微特电机行业研发能力与国际先进水平存在差距分析

微特电机行业研发能力与国际先进水平存在差距分析 一、 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。 二、 电机行业市场容量及竞争格局 随着高能效电机在汽车、农业、空调和洗衣机等领域的广泛使用，全球的电机市场得到了很大的增长。据统计，2019年全球电机市场的规模为1220亿美元。2020年全球电机市场规模达到1505亿美元，2021年市场规模达到1640亿美元，而2021至2028年复合增长率有望保持在6．4%的速度。2028年销售额达到2325亿美元。 电机是用电量最大的终端耗电设备，根据统计，电机的总用电量占全社会的64%左右，其中，工业领域的电机用电量占工业用电的80%左右。近年来，工业和信息化部与有关各方共同努力，组织实施电机能效提升计划，积极推广应用高效节能电机技术和产品，加快完善电机能效标准体系，大力开展工业节能监察，推动低效电机加快淘汰，推动我国电机能效水平显著提高。当前我国高效电机市场占有率已比2013年约提高20个百分点。 据统计，发达国家每个家庭平均拥有的电机数量是80到130台，而我国大城市家庭平均拥有的电机数量大约在20到40台之间，目前还远低于发达国家的平均水平，因此，国内的电机产业还有很大的发展空间。2021年，尽管全球疫情带来国际海运、原材料价格大幅波动，电力供应紧张等多重困难，我国电机行业以完整的供应链、庞大产能、效率与价格优势，仍展现出较强的行业韧性与活力，电机产品出口总额破200亿美元，创历年新高。受益于各国制造业明显恢复，国际市场需求普遍增长，2021年我国电机行业出口的持续增长。据我国海关统计，2021年我国电机产品出口额约为213．9亿美元，同比增长35．8%，创近年新高;进口额约53．3亿美元，同比增长19．9%。贸易顺差约160．5亿美元，同比增长42%。 三、 电机行业总量需求分析 电机行业总量大、单品产量小、需求长尾化、定制属性强，导致电机行业不存在赢家通吃的情况，大多表现为深耕细分领域的中小型公司，竞争格局高度分散。电机行业涌现出的优秀公司主要有三类：1）聚焦于单品销量较大的下游行业，例如汽车电机、空调电机、洗衣机电机等，公司产品具有性价比优势，国内上市公司如大洋电机、江苏雷利、微光股份、方正电机、祥明智能等；2）电机平台型公司，电机SKU多+快速定制化能力强，产品具有价格优势、快速响应客户需求，国内外上市公司如瑞士Maxon、鸣志电器、兆威机电等；3）电机产品与其他产品产生协同效应，作为核心竞争力为下游产品赋能，如安川电机、汇川技术、金龙机电等。 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、 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。 六、 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，因此关注的核心指标也有差别。例如汽车电机更侧重功率密度（单位体积对外输出密度），机器人电机更侧重控制精度，重型机械电机更侧重扭矩等。 七、 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。 八、 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。 九、 伺服电机：控制精度高，广泛应用于工业自动化 伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。伺服来自英文servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机具有响应速度快、精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点，且转速范围宽、高速性能好、低速运行平稳，同时抗过载能力强，能承受3倍于额定转矩的负载，适用于对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合。 伺服系统一般由驱动器、电机、编码器构成。①伺服驱动器（指令装置）属于驱动层，又称伺服控制器、伺服放大器，一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；改变控制电压可以变更伺服电机的转速及转向。②伺服电机属于执行层，伺服电机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。③编码器（反馈装置）通常内置在伺服电机末端，用来测量电机的转角、转速和位置，对控制精度具有关键作用。驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。 伺服电机分为直流和交流伺服电动机。1）直流伺服电机分为有刷和无刷电机：①有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求（无