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空心杯电机行业现状分析 海外企业绕线工艺自动化程度高 处于市场领先地位

空心杯电机简介

空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式,采用的是无铁芯转子,其电枢绕组为空心杯线圈,形状类似水杯,因此被称为空心杯电机。

、全球空心杯电机市场规模持续增长

德国的Dr. F. Faulhaber 在 1958 年研制出斜绕组线圈绕制技术, 并经过不断开发和完善,在 1965 年获 得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技术,这标志着空心杯电机正式诞生。凭借卓越性能,空心杯电机下游应用领域广泛,如微型机器人、智能穿戴设备、医疗器械、无人机、机器人臂、自动化设备、精密定位系统和光学仪器等。随着空心杯电机在众多下游应用领域中的不断突破,逐渐成 为众多高端设备和系统的理想选择。

2021-2023年,全球空心杯电机市场规模由6.77亿美元增长至8.1亿美元,预计2028年全球空心杯电机市场规模达11.9亿美元。

空心杯电机性能

性能 简介
效率高、转速快 由于空心杯电机消除了铁芯产生的磁阻力矩和涡流效应造 成的损耗,因而可以得到很高的能量转化效率,进一步提高能源利用效率、减少能源损 耗。空心杯电机的最高效率都在 65%~85%之间,最高的可达 90%,而有刷直流电机的最 高效率一般都在 50%左右。高转速的电机能够提供更大的功率输出并减少机械振动和噪 音,空心杯电机最高转速在 10000rpm 左右,而有刷直流电机的连续力矩会随着转速的上 升快速下降,最高转速都在 5000rpm 以下。
响应快、寿命长 相比于有刷直流电机 100 毫秒以上的机械时间常数,空心 杯电机的转子惯量很小,响应时间极快,其机械时间常数一般在 28 毫秒以内,部分产品 甚至小于 10 毫秒,具有理想的控制性能,能够实现对转速的高精度控制操作。空心杯电 机的换向片数量多,使得换向时的电流波动和电机电感量更小,大幅减少换向过程中对 换向系统的电腐蚀,从而拥有更长的寿命。根据《空心杯电机定制化管理的应用研究》中的数据,有刷直流电机的寿命一般仅有几百个小时,而空心杯电机的预期寿命通常在 1000 至 3000 小时之间,能够提供更长久的可靠运行。
体积小、运行稳 空心杯电机具有较大的功率体积比,一般达 30mW/cm3, 与同等功率的铁芯电机相比,重量和体积减少了 1/3~1/2;空心杯电机没有齿槽效应,过 载能力比有刷直流电机更高,同时更小的转矩脉动让其运行稳定、可靠,转速波动小且 容易控制,一般可控制在 2%以内,可应用于高动态性能伺服系统中。

资料来源:观研天下整理

资料来源:观研天下整理

数据来源:观研天下数据中心整理

有刷空心杯电机占据主导无刷空心杯电机增长空间广阔

根据观研报告网发布的《中国空心杯电机行业发展深度分析与投资前景预测报告(2024-2031年)》显示,空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机。有刷主要结构为定子+ 转子+电刷,永磁体为定子,电刷与换向器不断接触摩擦,在转动中起到导电和换相作用,容易产生火花。无刷主要结构为定子+转子,永磁体为转子,没有电刷,换向通过霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器完成。

空心杯电机分类

指标 无刷空心杯电机 有刷空心杯电机
寿命 长寿命(10000h+) 电机寿命受限(1000-3000h)
转速 高转速 低转速
电磁干扰 可忽略 有电火花
铁损
控制 需要驱动控制 控制简单

资料来源:观研天下整理

目前有刷空心杯电机占据主要市场,2022年占比65.8%。随着空心杯电机技术的持续成熟,无刷空心杯电机占比持续提升,预计2028年达42.2%,较2022年提升8个百分点。

目前有刷空心杯电机占据主要市场,2022年占比65.8%。随着空心杯电机技术的持续成熟,无刷空心杯电机占比持续提升,预计2028年达42.2%,较2022年提升8个百分点。

数据来源:观研天下数据中心整理

中国为全球第一大空心杯电机市场

中国是全球第一大空心杯电机市场,2021年中国、欧洲和其他地区市场规模分别占比35.45%、25.85%、38.70%。中国空心杯电机面临更加广阔的应用前景和市场需求。2022-2023年中国空心杯电机市场规模由2.6亿美元增长至2.9亿美元,占全球空心杯电机市场规模的比重由34.67%提升至35.80%;预计2028年中国空心杯电机市场规模将达4.7亿美元,占全球空心杯电机市场规模的比重为39.50%。

中国是全球第一大空心杯电机市场,2021年中国、欧洲和其他地区市场规模分别占比35.45%、25.85%、38.70%。中国空心杯电机面临更加广阔的应用前景和市场需求。2022-2023年中国空心杯电机市场规模由2.6亿美元增长至2.9亿美元,占全球空心杯电机市场规模的比重由34.67%提升至35.80%;预计2028年中国空心杯电机市场规模将达4.7亿美元,占全球空心杯电机市场规模的比重为39.50%。

数据来源:观研天下数据中心整理

数据来源:观研天下数据中心整理

数据来源:观研天下数据中心整理

海外头部空心杯电机企业处于市场领先地位

空心杯电机工艺流程复杂,加工难度远超普通直流有槽电机,行业具备较高的技术门槛。绕线是空心杯电机核心技术壁垒所在,按照线圈的成型方式主要分为人工绕线、绕卷式生产技术、一次成型生产技术三类。海外绕线工艺发展早,主要采用一次性绕制成型的生产技术,自动化程度高于国内;而国内主要采用绕卷式生产,工艺比较繁琐,工人劳动强度大,无法完成线径较粗的线圈,废品率高。因此现阶段Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation等海外头部空心杯电机企业处于领先地位,占据行业绝大多数市场,根据数据,2022年全球空心杯电机CR5达67%。

空心杯电机线圈生产技术

生产技术 简介
人工绕线 通过一系列复杂的工艺,包括插针、手动卷线、手动排线等步骤进行生产。
绕卷式生产技术 绕卷式生产技术是半自动化生产,首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形 的主轴上,达到需要的长度后将其取下,然后压扁成线板,最后将线板卷绕成杯状的线圈。 以一种绕卷式空心杯为例,其制造流程大致分为以下几步:①六边形线坯线圈绕制:在斜绕 组绕线机上进行;②线坯线圈粘贴二条定型压敏胶带,脱模待展平;③展平:将定型板插入 线坯线圈,并将线圈相错拉平,再送入展平机展平,成为扁平线坯。用竹质刮板整形。剪掉 多余的胶带,仅留一只搭头,搭头应留在扁平线坯稍微隆起的一面,以利卷筒成行;④卷筒: 把扁平线坯送入空心杯卷筒机卷筒,使线坯首尾衔接,胶带搭头粘贴于线坯首部外表,成为 空心杯线圈;⑤涂环氧定型:涂环氧胶粘剂后,放入烘箱固化定型。
一次成型生产技术 绕线机通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上,线圈卷绕 成杯状后取下,一次成型,不需要卷圆压扁等多道工序,自动化程度高。

资料来源:观研天下整理

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数据来源:观研天下数据中心整理(zlj)

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