马达

机器人伺服电机行业研究机器人关节动力源,

发布时间:2024/6/1 13:35:17   
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(报告出品方:申万宏源研究)

1.电机行业概览:万亿级市场,细分领域众多

1.1电机技术:技术原理共通,延展性较强

电机一般指电动机,亦称“马达”,可将电能转换为机械能,为用电器或各种机械提供驱动力,在现代工业和生活中应用极为普遍。电机的基本原理为电磁感应定律——电能在线圈上产生旋转磁场,并推动转子转动。电机的基本构造包括:定子(铁芯、绕组和基座)、转子(铁芯、绕组),此外不同类别电机可能配有电刷、传感器、驱动器、风扇等配件。电机原理虽然简单,但高端设计十分复杂,牵涉设计、工艺和设备等环节,涵盖电磁学、摩擦学、热、流体、振动、声学等自然科学和相关技术工程领域。

电机技术种类非常多。法拉第年制成世界第一台电机,年发现电磁感应定律,经过年技术更新迭代,电机品类已十分庞杂。

根据电源种类不同,分为直流电机和交流电机。直流电机响应快,启动转矩大,调速性能好(转子受力由电流和磁场强度决定),调速范围宽,缺点是需要换向,结构更复杂,后续维护不便利,且限制了电机容量和速度,功率范围0.01W-kW;交流电机不需要换向器,因此结构简单、制造方便,牢固,使用寿命长,功率覆盖范围大(几W-百万kW)。

根据有无电刷,分为有刷电机和无刷电机。交流电机不需要电刷换向,因此有刷无刷仅涉及直流电机。无刷电机的换向和调速工作由霍尔传感器、控制器、磁编码器等电子元件完成,替代了电刷,同时赋予电机更多的控制性能,数字变频的可控性更强。无刷电机解决了电刷运转产生的电火花问题,且运转时的摩擦减少,噪音降低,寿命延长;缺点在于成本较高,技术难度较高,因此常用在控制要求较高、转速较高的设备上。

根据转子定子是否同步,分为同步电机和异步电机,两者均属于交流电机。同步电机较复杂,效率高,造价高,大多用于大型发电机场合和0KW以上的电动机上;异步电动机简单,成本低,易于安装,效率略低,应用更广泛。

根据用途不同,分为非控制电机和控制电机。非控制电机用于电动工具、家电和其他通用小型设备中,侧重电机在启动和运行过程中的力能指标;控制电机可以对电机的转速、位置和转矩进行精准控制,更侧重于高精度和快速响应,因此多用于自动化设备中。常见的控制电机包括步进电机和伺服电机两种。步进电机利用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移,也称脉冲电机;伺服电机利用输入的电压信号转换成角位移或角速度输出,通过改变控制电压改变电机的转速和转向。伺服电机在精度、可靠性、噪音、过载能力、能量转换效率等方面性能优于步进电机,但是成本较高,因此两者呈互补关系。

电机核心指标为转速、功率、扭矩等。电机参数指标是选择电机的重要参考,包括:输入功率,输出功率,额定电流,堵转电流,额定转速,加速度,减速度,震动,噪音,功率因素,效率,堵转转矩,额定转矩,最大转矩,转动惯量,相间绝缘电阻,相对地绝缘电阻等。其中,重要参数以及含义分别为:1)额定功率:电机设计时的理想功率也是最大功率;2)额定电压:该电机的建议工作电压,电压决定了转速和一系列参数,超过电压可能会出现局部过热问题,不可以长期运行;3)额定转速:额定功率下电机的转速;4)额定转矩:力矩=里×力臂,相当于电机的“力气”,在机器人领域,转矩一般用于使得机器人移动或者使得机械臂完成各种动作;5)电机效率:电机输出的机械能与消耗的电能的之比;6)噪音:电动机在空载稳态运行时的分贝数;7)物理参数:尺寸、重量、固定孔的位置等;8)寿命;9)价格。

此外,控制电机还需考虑控制精度和响应时间等。1)响应时间:电机的转速从零开始增长的过程。为了满足自动控制快速响应的要求,转速变化时间应尽可能短,即电机转速变化应迅速跟上控制信号的要求。2)控制精度:电机运行的实际位置与控制器输出位置之间的偏误程度。不同应用场景的侧重点不同,因此

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