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以下為報告原文節(jié)選

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1.電機分為哪些類型？

電機是依據(jù)電磁感應定律將電能轉換為機械能的裝置，主要由定子、轉子及其他附件組成。其利用通電線圈產生旋轉磁場并作用于轉子形成磁電動力旋轉扭矩，從而為多種機械提供動力。電機有多種分類方式，按照應用領域分為動力電機和控制電機；按照電源類型分為直流電機和交流電機。

1.1 按照應用領域分為動力電機和控制電機

動力電機輸出功率較大，注重電機的驅動、運行及制動性能，主要應用于汽車、家電、小型機床等領域?？刂齐姍C側重電機輸出量的幅頻特性、相頻特性及輸出特性的精度、靈敏度、穩(wěn)定性、線性度等指標，精度高、響應速度快，主要在自動控制系統(tǒng)中承擔執(zhí)行、檢測和解算功能。
（1）動力電機：按照運動方式進一步分為旋轉電機和直線電機。直線電機可看作由旋轉電機展平而得，其定子叫初級、轉子叫次級，其優(yōu)勢在于可以直接將電能轉換為直線運動的機械能，而無需再借助中間轉換裝置。常見的直線電機可分為 U 型槽式、平板式和管式。
其主要應用于自動控制系統(tǒng)、短距離需要巨大直線運動能的裝置或作為長期連續(xù)運行的驅動電機，例如用于磁懸浮列車以及無鋼絲繩電梯的驅動。

（2）控制電機：按照控制方式進一步分為步進電機、伺服電機、力矩電機。
步進電機是一種把電脈沖信號轉換成角位移的電動機，每輸入一個脈沖信號，步進電機就按照設定的方向轉動一個固定的角度。其結構簡單但效率和精度較低，多用于辦公自動化、通信設備、印刷設備等領域。
伺服電機相較于步進電機增加了編碼器與反饋機制，使得驅動器可以根據(jù)目標值與編碼器的反饋信號之間的差異來調整轉子轉動的角度，從而可實現(xiàn)更精密的控制，主要適用于半導體、光伏、鋰電、工業(yè)自動化、機器人等對于控制精度、速度響應、過載能力及穩(wěn)定性要求高的領域?？招谋姍C是一種特殊的伺服電機，采用無鐵芯轉子，呈空心的杯狀結構，內部環(huán)繞著繞組和磁鐵。
力矩電機是以扭矩為控制方向的電機，采用開環(huán)控制。當負載轉矩增大時能自動降低轉速，同時加大輸出轉矩，當負載轉矩為一定值時改變電機端電壓便可調速。在電動機低速甚至堵轉（轉子無法轉動）時仍能持續(xù)運轉，不會造成電動機的損壞，并提供穩(wěn)定的力矩給負載，具有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好等優(yōu)點。力矩電機分為有框力矩電機和無框力矩電機。

1.2 按照電源類型分為直流電機和交流電機

直流電機由直流電源驅動，交流電機由交流電源驅動。直流電機調速性能好、啟動力矩大，適用于在重負載下啟動或需要均勻調節(jié)轉速的機械。交流電機效率高、噪音低，常用于家用電器中。
（1）直流電機：按照電刷的有無進一步分為有刷電機與無刷電機。對于直流電機，為使轉子轉動需要不斷改變電流方向。
有刷電機采用機械換向，內部的電樞和換向器一起旋轉，而外部的磁極和電刷都不動。
通過換向器與電刷的交替接觸，電機運行時電流的方向就會不斷改變，從而改變電機的運動方向。其優(yōu)勢在于啟動快速、制動及時、調速平穩(wěn)，并且啟動電流大、在低速時扭矩大，因而能帶很重的負荷，常用在電鉆等日常電動工具中。但由于換向器與電刷之間存在摩擦，因而電刷易損耗、壽命短，并且效率較低。
無刷電機采用電氣換向，以霍爾元件等電子換向器替代了機械電刷裝置，其線圈不動而磁極旋轉。其原理是通過霍爾元件感知永磁體磁極的位置，從而適時切換線圈中電流的方向，以產生正確方向的磁力來驅動電機。無刷電機的優(yōu)勢在于故障率低、使用壽命長、運行時間和電壓比較穩(wěn)定。

（2）交流電機

交流電機按照電源類型分為單相電機與三相電機。單相電機采用單相交流電源供電，定子僅含一個繞組，需借助啟動線圈或運行電容器等以產生旋轉磁場。特點是結構簡單、維修方便，多應用于小型家用電器等生活場景。三相電機采用三相交流電源供電，定子繞組分為三組，通入互差 120°的交流電就可產生旋轉磁場。三相電機效率高、功率大、可靠性和精度高，多用于水泵、機床等工業(yè)領域。

交流電機按照轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速是否相同，交流電機分為同步電機與異步電機。同步電機的轉速恒定，而異步電機的轉速可以隨著負載的變化而調節(jié)。常見的電力拖動機械大多由異步電機驅動，如空氣壓縮機、鼓風機、大型起重設備等。而同步電機主要適用于要求轉速恒定的大功率生產機械，如連續(xù)式軋鋼機、球磨機等，由于其造價昂貴、維修困難而應用較少。

2.無框力矩電機：機器人關節(jié)電機，國內外廠商性能差距明顯

2.1 為什么機器人關節(jié)要用無框力矩電機？
機器人關節(jié)要求電機體積小、扭矩大、響應快。機器人關節(jié)是機器人各個零部件之間發(fā)生相對運動的機構，是機器人結構中重要的組成部分，其重量、結構、尺寸的選擇對機器人性能影響較大。電機是機器人關節(jié)結構的主要部件，因此，機器人對關節(jié)電機的要求較高，主要包括：1）快速響應：電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。
2）起動轉矩慣量比大：在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。3）體積小、質量小、軸向尺寸短。4）控制特性的連續(xù)性和直線性：隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號近似成正比。

無框力矩電機原理：無框力矩電機是一種以輸出扭矩為衡量指標的無框架式永磁電機，由驅動器供電，驅動器控制 U/V/W 三相電形成電磁場，永磁體的轉子在磁場的作用下轉動。
無框力矩電機外觀：無框力矩電機沒有軸、軸承、外殼或端蓋，只有轉子和定子兩個部件。
轉子是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環(huán)組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，包含有齒鋼疊片，外面包裹著能產生電磁力的銅繞組，緊湊地安裝在機器外殼的主體內。

相對于普通電機，無框力矩電機具有體積小、扭矩高、極端環(huán)境性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，更符合人形機器人的需求。1）體積?。簾o框電機中空式設計，最大限度減小電機所占空間，更方便走線布置；2）扭矩高：無框力矩電機具有較高的功率，在低轉速的情況下，能夠輸出更大扭矩；3）性能穩(wěn)定：無框電機的電機組件直接整合到機器元件內，不會受到外界高壓、高溫環(huán)境、輻射的影響。

使用無框力矩電機的機器人案例包括特斯拉擎天柱 Optimus 以及優(yōu)必選仿人服務機器人Walker。
特斯拉 2022 年推出的機器人 Optimus 軀干包括 28 個關節(jié)執(zhí)行器，分為旋轉與線性兩大類，每類包含 3 種執(zhí)行器。其中旋轉執(zhí)行器解決方案預估為無框力矩電機+諧波減速器+傳感器+軸承，用來實現(xiàn)類似人體關節(jié)的旋轉運動；直線執(zhí)行器解決方案預估為無框力矩電機+滾柱絲杠+傳感器+軸承，用來實現(xiàn)類似人體肌肉的拉伸運動。
優(yōu)必選仿人服務機器人 Walker 在全身關節(jié)部位安裝了 36 個自研的高性能伺服舵機，該伺服舵機是一體化驅動單元，主要由無框力矩電機、精密諧波減速、驅動控制器及雙編碼器組成。機器人擁有從 2.5Nm 到 160Nm 的系列伺服舵機作為驅動單元，速度可以達到 60 轉/分鐘，支持位置模式、速度模式和力矩模式三種控制方式。

2.2 如何看待無框力矩電機的壁壘、競爭格局？
壁壘：磁路和工藝設計。電機的轉矩密度、功率密度是影響機器人性能的重要指標，而無框力矩電機要在低壓供電的環(huán)境下輸出較大的功率，因此在磁路和工藝設計方面存在一定的技術能力要求。海外廠商起步較早，工藝技術存在先發(fā)優(yōu)勢，例如韓國 TM TECH 轉子采用整體充磁磁環(huán)技術，美國科爾摩根采用分布式的分數(shù)槽及碳纖維綁扎技術，德國 TQ Robodrive 采用模塊化定子和環(huán)氧塑封灌膠技術。國內企業(yè)起步晚，轉矩密度和國外高端無框力矩電機相比存在差距。

格局：全球龍頭為科爾摩根，國內外廠商產品性能仍有差距。美國科爾摩根是全球無框力矩電機龍頭，擁有超 70 年的運動控制研發(fā)經驗，電機性能在全球處于第一梯隊。國內目前進展較快的公司包括步科股份、航天電器。相比海外龍頭，國產無框力矩電機輸出扭矩較小，在產品性能方面仍有差距。

3.空心杯電機：靈巧手動力之源，國產替代空間廣闊

3.1 為什么機器人靈巧手要用空心杯電機？
空心杯電機屬于伺服電機，被譽為“電機皇冠上的明珠”。不同于普通鐵芯電機將電機繞組固定在鐵芯之上，空心杯電機繞組不依靠鐵芯支撐，而是利用特殊工藝將電機繞組做成可以獨立支撐的杯狀。由于采用無鐵芯轉子結構，空心杯電機消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時，其重量和轉動慣量大幅降低，減少了轉子自身的機械能損耗，大幅提高了電機的運轉性能。

空心杯電機性能優(yōu)越，具有控制精度高、壽命長、轉速快、能效高、體積小、能量密度大等優(yōu)勢。
控制精度高、壽命長。空心杯電機的機械時間常數(shù)小，一般在 28 毫秒以內，而鐵芯電機一般在 100 毫秒以上，因此空心杯電機響應時間極快。由于電機特性為線性，因而具有理想的控制性能，轉子轉速范圍寬，便于對轉速進行高精度控制操作。此外，空心杯電機換向片數(shù)量多，換向時電流波動小，加之電機電感量較小，換向系統(tǒng)在換向時受到的腐蝕小，從而壽命更長，可達 1000-3000 小時，約是普通有刷直流電機的4-6 倍。
轉速快、能效高?？招谋姍C由于采用無鐵芯轉子結構，基本沒有渦流損耗、磁滯損耗，所以最高轉速設計可達 10000rpm，最高能效多位于 65%-85%。普通有刷直流電機由于渦流損耗與轉速的平方成正比，故其連續(xù)力矩會隨轉速上升而快速下降，最高轉速一般在 5000rpm 以下。此外，由于鐵損耗與機械損耗的存在，普通有刷直流電機的能量轉化效率一般在 50%左右。
體積小、能量密度大、拖動特性優(yōu)。與同等功率的普通有刷直流電機相比，空心杯電機體積更小、質量更輕，因而能量密度更大。此外，其輸出轉矩較高、轉矩脈動更小，加之其換向片數(shù)量很多，因而操作更加平穩(wěn)、可靠，轉速波動小且容易控制，具有理想的拖動性能。

空心杯電動機應用廣泛，與靈巧手輕量化、高精度需求完美契合?？招谋姍C憑借性能優(yōu)越，廣泛應用于工廠自動化、機器人、醫(yī)療技術、航空航天等領域。在機器人領域，靈巧手空間狹小，需要配備小型化且控制精度高的電機?？招谋姍C尺寸較小，直徑一般不超過 40mm，同時還具有轉速高、響應快、精度高等優(yōu)勢，完美契合了靈巧手對驅動電機的輕量化和高精度要求。例如，因時機器人在靈巧手中內置微型驅動器，該驅動器為小型一體化直線伺服系統(tǒng)，內部集成了空心杯電機、精密行星減速器、傳感器等部件。

3.2 如何看待空心杯電機的壁壘、競爭格局？
壁壘 1：線圈繞組設計：國內以卷繞生產為主，生產效率低空心杯電機線圈繞制技術按成型方式分為卷繞生產和一次成型生產。1）卷繞生產工藝較為復雜，先將銅線繞制成幾何形狀的空心線圈，進而將線圈擠扁，制成扁平的銅線板，最后將線板繞成圓柱狀的線圈。2）一次成型技術通過繞線機將銅線按照既定的規(guī)則纏繞在主軸上，一次成型，不需要卷圓壓扁等工序。兩種技術相比，后者工藝簡單，繞制效率高。目前我國生產空心杯電機多采用卷繞式生產技術，生產效率較低，廢品率高，生產出來的線圈直徑較小，生產高性能大尺寸的線圈技術有待提升。

空心杯電機線圈繞制技術按線圈繞法分為直繞形、馬鞍形、斜繞形三種形式。其中，直繞形繞制方法工藝較為復雜，多用于較長繞組結構，常為多次繞制而成。斜繞形和馬鞍形的繞制工藝簡單，具有電樞重量輕、轉動慣量小、時間常數(shù)小、拖動特性好、輸出力矩大等優(yōu)勢，是國外先進空心杯電機廠商常用的兩種線圈形式。例如，德國 Faulhaber 電機采用斜繞形線圈，瑞士 Maxon 電機采用馬鞍形線圈，因而電機性能更加優(yōu)越。

壁壘 2：繞線設備：繞線機技術海外領先，國內企業(yè)自動化程度低繞線機全球頭部廠商集中在歐美和日本，包括瑞士 Meteor、日本田中精機、日本日特機械等企業(yè)。海外廠商設備先進，基本實現(xiàn)了繞線設備的自動化、智能化、網(wǎng)絡化，繞線設備質量可靠,生產效率高。

例如：（1）瑞士 Meteor 專業(yè)從事繞線機制造，是瑞士 MAXON 等知名空心杯電機企業(yè)繞線機供應商。其 M21 系列繞線機通過伺服電機實現(xiàn)線圈的精密排線，系統(tǒng)采用CNC數(shù)控技術精準控制，確保了繞線機在高速運轉狀態(tài)下的繞制精度。（2）日本日特機械是全球大型繞線機專業(yè)生產商，繞線機種類多且性能可靠、通用性強。其 BAS 系列是繞制各種空心線圈，能夠實現(xiàn)一次成型的設備。該繞線機采用高剛性的排線導軌，使得其在無槽夾具的情況下，同樣能實現(xiàn)高質量的排線繞制。

國內繞線設備自動化程度低，技術與海外存在差距。我國繞線機研發(fā)起步晚，線圈設計以卷繞式為主，工序較為繁瑣。部分繞線機可實現(xiàn)一次成型繞制，但面對較大功率電機的粗線徑線圈，國產設備在可靠性和繞制精度方面相比世界先進水平仍有較大差距。
國內繞線機廠商包括中特科技、勤聯(lián)科技、臺立電子等公司。以中特科技為例，其全自動雙軸空心杯繞線機繞制原理依舊屬于卷繞式生產，工序相對復雜。勤聯(lián)科技的空心杯繞線機采用一次性繞制成型技術，但主要適用于尺寸較小、線徑較細的線圈，對于大功率空心杯電機的線圈繞制存在一定難度。

格局：海外廠商技術領先，國產替代空間廣闊。
空心杯電機起源于德國、瑞士等歐美國家，全球頭部企業(yè)包括德國 Faulhaber、瑞士 Maxon和瑞士 Portescap。海外龍頭在空心杯電機領域布局較早，技術經驗積累深厚，是全球空心杯電機的主要供應商。國內起步較晚，有業(yè)務布局的企業(yè)包括鳴志電器、拓邦股份、江蘇雷利和偉創(chuàng)電氣。根據(jù)上述各公司公告，鳴志電器空心杯電機技術水平位居全球前列；拓邦股份空心杯電機已經實現(xiàn)批量應用；江蘇雷利子公司鼎智科技的空心杯電機已實現(xiàn)量產，目前處于小批量驗證階段；偉創(chuàng)電氣處于產品內部測試階段，其余企業(yè)技術相對薄弱，國產替代空間廣闊。

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