空心杯电机优势、壁垒及竞争格局如何?

最佳答案 匿名用户编辑于2023/09/06 09:06

空心杯电机性能优越,具有控制精度高、寿命长、转速快、能效高、体积小、能量密度 大等优势。

控制精度高、寿命长。空心杯电机的机械时间常数小,一般在 28 毫秒以内,而铁芯 电机一般在 100 毫秒以上,因此空心杯电机响应时间极快。由于电机特性为线性,因 而具有理想的控制性能,转子转速范围宽,便于对转速进行高精度控制操作。此外, 空心杯电机换向片数量多,换向时电流波动小,加之电机电感量较小,换向系统在换 向时受到的腐蚀小,从而寿命更长,可达 1000-3000 小时,约是普通有刷直流电机的 4-6 倍。

转速快、能效高。空心杯电机由于采用无铁芯转子结构,基本没有涡流损耗、磁滞损 耗,所以最高转速设计可达 10000rpm,最高能效多位于 65%-85%。普通有刷直流电机 由于涡流损耗与转速的平方成正比,故其连续力矩会随转速上升而快速下降,最高转 速一般在 5000rpm 以下。此外,由于铁损耗与机械损耗的存在,普通有刷直流电机的 能量转化效率一般在 50%左右。

体积小、能量密度大、拖动特性优。与同等功率的普通有刷直流电机相比,空心杯电 机体积更小、质量更轻,因而能量密度更大。此外,其输出转矩较高、转矩脉动更小, 加之其换向片数量很多,因而操作更加平稳、可靠,转速波动小且容易控制,具有理 想的拖动性能。

空心杯电机线圈绕制技术按成型方式分为卷绕生产和一次成型生产。1)卷绕生产工艺较为 复杂,先将铜线绕制成几何形状的空心线圈,进而将线圈挤扁,制成扁平的铜线板,最后将线 板绕成圆柱状的线圈。2)一次成型技术通过绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上, 一次成型,不需要卷圆压扁等工序。两种技术相比,后者工艺简单,绕制效率高。目前我 国生产空心杯电机多采用卷绕式生产技术,生产效率较低,废品率高,生产出来的线圈直径较 小,生产高性能大尺寸的线圈技术有待提升。

空心杯电机线圈绕制技术按线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中,直绕 形绕制方法工艺较为复杂,多用于较长绕组结构,常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形的 绕制工艺简单,具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等 优势,是国外先进空心杯电机厂商常用的两种线圈形式。例如,德国 Faulhaber 电机采用 斜绕形线圈,瑞士 Maxon 电机采用马鞍形线圈,因而电机性能更加优越。

绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本,包括瑞士 Meteor、日本田中精机、日本日特机械等 企业。海外厂商设备先进,基本实现了绕线设备的自动化、智能化、网络化,绕线设备质量可 靠,生产效率高。

例如:(1)瑞士 Meteor 专业从事绕线机制造,是瑞士 MAXON 等知名空心杯电机企业绕线机供 应商。其 M21 系列绕线机通过伺服电机实现线圈的精密排线,系统采用CNC数控技术精准控制, 确保了绕线机在高速运转状态下的绕制精度。(2)日本日特机械是全球大型绕线机专业生产商,绕线机种类多且性能可靠、通用性强。其 BAS 系列是绕制各种空心线圈,能够实现一次成 型的设备。该绕线机采用高刚性的排线导轨,使得其在无槽夹具的情况下,同样能实现高质量 的排线绕制。

国内绕线设备自动化程度低,技术与海外存在差距。我国绕线机研发起步晚,线圈设计以卷 绕式为主,工序较为繁琐。部分绕线机可实现一次成型绕制,但面对较大功率电机的粗线 径线圈,国产设备在可靠性和绕制精度方面相比世界先进水平仍有较大差距。 国内绕线机厂商包括中特科技、勤联科技、台立电子等公司。以中特科技为例,其全自动双 轴空心杯绕线机绕制原理依旧属于卷绕式生产,工序相对复杂。勤联科技的空心杯绕线机 采用一次性绕制成型技术,但主要适用于尺寸较小、线径较细的线圈,对于大功率空心杯 电机的线圈绕制存在一定难度。

空心杯电机起源于德国、瑞士等欧美国家,全球头部企业包括德国 Faulhaber、瑞士 Maxon 和瑞士 Portescap。海外龙头在空心杯电机领域布局较早,技术经验积累深厚,是全球空心杯 电机的主要供应商。国内起步较晚,有业务布局的企业包括鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利和 伟创电气。根据上述各公司公告,鸣志电器空心杯电机技术水平位居全球前列;拓邦股份空心 杯电机已经实现批量应用;江苏雷利子公司鼎智科技的空心杯电机已实现量产,目前处于小批 量验证阶段;伟创电气处于产品内部测试阶段,其余企业技术相对薄弱,国产替代空间广阔。

相比海外龙头,国内企业具备价格优势。选取瑞士 MAXON 和鸣志电器机座尺寸同为 16mm 的机型相比,瑞士 MAXON 在转矩、转速、响应速度、工作效率等指标上表现更佳,而国产 机型价格更低,具有价格优势。未来随着人形机器人应用对空心杯电机市场规模的拉动, 国内核心供应商有望充分受益。