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空心杯电机
不想当韭菜的小散
2023-09-03 20:39:19

一,什么是空心杯电机

空杯机是不超过40mm的微型电机,作为人形机器人关节部分的应用而成为热门领域。

空心杯电机是一种微型伺服直流电机得名于其转子部分的设计它在结构上突破了传统电机的转子结构形式采用的是无铁芯转子是一个空心的杯状结构主要由定子转子和换向系统组成其转子创新性的突破了传统电机的结构形式采用无铁芯空心杯状结构空心杯电机具有效率高转速快响应快寿命长体积小和运行稳等特点凭借这些性能优势空心杯电机下游应用领域广泛在机器人医疗器械无人机和自动化设备等场景中均有广泛运用

二,空心杯的工作原理

空心杯电机的工作原理基于交错磁极和交变磁场的原理它由内外两层转子和定子组成内转子上有一些铁芯梁和磁铁外转子则由塑料材料制成当外部电流施加到定子上时就会在定子上产生一个旋转磁场进而引起内部转子旋转因为内转子中间是空心的所以可以在其中安装传感器等装置实现更加灵活和多样化的控制功能。

相比于传统有刷直流电机空心杯电机有以下几大特点

1电机铁损减少传统的有刷直流电机运转过程中会在铁芯中产生涡流造成较大电机铁损而空心杯电机由于没有铁芯铁损可以被极大减少甚至忽略

2换向片数量增加传统的有刷直流电机通常只有 3 到 5 片换向片而空心杯电机一般有 911 或 13 片换向片

3转子惯量减少传统的有刷直流电机由于铁芯的存在惯量一般比较大而空心杯电机由于转子是杯状的自支撑的线圈因此在相同尺寸下转子的惯量会明显减小

4线圈电感减少由于没有铁芯的存在空心杯电机的线圈电感相对于相同尺寸的传统有刷直流电机要小很多

空心杯电机的最高效率都在 65%~85%之间最高的可达 90%而有刷直流电机的最高效率一般都在 50%左右

空心杯电机分有刷和无刷空心杯2种有刷空心杯电机转子有铁芯无刷空心杯电机定子无铁芯有刷空心杯就是以线杯加换向器作为电机的转子无刷空心杯就是以线杯做为定子永磁磁铁作为转子的结构相互滑动会摩擦碳刷造成损耗需要定期更换碳刷碳刷与线圈接线头之间通断交替会发生电火花产生电磁破干扰电子设备


三,空心杯电机的市场容量

根据 GII 引用 QY Research 的统计数据全球空心杯电机市场规模由 2022 年的 7.48 亿美元将增长至 2028 年的 11.86 亿美元期间 CAGR 为 7.98%这个增速在现有的产品状况市场容量算小的因其小巧的尺寸人形机器人的快速发展有望带动空心杯电机的快速发展


根据GII引用QY Research的统计数据2021 年中国空心杯电机市场规模为 2.36 亿美元市场份额为 34.80%并预计以 10.44% 的 CAGR 成长至 2028 年的 4.73 亿美元市场份额提升至 39.88%

根据NTCysd测算2022年全球空心杯电机市场规模为51.0亿人民币2028年市场规模将达到83.0亿人民币期间CAGR约8.5%。


四,空心杯电机的市场竞争格局海外和国内

1空心杯电机目前的海外的主要制造商有如下4家

国外两大知名空心杯电机生产公司德国 Faulhaber 和瑞士 Maxon Motor 均采用斜绕组电枢并采用自动化设备一次性绕制成型合格率高达100%

新市场竞争格局

1第一梯队瑞士MAXON德国FAULHABER瑞士PORTESCAP海外三大家成立最早技术和工艺深厚价格偏高

2第二梯队鸣志电器和美日企业其中鸣志电器产品具备性价比优势后续进一步突破设备壁垒提升产品一致性和实现批量化生产

3第三梯队鼎智科技兆威机电伟创电气19年以来纷纷布局空心杯电机鼎智和伟创尚处于测试阶段兆威产品侧重低端应用产品较第二梯队存在差距

2空心杯电机国内主要制造商经营情况说明

国内上市公司中经公开披露的信息中有6家产品中涉及空心杯电机分别是昊志机电兆威机电鸣志电器江苏雷利子上市公司鼎智科技拓邦股份和伟创电气尚在内部验证中

3空心杯电机国内外产品的主要差距

国内外空心杯电机制造商在软实力和硬实力均有一定差距硬实力的差距主要集中在电机材料选用本体设计和机电控制方案配置软实力的差距主要集中于市场影响力销售渠道和客户资源海外厂商拥有强大的研发团队和广泛的国际销售网络客户基础能够更好地满足全球市场的需求从而品牌声誉和市场认可度更高

五,壁垒

高端空心杯电机国产化率较低壁垒在于:

1,设计线圈专利多每家厂商绕组设计不同海外绕线具体工艺处于保密状态瑞士MAXON拥有精密直流电机的五种绕组技术德国FAULHABER采用Fritz Faulhaber博士设计的斜交缠绕设计鸣志电器空心杯绕组设计采用V状结构目前国内设计性能达不到国际先进水平;

2,设备设备要求高产品的一致性长寿命和批量化生产需要自动化产线MAXONFAULHABER自研自制自动化生产设备外部不供应量产产能2000万台国内已有厂商主要采用半自动/手工生产返工率高国内万分之三十国外万分之五性能有偏差且不具备批量生产能力国内鸣志电器的绕线机采购自日本小田原&田中精机鼎智科技表示能实现自动化批产但尚未进入量产阶段

3,驱动系统控制芯片软件算法未能及时跟进


六,空心杯电机供应商一览:

1.鸣志电器

已有产品空心杯电机本体+驱动器减速机编码器

有刷空心杯电机机座尺寸范围φ8mm-φ24mm空载转速最高可达10000rpm~16000rpm最高功率可达13.5w

无刷空心杯电机机座尺寸范围φ13mm-φ30mm分为ECU普通和ECH高速系列空载转速可达15000rpm~50000rpm最高功率可达150w

驱动器T motion的ONE FOR ALL 全能型智能电机驱动器能实现通用电机支持可匹配无刷空心杯电机

应用情况定位高端应用主要布局慢速移动人工智能高端医疗器械及生化分析仪器智能汽车电子暖通水泵模组系统半导体生产设备和工控自动化等领域

22年空心杯电机产销情况营收1000w元产量2万台订单超出产能订单收入占比排序为电动工具单价5600元/台>半导体>医疗单价1500元/台根据专家口径公司计划扩张15条产品线规划产能达30万台/年最快预计24年底投产

送样进度B样阶段2022年10月12月分别为第一第二轮送样2023年3月第三轮送样已送样300+台预计今年10月C样2反馈已满足TSL需求。


2.鼎智科技/江苏雷利

已有产品22年推出无刷空心杯电机电机直径范围φ16mm-φ42mm包括5个产品系列

应用情况当前多款样品处在测试阶段1医疗领域无刷空心杯电机可替代有创呼吸机的主电机已处于客户验证阶段空心杯电机+精密齿轮箱模组可用于多款口腔医疗仪器2军工领域空心杯电机可用于国内导弹精准制导系统


3.兆威机电

已有产品公司主要产品以微型电机+齿轮箱为主其中电机主要为外采标准化电机公司优势在于齿轮箱如公司的相机调焦驱动系统由直流空心杯电机+塑胶行星齿轮箱构成其结构紧凑占用空间小质量轻

应用情况集中在汽车电子智能家居消费电子领域如美容仪吹风机电动牙刷智能门锁等后续向工业装备智慧医疗深入布局

研发实力侧重驱动和传动控制公司核心技术人员陈毅东研发二部经理从事电机控制系统研发10余年包括空心杯电机控制技术研发参与国家自然科学基金重点项目1项发表论文10余篇


4.伟创电气

已有产品公司22Q2成立了机器人行业部有空心杯电机产品目前主要是以机器人大配套为出发点执行端主要以低压伺服空心杯电机特种无框力矩电机谐波减速器等这类产品为主公司研制的空心杯电动机具有高转速高扭矩低噪音振动的优势电机运行平稳更精确的控制电机结构紧凑让电机提供了更高的效率和功率密度

应用情况产品目前在内部测试阶段主要面向移动类协作类服务类的机器人领域

设备供应商

田中精机

供应产品精密绕线机可实现绕线平整性单价40w+/台

公司简况前身为日本田中精机株式会社始创于1933年公司具有行业领先的自动化生产设备研发设计和定制化生产能力。

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