机器人电机产业链全景图（附3大电机国产化突破壁垒）
机器人电机产业链全景图（附3大电机国产化突破壁垒）
机器人电机是机器人产业链中的关键环节，其性能直接影响机器人的运动控制精度和效率。本文将为您详细解析机器人电机产业链的全景图，重点介绍伺服电机、空心杯电机和无框电机的技术特点和国产化进展。
电机产业链概述
电机的上游主要是磁性材料、编码器、芯片和轴承等其他零部件，中游是电机制造，下游是工控、工业机器人等行业应用。
磁性材料
磁性材料是电机主要原料之一，对电机性能影响较大。电机一般使用磁性较强的材料，强磁性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一经磁化，很难退磁，而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，而软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁材料的最不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量（但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为 Oe或 A/m。简单一点理解就是矫顽力越高，材料越不容易退磁：
- 永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，在永磁电机中应用较多；
- 软磁通过降低矫顽力，追求更高的磁导率，可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。
钕铁硼材料在矫顽力上的表现较优异，同时在磁能积上也优于其他材料。磁能积较好也意味着单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于60），能大大减小电机体积，减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。唯一的劣势在于温度稳定性比较差，需要通过添加钴等其他元素来改善温度性能，价格相对较高。
编码器
编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的联系。编码器是将信号进行编制、转换为可用以通讯、传输的信号形式的设备，如为伺服电机的闭环控制产生速度或位置的实际测量值。编码器种类繁多，按照读出方式可分为接触式和非接触式两种；按照检测工作原理，伺服电机编码器可主要分为光电编码器、磁性编码器、电感式编码器和电容式编码器。其中，基于光电转换原理的光编码器和基于磁敏感元件感应磁场变化原理的磁编码器的应用较为广泛。
磁电式编码器的原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。磁性转盘的磁极数、磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁性编码器的分辨率，使磁场信号不会受到灰尘、湿气、高温及振动的影响。
光编码器一般精度较高，成本较高，对工业环境有一定要求，粉尘、水汽等可能会影响编码器精度；磁编码器成本较为简单，价格优势相对明显。
编码器国产化现状
当前，编码器中的一些芯片、码盘及磁头等重要元器件仍然依赖于进口，这是国内编码器厂商下阶段的主要突破目标。以码盘为例，码盘的码道数越多，其最外道被分割的区域就越多，即编码器的最小分辨率越高。码盘的生产要求每个码道刻划精准，并且要求彼此对准，给编码器的国产化进程造成了极大阻碍。
高端电机国产替代进行时
伺服电机
伺服电机系统是工业自动化控制设备主要的动力来源之一，伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成，编码器通常嵌入于伺服电机。伺服系统可通过闭环方式实现精确、快速、稳定的位置控制、速度控制和转矩控制，主要应用于对定位精度和运转速度要求较高的工业自动化控制领域。从原理来看，伺服系统由伺服驱动器发出信号从而驱动伺服电机转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。
整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。从成本构成上看，驱动器成本占比 42%；电机占比约 35%；编码器由码盘、光源和接收器组成，成本占比约为 11%。
伺服电机系统国产化替代进行时。从市场规模来看，2022 年前三季度通用伺服市场规模为173.3亿元，同比下滑3.45%，主要受到2022年传统制造业景气度较弱以及国内疫情影响。从国产化率来看，国内伺服厂商以较短的货期和充足的备货扩大自身竞争优势，市场份额均实现增长。近年来通用伺服国产化率逐年攀升，2021 年行业国产化率达到 23.57%，2022年前三季度提升至 30.51%。
空心杯电机
空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。没有软磁性牙齿。所产生的转矩是均匀的，即使在低速情况下也能运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。
分类方面，空心杯电机可以分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯：
有刷空心杯电机：空心杯直流有刷微电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是通过随电机转动的换向器和电刷来完成的。在转动的过程中会摩擦碳刷，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，产生电磁波，干扰电子设备。
无刷空心杯电机：无刷空心杯直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯直流电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。因为是自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
相比普通电机，空心杯电机不含铁芯，提升了电机的性能。空心杯电机具有能量转换效率较高，起动、制动迅速，响应较快和运行稳定性可靠，转速的波动较小等优势，因此适合需要快速响应的系统，如导弹飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等。在特斯拉人形机器人中，空心杯电机可以运用在手部，从而满足手部运动的快速响应需求。
由于空心杯电动机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。空心杯电机的应用场景包括：
- 需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等，空心杯电动机能很好地满足其技术要求。
- 对驱动元件要求平稳持久拖动的产品。如各类便携式的仪器仪表，个人随身装备，野外作业的仪器设备等，同样一组电源，供电时间可以延长一倍以上。
- 另外还有光学仪器、医疗设备、机器人等，细分应用有牙科设备、微型泵、红外镜头、移液模块、电动夹爪、机器人手、点胶阀、手术工具等。
空心杯电机常用的线绕组电枢有直绕组、斜绕组、菱形绕组三种，核心壁垒是绕线。参考谢春辉的《马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究》，空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、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。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单，国内外绕线机多采用这两种方式。欧洲著名品牌 Faulhaber 电机采用的是斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形绕制方法，有着较为优越的性能。
生产空心杯电机的关键在于线圈的绕制。需要将自粘漆包线紧密排列，最终绕成一个规则的杯状结构。参考王鹏飞的《空心杯圈绕线机机构设计及控制》，空心杯电机的绕制方法分为三种，自动化生产技术门槛较高。
海外厂商占据绕线机主导地位。参考王鹏飞的《空心杯线圈绕线机机构设计及控制》，在绕线机厂商上，瑞士的 Meteor 公司是世界上有着较高占有率的绕线机供应商，伺服电机来实现线圈的精密排线+ CNC 数控技术进行精准控制，确保了绕线机绕线精度；而日本田中精机株氏协会，第一个将计算机控制用于全自动绕线机上，发明了磁铁无摩擦张力器，研发出 CNC 可翻转的多轴绕线设备。
国内厂商有望突破绕线机壁垒：1）根据田中精机招股说明书，田中精机全资子公司田中日本无偿受让日本田中精机株氏与绕线机相关的专利与商标，拥有绕线相关技术，有望在空心杯绕线机上实现突破；2）江苏雷利及控股子公司鼎智科技围绕“编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱”产品，不断加大研发投入，研发绕线机相关产品。
海外厂商如瑞士的 MAXON、德国 Faulhaber 等企业深耕行业多年，行业地位较高。国内企业相较海外厂商仍存在一定的技术差距，未来潜在发展空间大，主要原因是：1）相比普通电机，空心杯电机由于少了铁芯支撑，对线圈要求较高；2）国内厂商更注重成本控制，缺乏对高端技术的投入导致技术水平相对滞后同时在减速器等机械件上依然在追赶海外企业。
无框电机
无框电机可以将定转子部件直接装配在机器中，便于终端产品的高度集成化，缩小体积。无框架电机是传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框电机只有两个部件：转子和定子。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。
无框电机通常安装在先进的机器中，具有结构紧凑、易于维护等优势，可以提升机器性能。
无框电机可以运用在多种机器人和自动化领域，包括机器人、医药、机床、包装、印刷、加工和通用自动化。在人形机器人领域，无框电机也有望发挥自身结构紧凑、性能较高的优势，在机器人四肢等领域应用。
机器人需要无框电机具有较强的过载能力、高响应能力和可靠性。机器人诸如行走、跑、弹跳等动作均由机器人关节电机驱动产生。机器人关节电机作为机器人的核心硬件，直接决定机器人的重要性能。机器人对电机总体要求为质量轻、体积小、扭矩大。比如机器人在快跑、弹跳时，需要电机具有瞬时爆发式功率输出能力，因此关节电机需具备高过载能力、高动态响应能力；另一方面，在复杂工况下，对关节电机提出高可靠性的要求。参考王晟的《腿足式机器人无框力矩电机设计与优化》，美国科尔摩根 TBM(S)系列无框电机、德国 TQ 公司研制的 ILM 系列无框电机、Aerotech 公司研制的高性能无框力矩电机等在机器人关节电机上应用较多。
转矩密度和转矩波动要求较高，一体磁钢有利于提升无框电机效率、节省空间。参考王治会的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析》，机器人关节的核心部件为关节永磁力矩电机，力矩电机的高转矩密度和低转矩波动是实现机器人关节轻量化和高精度运行的基础。传统拼接式磁瓦型永磁体存在较大漏磁的情况，降低了电机效率和气隙磁密，从而降低了关节电机的转矩密度。
根据王治会的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析》，永磁电机磁环大多数应用拼接瓦形磁体或者磁环粘结的结构:1）因为粘接剂等非磁性相的出现，磁环粘结的磁功能相当低；2）瓦形烧结磁体加工程序长，材质耗费很大，磁极拼接缝隙漏磁相当大；3）基于全密度辐射取向 Nd-Fe-B 整体永磁环而言，它的磁化取向呈辐射状，从而在磁环内外两端构成 N 极以及 S 极，它能够替代众多传统的方形或者瓦形磁体，精简电机安装流程，提升安装精确度，加大了电机运转的平稳性，合理缩减元件体积并提升其性能，实现了提升效率、节省耗能的意图。
根据 Market Research 数据，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 6.69 亿美元，2029 年预计将达到 12.17 亿美元，Kollmorgen，Moog，Maxon Motor，BEI Kimco，Woodward 和 Shinano Kenshi等企业在市场占据优势地位，国产厂商如步科股份有望借助国产产业链成本优势，在市场份额上取得突破。