)，其他都是日本企業(yè)。

伺服電機利用輸入的電壓信號轉換成角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓改變電機的轉速和轉向，其主要特點是當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

兩者在使用性能和應用場合上存在著差異，呈互補關系。步進電機沒有反饋回路，為開環(huán)控制，易出現失速或與控制器失去同步的情況，只能做位置控制，不能做速度控制。伺服電機為閉環(huán)控制，通過實時的閉環(huán)信號反饋來調整，實現更精密的控制。綜合來講，伺服電機在控制精度、低頻特性、能量轉換效率、過載能力、速度響應等許多方面都優(yōu)于步進電機，更適用于工業(yè)自動化、機器人等領域，但步進電機具備性價比優(yōu)勢，在一些精度要求不高的場合仍可使用。

以人形機器人為例，具備更高控制精度的伺服電機將是未來人形機器人的主要配置，占據絕大部分用量份額。現有研究設計表明，在機器人仿生眼中使用步進電機是較為理想和可靠的選擇，因為仿生眼需要具有人類一樣的視覺功能，并且體積較小，要求驅動攝像頭的驅動機構具備小體積的特點，而步進電機可以實現無位置傳感器的位置控制，并保證平穩(wěn)運行，因此在人形機器人眼部安裝步進電機具備較好適配性。

三

電機產業(yè)鏈

電機產業(yè)鏈上游為磁性材料、編碼器、芯片及軸承等結構件，成本占比分別約為25%、25-30%、45-50%；中游為電機本體；下游應用領域主要為各行業(yè)通用自動化設備。

（一）上游

電機使用的磁性材料以永磁體為主。永磁體主要分為塑磁、鐵氧體和釹鐵硼。塑磁是一種高分子復合材料，選擇尼龍、聚苯硫醚、彈性塑料等樹脂作為基材，與鐵氧體磁粉、釹鐵硼磁粉混合，放進模具中，壓鑄成磁環(huán)或磁鋼，塑磁的磁性偏低。鐵氧體中稀土含量比較少，具備價格優(yōu)勢，國外應用較為廣泛。釹鐵硼原料主要為稀土，國內小型化電機使用較多。釹鐵硼分為粘結釹鐵硼、燒結釹鐵硼兩種。粘結釹鐵硼是把特制膠水跟磁性材料混合，通過模具定型；燒結釹鐵硼不使用膠水，通過高溫燒結使磁性材料定型。稀土含量越高，材料的磁性就越好。相同體積的釹鐵硼性能遠高于鐵氧體，預計未來會有越來越多的電機使用釹鐵硼。中國是稀土大國，相較國外具備價格優(yōu)勢。

編碼器是伺服電機內部集成的傳感器。根據物理介質的不同，伺服電機編碼器可以分為光編碼器和磁編碼器。磁編碼器成本相較光編碼器可以下降100多元。光學編碼器具有高精度、高分辨率的特點；磁編碼器環(huán)境耐受性強、體積小、重量輕、可靠性高。最新的磁編碼器提高了精度和分辨率，而且可以實現離軸檢測，因此，光學編碼器的市場上也逐漸出現了磁編碼器的應用。整體來看，國內編碼器的精度和綜合性能較國外仍有差距，國內廠商使用的編碼器，尤其是應用于高精度領域的，大多需要進口。

以驅動直流無刷電機為例，必備要素包括控制芯片、預驅芯片和功率器件。控制芯片通過PWM波控制預驅芯片，進而控制功率器件。根據Grand View Research測算，2022年全球直流無刷電機驅動芯片總市場規(guī)模約為252億元。海外大廠多采用ARM架構電機主控芯片，提供從控制器到功率器件的完整電機芯片解決方案, 意法半導體、德州儀器等國際大廠主導市場，國內廠商全球市占率較低。

鐵氧體：橫店東磁；燒結釹鐵硼：英洛華；粘結釹鐵硼：英洛華、成都銀河。

編碼器（國內、入門級）：長春匯通、奧普光電、禾川科技；編碼器（海外、高精度）：多摩川、尼康圖南股份、廣大特材、科德數控。

軸承：長盛軸承、新強聯(lián)、恒潤股份。

芯片：意法半導體、德州儀器、兆易創(chuàng)新、峰岹科技。

軸承：力星股份、南方精工、國機精工。

（二）中游

電機的選擇取決于終端產品設計，與產品特征緊密相關，選型需要考慮驅動需求、電源供電要求、工作環(huán)境等眾多因素，因此其需求表現出極強的分散和長尾特征。電機行業(yè)總量大、單品產量小、定制屬性強，導致電機行業(yè)存在大量深耕細分領域的中小型公司，競爭格局高度分散。電機行業(yè)涌現出的優(yōu)秀公司主要有三類：1）聚焦于單品銷量較大的下游行業(yè)，例如汽車電機、空調電機、洗衣機電機等，公司產品具有性價比優(yōu)勢，國內上市公司有大洋電機、江蘇雷利、微光股份、方正電機、祥明智能等；2）電機平臺型公司，電機種類豐富，快速定制化能力強，產品具有價格優(yōu)勢，能快速響應客戶需求，國內外上市公司如瑞士Maxon、鳴志電器、兆威機電等；3）電機產品與其他產品產生協(xié)同效應，作為核心競爭力為下游產品賦能，如安川電機、匯川技術、金龍機電等。

伺服電機：匯川技術、禾川科技、鳴志電器、兆威電機、步科股份、信捷電氣、雷賽智能。

步進電機：鳴志電器、江蘇雷利、雷賽智能。

（三）下游

電機的下游應用市場極為廣泛，從簡單低端的普通鐵芯電機到航天軍工用的特種電機都存在市場需求，空間千億美元。電機作為必不可少的關鍵基礎機電部件，廣泛應用于家電、汽車、信息處理器、視聽設備、工業(yè)自動化等領域。以家庭場景為例，根據高工咨詢的數據，發(fā)達國家微特電機的家庭平均擁有量為80-130臺，而中國大城市家庭平均擁有量大約在20-40臺；汽車為最主要電機細分市場，一輛商用車采用超過40個電動機，從低功率到高功率不等。根據Grand View Research的研究數據，2020年全球電機市場規(guī)模為1427億美元，預計2021-2028年全球電機市場規(guī)模復合增長率將達到6.40%。從下游細分市場來看，汽車占比最高，達40.5％，其次為工業(yè)機械、供熱、通風與空氣調節(jié)設備、空調、運輸、家電等。

四

發(fā)展趨勢及建議

相較于多關節(jié)、SCARA、DELTA、協(xié)作機器人等傳統(tǒng)工業(yè)機器人，人形機器人自由度更多，對電機需求量大幅提高。特斯拉人形機器人將搭載約40個電機，實現對頸部、手臂、手指、軀干、腿部等部位的控制。與此同時，機器人關節(jié)的運轉對驅動電機提出了更高的要求。在靈活度上，要求其有最大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量；在性能上，電機須有較高的可靠性、穩(wěn)定性，同時能快速響應；在動作上，能夠保持控制特性的連續(xù)性和直線性；在速度上，要求較寬廣且平滑的調速范圍；在形態(tài)上，體積小、質量小、軸向尺寸短，且能經受苛刻的運行條件。

目前量產的電機難以滿足人形機器人靈活移動、抗沖擊、快速響應等要求，人形機器人未來要拓展商業(yè)化應用場景，實現在工業(yè)、商業(yè)和家庭中的應用，電機技術是關鍵所在。雖然電機的結構、加工方式相對簡單，行業(yè)的進入壁壘低，但電機應用領域向高端升級的壁壘很高。（1）資金壁壘高，前期需要大量投入研發(fā)以滿足不同的使用標準。（2）技術壁壘高。高端領域的客戶看重電機廠商在標準品基礎之上以更低的成本滿足其定制化要求的能力。設計一個全新的電機要求工程師掌握電磁學、電機學、動力學的底層邏輯，考慮電磁轉換效率、磁場分布、渦流最小化等諸多因素，經過精密的計算最終完成設計，難度很高。（3）客戶壁壘高。航天、手術機器人、高端醫(yī)療器械等應用領域的用戶傾向于選擇已經樹立高品質品牌的廠商，基本不會切換供應商。

隨著人形機器人逐漸落地，高端電機將迎來廣闊的市場空間。目前全球科研機構和公司不斷尋求電機在高扭矩密度、響應速度、輕量化、小型化等方向的技術突破。雖然國內電機廠商在技術實力、用戶認可度等方面與國外龍頭有較大的差距，但在上游原材料優(yōu)勢、國內機器人市場巨大需求和國家政策的推動下，國內電機廠商迎來重大機遇，加速高端產品的國產替代。具有較強研發(fā)實力，能根據下游客戶需求定制化產品，并能做好成本管控的公司更有希望在這一趨勢中受益。可以重點關注匯川技術、禾川科技、鳴志電器、雷賽智能等公司。

         課程目錄
第一節(jié)：導讀（必看）
第二節(jié)：非標自動化常用電機類型
第三節(jié)：步進電機與伺服電機的區(qū)別
第四節(jié)：東方馬達選型工具的應用
第五節(jié)：利用工具插件進行電機快速選型計算
第六節(jié)：DD馬達的特點與計算選型方法
第七節(jié)：伺服電機特性、類型與常見品牌
第八節(jié)：伺服電機性能參數解析
第九節(jié)：伺服電機選型計算方法（1）
第十節(jié)：伺服電機選型計算方法（2）
第十一節(jié)：伺服電機選型計算（3）
第十二節(jié)：伺服電機選型流程與慣量比詳細講解
第十三節(jié)：伺服電機大小規(guī)格選型流程
第十四節(jié)：步進電機類型、常見型號、品牌
第十五節(jié)：步進電機典型特性與應用
第十六節(jié)：步進電機性能參數解讀
第十七節(jié)：步進電機選型流程、選型方法
第十八節(jié)：步進電機計算流程
第十九節(jié)：步進電機選型計算（1）
第二十節(jié)：步進電機選型計算（2）
第二十一節(jié)：調速電機、減速電機、變頻電機、單相電機的應用
第二十二節(jié)：直線電機類型、特點、應用場景
第二十三節(jié)：直線電機光柵尺、球柵尺、磁柵尺的區(qū)別
第二十四節(jié)：音圈電機在自動化設備中典型應用簡介
第二十五節(jié)：各種電機驅動工況下慣量比的匹配方法
第二十六節(jié)：簡單皮帶輸送中電機選型計算
第二十七節(jié)：板鏈輸送機電機功率與轉速大小的計算
第二十八節(jié)：倍速鏈輸送機中電機大小計算流程
第二十九節(jié)：實例解析滾子鏈輸送機電機的計算方法