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

2024-03-05 09:33

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一、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。

二、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

数据来源：观研天下数据中心整理

三、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	有	无
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。

数据来源：观研天下数据中心整理

四、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%。

数据来源：观研天下数据中心整理

五、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。