空心杯電機行業現狀分析海外企業繞線工藝自動化程度高處于市場領先地位

2024-03-05 09:33

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一、空心杯電機簡介

空心杯電機在結構上突破了傳統直流電機的結構形式，采用的是無鐵芯轉子，其電樞繞組為空心杯線圈，形狀類似水杯，因此被稱為空心杯電機。

二、全球空心杯電機市場規模持續增長

德國的Dr. F. Faulhaber 在 1958 年研制出斜繞組線圈繞制技術, 并經過不斷開發和完善，在 1965 年獲得空心杯電機轉子線圈斜繞組專利技術，這標志著空心杯電機正式誕生。憑借卓越性能，空心杯電機下游應用領域廣泛，如微型機器人、智能穿戴設備、醫療器械、無人機、機器人臂、自動化設備、精密定位系統和光學儀器等。隨著空心杯電機在眾多下游應用領域中的不斷突破，逐漸成為眾多高端設備和系統的理想選擇。

2021-2023年，全球空心杯電機市場規模由6.77億美元增長至8.1億美元，預計2028年全球空心杯電機市場規模達11.9億美元。

空心杯電機性能

性能	簡介
效率高、轉速快	由于空心杯電機消除了鐵芯產生的磁阻力矩和渦流效應造成的損耗，因而可以得到很高的能量轉化效率，進一步提高能源利用效率、減少能源損耗?？招谋姍C的最高效率都在 65%~85%之間，最高的可達 90%，而有刷直流電機的最高效率一般都在 50%左右。高轉速的電機能夠提供更大的功率輸出并減少機械振動和噪音，空心杯電機最高轉速在 10000rpm 左右，而有刷直流電機的連續力矩會隨著轉速的上升快速下降，最高轉速都在 5000rpm 以下。
響應快、壽命長	相比于有刷直流電機 100 毫秒以上的機械時間常數，空心杯電機的轉子慣量很小，響應時間極快，其機械時間常數一般在 28 毫秒以內，部分產品甚至小于 10 毫秒，具有理想的控制性能，能夠實現對轉速的高精度控制操作?？招谋?機的換向片數量多，使得換向時的電流波動和電機電感量更小，大幅減少換向過程中對換向系統的電腐蝕，從而擁有更長的壽命。根據《空心杯電機定制化管理的應用研究》中的數據，有刷直流電機的壽命一般僅有幾百個小時，而空心杯電機的預期壽命通常在 1000 至 3000 小時之間，能夠提供更長久的可靠運行。
體積小、運行穩	空心杯電機具有較大的功率體積比，一般達 30mW/cm3，與同等功率的鐵芯電機相比，重量和體積減少了 1/3~1/2；空心杯電機沒有齒槽效應，過載能力比有刷直流電機更高，同時更小的轉矩脈動讓其運行穩定、可靠，轉速波動小且容易控制，一般可控制在 2%以內，可應用于高動態性能伺服系統中。

資料來源：觀研天下整理

數據來源：觀研天下數據中心整理

三、有刷空心杯電機占據主導，無刷空心杯電機增長空間廣闊

根據觀研報告網發布的《中國空心杯電機行業發展深度分析與投資前景預測報告（2024-2031年）》顯示，空心杯電機可分為有刷空心杯電機和無刷空心杯電機。有刷主要結構為定子+ 轉子+電刷，永磁體為定子，電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉動中起到導電和換相作用，容易產生火花。無刷主要結構為定子+轉子，永磁體為轉子，沒有電刷，換向通過霍爾效應傳感器、編碼器或旋轉變壓器完成。

空心杯電機分類

指標	無刷空心杯電機	有刷空心杯電機
壽命	長壽命(10000h+)	電機壽命受限(1000-3000h)
轉速	高轉速	低轉速
電磁干擾	可忽略	有電火花
鐵損	有	無
控制	需要驅動控制	控制簡單

資料來源：觀研天下整理

目前有刷空心杯電機占據主要市場，2022年占比65.8%。隨著空心杯電機技術的持續成熟，無刷空心杯電機占比持續提升，預計2028年達42.2%，較2022年提升8個百分點。

數據來源：觀研天下數據中心整理

四、中國為全球第一大空心杯電機市場

中國是全球第一大空心杯電機市場，2021年中國、歐洲和其他地區市場規模分別占比35.45%、25.85%、38.70%。中國空心杯電機面臨更加廣闊的應用前景和市場需求。2022-2023年中國空心杯電機市場規模由2.6億美元增長至2.9億美元，占全球空心杯電機市場規模的比重由34.67%提升至35.80%；預計2028年中國空心杯電機市場規模將達4.7億美元，占全球空心杯電機市場規模的比重為39.50%。

數據來源：觀研天下數據中心整理

五、海外頭部空心杯電機企業處于市場領先地位

空心杯電機工藝流程復雜，加工難度遠超普通直流有槽電機，行業具備較高的技術門檻。繞線是空心杯電機核心技術壁壘所在，按照線圈的成型方式主要分為人工繞線、繞卷式生產技術、一次成型生產技術三類。海外繞線工藝發展早，主要采用一次性繞制成型的生產技術，自動化程度高于國內；而國內主要采用繞卷式生產，工藝比較繁瑣，工人勞動強度大，無法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。因此現階段Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation等海外頭部空心杯電機企業處于領先地位，占據行業絕大多數市場，根據數據，2022年全球空心杯電機CR5達67%。

空心杯電機線圈生產技術

生產技術	簡介
人工繞線	通過一系列復雜的工藝，包括插針、手動卷線、手動排線等步驟進行生產。
繞卷式生產技術	繞卷式生產技術是半自動化生產，首先將漆包線順序繞到橫截面為菱形的主軸上，達到需要的長度后將其取下，然后壓扁成線板，最后將線板卷繞成杯狀的線圈。以一種繞卷式空心杯為例，其制造流程大致分為以下幾步：①六邊形線坯線圈繞制：在斜繞組繞線機上進行；②線坯線圈粘貼二條定型壓敏膠帶，脫模待展平；③展平：將定型板插入線坯線圈，并將線圈相錯拉平，再送入展平機展平，成為扁平線坯。用竹質刮板整形。剪掉多余的膠帶，僅留一只搭頭，搭頭應留在扁平線坯稍微隆起的一面，以利卷筒成行；④卷筒：把扁平線坯送入空心杯卷筒機卷筒，使線坯首尾銜接，膠帶搭頭粘貼于線坯首部外表，成為空心杯線圈；⑤涂環氧定型：涂環氧膠粘劑后，放入烘箱固化定型。
一次成型生產技術	繞線機通過自動化設備將一根漆包線按規律繞到一主軸上，線圈卷繞成杯狀后取下，一次成型，不需要卷圓壓扁等多道工序，自動化程度高。