電氣傳動(dòng)行業(yè)市場(chǎng)分析

電氣傳動(dòng)行業(yè)市場(chǎng)分析電氣傳動(dòng)：靈活多面手，應(yīng)用廣闊市場(chǎng)分散電氣傳動(dòng)系統(tǒng)概覽：靈活多面手電氣傳動(dòng)使用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)各類型生產(chǎn)機(jī)械、交通車輛及運(yùn)動(dòng)物品。電動(dòng)機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，主要結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子，其中定子為靜止部分，包含定子鐵心（電機(jī)磁路的一部分，并在其上放置定子繞組）、定子繞組（電動(dòng)機(jī)的電路部分，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）和機(jī)座（固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用）；轉(zhuǎn)子為旋轉(zhuǎn)部分，包括轉(zhuǎn)子鐵心（作為電機(jī)磁路的一部分以及在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組）、轉(zhuǎn)子繞組（切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)）。電氣傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)控制及精確度方面優(yōu)勢(shì)顯著，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械。相較于其他傳動(dòng)方式，電氣傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：1）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與遠(yuǎn)程控制，精確度高：電氣傳動(dòng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，在高精度傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，控制精度大大超過其他控制方式。2）節(jié)省能源：電能的獲得和轉(zhuǎn)換比較經(jīng)濟(jì)，傳輸和分配比較便利。3）改善環(huán)保水平：由于使用能源品種的減少及其優(yōu)化的性能，減少污染源。4）降低噪音。5）節(jié)約成本：去除液壓油的成本和引起的麻煩，沒有硬管或軟喉，無(wú)須對(duì)液壓油冷卻，大幅度降低了冷卻水成本。但電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，易受外界負(fù)載的影響；慣性大、換向慢；元件可能要耗用大量有色金屬成本高；受溫度、濕度、振動(dòng)、腐蝕等環(huán)境影響較大。電機(jī)行業(yè)格局分散，國(guó)內(nèi)電機(jī)“量增”到“質(zhì)提”走向高端2020年全球電機(jī)市場(chǎng)千億美元，交流電機(jī)占比70%。GrandviewResearch的研究數(shù)據(jù)顯示，2020年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為1427億美元，其中交流電機(jī)市場(chǎng)占比70.7%。預(yù)計(jì)2021-2028年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到6.40%。2020年下游細(xì)分市場(chǎng)中汽車占比最高，占40.5%，其次為工業(yè)機(jī)械、HVAC設(shè)備（供熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）、空調(diào)、運(yùn)輸、家電等。電機(jī)市場(chǎng)中工業(yè)電機(jī)行業(yè)快速增長(zhǎng)，根據(jù)MordorIntelligence公布的數(shù)據(jù)，2021年全球工業(yè)電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為214.1億美元，預(yù)計(jì)2028年可達(dá)240.9億美元。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)工業(yè)電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為765億元，占中國(guó)整體電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的18%。電機(jī)行業(yè)總量大但單品產(chǎn)量小，定制屬性強(qiáng)，機(jī)型及應(yīng)用行業(yè)較分散。電機(jī)行業(yè)雖總量較大、但單品產(chǎn)量較小且定制屬性較強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化的單品批量生產(chǎn)較少，各公司深耕于各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，應(yīng)用于不同場(chǎng)景，占據(jù)不同細(xì)分市場(chǎng)份額，整體競(jìng)爭(zhēng)格局高度分散。電機(jī)行業(yè)公司策略主要可以分為兩類：1）深耕技術(shù)路徑：同一種技術(shù)路徑的電機(jī)應(yīng)用于不同場(chǎng)景，部分公司深耕某種技術(shù)路徑的電機(jī)，如空心杯電機(jī)或同步永磁電機(jī)，再根據(jù)場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整和定制化；2）深耕行業(yè)：相同行業(yè)應(yīng)用機(jī)型選擇多，分別占據(jù)一定細(xì)分市場(chǎng)份額，部分公司瞄準(zhǔn)單品銷量較大的下游行業(yè)，如汽車電機(jī)、工程機(jī)械電機(jī)、洗衣機(jī)電機(jī)等，生產(chǎn)行業(yè)中主流應(yīng)用電機(jī)，公司產(chǎn)品具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。兩種策略形成相同結(jié)果，即電機(jī)市場(chǎng)中產(chǎn)品多樣，機(jī)型及應(yīng)用行業(yè)都較為分散，各公司覆蓋產(chǎn)品繁多。外資企業(yè)占據(jù)高端位置，國(guó)內(nèi)龍頭在各自側(cè)重領(lǐng)域走向高端。目前國(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)參與者數(shù)量眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈。市場(chǎng)第一梯隊(duì)為以西門子、ABB和Maxon為代表的外資工業(yè)電機(jī)品牌生產(chǎn)商，其技術(shù)成熟并積累了豐富的客戶資源，主要占據(jù)工業(yè)控制、航空航天、軍工、精密醫(yī)療器械等領(lǐng)域的中高端市場(chǎng)。第二梯隊(duì)為國(guó)內(nèi)匯川技術(shù)、臥龍電驅(qū)、大洋電機(jī)、鳴志電器等龍頭企業(yè)，各生產(chǎn)廠商在其側(cè)重的領(lǐng)域占據(jù)部分中端市場(chǎng)并逐步走向高端，不斷向第一梯隊(duì)進(jìn)發(fā)。第三梯隊(duì)為以中小企業(yè)為主的中國(guó)本土工業(yè)電機(jī)生產(chǎn)商。該類企業(yè)所生產(chǎn)工業(yè)電機(jī)產(chǎn)品價(jià)格低廉，產(chǎn)品同質(zhì)化相對(duì)嚴(yán)重，產(chǎn)品穩(wěn)定性相對(duì)差。我國(guó)工業(yè)電機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期呈現(xiàn)貿(mào)易順差，但出口產(chǎn)品較為低端。據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)工業(yè)電機(jī)進(jìn)出口總額從2017年的137.38億美元上升至2020年的139.47億美元，2020年受疫情影響同比減少1.66%；2017-2019年貿(mào)易順差呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)，從61.9億美元上升至71.08億美元，2020年受疫情影響有所下降，為66.67億美元。隨著國(guó)產(chǎn)電機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，我國(guó)電機(jī)行業(yè)貿(mào)易順差有望繼續(xù)保持?jǐn)U大趨勢(shì)。從出口產(chǎn)品來看，2020年出口金額占比最大的產(chǎn)品是直流電動(dòng)機(jī)及直流發(fā)電機(jī)，輸出功率≤750W，出口金額為27.35億美元，占出口總額的比例達(dá)到26.54%。其他單相交流電動(dòng)機(jī)出口金額占比排名第二；而較為高端的多相交流電動(dòng)機(jī)和微電機(jī)出口占比較小。電機(jī)六大技術(shù)路線選擇排列組合，順勢(shì)而生各有千秋電動(dòng)機(jī)核心為技術(shù)路線和結(jié)構(gòu)的排列組合，多種類型適應(yīng)下游多種應(yīng)用場(chǎng)景。自1821年法拉第首次利用電流磁效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能以來，電動(dòng)機(jī)在下游需求和技術(shù)突破的不斷推動(dòng)下，從最初誕生時(shí)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在運(yùn)用各種材料，不同原理的產(chǎn)品。各種技術(shù)路徑的電機(jī)都有其優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，適用于下游不同的應(yīng)用場(chǎng)景。我們總結(jié)電機(jī)技術(shù)有六大關(guān)鍵技術(shù)選擇，分別是交流/直流、同步/異步、永磁/電磁、單相/三相、控制方式步進(jìn)/伺服、直線/旋轉(zhuǎn)。各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品其實(shí)是不同技術(shù)路線排列組合后的產(chǎn)物，對(duì)于一個(gè)電機(jī)產(chǎn)品，首先需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行排列，決定其最重要的性能要求；之后選擇多種技術(shù)路線的組合達(dá)到其最優(yōu)方案。直流or交流：換向/調(diào)速為核心問題，霍爾元件/變頻器助推無(wú)刷替代有刷直流電機(jī)與交流電機(jī)由于供電電源不同，結(jié)構(gòu)差異較大。直流電機(jī)使用直流電作為電源，而交流電機(jī)使用交流電作為電源。電動(dòng)機(jī)需要改變電流方向，產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)獲得力矩以維持電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。目前電機(jī)有三種方式達(dá)到該目的：1）直流電+換向器+電刷完成機(jī)械換向，對(duì)應(yīng)直流有刷電機(jī)；2）直流電輸入+電子換向器使直流電變?yōu)榻涣麟娡瓿呻娮訐Q向，對(duì)應(yīng)直流無(wú)刷電機(jī)；3）直接將交流電通入定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并作用于轉(zhuǎn)子形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩，對(duì)應(yīng)交流電機(jī)。不同原理使三種電機(jī)結(jié)構(gòu)不同，直流有刷電機(jī)磁場(chǎng)固定不動(dòng)，洛倫茲力驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，配有電刷和換向器；直流無(wú)刷與交流電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，外圍線圈通入交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，直流無(wú)刷以霍爾元件取代碳刷換向。直流電源率先產(chǎn)生賦予直流電動(dòng)機(jī)“先發(fā)優(yōu)勢(shì)”，交流電機(jī)受益于交流電系統(tǒng)和控制元件發(fā)展，后來居上成為主流。直流電源的發(fā)明使直流電機(jī)率先被研制完成，1832年英國(guó)物理學(xué)家威廉·斯特金發(fā)明了換向器并制造了有刷直流電機(jī)，但由于其低功率輸出，應(yīng)用上受到嚴(yán)重限制。1834年達(dá)文波特發(fā)明了第一臺(tái)電池供電的直流電機(jī)，但仍無(wú)法擺脫功率和效率問題。19世紀(jì)80年代直流輸電技術(shù)發(fā)展遇阻，交流電系統(tǒng)因?yàn)閭鬏敁p耗小、易變壓等原因逐漸成為主流，交流電機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。1885年特斯拉根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論制成了第一臺(tái)兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。1889年第一臺(tái)三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)誕生。同時(shí)隨著各種新型功率半導(dǎo)體器件和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步替代機(jī)械換向，無(wú)刷直流電機(jī)得到快速發(fā)展。直/交流核心問題一：直流電機(jī)需完成換向，電刷從核心到桎梏限制直流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景。直流電機(jī)可以采用電刷完成機(jī)械換向，形成直流有刷電機(jī)；也可以使用電子換向器代替電刷形成直流無(wú)刷電機(jī)，換相的工作交由控制器中的控制電路（一般為霍爾傳感器+控制器，更先進(jìn)的技術(shù)是磁編碼器）來完成。而交流電機(jī)直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)需換向器。直流電機(jī)的電刷面臨磨損和噪音的問題，限制其應(yīng)用場(chǎng)景。電刷和集電環(huán)之間存在機(jī)械摩擦，增加了工人的檢修維護(hù)量，壽命短，需頻繁更換刷子；磨損意味著直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速受到限制，無(wú)法滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件；此外機(jī)械換向會(huì)產(chǎn)生火花，打火不僅會(huì)造成電刷和換向器的燒蝕還會(huì)帶來噪聲，使直流電機(jī)無(wú)法應(yīng)用在部分需要防爆、靜音的工況中。取代電刷完成電子換向需要精確獲得轉(zhuǎn)子位置，霍爾元件提供低成本、易操作方案。20世紀(jì)中葉半導(dǎo)體與集成電路技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了霍爾傳感器發(fā)展，1962年無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)隨之產(chǎn)生，其利用電子開關(guān)線路和霍爾傳感器來代替有刷直流電機(jī)電刷和換向器，具有直流電機(jī)的良好調(diào)速性能，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花的優(yōu)勢(shì)。無(wú)刷直流電機(jī)需要監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置以便按照通電次序給相應(yīng)的定子線圈通電維持旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)在非驅(qū)動(dòng)端上的定子中嵌入三個(gè)霍爾傳感器，轉(zhuǎn)子磁極掠過霍爾元件時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前磁極的極性霍爾元件會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的高或低電平，根據(jù)電平時(shí)序就可以判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，并相應(yīng)的對(duì)定子繞組進(jìn)行通電。直/交流核心問題二：直流電機(jī)方便調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，變頻技術(shù)發(fā)展提升交流電機(jī)調(diào)速性能。直流電機(jī)可以方便地通過改變電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并可以提供較大的轉(zhuǎn)矩，適用于需要頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的負(fù)載，如鋼廠的軋機(jī)，礦山的提升機(jī)等。但隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)同樣可以通過改變頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使交流電機(jī)得到和直流調(diào)速一樣優(yōu)異的調(diào)速性能，并且其功率還不存在換向器的限制。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器。變頻技術(shù)可分為交直交變頻技術(shù)和交交變頻技術(shù)，其中交直交變頻器由整流器（交流變直流）、濾波系統(tǒng)和逆變器（直流變交流）三部分組成。交-交變頻電路由正、負(fù)兩組相控整流器組成。交直交變頻技術(shù)中PWM逆變?yōu)橹髁鳎唤蛔冾l效率較高。交直交變頻器一般采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式。采用PWM逆變可以減少輸出諧波，PWM逆變器使用IGBT和碳化硅器件后可提高開關(guān)頻率。交直交變頻控制簡(jiǎn)單，所用晶閘管元件少，利用率高，且頻率調(diào)節(jié)范圍寬，適合應(yīng)用于要求精度高、調(diào)速性能較好、頻率調(diào)節(jié)范圍寬的場(chǎng)合。交-交變頻電路由正、負(fù)兩組相控整流器組成，通過適當(dāng)?shù)南辔豢刂疲箖山M整流器輪流導(dǎo)通，正、負(fù)組整流器分別流過負(fù)載中的正向和反向輸出電流。交交變頻技術(shù)只通過一次變流，省略了直流轉(zhuǎn)換的步驟，效率較高；但該技術(shù)調(diào)節(jié)頻率最大輸出頻率較低，適合于低速大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼、水泥、牽引等場(chǎng)景。永磁or勵(lì)磁：交替并行發(fā)展，高性能永磁體提升電機(jī)功率和效率電機(jī)磁場(chǎng)的提供方式經(jīng)過低性能磁鐵—電磁體—高性能永磁體與電磁并行三個(gè)發(fā)展階段。永磁電機(jī)由永磁體提供電機(jī)的磁場(chǎng)，勵(lì)磁電機(jī)由勵(lì)磁線圈提供磁場(chǎng)。1821年法拉第制造的第一臺(tái)電機(jī)是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。但其使用的永磁材料天然磁鐵礦石磁能密度低，制成電機(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。電磁直流電機(jī)1834年由雅各比發(fā)明并在1880年普及，它的出現(xiàn)讓性能不佳的永磁電機(jī)發(fā)生歷史停頓，但同樣存在功率密度偏低的問題。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達(dá)85kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積可達(dá)40kJ/m3）大大提升了磁體磁性能，提升電機(jī)功率和效率。隨著釹鐵硼等材料性能的提高和價(jià)格的降低，永磁電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。高性能永磁電機(jī)高效率大功率但成本較高，勵(lì)磁電機(jī)易于調(diào)節(jié)但效率較低。永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、用銅量少質(zhì)量輕、損耗小、效率高等顯著特點(diǎn)，并且其形狀和尺寸可以靈活多樣，應(yīng)用范圍較為廣泛。高性能釹鐵硼永磁具有較高的磁性能指標(biāo)，高剩磁及高矯頑力，可提升電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化效率。永磁同步電機(jī)能在低速情況下產(chǎn)生較大扭矩，功率系數(shù)高，在相同的功率和扭矩情況下重量和體積更小。但永磁體價(jià)格較為昂貴，根據(jù)中鎢在線數(shù)據(jù)，2023年8月30日釹鐵硼毛坯55N方塊235元/千克；且高溫退磁、磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)等問題限制了永磁電機(jī)在特定場(chǎng)合中的應(yīng)用。勵(lì)磁電機(jī)更易于調(diào)節(jié)，功率因數(shù)可控性好，但勵(lì)磁損耗的存在一方面降低了電機(jī)效率，另一方面增大了溫升過高的風(fēng)險(xiǎn)。稀土永磁高剩磁密度、高矯頑力提升電機(jī)效率與功率。永磁體根據(jù)材料不同主要可以分為鐵氧體永磁、鋁鎳鈷永磁、稀土永磁。根據(jù)一覽眾咨詢數(shù)據(jù)，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36-160kA/m），鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2-0.44T），限制了它們?cè)陔姍C(jī)中的應(yīng)用范圍。稀土永磁主要包括稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁，具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能，體積更小效率更高，廣泛應(yīng)用于大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所需的兆瓦級(jí)電機(jī)。未來永磁體可能向納米復(fù)合永磁體等超材料方向發(fā)展。不同電磁勵(lì)磁方式具有不同機(jī)械特性，串勵(lì)過載能力較強(qiáng)。電磁直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式主要有四種：1）串勵(lì)：內(nèi)部的勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器串聯(lián)；2）并勵(lì)：內(nèi)部的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間并聯(lián)；3）他勵(lì)：內(nèi)部的勵(lì)磁繞組接到獨(dú)立的勵(lì)磁供電，勵(lì)磁電流較為恒定；4）復(fù)勵(lì)：定子磁極上除有并勵(lì)繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵(lì)繞組。并勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬，而串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有軟機(jī)械特性，輕載時(shí)轉(zhuǎn)速增高，重載時(shí)轉(zhuǎn)速降低，有較大的過載能力，有利于生產(chǎn)率的提高。串勵(lì)電機(jī)沒有理想空載轉(zhuǎn)速，不能用于再生制動(dòng)。但通過將串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電路改接成并勵(lì)或復(fù)勵(lì)接法，可以獲得較理想的空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性，但勵(lì)磁電路損耗也會(huì)增大。新興混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)合永磁與電勵(lì)磁優(yōu)勢(shì)，寬調(diào)速應(yīng)用場(chǎng)合前景廣闊。美國(guó)科學(xué)家最早在1985年提出混合勵(lì)磁概念，混合勵(lì)磁電機(jī)是永磁電機(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)的有機(jī)結(jié)合，通過改變永磁電機(jī)的局部結(jié)構(gòu)，放入電勵(lì)磁繞組，從而能夠靈活地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)?；旌蟿?lì)磁電機(jī)既有永磁電機(jī)功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，又可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的目的，解決永磁電機(jī)調(diào)磁困難，恒功率調(diào)速范圍窄的問題。但目前混合勵(lì)磁電機(jī)仍然處于研究和發(fā)展階段，電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造工藝過程復(fù)雜，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式的多樣性，使得混合勵(lì)磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜多樣，電機(jī)的控制過程中，可控變量增加，數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜，為使電機(jī)的控制更加靈活，同時(shí)控制算法也變得更復(fù)雜。同步or異步：同步電機(jī)節(jié)能高效高功率，異步電機(jī)具有成本優(yōu)勢(shì)異步電機(jī)與同步電機(jī)區(qū)別在于轉(zhuǎn)子是否產(chǎn)生磁場(chǎng)、速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度是否一致。同步電機(jī)和異步電機(jī)最大的區(qū)別在于它們的轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是否一致，電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同稱為同步電機(jī)，反之則稱為異步電機(jī)。同步電機(jī)和異步電機(jī)的定子側(cè)結(jié)構(gòu)完全相同，都包含有定子鐵心和定子三相對(duì)稱繞組，區(qū)別為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同。異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，其通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體中激發(fā)感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其中只有轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于同步速(小于同步速的差值是轉(zhuǎn)差率)才能提供轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流；同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)(用永磁鐵或電勵(lì)磁產(chǎn)生)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“拖著”轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于同步速。同步電機(jī)運(yùn)行速度與負(fù)載無(wú)關(guān)精度更高，異步電機(jī)成本較低應(yīng)用廣泛。同步電機(jī)以同步速度運(yùn)行，與負(fù)載無(wú)關(guān)，rpm(轉(zhuǎn)速)＝120f(電源頻率)/p(極對(duì)數(shù))；異步電機(jī)的速度取決于它的負(fù)載，隨負(fù)載增加而降低，且總是小于同步速度。rpm=120f/p-s，s代表滑差。同步電機(jī)的精度高、效率高，但造工復(fù)雜、造價(jià)高、維修相對(duì)困難。異步電機(jī)雖然反應(yīng)慢，但易于安裝、使用，同時(shí)價(jià)格便宜。因此同步電機(jī)用于功率因數(shù)校正，恒速負(fù)載服務(wù)，傳輸線的電壓調(diào)節(jié)，精密伺服機(jī)構(gòu)等，也用于驅(qū)動(dòng)大型機(jī)械如軋鋼機(jī)、壓縮機(jī)、球磨機(jī)等。異步電動(dòng)機(jī)其容量從幾十瓦到千瓦不等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，比如工業(yè)傳動(dòng)中的中小型軋鋼設(shè)備、金屬切削機(jī)床、傳送帶，混合機(jī)，礦井提升機(jī)和通風(fēng)機(jī)。同步電機(jī)中永磁、磁阻和磁滯電機(jī)分別應(yīng)用永磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和磁滯轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同步電機(jī)可分為永磁、磁阻、磁滯電機(jī)，其中磁阻電機(jī)、磁滯電機(jī)運(yùn)行原理與永磁電機(jī)等傳統(tǒng)的交直流電動(dòng)機(jī)有根本區(qū)別。磁阻同步電機(jī)遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理，通過轉(zhuǎn)子在不同位置引起的磁阻變化產(chǎn)生磁拉力（即磁阻轉(zhuǎn)矩）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子由鋼片（鐵磁性材料以及非鐵磁性材料交替組成）沖壓疊制而成，呈凸極形狀，沒有繞組或永磁材料，成本與異步機(jī)相當(dāng)，但具有高效率高可靠性、節(jié)能、調(diào)速范圍廣等多種優(yōu)點(diǎn)。特斯拉Model3的新型IPM-SynRM電機(jī)是同步磁阻電機(jī)。磁滯電動(dòng)機(jī)是利用磁滯材料所制成轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的磁滯轉(zhuǎn)矩起動(dòng)和運(yùn)行的小功率同步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行安靜操作可靠。單相or三相：三相電機(jī)穩(wěn)定高效，單相電機(jī)需使用電容器/罩極啟動(dòng)三相電機(jī)和單相電機(jī)區(qū)別在于所供交流電的相位。三相電機(jī)需要三相交流電源，而單相電機(jī)則只需要單相交流電源。1889年，世界上第一臺(tái)三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)誕生；同年特斯拉設(shè)計(jì)帶輔助相的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，解決了單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題。運(yùn)行原理方面，三相電機(jī)沒有電容器，采用三相交流電源。定子繞組通入相位差為120°的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到電磁力旋轉(zhuǎn)。目前主流單相電機(jī)需要電容器，擁有相位相差90?的主副線圈，通過電容器移相使得正弦交流電相位一前一后給主副線圈供電，使線圈產(chǎn)生一前一后的磁場(chǎng)力發(fā)生旋轉(zhuǎn)。單相電機(jī)使用方便應(yīng)用偏生活化，三相電機(jī)穩(wěn)定高效工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用居多。單相電機(jī)需要啟動(dòng)電容，啟動(dòng)電流大，三相電機(jī)直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小。三相電機(jī)更具有耐用性、可靠性和穩(wěn)定性，因此能夠帶來高功率和高速度的表現(xiàn)，一般被用于大型工業(yè)設(shè)備中，例如機(jī)床、中小型軋鋼設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、輕工機(jī)械、冶金和礦山機(jī)械等。單相電動(dòng)機(jī)只需要單相交流電，具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、噪聲小、安裝方便、對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)，但是功率和速度受限，適用場(chǎng)景相對(duì)狹窄，常用在功率不大的電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器等家用電器和小型動(dòng)力機(jī)械中。目前使用電容器或罩極法兩種路線解決單相電機(jī)啟動(dòng)問題。直流電機(jī)和三相電機(jī)加電后可以自行啟動(dòng)，并不需要專門的啟動(dòng)策略和裝置。單相電機(jī)啟動(dòng)難度較大，因此直到1889年特斯拉發(fā)明單相電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法后才被生產(chǎn)出來。單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。目前主要使用安裝電容器的方法或者罩極法使電機(jī)啟動(dòng)并持續(xù)旋轉(zhuǎn)。多相電機(jī)可使用低功率等級(jí)器件進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低壓大功率調(diào)速。在冶金軋鋼、礦井提升、機(jī)車牽引、船舶推進(jìn)等應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于調(diào)速傳動(dòng)功率的需求不斷增大，通常采用的手段是提高電壓、增大電流。然而，受到功率開關(guān)器件耐壓及耐流值的限制，一般需要采用多電平技術(shù)或者開關(guān)器件串、并聯(lián)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率的三相變頻調(diào)速。實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng)的另外一種解決思路是增加電機(jī)的相數(shù)，降低對(duì)逆變器每相容量的要求。由于電力電子變頻器的廣泛應(yīng)用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)完全可以不受三相供電系統(tǒng)限制，采用多相（相數(shù)多于三相）逆變器供電同樣可以實(shí)現(xiàn)大功率交流傳動(dòng)。多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使用低功率等級(jí)器件實(shí)現(xiàn)低壓大功率調(diào)速，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)波動(dòng)，此外多相電機(jī)的控制資源更多，控制靈活度更高。步進(jìn)or伺服：伺服閉環(huán)相較步進(jìn)開環(huán)控制精度較高，經(jīng)濟(jì)性較低伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)差別在于有無(wú)編碼器。伺服電機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中應(yīng)用最廣的電機(jī)。伺服來自英文servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度、加速度和力矩的精準(zhǔn)控制。伺服電機(jī)需要伺服驅(qū)動(dòng)器及編碼器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)編碼器反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，達(dá)到伺服控制的目的。步進(jìn)電機(jī)源于自英語(yǔ)單詞“Step”，意為“走一步”，其電機(jī)軸（轉(zhuǎn)子軸）并不連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是以一定的旋轉(zhuǎn)角度間歇旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖信號(hào)，收到一次脈沖旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的一個(gè)步距角，并可調(diào)整脈沖頻率(一秒鐘發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù))，精確地控制軸的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度。但步進(jìn)電機(jī)不需要編碼器進(jìn)行反饋，屬于開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)都可作為控制系統(tǒng)使用。伺服電機(jī)是閉環(huán)控制，通過控制脈沖時(shí)間長(zhǎng)短控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度。步進(jìn)電機(jī)則屬于開環(huán)控制，通過控制脈沖個(gè)數(shù)以實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的目的，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)步距角。伺服電機(jī)在接收一個(gè)脈沖過程中,將旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)角度,以此達(dá)到實(shí)現(xiàn)位移的效果。伺服電機(jī)通過編碼器（旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器）檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)位置，并將編碼器檢測(cè)到的信息反饋給控制器來控制位置。因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度停止，即使是在旋轉(zhuǎn)過程中停止，如果位置有偏差也能返回原來的位置。步進(jìn)電機(jī)是把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的一種開環(huán)控制元件，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，驅(qū)動(dòng)器通過從控制器接收脈沖信號(hào)來控制位置。因此步進(jìn)電機(jī)不需要檢測(cè)位置的機(jī)構(gòu)，也無(wú)法識(shí)別位置偏差，可能會(huì)因意外的負(fù)載波動(dòng)等原因而發(fā)生失步（指示的旋轉(zhuǎn)角度與電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同步的狀態(tài)）。步進(jìn)/伺服電機(jī)伴隨自動(dòng)化需求及工業(yè)機(jī)器人進(jìn)步快速發(fā)展。伺服電機(jī)技術(shù)隨著工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)步而有顯著發(fā)展。美國(guó)從20世紀(jì)50年代起重視工廠的自動(dòng)化，并開始了以皮帶輸送機(jī)、自動(dòng)化裝置、工業(yè)機(jī)器人等為代表的自動(dòng)化進(jìn)程。初期自動(dòng)化裝置和工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行器使用液壓和氣壓定位，存在精度、使用穩(wěn)定性、漏油漏氣等問題。20世紀(jì)60年代后直流伺服電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展開始用于工業(yè)機(jī)器人，以替代液壓和氣壓機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)80年代交流伺服電機(jī)出現(xiàn)，順應(yīng)機(jī)器人更小更輕的趨勢(shì)，如今交流伺服電機(jī)因其較高的實(shí)用性幾乎應(yīng)用在所有工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備類產(chǎn)品上。步進(jìn)電機(jī)同樣隨著數(shù)字電路發(fā)展在1977年后被大規(guī)模應(yīng)用于軟盤驅(qū)動(dòng)器和硬盤上。步進(jìn)電機(jī)相較伺服電機(jī)可靠性與控制精度較低，經(jīng)濟(jì)性較高。步進(jìn)電機(jī)精度略低，可靠性較低；低速存在共振區(qū)，運(yùn)行噪音較高；無(wú)過載能力，易失步；能量轉(zhuǎn)化效率低，自身?yè)p耗及發(fā)熱較高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，加減速低；但其調(diào)試較為簡(jiǎn)單，成本更低。伺服電機(jī)具有響應(yīng)速度快、定位控制精度高、加減速度快、速度不受負(fù)載影響等優(yōu)點(diǎn)，且轉(zhuǎn)速范圍寬、高速性能好、低速運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)抗過載能力強(qiáng)，適用于對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合。但伺服電機(jī)需使用昂貴的旋轉(zhuǎn)編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器，成本比步進(jìn)電機(jī)更高。因此，伺服電機(jī)更適用于要求高效率、高速高響應(yīng)、高可靠性的場(chǎng)合，如工業(yè)機(jī)器人和精密機(jī)械的控制；步進(jìn)電機(jī)用于要求不高、成本敏感的場(chǎng)合，如復(fù)印機(jī)、光盤驅(qū)動(dòng)器等。伺服電機(jī)中交流逐漸替代直流，永磁同步交流伺服為主流之選。伺服技術(shù)持續(xù)由直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流伺服系統(tǒng)。目前國(guó)際市場(chǎng)幾乎所有的新產(chǎn)品都是交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服系統(tǒng)中，電機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)（PMSM）和感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)（IM）。其中永磁同步電機(jī)具備優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣，動(dòng)態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在低成本或大功率場(chǎng)合得到重視。例如西門子的伺服電機(jī)在功率為30kW以下多采用永磁同步電機(jī)1FK、1FT系列，而功率在30kW以上多采用1PH異步電機(jī)。永磁同步電機(jī)伺服控制原理較交流異步電機(jī)更加簡(jiǎn)單。伺服驅(qū)動(dòng)器通過采用磁場(chǎng)定向的控制原理和坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)矢量控制，同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置；而對(duì)于異步電機(jī)而言，編碼器采集的轉(zhuǎn)子機(jī)械速度或位置信號(hào)并不是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，不能代表磁通位置，因此無(wú)法直接進(jìn)行磁場(chǎng)定向完成閉環(huán)控制，需要考慮轉(zhuǎn)差。因此永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。旋轉(zhuǎn)or直線：直線電機(jī)可視為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)變形，高速響應(yīng)高精度直線電機(jī)可認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖開后的變形，結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。電機(jī)誕生以來一直以旋轉(zhuǎn)電機(jī)形式存在，本篇報(bào)告此前部分都基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行分類。直線電機(jī)是近年來快速發(fā)展的一種新型電機(jī)，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)形式是沿直線運(yùn)動(dòng),不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)需要螺紋傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)主要由定子（初級(jí)）、動(dòng)子（次級(jí)）、滑動(dòng)導(dǎo)軌、位置測(cè)量系統(tǒng)和工作臺(tái)組成。直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，并將電機(jī)的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級(jí)，當(dāng)初級(jí)通入電流后，在初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，在行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)在線性運(yùn)動(dòng)中無(wú)需傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可以達(dá)到高響應(yīng)速度和高精度。旋轉(zhuǎn)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用到線性運(yùn)動(dòng)中時(shí)，需要一系列中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等，這些部件在啟動(dòng)、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成運(yùn)動(dòng)的滯后和非線性誤差，產(chǎn)生電能消耗。此外，這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了對(duì)運(yùn)動(dòng)指令的快速響應(yīng)。直線電機(jī)取消了從電機(jī)到工作臺(tái)之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在做線性運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)附加裝置，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“直接傳動(dòng)”，也就是“零傳動(dòng)”，排除中間環(huán)節(jié)造成的各樣誤差，減少了電能損耗，因此直線電機(jī)在性能上有原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的高精度、高速度、高加速度等性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。直線電機(jī)主要應(yīng)用于高精度高端場(chǎng)景。直線電機(jī)憑借本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于高精度或節(jié)拍要求較高的場(chǎng)景，高速磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中最典型的例子。選擇發(fā)展直線電機(jī)的設(shè)備企業(yè)都采用揚(yáng)長(zhǎng)避短的手法，一是將直線電機(jī)應(yīng)用在面向大批量生產(chǎn)、定位運(yùn)動(dòng)多、方向頻繁轉(zhuǎn)變的場(chǎng)合，如汽車零部件加工機(jī)床，快速原型機(jī)及半導(dǎo)體生產(chǎn)機(jī)等；二是用于荷載低、工藝范圍大的場(chǎng)合，例如電加工機(jī)床、等離子切割機(jī)、水切割機(jī)等。從應(yīng)用行業(yè)角度來看，直線電機(jī)在3C、半導(dǎo)體、鋰電池、激光加工機(jī)床等領(lǐng)域應(yīng)用較多，醫(yī)療（生命科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備等）、航空（飛行控制系統(tǒng)、飛行員反饋系統(tǒng)等）等領(lǐng)域也可看到直線電機(jī)的應(yīng)用。典例：人形機(jī)器人/礦山機(jī)械/數(shù)控機(jī)床中多種電機(jī)“各司其職”人形機(jī)器人：無(wú)框力矩電機(jī)用于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，空心杯電機(jī)為靈巧手核心部件人形機(jī)器人執(zhí)行器中主要使用無(wú)框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、線性執(zhí)行器、靈巧手共同構(gòu)建人形機(jī)器人全身關(guān)節(jié)，目前人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)主流方案都需電機(jī)完成電氣傳動(dòng)。相比液壓驅(qū)動(dòng)方案，電氣傳動(dòng)方案可靠性和精度高、安靜、高效、成本低。人形機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、關(guān)節(jié)扭矩大的特點(diǎn)，因此目前身體關(guān)節(jié)選用無(wú)框力矩電機(jī)，無(wú)框力矩電機(jī)一般為直流或交流的永磁電機(jī)；而手部電機(jī)要求體積小、精度高，主流應(yīng)用為空心杯電機(jī)。無(wú)框電機(jī)因其效率高、體積小、單位體積扭矩高適合用在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中。無(wú)框電機(jī)多采用大尺寸中空直徑和低重量高功率密度的設(shè)計(jì)，只有轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部件，企業(yè)可以由此設(shè)計(jì)出自重輕，中空走線的關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。從性能特點(diǎn)來看：無(wú)框電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械效率較高；高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、小型化、大負(fù)載；轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，也可以提供穩(wěn)定扭矩。因此無(wú)框力矩電機(jī)被運(yùn)用于需要小空間內(nèi)高力矩輸出的機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部。但無(wú)框電機(jī)運(yùn)行時(shí)加熱嚴(yán)重，需要散熱，對(duì)機(jī)器人散熱系統(tǒng)提出考驗(yàn)。國(guó)內(nèi)企業(yè)無(wú)框電機(jī)已達(dá)到國(guó)際水平，單個(gè)價(jià)值量在千元左右。無(wú)框力矩電機(jī)相較于標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)技術(shù)難度更高，因?yàn)闊o(wú)框力矩電機(jī)屬于低壓電機(jī)，但其要求輸出的功率較大，同時(shí)又要求體積較小，便于安裝和節(jié)約空間。無(wú)框力矩電機(jī)主要應(yīng)用在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，對(duì)整體安裝、固定的工藝及設(shè)計(jì)具有較高的要求。國(guó)外參與企業(yè)主要是科爾摩根、Moog、MaxonMotor等，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要是步科股份和昊志機(jī)電。目前步科股份的第三代無(wú)框力矩電機(jī)產(chǎn)品已可以對(duì)標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品并具備一定優(yōu)勢(shì)。根據(jù)測(cè)算，無(wú)框電機(jī)在1.5萬(wàn)元的單個(gè)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)中成本占比約為7%，價(jià)值量約為千元?？招谋姍C(jī)屬于直流永磁伺服電機(jī)，體積小響應(yīng)快，是靈巧手的核心部件?？招谋妱?dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時(shí)其重量、體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了較大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電機(jī)所無(wú)法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性。響應(yīng)極快，時(shí)間可以在微秒級(jí)別，所以被用于需要快速調(diào)節(jié)的導(dǎo)彈飛行系統(tǒng)、快速自動(dòng)調(diào)焦的攝影設(shè)備鏡頭?？招谋姍C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大批量生產(chǎn)為難點(diǎn)。空心杯電機(jī)用途廣泛，包括工業(yè)控制、軍工、機(jī)器人、高端機(jī)床等。根據(jù)江蘇雷利2023年3月1日披露的投資者調(diào)研紀(jì)要，德國(guó)Faulhaber和瑞士Maxon銷售的空心杯電機(jī)+齒輪箱+編碼器集成件年銷售額約32億歐元，產(chǎn)品主要面向軍工和工業(yè)市場(chǎng)。空心杯電機(jī)核心技術(shù)難點(diǎn)在于大批量生產(chǎn)和精密齒輪箱減速器。國(guó)內(nèi)眾多廠商采用手工繞線的方式生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品壽命、精度方面存在劣勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)空心杯電機(jī)的廠家主要有鳴志電器、江蘇雷利和偉創(chuàng)電氣。礦山機(jī)械：交流電機(jī)為主流，永磁電機(jī)節(jié)能特性順應(yīng)“綠色礦山”礦山機(jī)械行業(yè)中主要使用高性價(jià)比感應(yīng)電機(jī)，永磁電機(jī)因其節(jié)能屬性逐步開始應(yīng)用。礦山機(jī)械傳輸設(shè)備主要使用同步或異步的交流電機(jī)。在礦井提升機(jī)為代表的礦山高性能調(diào)速應(yīng)用中，交流同步電機(jī)的交-直-交變頻調(diào)速方案占據(jù)主要市場(chǎng)。鼠籠電機(jī)的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)防爆設(shè)計(jì)，適應(yīng)礦山開采現(xiàn)場(chǎng)大量灰塵，空氣潮濕的惡劣環(huán)境，所以在控制性能要求不高的井下皮帶輸送、暗井提升、水泵和輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中占據(jù)主流。開關(guān)磁阻電機(jī)變頻傳動(dòng)主要應(yīng)用于采煤機(jī)牽引和矸石山絞車等應(yīng)用中。永磁同步電機(jī)因其節(jié)能特性及其他優(yōu)異性能，在礦井皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)和輔助運(yùn)輸膠輪車等得到初步應(yīng)用。礦山電力傳動(dòng)由低調(diào)速能力交流傳動(dòng)到直流傳動(dòng)再到“交直交變頻調(diào)速”交流電動(dòng)機(jī)主導(dǎo)，變頻器發(fā)展助推演變過程。我國(guó)礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷程主要包括：階段一：十九世紀(jì)五、六十年代，我國(guó)礦山大功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用交流傳動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備及安裝費(fèi)用低，建筑面積小，運(yùn)行維護(hù)容易。缺點(diǎn)是電氣調(diào)速性能差，需要另外增設(shè)傳動(dòng)裝置，增加設(shè)備投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性。階段二：十九世紀(jì)七十年代后，礦井規(guī)模變大深度變深，交流傳動(dòng)控制方法不成熟且受到電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備制造容量的限制，所以對(duì)提升容量大、速度快的大型礦井，一般采用直流傳動(dòng)裝置。礦山大功率直流傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用晶閘管變流器—電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式，動(dòng)作速度快、調(diào)速平滑穩(wěn)定，但它產(chǎn)生較大的起動(dòng)壓降，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功沖擊大；運(yùn)行功率因數(shù)低效率低；電機(jī)費(fèi)用高。階段三：隨著微電子技術(shù)、交流傳動(dòng)控制理論的進(jìn)一步發(fā)展，礦山大功率傳動(dòng)的發(fā)展方向開始重新轉(zhuǎn)向交流傳動(dòng)，交流變頻傳動(dòng)正式開始占據(jù)市場(chǎng)主體。我國(guó)從1985年起引進(jìn)交交變頻設(shè)備，主要用于軋機(jī)和礦井提升機(jī)。三相交-交變頻的同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是低速、大功率、高性能傳動(dòng)領(lǐng)域的選擇方案之一，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但交-交變頻器需要為數(shù)眾多的晶閘管，在深控時(shí)功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)注入大量諧波，影響礦井電網(wǎng)質(zhì)量，需要附加濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，增加了投資成本、占地面積和維護(hù)量。階段四：隨著交-直-交功率變換拓?fù)淇刂撇呗缘某墒煲约案邏捍蠊β嗜仄骷M(jìn)入商品化時(shí)代，性能更為優(yōu)異的交-直-交大功率中高壓變頻器作為交-交變頻器的替代者并迅速確立其主導(dǎo)位置。單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器及中點(diǎn)箝位型三電平NPC變頻器助推交流電機(jī)傳動(dòng)逐漸成為礦山電氣傳動(dòng)的主流方案。礦井提升機(jī)：變頻調(diào)速助力下，交流電機(jī)憑借低成本和高安全性逐漸成為主流應(yīng)用。起升機(jī)構(gòu)的基本要求是速度平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速范圍低、初始成本低、加減速特性平滑、起動(dòng)和拉出力矩大、可靠性好。電礦井提升系統(tǒng)一般使用直流或三相感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，如何選擇取決于礦井提升要求、電力供應(yīng)和成本，其中感應(yīng)電機(jī)更為主流。直流電機(jī)可接受獨(dú)立加載，適應(yīng)礦井提升機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的多樣性。感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、施工成本低，魯棒性好，可靠性高，鼠籠感應(yīng)電機(jī)更易進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。感應(yīng)電機(jī)在礦井提升機(jī)應(yīng)用中的調(diào)速問題隨變頻器發(fā)展得到解決，2006年國(guó)產(chǎn)四象限背靠背式NPC中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)首先在礦井提升機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用，TKD系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)速方案。目前部分礦井也使用性能更加優(yōu)良、節(jié)能屬性突出但成本昂貴的永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)。數(shù)控機(jī)床：主軸多用感應(yīng)電機(jī)，進(jìn)給電機(jī)中永磁伺服為主流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件，用來完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)。機(jī)床所使用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大致可以分為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和主軸電動(dòng)機(jī)兩類，當(dāng)幾個(gè)坐標(biāo)的進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。用于驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的稱為進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，操縱相應(yīng)的手柄和轉(zhuǎn)盤，即可獲得所需要的進(jìn)給量。而主軸電動(dòng)機(jī)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不需要絲杠或其他直線運(yùn)動(dòng)裝置。一般進(jìn)給電機(jī)需要對(duì)刀具進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)；主軸電機(jī)主要使用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，部分也使用直流電動(dòng)機(jī)。交流異步電機(jī)性價(jià)比較高，為主軸電機(jī)主流應(yīng)用。主軸電機(jī)強(qiáng)調(diào)力量，轉(zhuǎn)速高，較多情況沒有位置控制要求，速度精度要求不高。主軸電機(jī)主要需要滿足：1）電動(dòng)機(jī)功率大，并且在大的調(diào)速范圍內(nèi)，速度要穩(wěn)定；2）在斷續(xù)負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要?。?）調(diào)速范圍較高但低于進(jìn)給電機(jī)，保證數(shù)控機(jī)床合用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)；4）過載能力較強(qiáng)。目前機(jī)床主軸和主軸電機(jī)通常打包生產(chǎn)，融合后稱為電主軸，其中主軸電機(jī)大多使用性價(jià)比較高且具有過載能力的交流異步電機(jī)。但因?yàn)楹退欧到y(tǒng)的適配以及良好性能，高速永磁交流伺服在部分高端機(jī)床應(yīng)用上開始逐步取代異步變頻驅(qū)動(dòng)，提高效率和速度。機(jī)床進(jìn)給電機(jī)精度控制要求較高，永磁伺服電機(jī)為主流應(yīng)用。進(jìn)給電機(jī)更強(qiáng)調(diào)精度與效率，突出高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)。進(jìn)給電機(jī)主要要求有：1）機(jī)械特性要求伺服電機(jī)的速降小、剛度大；2）快速響應(yīng)，在輪廓加工，特別對(duì)曲率大的加工對(duì)象進(jìn)行高速加工時(shí)要求較嚴(yán)格；3）調(diào)速范圍大，使數(shù)控機(jī)床合用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)，適應(yīng)各種不同的加工工藝；4）一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。因此高端數(shù)控機(jī)床進(jìn)給電機(jī)主要使用高功率密度永磁伺服電機(jī)，滿足高速、高精、高響應(yīng)、高密度的裝備需求。進(jìn)給電機(jī)的新方案為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)，達(dá)到高效率快響應(yīng)目的。根據(jù)雅科貝思數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)形式進(jìn)給速度一般為30-48m/min，反響間隙大于等于3μm，難以滿足部分高速高精度情況的加工需要。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，降低誤差和磨損，提升精度、響應(yīng)速度和壽命，其速度大于60m/min，反響間隙約等于0；直線機(jī)床精度壽命可達(dá)10年；直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)無(wú)反向工作死區(qū)；由于電機(jī)慣量小，由其構(gòu)成的直線伺服系統(tǒng)可以達(dá)到較高的頻率響應(yīng)。未來：定子扁線化與碳化硅應(yīng)用成為提升電機(jī)能效新方向扁線定子設(shè)計(jì)通過增加槽滿率提升電機(jī)效率、功率密度、散熱能力。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)使用圓線電機(jī)，圓線電機(jī)中線圈繞組在電機(jī)內(nèi)部線圈槽內(nèi)，相鄰三根圓線之間會(huì)有空隙，空間利用率低，功率密度偏低，動(dòng)力偏弱。扁線電機(jī)定子繞組所用的