微特电机行业面临的挑战

微特电机行业面临的挑战 一、 微特电机行业面临的挑战 1、微特电机行业研发能力与国际先进水平存在差距 和国外发达国家相比，我国无论是微特电机还是精密给药装置领域均起步较晚，整体技术水平和日本、德国、美国等国家的知名企业相比仍有较大差距，在高端产品领域的市场占有率仍然不高，尚待进一步升级突破以参与高附加值产品市场的竞争。 2、微特电机行业原材料价格波动，人力成本上升 微特电机及组件产品的主要原材料为漆包线、钢材、磁性材料、电子线、塑料件、电子元器件、齿轮件等，原材料成本占生产成本比重较大，近年来漆包线和钢材等原材料价格随市场需求的起伏波动较大。同时，随着国内整体物价水平有所上扬，劳动力成本也持续增长。两方面成本的上升对行业经营造成较大压力，如企业不具备较强的技术优势、规模优势、成本控制能力或是创新拓展能力，其盈利能力将受到较大影响。 二、 电机行业发展方向及前景 在一系列市场因素的影响下，我国大部分电机企业利润空间被进一步压缩。在成本高居不下，环保监管进一步加强的背景下，高效节能电机是电机产业发展的必然方向。在此前发布的《工业节能十三五规划》和《十三五节能环保产业发展规划》中明确将电机系统节能列入重点节能九大工程，更明确提出示范推广稀土永磁无铁芯电机、电动机用铸铜转子技术等高效节能电机技术和设备。 电机是重点耗能设备，2020年我国电机保有量29．5亿千瓦，具有较大的节能潜力。2021年11月，工信部、市场监管总局联合发布《电机能效提升计划（2021-2023年）》，明确提出到2023年高效节能电机产量达到1．7亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20%以上。以电机系统生产制造、技术创新、推广应用和产业服务为重点方向，积极实施节能改造升级和能量系统优化，不断提升电机系统能效，支撑重点行业和领域节能提效，助力实现碳达峰碳中和目标。 三、 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1921年制成世界第一台电机，1831年发现电磁感应定律，经过200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-1000kW；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2000KW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。 四、 电机行业市场重要的驱动源 电机行业市场容量大，作为重要的驱动源，广泛应用于不同领域。我国电机企业数量较多，但是行业高端市场被国外发达国家占据，我国厂商大多集中在微电机领域，市场竞争较为激烈。目前，中国电机行业属于劳动密集型加技术密集型产业，大中型电机市场集中度较高，中小型电机市场的集中度较低，竞争激烈。电机行业内部存在较大的分化，上市企业、大型国有企业因资金充足、产能规模较大、品牌知名度较高等原因，在整个行业的发展中占据了先机，逐步扩大了市场占有率。而数量众多的中小型的、同质化的电机生产企业只能分享剩余的市场份额，在行业内形成马太效应，促使行业集中度有所提升，部分弱势企业被淘汰。 五、 步进电机：经济性更高，适合低精度要求场景 步进电机也是一种控制电机。步进电机源于自英语单词Step，意为走一步，是一种形象的翻译。步进电机能将电脉冲信号转换为角位移/直线位移，并且位移量与脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。通过调整电脉冲信号或脉冲频率就可以实现对电机的运动控制。步进电机能根据控制脉冲的要求迅速启动、反转、制动和无极调速；工作时能不失步，精度高，停止时能锁住。步进电机包括VR、PM、HB三种。1）VR步进电机，即反应式（VariableReluctance），由绕组、转子由软磁材料组成，结构简单，成本低，但动态性能差，效率低，发热大，已逐步被欧美国家淘汰。2）PM步进电机，即永磁式（PermanentMagnet），由永磁材料制成，动态性能好，体积相对较小，但精度较差，输出力矩较小，是一种成本较为经济的选择。3）HB步进电机，即混合式（Hybrid），综合了前两者的优点，可以实现精确的小增量步距运动，转子和定子上有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大，动态性能好，步距角小，但结构相对复杂，成本相对较高。 步进电机控制方式类似于伺服电机，包括驱动器和编码器。驱动器在负载能力的范围内，通过改变脉冲频率来调速；编码器信号检测转子位置，进行控制信号的反馈和电流调节。作为开环的控制系统，由于过载能力较低、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等问题，一般应用于小型或简易型机器人中。步进电机VS伺服系统，可靠性低，经济性高。步进电机相比伺服电机，不足之处在于：精度略低；开环系统的低可靠性，低速存在共振区；运行噪音较高；无过载能力，易失步；能量转化效率低，自身损耗及发热较高；动态响应慢，加减速低；优势在于：调试较为简单，伺服驱动器涉及的参数多、使用手册长，且不同品牌的驱动器区别可能很大；成本更低；精度方面，在大多数场合，步进的分辨率已远高于机械要求的精度，对于高要求场合，通过细分驱动、添加闭环控制等方式，也可以达到很高的控制精度。因此，伺服电机更适用于要求高效率、高速高响应、高可靠性的场合，步进电机用于要求不高、成本敏感的场合，控制系统的设计须综合考虑控制要求、成本等因素，选择适当的控制电机。 六、 行业特征：市场容量万亿级，诞生细分领域龙头 电机的下游应用市场极为广泛，空间千亿美元。电机作为必不可少的关键基础机电部件，广泛应用于家电、汽车、信息处理器、视听设备、工业自动化等领域。发达国家微特电机的家庭平均拥有量为80-130台，而中国大城市家庭平均拥有量大约在20-40台；汽车为最主要电机细分市场，一辆商用车采用超过40个电动机，从低功率到高功率不等。根据GrandviewResearch的研究数据，2020年全球电机市场规模为1427亿美元，预计2021-2028年全球电机市场规模复合增长率将达到6．40%。从下游细分市场来看，汽车占比最高，占40．5%，其次为工业机械、HVAC设备（供热、通风与空气调节）、空调、运输、家电等。 电机需求分散化和长尾化，选型考虑因素众多。电机的选择取决于终端产品设计，电机选型贯穿于工程师设计和生产产品的全过程中，与产品特征和工程师设计理念紧密相关，因此其需求表现出极强的分散和长尾特征。 七、 空心杯电机：结构紧凑，能量转换效率高 空心杯电机属于直流、永磁、伺服电机。空心杯电机与传统电机的转子结构不同，采用无铁芯转子，线圈通过连接板，和换向器、主轴链接到一起，共同组成转子。由于线圈形状像个杯子，因此称为空心杯。无铁芯结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率提高，最高可达90%+，同时降低电机重量和转动惯性，可达到更高的控制和拖动特性。空心杯电机分为有刷和无刷两种。1）空心杯有刷电机：采用电刷换向，转动过程中会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷，电机寿命有限，平均为几千小时；容易产生电火花和电磁波，干扰电子设备；优势在于，有刷电机不存在涡流损耗，特别是在高速运转下，相比无刷电机的损耗显著更低；结构更简单，成本更低；2）空心杯无刷电机：采用电子换向，通过霍尔元件感知永磁体位置，电子线路切换线圈中电流的方向，进而改变磁力，其优势在于消除了电刷的损耗和电火花对电子设备的干扰，寿命可达到数万小时，但无刷电机存在涡轮损耗，涡轮功率损耗随速度的平方增加；另外添加了换向器和控制器等，增加了系统的组件和成本。 空心杯电机具有节能、控制性能好、能量密度高等优点，但功率较低。空心杯电机的优点在于：1）节能：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）；2）控制性能好：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）拖动性能好：运行稳定性十分可靠，转速波动能控制在2%以内；4）能量密度高：与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2；5）散热效果好：铜板线圈内外表面都有空气流动，温升较小。但缺点在于功率上限低：由于没有牢固的铁芯支撑，线圈厚度较薄，且线圈和输出轴的连接强度有限，因此体积、功率等无法做到很大，一般空心杯电机最大功率仅几百瓦，属于一种微特电机。空心杯电机在高精度、高速响应、紧凑高效场景得到广泛应用。1）需要快速响应的系统：领域导弹方向的快速调节、高灵敏度的记录和检测设备、工业机器人、仿生义肢；2）对重量和能耗要求的飞行器，包括无人机、航模等；3）其他家电、工业产品，可以替代传统电机，提高产品性能。根据国际咨询机构QYResearch统计数据，预计2022年全球空心杯直流电机市场规模为7．5亿美元，2022-2028年复合增速8%，至2028年增加至11．9亿美元；2021年中国、欧洲市场份额分别为35%、26%。 空心杯市场长期被外资垄断，蕴藏大量机遇。空心杯电机的产品制造和量产的难度高，绕线和自动化工艺复杂，对绕线工人的技能水平要求高，难以实现大规模量产。目前空心杯市场被德国FAULHABER与瑞士Maxon主导，随着国内市场对空心杯电机认知程度不断提高，国产厂商的量产工艺水平不断突破，未来有望实现。 八、 电机分类 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