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bsport体育:电机行业概览:万亿级市场细分领域众多

来源:bsport体育注册 作者:bsport体育登录|发布时间:2024-12-24 12:09:18


  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、、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 年制成世界第一台电机,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 0.01W-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、、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。

  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、、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。

  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,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 涌现出的优秀公司主要有三类:1)聚焦于单品销量较大的下业,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。

  伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。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”、“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, 高精确度位置控制,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。