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伺服电机作为工业自动化的核心零部件，市场规模随产业自动化升级稳步增长。1）替代需求：在机床、纺织机械、印刷机械和包装机械等领域，伺服电机相比步进电机具有精度、扭矩、过载等性能方面的优势，渗透率不断提升；2）新增需求：工业机器人、电子智造装备等行业对精度性能要求较高，其迅速增长为伺服电机市场贡献较大增量。根据 grand view research 与 mir数据统计，2020 年全球伺服电机市场规模 367 亿元，预计 2026 年有望达到 539亿元。我国伺服电机起步较晚，尚处于成长阶段，2020 年我国伺服电机市 场规模约 149 亿元，预计 2026 年有望达到 225亿元。伺服电机的核心难度，即导致各国差距之处，主要在于电机的基础性研究、高精度伺服驱动器和编码器。1）基础性技术研究：包括高端电机的结构设计、产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性检验，导致高端伺服电机的性能、质量和稳定性的差异；2）材料，特别是适应高温的材料；磁材和绝缘性材料等，国内的磁材总体性能差，伸缩长度会发生变化；3）驱动系统：目前的伺服系统标准仍然依靠国外定义，包括共目线结构体系，先进的控制算法，自适应振动抑制，自适应参数整定，齿槽转矩补偿，磁饱和控制，弱磁控制、安全控制等，需要时间和经验的积累、大量的数据逐步实现各项功能；4）编码器：目前高精度编码器严重依赖进口，小型化仍待突破，而编码器对定位精度影响很大。伺服电机行业 65%份额为外资品牌，高端市场基本被外资垄断。根据 mir 数据，我国 伺服电机竞争格局中外资品牌占65%，国产品牌占35%。根据前瞻产业研究院报告，目前 主流品牌可分为欧系、日系和国产品牌等类别，其中欧系日系占据中高端市场，国产主要集中在中低端市场。①欧系品牌占比 20%：如西门子、伦茨、博世力士乐等，过载能力高、动态响应好、驱动器开放性强，但价格昂贵、体积重量大；②日系品牌占比 45%：如安川、三菱、松下等，品牌性能和价格相对低、体积小、重量轻、可靠性和稳定性强，但动态响应能力较弱、开放性较差低，总体上性价比更高，zui适合中端需求；③国产伺服占比35%：如台湾台达、汇川技术、华中数控等，产品基本成熟，精度和可靠性较差，中小功率居多，中低端伺服系统已实现大规模量产，但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力。2.2 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（variable reluctance），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（permanent magnet），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jingque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。2.3 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，zui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zui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zui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：军用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 qy research 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，蕴藏大量国产替代机遇。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guoneishichang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，未来有望实现国产替代。

3. 解析不同机器人对电机的差异化需求

3.1 工业机器人：工业场景要求响应速度和控制精度工业机器人（多关节机器人）通常有 6 个关节，对应 6 个电机。控制器、伺服电机和减速器被称为工业机器人的三大零部件：1）控制器是机器人的“大脑”，通过硬软件结合来控制机器人的运动位置、姿态和轨迹；2）伺服电机是机器人的“驱动力“，根据控制器发出的命令输出力矩，动态控制机器人的速度和位置；3）减速器用于降速增矩：伺服电机一般输出的转速高、力矩小，不能满足机器人本体的运动需求，需要通过减速器来降低转速、增加力矩。根据高工机器人数据，伺服电机在工业机器人总成本中占比 20%。工业机器人对电机性能要求较高：高功率密度、高扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。1）高功率密度：工业机器人的体积和负载要求电机重量轻、体积小；2）高扭矩惯量：代表更高加减速性能，更快响应速度；3）高启动转矩：启动转矩越大，电动机加速越快，启动过程越短，也越能带重负载起动；4）低惯量：惯量越低，精度和响应速度越好；5）宽广平滑的调速范围：随着控制信号的变化，电动机的转速能连 续变化，调速范围1:1000～10000，功率范围一般为 0.1～10kw。3.2 四足机器人：侧重高功率密度、高扭矩密度四足机器人是学术界产业界积极研发的、具有发展前景的一类机器人。相比轮式和履带式机器人，具有良好的环境适应能力，在复杂的地理地形环境下，不平整地面上，保证机器人运动的灵活性、稳定性和人际协调性，因此可以协助人类完成危险性高、工作环境恶劣的任务，如抢险救灾、高位巡检、安全侦查、地形勘测、太空探索等。高动态特性，参考猎豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速调整步态和运动方式。四足机器人通常采用 12个伺服电机，每条腿三个关节：外展关节、髋关节和膝关节。为了避免膝关节电机外置易造成损坏，将膝关节电机置于髋关节处上，采用连杆机构驱动膝盖关节自由度，这种设计可以减少腿部的传动惯量，有利于机器人高速奔跑。此外，踝 关节拥有类似于髋关节的 2个自由度，但由于踝关节主要作用是调节足端和地面的接触，基本不提供动力，因此一般设计为被动的弹性关节，如橡胶、海绵等。四足机器人电机更侧重高扭矩密度、高功率密度、转动惯量小、响应速度块。1）四足机器人在行走、奔跑、跳跃时步态都不相同，电机一直处于正反转交替状态，转矩输出并不是处于额定值，而是一个随着运动状态不断变化的量，因此电机转矩在较短时间内达到峰值；2）电机不停运行在正转和反转的状态下，需要有较高的响应速度，要求电机的转动 惯量小、重量轻；3）四足机器人采用 12个电机，每个电机安装空间有限，直径和长度要 短，扁平化结构；4）其他约束条件：电机的散热和温升、电机控制器的zui高频率限制、激励电流的有效值等。5）另外，为了使机器人的关节输出足够的扭矩，需要增加减速器，将高速低扭矩的电机输出转化为低速大扭矩的关节输出。四足机器人电机的商业化程度较低。由于四足机器人商业化应用较少，因此还未形成标准化产品。电机厂商主要由四足机器人公司自主设计，或者找伺服电机厂商定制化生产。四足机器人电机的进入壁垒不高，但是能做到高扭矩密度、响应速度快、轻量化小型设计等综合性能的难度很高，全球各高校和科研机构也在不断寻求技术突破，从而突破四足机 器人的性能优化，例如 mit自主研发的猎豹系列的电机，可以达到 33N·m的扭矩而质量 仅 1kg。