工業(yè)行業(yè)傳動系列二：電氣傳動靈活多面手

工業(yè)傳動系列二：電氣傳動-靈活多面手華泰研究機械設備增持(維持)2023年10月01日│中國內(nèi) 專題研究通用機械增持(維持)研究員倪正洋電氣傳動：靈活多面手，應用廣闊市場分散電氣傳動為機械設備三大傳動方式之一，其使用電動機將電能轉換成機械能，帶動各類型生產(chǎn)機械、交通車輛及運動物品。電動機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。電動機行業(yè)呈現(xiàn)競爭格局分散，下游應用廣泛的特點，其復雜性在于技術路徑多樣，對應電機不同的特性，適用于下游不同場景。本報告系統(tǒng)闡述了電氣傳動行業(yè)市場概況、電動機六大技術路徑選擇，并以人形機器人、礦山機械、數(shù)控機床應用為例分析電氣傳動系統(tǒng)在主要產(chǎn)品中的應用，以及未來定子扁線化和碳化硅應用對電機性能的提升，全面覆蓋電氣傳動原理、市場、應用分析。電機六大技術路線選擇排列組合，順勢而生各有千秋我們總結電機有六大關鍵技術選擇，分別是交流直流、同步/異步、永磁/電磁、單相三相、控制方式步進伺服、直線旋轉。各種電動機產(chǎn)品是不同技術路線排列組合后的產(chǎn)物。不同技術路徑組合的電機各有所長，適用于不同應用場景。直流電機調速簡單，變頻器發(fā)展提升交流電機調速能力；永磁電機一般表現(xiàn)同步特性，高功率高效率且低速運行表現(xiàn)好，異步交流電機無需永磁體成本較低，性價比高應用廣泛；伺服電機相比步進控SACNo.S0570522100004 nizhengyang@SFCNo.BTM566 +(86)212897研究員 史俊奇SACNo.S0570522110002 shijunqi@SFCNo.BTM901 +(86)212897研究員 楊云逍SACNo.S0570523070001 +(86)2128972228研究員 楊任重SACNo.S0570522110003yangrenzhong@+(86)2128972228聯(lián)系人 王自SACNo.S0570123070064wangzi022582@+(86)2128972228聯(lián)系人 張瑤珈SACNo.S0570122090160 +(86)75582492388制精度更高，永磁同步伺服控制簡單且效率較高，成為主流之選。直線電機可視為旋轉電機的結構變形，線性運動中需傳動裝置，響應快精度高。典例：人形機器人/礦山機械/數(shù)控機床中多種電機“各司其職”人形機器人執(zhí)行器主要使用無框力矩電機和空心杯電機。人形機器人具有結構緊湊、關節(jié)扭矩大的特點，因此目前身體關節(jié)選用無框力矩電機；而手部電機要求體積小、精度高，主流應用為直流永磁伺服的空心杯電機。礦山機械行業(yè)中高性價比的交流電機主要用于傳輸設備，直流電機調節(jié)簡單，主要用于挖掘機械，而永磁同步電機憑借其優(yōu)良綜合性能及節(jié)能特性應用場景逐漸增多。數(shù)控機床方面，交流異步電機為主軸電機主流應用，而機床進給電機精度控制要求較高，永磁伺服電機為主流應用。進給電機

行業(yè)走勢圖機械設備 通用機械(%) 滬深2517102(6)Oct-22 Feb-23 Jun-23 Sep-23證券研究報告的新方案為直線電機驅動數(shù)控工作臺，可達到高效率快響應目的。 證券研究報告資料來源：，未來：定子扁線化與碳化硅應用成為提升電機能效新方向電機未來向著更高功率和效率不斷發(fā)展，定子扁線化和碳化硅的應用是熱門方向。扁線定子設計通過增加槽滿率提升電機效率、功率密度、散熱能力，目前主要應用于新能源汽車。多個企業(yè)已經(jīng)布局扁線業(yè)務，但扁線電機工藝復雜、設備精度要求高，大規(guī)模量產(chǎn)存在一定難度。碳化硅為電機提升能效提供新方向，其屬于寬禁帶材料，介電擊穿強度和熱導率高，開關速度更快，能夠大大提高電機的效率和功率密度，有望成為電機逆變器的主流材料。風險提示：電機技術路徑發(fā)生改變，電機上游原材料價格波動風險，未來技術迭代不及預期。正文目錄電氣傳動：靈活多面手，應用廣闊市場分散 5電氣傳動系統(tǒng)概覽：靈活多面手 5電機行業(yè)格局分散，國內(nèi)電機“量增”到“質提”走向高端 6電機六大技術路線選擇排列組合，順勢而生各有千秋 9直流or交流：換向調速為核心問題，霍爾元件/變頻器助推無刷替代有刷 9永磁or勵磁：交替并行發(fā)展，高性能永磁體提升電機功率和效率 13同步or異步：同步電機節(jié)能高效高功率，異步電機具有成本優(yōu)勢 16單相or三相：三相電機穩(wěn)定高效，單相電機需使用電容器罩極啟動 19步進or伺服：伺服閉環(huán)相較步進開環(huán)控制精度較高，經(jīng)濟性較低 21旋轉or直線：直線電機可視為旋轉電機的結構變形，高速響應高精度 24典例：人形機器人礦山機械數(shù)控機床中多種電機“各司其職” 26人形機器人：無框力矩電機用于旋轉關節(jié)，空心杯電機為靈巧手核心部件 26礦山機械：交流電機為主流，永磁電機節(jié)能特性順應“綠色礦山” 28數(shù)控機床：主軸多用感應電機，進給電機中永磁伺服為主流 31未來：定子扁線化與碳化硅應用成為提升電機能效新方向 33報告提及公司 36風險提示 36圖表目錄圖表1：電動機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置 5圖表2：電氣傳動在運動控制及精確度方面優(yōu)勢顯著，廣泛應用于工業(yè)機械 6圖表3：2020年全球電機市場1427億美元，汽車占比最高 6圖表4：預計21-28年全球電機市場CAGR=6.4%,交流電機占比最大 6圖表5：臥龍電驅主要電機產(chǎn)品 7圖表6：大洋電機主要電機產(chǎn)品 7圖表7：外資品牌為國內(nèi)電機生產(chǎn)商第一梯隊，國內(nèi)龍頭在各自側重領域走向高端 7圖表8：2022年中國電機進口金額為42.34億美元，同比下降6.2% 8圖表：2年中國主要電機出口產(chǎn)品結構（按金額（單位：） 8圖表10：電動機技術路徑和結構不斷更新，多種類型適應下游多種應用場景 9圖表直流電機與交流電機由于供電電源不同使得結構差異較大 10圖表12：直流有刷電機率先流行，交流電普及和控制元件發(fā)展使得交流電機和直流無刷快速發(fā)展成為主流 10圖表13：直流有刷電機通過換向器跟電刷的連接，實現(xiàn)線圈電流方向變化，實現(xiàn)線圈受力方向變化 圖表14：周圍磁通密度超過閾值時霍爾傳感器會檢測到并產(chǎn)生電壓 圖表15：霍爾效應傳感器可判斷出電機轉子磁極的相對位置 圖表16：交直交變頻器主電路工作原理 12圖表17：變頻技術可分為交直交變頻技術和交交變頻技術 13圖表18：電機磁場的提供方式經(jīng)過低性能磁鐵—電磁體—高性能永磁體與電磁并行三個發(fā)展階段 13圖表19：高性能永磁電機效率高功率大，勵磁電機制作成本低但效率較低 14圖表20：電機常用永磁材料抗腐蝕性能、最高工作溫度、加工性能、退磁曲線形狀、價格對比 14圖表21：直流電機勵磁方式分為他勵、并勵、串勵、復勵，主要區(qū)別為勵磁繞組和電樞繞組供電方式的關系 15圖表22：永磁體與勵磁繞組均位于轉子的混合勵磁電機 15圖表23：永磁體位于轉子，勵磁繞組位于定子的混合勵磁電機 15圖表24：異步電機與同步電機區(qū)別在于轉子是否產(chǎn)生磁場、速度與定子旋轉磁場速度是否一致 16圖表25：同步電機功率密度與效率更高，異步電機成本低應用廣泛 17圖表26：磁阻電機遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理形成磁阻轉矩，性能較好且成本較低 18圖表27：多家公司布局同步磁阻電機產(chǎn)品 18圖表28：磁滯電機利用磁滯材料所制成轉子上產(chǎn)生的磁滯轉矩起動和運行，目前應用場景較少 18圖表29：三相電機采用相位差120度三相交流電源推轉子 19圖表30：主流單相電機有主副兩個線圈，互相垂直推動旋轉 19圖表31：單相電機使用方便應用偏生活化，三相電機穩(wěn)定高效工業(yè)場景應用居多 19圖表32：裝配電容器單相電機的運行原理 20圖表33：使用罩極法單相電機的運行原理 20圖表34：六相雙Y移30°繞組空間分布圖 21圖表35：六相電機可實現(xiàn)低電壓大功率，相同負載轉矩六相電流小 21圖表36：步進電機結構圖 21圖表37：伺服電機結構圖 21圖表38：伺服電機閉環(huán)控制，將編碼器檢所得信息反饋給控制器來控制位置，步進電機開環(huán)控制無反饋過程 22圖表39：步進電機相較伺服電機可靠性與控制精度較低，經(jīng)濟性較高 22圖表40：西門子1FK系列永磁同步伺服電機訂貨最大功率7.5kW 23圖表41：西門子1PH系列交流異步伺服電機最大功率45kW 23圖表42：伺服電機閉環(huán)控制，將編碼器檢所得信息反饋給控制器來控制位置，步進電機開環(huán)控制無反饋過程 23圖表43：直線電機可認為是旋轉電機徑向剖開后的變形，結構及運行原理與感應電機相似 24圖表44：直線電機具有高響應速度、高精度、加減速快等優(yōu)勢 24圖表45：短初級直線感應電機在城市軌道交通車輛的應用 25圖表46：直線電機用于激光微加工平臺 25圖表47：多家公司布局直線電機業(yè)務 25圖表48：特斯拉Optimus旋轉執(zhí)行器中使用無框電機 26圖表49：特斯拉Optimus的手部模組 26圖表50：無框電機多采用大尺寸中空設計 26圖表51：Maxon無框電機套件外徑僅為43至90mm，極其緊湊 26圖表52：步科股份第三代無框電機可對標國際領先產(chǎn)品 27圖表53：無框電機市場主要參與者 27圖表54：單個1.5萬元協(xié)作機器人關節(jié)中無框電機價值量約為千元 27圖表55：空心杯電機的優(yōu)勢 27圖表56：有刷空心杯電機結構圖 28圖表57：無刷空心杯電機結構圖 28圖表58：空心杯電機用途廣泛，包括工業(yè)控制、機器人、高端機床等 28圖表59：傳統(tǒng)電機與空心杯電機結構及線圈差異 28圖表60：直流電機，交流異步電機，永磁同步電機三種礦山機械應用電機對比 29圖表61：佳電股份礦用機械電機中三相異步電動機為主流，部分場景嘗試永磁電機 29圖表62：大功率礦井提升機為代表的礦山電力傳動發(fā)展歷程 30圖表63：ABB礦井提升機 30圖表64：永磁內(nèi)裝式礦井提升機驅動原理 30圖表65：數(shù)控機床電動機可分為進給電機和主軸電機，進給電機主流為永磁伺服，主軸電機主流為感應電機 31圖表66：臥龍電驅電主軸電機產(chǎn)品大多為交流異步電機 31圖表67：Akribis機床專用直線電機AKM系列 32圖表68：直驅伺服響應速度更快 32圖表69：相比于傳統(tǒng)的伺服電機+滾珠絲桿/齒輪齒條的驅動方式，直線電機驅動在機床方面應用優(yōu)勢明顯 32圖表70：傳統(tǒng)圓線繞組存在較大空隙 33圖表71：矩形扁線繞組空間利用率更高 33圖表72：多家企業(yè)布局扁線業(yè)務 33圖表73：扁線電機工藝復雜、設備精度要求高 34圖表74：博世（Bosch）的逆變器采用碳化硅半導體 35圖表75：安森美半導體650VSiCMOSFET 35圖表76：碳化硅寬禁帶優(yōu)勢 35圖表77：報告提及公司 36電氣傳動：靈活多面手，應用廣闊市場分散電氣傳動系統(tǒng)概覽：靈活多面手電氣傳動使用電動機將電能轉換成機械能，帶動各類型生產(chǎn)機械、交通車輛及運動物品。電動機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，主要結構為定子和轉子，其中定子為靜止部分，包含定子鐵心（電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組、定子繞組（電動機的電路部分，產(chǎn)生旋轉磁場）和機座（固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉子，并起防護、散熱等作用；轉子為旋轉部分，包括轉子鐵心（作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內(nèi)放置轉子繞組、轉子繞組（切割定子旋轉磁場產(chǎn)生感應電動勢及電流，并形成電磁轉矩而使電動機旋轉。圖表1：電動機是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置資料來源：電工電氣學習公眾號，電氣應用公眾號，電氣傳動在運動控制及精確度方面優(yōu)勢顯著，廣泛應用于工業(yè)機械。相較于其他傳動方式，電氣傳動的優(yōu)點主要包括：1）易于實現(xiàn)自動化與遠程控制，精確度高：電氣傳動根據(jù)設定參數(shù)實現(xiàn)精確控制，在高精度傳感器、計算機技術支持下，控制精度大大超過其他控制方式。2）節(jié)省能源：電能的獲得和轉換比較經(jīng)濟，傳輸和分配比較便利。3）改善環(huán)保水平：由于使用能源品種的減少及其優(yōu)化的性能，減少污染源。4）降低噪音。5）節(jié)約成本：去除液壓油的成本和引起的麻煩，沒有硬管或軟喉，無須對液壓油冷卻，大幅度降低了冷卻水成本。但電動機運動平穩(wěn)性較差，易受外界負載的影響；慣性大、換向慢；元件可能要耗用大量有色金屬成本高；受溫度、濕度、振動、腐蝕等環(huán)境影響較大。圖表2：電氣傳動在運動控制及精確度方面優(yōu)勢顯著，廣泛應用于工業(yè)機械資料來源：《液壓傳動-機械大力士》（華泰機械，2023年8月8日），電機行業(yè)格局分散，國內(nèi)電機“量增”到“質提”走向高端202070%。GrandviewResearch的研究數(shù)據(jù)顯示，2020年全球電機市場規(guī)模為1427億美元，其中交流電機市場占比70.7%。預計2021-2028年全球電機市場規(guī)模復合增長率將達到6.40%。2020年下游細分市場中汽車占比最高，占40.5%，其次為工業(yè)機械、設備（供熱、通風與空氣調節(jié)、空調、運MordorIntelligence公布的數(shù)據(jù)，2021214.12028240.9億美元。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2021年中國工業(yè)電機市場規(guī)模為765億元，占中國整體電機市場18%。圖表3：2020年全球電機市場1427億美元，汽車占比最高 圖表4：預計21-28年全球電機市場CAGR=6.4%,交流電機占比最大資料來源：GrandviewResearch， 資料來源：GrandviewResearch，電機行業(yè)總量大但單品產(chǎn)量小，定制屬性強，機型及應用行業(yè)較分散。電機行業(yè)雖總量較大、但單品產(chǎn)量較小且定制屬性較強，標準化的單品批量生產(chǎn)較少，各公司深耕于各個細分領域，應用于不同場景，占據(jù)不同細分市場份額，整體競爭格局高度分散。電機行業(yè)公司策略主要可以分為兩類：1）深耕技術路徑：同一種技術路徑的電機應用于不同場景，部分公司深耕某種技術路徑的電機，如空心杯電機或同步永磁電機，再根據(jù)場景進行調整和定制化；2）深耕行業(yè)：相同行業(yè)應用機型選擇多，分別占據(jù)一定細分市場份額，部分公司瞄準單品銷量較大的下游行業(yè)，如汽車電機、工程機械電機、洗衣機電機等，生產(chǎn)行業(yè)中主流應用電機，公司產(chǎn)品具有性價比優(yōu)勢。兩種策略形成相同結果，即電機市場中產(chǎn)品多樣，機型及應用行業(yè)都較為分散，各公司覆蓋產(chǎn)品繁多。圖表5：臥龍電驅主要電機產(chǎn)品 圖表6：大洋電機主要電機產(chǎn)品資料來源：臥龍電驅官網(wǎng)，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院， 資料來源：大洋電機官網(wǎng)，外資企業(yè)占據(jù)高端位置，國內(nèi)龍頭在各自側重領域走向高端。目前國內(nèi)電機行業(yè)市場參與者數(shù)量眾多，競爭激烈。市場第一梯隊為以西門子、ABB和Maxon為代表的外資工業(yè)電機品牌生產(chǎn)商，其技術成熟并積累了豐富的客戶資源，主要占據(jù)工業(yè)控制、航空航天、軍工、精密醫(yī)療器械等領域的中高端市場。第二梯隊為國內(nèi)匯川技術、臥龍電驅、大洋電機、鳴志電器等龍頭企業(yè)，各生產(chǎn)廠商在其側重的領域占據(jù)部分中端市場并逐步走向高端，不斷向第一梯隊進發(fā)。第三梯隊為以中小企業(yè)為主的中國本土工業(yè)電機生產(chǎn)商。該類企業(yè)所生產(chǎn)工業(yè)電機產(chǎn)品價格低廉，產(chǎn)品同質化相對嚴重，產(chǎn)品穩(wěn)定性相對差。圖表7：外資品牌為國內(nèi)電機生產(chǎn)商第一梯隊，國內(nèi)龍頭在各自側重領域走向高端資料來源：觀研報告網(wǎng)《中國工業(yè)電機行業(yè)發(fā)展深度研究與投資趨勢預測報告（2022-2029年）》，我國工業(yè)電機行業(yè)長期呈現(xiàn)貿(mào)易順差，但出口產(chǎn)品較為低端。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計海關2017137.382020139.47億美元，2020年受疫情影響同比減少1.66%；2017-2019年貿(mào)易順差呈現(xiàn)擴大趨勢，從61.971.08億美元，202066.67億美元。隨著國產(chǎn)電機技術不斷進步，我國電機行業(yè)貿(mào)易順差有望繼續(xù)保持擴大趨勢。從出口產(chǎn)品來看，2020年出口金額占比最大的產(chǎn)品是直流電動機及直流發(fā)電機，輸出功率≤750W，出口金額為27.35億美元，占出口總額的比例達到26.54%。其他單相交流電動機出口金額占比排名第二；而較為高端的多相交流電動機和微電機出口占比較小。圖表8：2022年中國電機進口金額為42.34億美元，同比下降6.2% 圖表9：2022年中國主要電機出口產(chǎn)品構（按金額）（單位：%）資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院， 資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，電機六大技術路線選擇排列組合，順勢而生各有千秋電動機核心為技術路線和結構的排列組合，多種類型適應下游多種應用場景。自1821年法拉第首次利用電流磁效應將電能轉變?yōu)樾D運動的機械能以來，電動機在下游需求和技術突破的不斷推動下，從最初誕生時的簡單結構，發(fā)展到現(xiàn)在運用各種材料，不同原理的產(chǎn)品。各種技術路徑的電機都有其優(yōu)勢及劣勢，適用于下游不同的應用場景。我們總結電機技術有六大關鍵技術選擇，分別是交流/直流、同步/異步、永磁/電磁、單相/三相、控制方式步進/伺服、直線/旋轉。各種電動機產(chǎn)品其實是不同技術路線排列組合后的產(chǎn)物，對于一個電機產(chǎn)品，首先需要結合應用場景進行排列，決定其最重要的性能要求；之后選擇多種技術路線的組合達到其最優(yōu)方案。圖表10：電動機技術路徑和結構不斷更新，多種類型適應下游多種應用場景資料來源：SMM電機資訊公眾號，直流or交流：換向/調速為核心問題，霍爾元件/變頻器助推無刷替代有刷直流電機與交流電機由于供電電源不同，結構差異較大。直流電機使用直流電作為電源，而交流電機使用交流電作為電源。電動機需要改變電流方向，產(chǎn)生交變的磁場獲得力矩以維持電機的連續(xù)旋轉。目前電機有三種方式達到該目的：1）直流電+換向器電刷完成機械換向，對應直流有刷電機；2）直流電輸入電子換向器使直流電變?yōu)榻涣麟娡瓿呻娮訐Q向，對應直流無刷電機；3）直接將交流電通入定子繞組產(chǎn)生旋轉磁場并作用于轉子形成磁電動力旋轉扭矩，對應交流電機。不同原理使三種電機結構不同，直流有刷電機磁場固定不動，洛倫茲力驅動電機內(nèi)轉子旋轉，配有電刷和換向器；直流無刷與交流電機結構相似，外圍線圈通入交流電形成旋轉磁場帶動轉子轉動，直流無刷以霍爾元件取代碳刷換向。圖表11：直流電機與交流電機由于供電電源不同使得結構差異較大直流有刷電機直流無刷電機交流電機直流有刷電機直流無刷電機交流電機有刷電機采用機械換向，磁極不動，線圈傳動原理旋轉。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉動中起到導電和換相作用。原理圖包含結構 轉子、子、刷和向器構造圖

無刷直流電機通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅動電機。電子換向器（位置傳感器和電子開關線路）、轉子、定子

交流電機通過交流電產(chǎn)生旋轉磁場，轉子繞組在變化磁場中產(chǎn)生感應電流，隨著旋轉的磁場轉動。轉子、定子優(yōu)點 能產(chǎn)生大的矩（轉力）

1、高功率密度，相比有刷電機性能更加穩(wěn)定可靠；2、零部件磨損少，壽命長，不用更換刷子；3、能夠以較高轉速運動，轉速沒有限制；4、具有高效率和較小的尺寸體積，適合于輕型、小型、高速模塊化和集成化應用。結構復雜，有碳刷作為機械接觸點，壽命有限的恒功率范圍，控制復雜，大多數(shù)與永控制較為復雜，需要較為精準的控制算法和高缺點短、產(chǎn)生噪聲及灰塵

磁體結合使用價格較高

精度傳感器信息輸入廣泛應用于工程機械、金屬切削機床、輕工機應用場景

對功耗要求不高的應用場景：比如兒童電工業(yè)投料機等輕工業(yè)、汽車空調、雨刮器、

械、礦井提升機、水泵、加工機械及日常生活動玩具、電動牙刷、電動剃須刀等資料來源：智能建筑電氣技術雜志公眾號，

醫(yī)療器械、家用吸塵器、攪拌機

器具。直流電源率先產(chǎn)生賦予直流電動機“先發(fā)優(yōu)勢”，交流電機受益于交流電系統(tǒng)和控制元件發(fā)展，后來居上成為主流。直流電源的發(fā)明使直流電機率先被研制完成，1832年英國物理學家威廉·斯特金發(fā)明了換向器并制造了有刷直流電機，但由于其低功率輸出，應用上受到嚴重限制。1834年達文波特發(fā)明了第一臺電池供電的直流電機，但仍無法擺脫功率和效率問題。19世紀80年代直流輸電技術發(fā)展遇阻，交流電系統(tǒng)因為傳輸損耗小、易變壓等原因逐漸成為主流，交流電機也應運而生。1885年特斯拉根據(jù)旋轉磁場理論制成了第一臺兩相感應電動機。1889年第一臺三相鼠籠式感應電動機誕生。同時隨著各種新型功率半導體器件和計算機控制技術的進步替代機械換向，無刷直流電機得到快速發(fā)展。圖表12：直流有刷電機率先流行，交流電普及和控制元件發(fā)展使得交流電機和直流無刷快速發(fā)展成為主流資料來源：《電機史話》（戴慶忠，2016），華秋商城公眾號，直/交流核心問題一：直流電機需完成換向，電刷從核心到桎梏限制直流電機應用場景。直流電機可以采用電刷完成機械換向，形成直流有刷電機；也可以使用電子換向器代替電刷形成直流無刷電機，換相的工作交由控制器中的控制電路（一般為霍爾傳感器+控制器，更先進的技術是磁編碼器）來完成。而交流電機直接產(chǎn)生旋轉磁場無需換向器。直流電機的電刷面臨磨損和噪音的問題，限制其應用場景。電刷和集電環(huán)之間存在機械摩擦，增加了工人的檢修維護量，壽命短，需頻繁更換刷子；磨損意味著直流電機的轉速受到限制，無法滿足高速運轉的條件；此外機械換向會產(chǎn)生火花，打火不僅會造成電刷和換向器的燒蝕還會帶來噪聲，使直流電機無法應用在部分需要防爆、靜音的工況中。圖表13：直流有刷電機通過換向器跟電刷的連接，實現(xiàn)線圈電流方向變化，實現(xiàn)線圈受力方向變化資料來源：電機驅動探索者公眾號，取代電刷完成電子換向需要精確獲得轉子位置，霍爾元件提供低成本、易操作方案。20世紀中葉半導體與集成電路技術的發(fā)展推動了霍爾傳感器發(fā)展，1962年無刷直流電動機隨之產(chǎn)生，其利用電子開關線路和霍爾傳感器來代替有刷直流電機電刷和換向器，具有直流電機的良好調速性能，又具有交流電機結構簡單、無換向火花的優(yōu)勢。無刷直流電機需要監(jiān)測轉子位置以便按照通電次序給相應的定子線圈通電維持旋轉。轉子的位置是由嵌入到定子的霍爾傳感器感知的。多數(shù)無刷直流電機在非驅動端上的定子中嵌入三個霍爾傳感器，轉子磁極掠過霍爾元件時，根據(jù)轉子當前磁極的極性霍爾元件會輸出對應的高或低電平，根據(jù)電平時序就可以判斷當前轉子的位置，并相應的對定子繞組進行通電。圖表14：周圍磁通密度超過閾值時霍爾傳器會檢測到并產(chǎn)生電壓 圖表15：霍爾效應傳感器可判斷出電機轉子磁極的相對位置 資料來源：《磁場檢測系統(tǒng)及其電源管理的研究與設計》（趙競翔，2022），

資料來源：《霍爾效應傳感器設計》（吳顏飛，2022），直交流核心問題二：直流電機方便調節(jié)轉速，變頻技術發(fā)展提升交流電機調速性能。直流電機可以方便地通過改變電壓調節(jié)轉速，并可以提供較大的轉矩，適用于需要頻繁調節(jié)轉速的負載，如鋼廠的軋機，礦山的提升機等。但隨著變頻技術的發(fā)展，交流電機同樣可以通過改變頻率來實現(xiàn)調節(jié)轉速，使交流電機得到和直流調速一樣優(yōu)異的調速性能，并且其功率還不存在換向器的限制。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率的交流電的變換器。變頻技術可分為交直交變頻技術和交交變頻技術，其中交直交變頻器由整流器（交流變直流、濾波系統(tǒng)和逆變器（直流變交流）三部分組成。交-交變頻電路由正、負兩組相控整流器組成。圖表16：交直交變頻器主電路工作原理資料來源：《電氣傳動中變頻器應用技術研究》（許健，2020），PWM逆變?yōu)橹髁?，交交變頻效率較高。交直交變頻器一般采用不控制整流器整流、脈寬調制（PWM）PWM逆變可以減少輸出諧波，PWM逆變器使用IGBT和碳化硅器件后可提高開關頻率。交直交變頻控制簡單，所用晶閘管元件少，利用率高，且頻率調節(jié)范圍寬，適合應用于要求精度高、調速性能較好、頻率調節(jié)范圍寬的場合。交-當?shù)南辔豢刂?，使兩組整流器輪流導通，正、負組整流器分別流過負載中的正向和反向輸出電流。交交變頻技術只通過一次變流，省略了直流轉換的步驟，效率較高；但該技術調節(jié)頻率最大輸出頻率較低，適合于低速大容量的調速系統(tǒng)，如軋鋼、水泥、牽引等場景。圖表17：變頻技術可分為交直交變頻技術和交交變頻技術資料來源：《淺談變頻器及其采用的技術》（韓笑，2010），永磁or勵磁：交替并行發(fā)展，高性能永磁體提升電機功率和效率電機磁場的提供方式經(jīng)過低性能磁鐵—電磁體—高性能永磁體與電磁并行三個發(fā)展階段。永磁電機由永磁體提供電機的磁場，勵磁電機由勵磁線圈提供磁場。1821年法拉第制造的第一臺電機是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。但其使用的永磁材料天然磁鐵礦石磁能密度低，制成電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。電磁直流電機1834年由雅各比發(fā)明并在1880年普及，它的出現(xiàn)讓性能不佳的永磁電機發(fā)生歷史停頓，但同樣存在功率密度偏低的問題。20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積可達85kJ/m3）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積可達40kJ/m3）大大提升了磁體磁性能，提升電機功率和效率。隨著釹鐵硼等材料性能的提高和價格的降低，永磁電機應用領域不斷擴大。圖表18：電機磁場的提供方式經(jīng)過低性能磁鐵—電磁體—高性能永磁體與電磁并行三個發(fā)展階段資料來源：智研咨詢，深圳市海特力智能裝備公眾號，高性能永磁電機高效率大功率但成本較高，勵磁電機易于調節(jié)但效率較低。永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、用銅量少質量輕、損耗小、效率高等顯著特點，并且其形狀和尺寸可以靈活多樣，應用范圍較為廣泛。高性能釹鐵硼永磁具有較高的磁性能指標，高剩磁及高矯頑力，可提升電機的電能轉化效率。永磁同步電機能在低速情況下產(chǎn)生較大扭矩，功率系數(shù)高，在相同的功率和扭矩情況下重量和體積更小。但永磁體價格較為昂貴，根據(jù)中鎢在線數(shù)據(jù)，202383055N235元/千克；且高溫退磁、磁場不可調節(jié)等問題限制了永磁電機在特定場合中的應用。勵磁電機更易于調節(jié)，功率因數(shù)可控性好，但勵磁損耗的存在一方面降低了電機效率，另一方面增大了溫升過高的風險。圖表19：高性能永磁電機效率高功率大，勵磁電機制作成本低但效率較低資料來源：ittbank公眾號，稀土永磁高剩磁密度、高矯頑力提升電機效率與功率。永磁體根據(jù)材料不同主要可以分為鐵氧體永磁、鋁鎳鈷永磁、稀土永磁。根據(jù)一覽眾咨詢數(shù)據(jù)，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低（36-160kA/m，鐵氧體永磁的剩磁密度不高（0.2-0.44T，限制了它們在電機中的應用范圍。稀土永磁主要包括稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁，具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能，體積更小效率更高，廣泛應用于大型電站、礦山、石油、化工等行業(yè)所需的兆瓦級電機。未來永磁體可能向納米復合永磁體等超材料方向發(fā)展。圖表20：電機常用永磁材料抗腐蝕性能、最高工作溫度、加工性能、退磁曲線形狀、價格對比性能鋁鎳鈷鐵氧體稀土鈷釹鐵硼剩磁/T1.30.421.051.16矯頓力/(Ka/m)60200780850退磁曲線形狀彎曲上部直線、下部彎曲直線直線(高溫下彎曲)剩磁溫度系數(shù)/(%/K)-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蝕性能強強強易氧化充磁安裝后充磁充磁后安裝(也有安裝后充磁)充磁后安裝充磁后安裝最高工作溫度(°C)550200300150加工性能少量磨削、電火花加工特殊道具切片和少量磨加工少量電火花加工加工性能好價格中等低很高高應用場合儀器儀表類等要求溫度穩(wěn)定性高的場合性能和體積要求不高，價格要求低的場合高性能、高溫、高溫度穩(wěn)定性，價格不是主要考慮因素的場合高性能、體積要求高，溫度不高的場合資料來源：一覽眾車公眾號，不同電磁勵磁方式具有不同機械特性，串勵過載能力較強。電磁直流電動機的勵磁方式主要有四種：1）串勵：內(nèi)部的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器串聯(lián)；2）并勵：內(nèi)部的勵磁繞組和轉子繞組之間并聯(lián)；3）他勵：內(nèi)部的勵磁繞組接到獨立的勵磁供電，勵磁電流較為恒定；4）復勵：定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉子繞組串聯(lián)的串勵繞組。并勵和復勵電動機的機械特性較硬，而串勵電動機具有軟機械特性，輕載時轉速增高，重載時轉速降低，有較大的過載能力，有利于生產(chǎn)率的提高。串勵電機沒有理想空載轉速，不能用于再生制動。但通過將串勵電動機的勵磁電路改接成并勵或復勵接法，可以獲得較理想的空載轉速機械特性，但勵磁電路損耗也會增大。圖表21：直流電機勵磁方式分為他勵、并勵、串勵、復勵，主要區(qū)別為勵磁繞組和電樞繞組供電方式的關系資料來源：萬泰電機官網(wǎng)，新興混合勵磁電機結合永磁與電勵磁優(yōu)勢，寬調速應用場合前景廣闊。美國科學家最早在1985年提出混合勵磁概念，混合勵磁電機是永磁電機和電勵磁電機的有機結合，通過改變永磁電機的局部結構，放入電勵磁繞組，從而能夠靈活地調節(jié)氣隙磁場。混合勵磁電機既有永磁電機功率密度高的優(yōu)點，又可實現(xiàn)調節(jié)電機內(nèi)磁場的目的，解決永磁電機調磁困難，恒功率調速范圍窄的問題。但目前混合勵磁電機仍然處于研究和發(fā)展階段，電機的結構設計復雜，制造工藝過程復雜，由于電機結構和勵磁方式的多樣性，使得混合勵磁電機的數(shù)學模型復雜多樣，電機的控制過程中，可控變量增加，數(shù)學模型更加復雜，為使電機的控制更加靈活，同時控制算法也變得更復雜。圖表22：永磁體與勵磁繞組均位于轉子的合勵磁電機 圖表23：永磁體位于轉子，勵磁繞組位于子的混合勵磁電機 資料來源：驅動視界公眾號， 資料來源：驅動視界公眾號，同步or異步：同步電機節(jié)能高效高功率，異步電機具有成本優(yōu)勢異步電機與同步電機區(qū)別在于轉子是否產(chǎn)生磁場、速度與定子旋轉磁場速度是否一致。同步電機和異步電機最大的區(qū)別在于它們的轉子速度與定子旋轉磁場是否一致，電機的轉子速度與定子旋轉磁場相同稱為同步電機，反之則稱為異步電機。同步電機和異步電機的定子側結構完全相同，都包含有定子鐵心和定子三相對稱繞組，區(qū)別為轉子的結構不同。異步電機(感應電機)轉子中并不直接產(chǎn)生磁場，其通過定子的旋轉磁場在轉子閉合導體中激發(fā)感應電流，進而產(chǎn)生電磁轉矩，其中只有轉子的轉速小于同步速(小于同步速的差值是轉差率)才能提供轉子感應電流；同步電機轉子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(用永磁鐵或電勵磁產(chǎn)生)，定子旋轉磁場“拖著”轉子磁場(轉子)轉動，因此轉子的轉速等于同步速。圖表24：異步電機與同步電機區(qū)別在于轉子是否產(chǎn)生磁場、速度與定子旋轉磁場速度是否一致資料來源：中升奔馳遠程診斷中心公眾號，同步電機運行速度與負載無關精度更高，異步電機成本較低應用廣泛。同步電機以同步速度運行，與負載無關，rpm(轉速)＝120f(電源頻率)/p(極對數(shù))；異步電機的速度取決于它的負載，隨負載增加而降低，且總是小于同步速度。rpm=120f/p-s，s代表滑差。同步電機的精度高、效率高，但造工復雜、造價高、維修相對困難。異步電機雖然反應慢，但易于安裝、使用，同時價格便宜。因此同步電機用于功率因數(shù)校正，恒速負載服務，傳輸線的電壓調節(jié)，精密伺服機構等，也用于驅動大型機械如軋鋼機、壓縮機、球磨機等。異步電動機其容量從幾十瓦到千瓦不等，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)驅動機械負載，比如工業(yè)傳動中的中小型軋鋼設備、金屬切削機床、傳送帶，混合機，礦井提升機和通風機。圖表25：同步電機功率密度與效率更高，異步電機成本低應用廣泛永磁同步電機交流異步電機過載能力弱強峰值效率95%-97%94%-95%10%負荷時效率90-92%79%-85%成本較高較低功率密度較高較低轉速范圍4000-1000012000-20000電動機重量和體積較小較大滑差01%～6%節(jié)能效果部分負載能耗分析

三級能效的異步交流YX3電機比傳統(tǒng)的普通Y2電機具有更高的效率和功率因數(shù)，而永磁同步電機比三級能效的YX3電機的效率和功率因數(shù)還要高，因此節(jié)能效果更好。Y280%20%～120%負載之間基本保持較高的效率和功率因數(shù)、在部Y250%。機床、中小型軋鋼設備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等采新能源汽車、大型機械如軋鋼機、壓縮機、鼓風機、球磨機等的驅動電應用機、電網(wǎng)的調相機調節(jié)電網(wǎng)無功功率

用三相異步電動機；電風扇、洗衣機、電冰箱、空調器等家用電器廣泛使用單相異步電動機。圖示圖示資料來源：物業(yè)工程社區(qū)，磁易購資訊，中升奔馳遠程診斷中心公眾號，RIO電驅動公眾號，電器商城公眾號，同步電機中永磁、磁阻和磁滯電機分別應用永磁轉矩、磁阻轉矩和磁滯轉矩驅動電機。同步電機可分為永磁、磁阻、磁滯電機，其中磁阻電機、磁滯電機運行原理與永磁電機等傳統(tǒng)的交直流電動機有根本區(qū)別。磁阻同步電機遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理，通過轉子在不同位置引起的磁阻變化產(chǎn)生磁拉力（即磁阻轉矩）驅動電動機旋轉。磁阻電機轉子由鋼片（鐵磁性材料以及非鐵磁性材料交替組成）沖壓疊制而成，呈凸極形狀，沒有繞組或永磁材料，成本與異步機相當，但具有高效率高可靠性、節(jié)能、調速范圍廣等多Model3IPM-SynRM電機是同步磁阻電機。磁滯電動機是利用磁滯材料所制成轉子上產(chǎn)生的磁滯轉矩起動和運行的小功率同步電動機，運行安靜操作可靠。圖表26：磁阻電機遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理形成磁阻轉矩，性能較好且成本較低資料來源：科匯股份公眾號，圖表27：多家公司布局同步磁阻電機產(chǎn)品公司名字 磁阻電機產(chǎn)品描述臥龍電驅 有同步磁阻電機產(chǎn)品。新時達 持續(xù)研發(fā)，攻克噪聲抑制、超高速控制、超高效電機控制、同步磁阻電機控制等系列難題孚日股份 已經(jīng)成功開發(fā)IE5超高效同步磁阻電動機，并已開始推向船用電機市場。佳電股份 公司與上海電科所聯(lián)合開發(fā)的同步磁阻電機，正在樣機試制階段。偉創(chuàng)電氣 永磁同步電機和同步磁阻電機驅動器等產(chǎn)品都已在海外市場得到推廣及應用科匯股份 同步磁阻電機功率范圍為5.5-132kW資料來源：各公司公告，圖表28：磁滯電機利用磁滯材料所制成轉子上產(chǎn)生的磁滯轉矩起動和運行，目前應用場景較少資料來源：ElectricalAcademia官網(wǎng)，《FastTorqueComputationofHysteresisMotorsandClutchesUsingMagneto-staticFiniteElementSimulation》（G.Gallicchio，2019）單相or三相：三相電機穩(wěn)定高效，單相電機需使用電容器/罩極啟動三相電機和單相電機區(qū)別在于所供交流電的相位。三相電機需要三相交流電源，而單相電機則只需要單相交流電源。1889年，世界上第一臺三相鼠籠式感應電動機誕生；同年特斯拉設計帶輔助相的單相感應電動機，解決了單相感應電動機的啟動問題。運行原理方面，三相電機沒有電容器，采用三相交流電源。定子繞組通入相位差為120°的三相交流電產(chǎn)生旋轉磁場，轉子在旋轉磁場中受到電磁力旋轉。目前主流單相電機需要電容器，擁有相位相差90?的主副線圈，通過電容器移相使得正弦交流電相位一前一后給主副線圈供電，使線圈產(chǎn)生一前一后的磁場力發(fā)生旋轉。圖表29：三相電機采用相位差120度三相交流電源推轉子 圖表30：主流單相電機有主副兩個線圈，相垂直推動旋轉資料來源：電氣時代公眾號， 資料來源：電氣時代公眾號，單相電機使用方便應用偏生活化，三相電機穩(wěn)定高效工業(yè)場景應用居多。單相電機需要啟動電容，啟動電流大，三相電機直接啟動，啟動電流小。三相電機更具有耐用性、可靠性和穩(wěn)定性，因此能夠帶來高功率和高速度的表現(xiàn)，一般被用于大型工業(yè)設備中，例如機床、中小型軋鋼設備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等。單相電動機只需要單相交流電，具有使用方便、結構簡單、成本低廉、噪聲小、安裝方便、對無線電系統(tǒng)干擾小等優(yōu)點，但是功率和速度受限，適用場景相對狹窄，常用在功率不大的電風扇、洗衣機、電冰箱、空調器等家用電器和小型動力機械中。圖表31：單相電機使用方便應用偏生活化，三相電機穩(wěn)定高效工業(yè)場景應用居多三相電機三相電機機械制造領域：三相電機的高轉矩和高效率帶來了很好的驅動源，在機床、鋼鐵、礦山等領域得到廣泛應用。消防與物流領域：三相電機適用于驅動一些重型設備，例如：水泵、風扇、壓縮機等。環(huán)保與節(jié)能領域：三相電機在新能源設備、電動汽車、太陽能光伏等領域得到廣泛應用。單相電機家用電器領域：單相電機在制冷、空調、洗衣機、照明等小型家電領域得到廣泛應用。商業(yè)辦公領域：單相電機在音響設備、打印機、掃描儀等領域得到廣泛應用?？蒲信c教育領域：單相電機在實驗室、教學、科研環(huán)境中得到廣泛應用，例如：攪拌器、真空泵、離心機等。電機類型 應用領域 圖示資料來源：德力西電氣e電工公眾號，目前使用電容器或罩極法兩種路線解決單相電機啟動問題。直流電機和三相電機加電后可以自行啟動，并不需要專門的啟動策略和裝置。單相電機啟動難度較大，因此直到1889年特斯拉發(fā)明單相電動機的起動方法后才被生產(chǎn)出來。單相正弦電流通過定子繞組時，電機會產(chǎn)生交變磁場，該磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電機無法旋轉。目前主要使用安裝電容器的方法或者罩極法使電機啟動并持續(xù)旋轉。圖表32：裝配電容器單相電機的運行原理資料來源：電氣時代公眾號，圖表33：使用罩極法單相電機的運行原理資料來源：東莞市奇為電機科技有限公司公眾號，多相電機可使用低功率等級器件進一步實現(xiàn)低壓大功率調速。在冶金軋鋼、礦井提升、機車牽引、船舶推進等應用場合，對于調速傳動功率的需求不斷增大，通常采用的手段是提高電壓、增大電流。然而，受到功率開關器件耐壓及耐流值的限制，一般需要采用多電平技術或者開關器件串、并聯(lián)技術來實現(xiàn)大功率的三相變頻調速。實現(xiàn)大功率傳動的另外一種解決思路是增加電機的相數(shù)，降低對逆變器每相容量的要求。由于電力電子變頻器的廣泛應用，電機驅動完全可以不受三相供電系統(tǒng)限制，采用多相（相數(shù)多于三相）逆變器供電同樣可以實現(xiàn)大功率交流傳動。多相電機驅動系統(tǒng)可以使用低功率等級器件實現(xiàn)低壓大功率調速，減小電機的轉動波動，此外多相電機的控制資源更多，控制靈活度更高。圖表34：六相雙Y移30°繞組空間分布圖 圖表35：六相電機可實現(xiàn)低電壓大功率，同負載轉矩六相電流小資料來源：電氣時代公眾號， 資料來源：電氣時代公眾號，步進or伺服：伺服閉環(huán)相較步進開環(huán)控制精度較高，經(jīng)濟性較低伺服電機與步進電機主要結構差別在于有無編碼器。伺服電機是工業(yè)自動化行業(yè)中應用最廣的電機。伺服來自英文servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，實現(xiàn)對位置、速度、加速度和力矩的精準控制。伺服電機需要伺服驅動器及編碼器，驅動器根據(jù)編碼器反饋值與目標值進行比較，驅動伺服電機調整轉子轉動的角度，達到伺服控制的目的。步進電機源于自英語單詞“te（轉子軸）并不連續(xù)旋轉，而是以一定的旋轉角度間歇旋轉。步進電機根據(jù)脈沖信號，收到一次脈沖旋轉對應的一個步距角，并可調整脈沖頻率(一秒鐘發(fā)送的脈沖個數(shù))，精確地控制軸的旋轉角度和旋轉速度。但步進電機不需要編碼器進行反饋，屬于開環(huán)控制。圖表36：步進電機結構圖 圖表37：伺服電機結構圖 資料來源：鳴志電器官網(wǎng)， 資料來源：鳴志電器官網(wǎng)，步進電機和伺服電機都可作為控制系統(tǒng)使用。伺服電機是閉環(huán)控制，通過控制脈沖時間長短控制轉動角度。步進電機則屬于開環(huán)控制，通過控制脈沖個數(shù)以實現(xiàn)控制轉動角度的目的，一個脈沖對應一個步距角。伺服電機在接收一個脈沖過程中,將旋轉一個脈沖對應角度,以此達到實現(xiàn)位移的效果。伺服電機通過編碼器（旋轉檢測器）檢測出旋轉位置，并將編碼器檢測到的信息反饋給控制器來控制位置。因此能夠實現(xiàn)高精度停止，即使是在旋轉過程中停止，如果位置有偏差也能返回原來的位置。步進電機是把電脈沖信號轉換成角位移或線位移的一種開環(huán)控制元件，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，驅動器通過從控制器接收脈沖信號來控制位置。因此步進電機不需要檢測位置的機構，也無法識別位置偏差，可能會因意外的負載波動等原因而發(fā)生失步（指示的旋轉角度與電機旋轉不同步的狀態(tài)。圖表38：伺服電機閉環(huán)控制，將編碼器檢所得信息反饋給控制器來控制位置，步進電機開環(huán)控制無反饋過程資料來源：艾斯湃納官網(wǎng)，步進伺服電機伴隨自動化需求及工業(yè)機器人進步快速發(fā)展。伺服電機技術隨著工業(yè)機器人2050年代起重視工廠的自動化，并開始了以皮帶輸送機、自動化裝置、工業(yè)機器人等為代表的自動化進程。初期自動化裝置和工業(yè)機器人的執(zhí)行器使用液壓和氣壓定位，存在精度、使用穩(wěn)定性、漏油漏氣等問題。2060年代后直流伺服電機技術不斷發(fā)展開始用于工業(yè)機器人，以替代液壓和氣壓機構。2080年代交流伺服電機出現(xiàn)，順應機器人更小更輕的趨勢，如今交流伺服電機因其較高的實用性幾乎應用在所有工業(yè)領域的設備類產(chǎn)品上。步進電機同樣隨著數(shù)字電路發(fā)展在1977年步進電機相較伺服電機可靠性與控制精度較低，經(jīng)濟性較高。步進電機精度略低，可靠性較低；低速存在共振區(qū)，運行噪音較高；無過載能力，易失步；能量轉化效率低，自身損耗及發(fā)熱較高；動態(tài)響應慢，加減速低；但其調試較為簡單，成本更低。伺服電機具有響應速度快、定位控制精度高、加減速度快、速度不受負載影響等優(yōu)點，且轉速范圍寬、高速性能好、低速運行平穩(wěn)，同時抗過載能力強，適用于對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合。但伺服電機需使用昂貴的旋轉編碼器和伺服驅動器，成本比步進電機更高。因此，伺服電機更適用于要求高效率、高速高響應、高可靠性的場合，如工業(yè)機器人和精密機械的控制；步進電機用于要求不高、成本敏感的場合，如復印機、光盤驅動器等。圖表39：步進電機相較伺服電機可靠性與控制精度較低，經(jīng)濟性較高伺服電機 步進電機伺服電機 步進電機控制方式 控制沖間長控轉角的 通過控制脈沖的個數(shù)控制動角度，一個脈沖對應一個步距角，可通過制沖率行速控制系統(tǒng) 閉環(huán)統(tǒng)便自化制 開環(huán)統(tǒng)動不控工作流程 伺服電機為一個供電電源開關(繼電器開關或繼電器板卡)，一個驅步進電機是一個脈沖發(fā)生器，一個步進電機，一個驅動器(驅動器設定動器、一個伺服電機。

步距角角度，如設定步距角為0.45°，這時給一個脈沖，電機走0.45°)。低頻特性 交流服機轉常穩(wěn)即低速也會現(xiàn)動象。步進機低時出低振象。矩頻特性 交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2000或

300~600r/min。過載能力 交流服機有強過能。 步進機般具過能。速度響應性能交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要機為例，從靜止加速到其額定轉速3000r/min。僅需幾ms，可用200~400ms。于要求快速啟停的控制場合。價格 價格高 價格廉應用場景 自動販賣機、售票機、復印機、機器人、光盤驅動器（Blu-工業(yè)機器人的關節(jié)、人形類人）器人的關節(jié)、機械的控制置、電ray/DVD等）、激光打印機、數(shù)碼相機、空調導風板資料來源：工業(yè)機器人公眾號，

動車輛等的自動門、液晶和半導體的檢查裝置等的X-Y工作臺、沖壓和輥式給料機、機床和檢查裝置的旋轉工作臺伺服電機中交流逐漸替代直流，永磁同步交流伺服為主流之選。伺服技術持續(xù)由直流伺服系統(tǒng)轉向交流伺服系統(tǒng)。目前國際市場幾乎所有的新產(chǎn)品都是交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服系統(tǒng)中，電機的類型有永磁同步交流伺服電機（M）和感應異步交流伺服電機（其中永磁同步電機具備優(yōu)良的低速性能，可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調速范圍寬廣，動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在低成本或大功率場合得到重視。例30kW1FK、1FT系列，而功率在30kW1PH異步電機。圖表40：西門子1FK系列永磁同步伺服電機訂貨最大功率7.5kW 圖表41：西門子1PH系列交流異步伺服電機最大功率45kW資料來源：西門子官網(wǎng)， 資料來源：西門子官網(wǎng)，永磁同步電機伺服控制原理較交流異步電機更加簡單。伺服驅動器通過采用磁場定向的控制原理和坐標變換實現(xiàn)矢量控制，同時結合正弦波脈寬調制控制模式對電機進行控制。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，電機的轉矩便只和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相似，可得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同，通過檢測轉子的實際位置就可得知電機轉子的磁通位置；而對于異步電機而言，編碼器采集的轉子機械速度或位置信號并不是旋轉磁場速度，不能代表磁通位置，因此無法直接進行磁場定向完成閉環(huán)控制，需要考慮轉差。因此永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。圖表42：伺服電機閉環(huán)控制，將編碼器檢所得信息反饋給控制器來控制位置，步進電機開環(huán)控制無反饋過程資料來源：《交流異步電機伺服系統(tǒng)設計與研究》（王秀蓮等，2012），萬泰電機公眾號，旋轉or直線：直線電機可視為旋轉電機的結構變形，高速響應高精度直線電機可認為是旋轉電機徑向剖開后的變形，結構及運行原理與旋轉電機相似。電機誕生以來一直以旋轉電機形式存在，本篇報告此前部分都基于旋轉電機進行分類。直線電機是近年來快速發(fā)展的一種新型電機，直線電機運動形式是沿直線運動,不同于旋轉電機驅動直線運動時需要螺紋傳動裝置。直線電機主要由定子（初級、動子（次級、滑動導軌、位置測量系統(tǒng)和工作臺組成。直線電機的結構可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當于直線電機的初級，轉子相當于直線電機的次級，當初級通入電流后，在初級和次級之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產(chǎn)生驅動力，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。圖表43：直線電機可認為是旋轉電機徑向剖開后的變形，結構及運行原理與感應電機相似資料來源：《直線電機原理及其在精密工作臺中的應用》（張乾等，2017），直線電機在線性運動中無需傳動環(huán)節(jié)，可以達到高響應速度和高精度。旋轉電機在實際運用到線性運動中時，需要一系列中間傳動環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等，這些部件在啟動、加減速、反轉、停車等動作時產(chǎn)生彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成運動的滯后和非線性誤差，產(chǎn)生電能消耗。此外，這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質量，影響了對運動指令的快速響應。直線電機取消了從電機到工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，在做線性運動時無需將旋轉運動轉化為線性運動附加裝置，簡化了電機結構，實現(xiàn)“直接傳動”，也就是“零傳動”，排除中間環(huán)節(jié)造成的各樣誤差，減少了電能損耗，因此直線電機在性能上有原旋轉電機驅動方式無法達到的高精度、高速度、高加速度等性能指標和優(yōu)點。圖表44：直線電機具有高響應速度、高精度、加減速快等優(yōu)勢資料來源：電機新視界公眾號，直線電機主要應用于高精度高端場景。直線電機憑借本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能優(yōu)勢，主要應用于高精度或節(jié)拍要求較高的場景，高速磁懸浮列車是直線電機實際應用中最典型的例子。選擇發(fā)展直線電機的設備企業(yè)都采用揚長避短的手法，一是將直線電機應用在面向大批量生產(chǎn)、定位運動多、方向頻繁轉變的場合，如汽車零部件加工機床，快速原型機及半導體生產(chǎn)機等；二是用于荷載低、工藝范圍大的場合，例如電加工機床、等離子切割機、水切割機等。從應用行業(yè)角度來看，直線電機在3C、半導體、鋰電池、激光加工機床等領域應用較多，醫(yī)療（生命科學、醫(yī)療設備等、航空（飛行控制系統(tǒng)、飛行員反饋系統(tǒng)等）等領域也可看到直線電機的應用。圖表45：短初級直線感應電機在城市軌道通車輛的應用 圖表46：直線電機用于激光微加工平臺 資料來源：《直線電機在軌道交通中的應用與關鍵技術綜述》（呂剛，2020），

資料來源：新日升傳動公司公眾號，圖表47：多家公司布局直線電機業(yè)務廠商 直線電機業(yè)務Akribis雅科貝思 AWM系列、AXD-ERA系列直線電機等。公司于2005年引進優(yōu)秀海外團隊組建而成，參與《永磁式直線電動機通用技術條件》GB/T34115-2017

國家標準起草與制定，是大族激光的核心業(yè)務板塊之一。產(chǎn)品有外部驅動式直線步進電機（包含螺紋絲桿和滾珠絲桿），貫穿軸式直線步進電機，推桿式直線步進電機，永磁式直線步進電機。最大推力可達1100N，標準導程從0.6到25.4mm，最高速度可達254mm/s。德康威爾 DA-A60系列直線電機、DA-A82系列直線電機等。智贏制造 公司以直線電機、直線電機模組、DD馬達(力矩電機)、精密平臺、工業(yè)機器人為主導產(chǎn)品泰科貝爾 LMU無鐵芯直線電機系列、LMT有鐵芯直線電機系列。資料來源：電機新視界公眾號，典例：人形機器人/礦山機械/數(shù)控機床中多種電機“各司其職”人形機器人：無框力矩電機用于旋轉關節(jié)，空心杯電機為靈巧手核心部件人形機器人執(zhí)行器中主要使用無框力矩電機和空心杯電機。旋轉執(zhí)行器、線性執(zhí)行器、靈巧手共同構建人形機器人全身關節(jié)，目前人形機器人驅動主流方案都需電機完成電氣傳動。相比液壓驅動方案，電氣傳動方案可靠性和精度高、安靜、高效、成本低。人形機器人具有結構緊湊、關節(jié)扭矩大的特點，因此目前身體關節(jié)選用無框力矩電機，無框力矩電機一般為直流或交流的永磁電機；而手部電機要求體積小、精度高，主流應用為空心杯電機。圖表48：特斯拉Optimus旋轉執(zhí)行器中用無框電機 圖表49：特斯拉Optimus的手部模組 資料來源：TeslaAIDay2022， 資料來源：TeslaAIDay2022，無框電機因其效率高、體積小、單位體積扭矩高適合用在旋轉關節(jié)中。無框電機多采用大尺寸中空直徑和低重量高功率密度的設計，只有轉子和定子兩個部件，企業(yè)可以由此設計出自重輕，中空走線的關節(jié)。轉子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環(huán)組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機器殼體內(nèi)的電磁力。從性能特點來看：無框電機結構簡單、機械效率較高；高精度、高動態(tài)響應、小型化、大負載；轉子不動時，也可以提供穩(wěn)定扭矩。因此無框力矩電機被運用于需要小空間內(nèi)高力矩輸出的機器人關節(jié)內(nèi)部。但無框電機運行時加熱嚴重，需要散熱，對機器人散熱系統(tǒng)提出考驗。圖表50：無框電機多采用大尺寸中空設計 圖表51：Maxon無框電機套件外徑僅為43至90mm，極其緊湊資料來源：科爾摩根官網(wǎng)， 資料來源：Maxon官網(wǎng)，國內(nèi)企業(yè)無框電機已達到國際水平，單個價值量在千元左右。無框力矩電機相較于標準伺服電機技術難度更高，因為無框力矩電機屬于低壓電機，但其要求輸出的功率較大，同時又要求體積較小，便于安裝和節(jié)約空間。無框力矩電機主要應用在協(xié)作機器人領域，對整體安裝、固定的工藝及設計具有較高的要求。國外參與企業(yè)主要是科爾摩根、Moog、MaxonMotor等，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要是步科股份和昊志機電。目前步科股份的第三代無框力矩電機產(chǎn)品已可以對標國際領先產(chǎn)品并具備一定優(yōu)勢。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院測算，無框電機在1.5萬元的單個協(xié)作機器人關節(jié)中成本占比約為7%，價值量約為千元。圖表52：步科股份第三代無框電機可對標國際領先產(chǎn)品公司步科股份科爾摩根型號FMC085TBM2G-08513額定扭矩（N·m）1.81.65額定轉速（rpm）30005300定子外徑（mm）8585定子內(nèi)徑（mm）5842.5資料來源：《人形機器人迭代下供應鏈的新機遇》（華泰機械，2023年6月20日），圖表53：無框電機市場主要參與者 圖表54：單個1.5萬元協(xié)作機器人關節(jié)中框電機價值量約為千元8.0%

電機7.0% 傳感器.剎車科爾摩根MoogMaxon步科股份昊志機電簡介公司1949科爾摩根MoogMaxon步科股份昊志機電簡介公司1951年公司前身穆格閥門成立。與1961年成立，Maxon公式是全球領先的高精度驅動系統(tǒng)供應商。2022年，步科股份基于更多用戶痛點推出了第三代無框力矩電機FMC系列公司有無框力矩電機和諧波減速器產(chǎn)品。

減速器19.0%控制器57.0%資料來源：《人形機器人迭代下供應鏈的新機遇》（華泰機械，2023620日），

資料來源：《人形機器人迭代下供應鏈的新機遇》（華泰機械，2023年6月20日），空心杯電機屬于直流永磁伺服電機，體積小響應快，是靈巧手的核心部件?？招谋妱訖C在結構上突破了傳統(tǒng)電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。這種新穎的轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時其重量、體積和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由于轉子的結構變化而使電機的運轉特性得到了較大改善，不但具有突出的節(jié)能特點，更為重要的是具備了鐵芯電機所無法達到的控制和拖動特性。響應極快，時間可以在微秒級別，所圖表55：空心杯電機的優(yōu)勢特點 優(yōu)勢無齒槽效應 低俗平穩(wěn)運行；低震動、低噪音；轉子可控制在任意位置。結構緊湊 磁路設計更優(yōu)；功率密度更高；溫升低、效率高低電感 高動態(tài)響應；高加速度資料來源：鳴志電器官網(wǎng)，圖表56：有刷空心杯電機結構圖 圖表57：無刷空心杯電機結構圖 資料來源：鳴志電器官網(wǎng)， 資料來源：鳴志電器官網(wǎng)，空心杯電機應用領域廣泛，大批量生產(chǎn)為難點?？招谋姍C用途廣泛，包括工業(yè)控制、軍202331日披露的投資者調研紀要，德國FaulhaberMaxon銷售的空心杯電機+齒輪箱+32億歐元，產(chǎn)品主要面向軍工和工業(yè)市場?？招谋姍C核心技術難點在于大批量生產(chǎn)和精密齒輪箱減速器。國內(nèi)眾多廠商采用手工繞線的方式生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品壽命、精度方面存在劣勢。目前國內(nèi)生產(chǎn)空心杯電機的廠家主要有鳴志電器、江蘇雷利和偉創(chuàng)電氣。圖表58：空心杯電機用途廣泛，包括工業(yè)制、機器人、高端機床等 圖表59：傳統(tǒng)電機與空心杯電機結構及線差異 資料來源：鳴志電器官網(wǎng)， 資料來源：《PermanentmagnetDCmotorwithcorelesswinding》(Maxon,2010)，礦山機械：交流電機為主流，永磁電機節(jié)能特性順應“綠色礦山”礦山機械行業(yè)中主要使用高性價比感應電機，永磁電機因其節(jié)能屬性逐步開始應用。礦山機械傳輸設備主要使用同步或異步的交流電機。在礦井提升機為代表的礦山高性能調速應用中，交流同步電機的交-直-交變頻調速方案占據(jù)主要市場。鼠籠電機的交-直-交變頻調速系統(tǒng)更容易實現(xiàn)防爆設計，適應礦山開采現(xiàn)場大量灰塵，空氣潮濕的惡劣環(huán)境，所以在控制性能要求不高的井下皮帶輸送、暗井提升、水泵和輔助運輸系統(tǒng)中占據(jù)主流。開關磁阻電機變頻傳動主要應用于采煤機牽引和矸石山絞車等應用中。永磁同步電機因其節(jié)能特性及其他優(yōu)異性能，在礦井皮帶機、刮板輸送機和輔助運輸膠輪車等得到初步應用。圖表60：直流電機，交流異步電機，永磁同步電機三種礦山機械應用電機對比資料來源：電氣傳動公眾號，圖表61：佳電股份礦用機械電機中三相異步電動機為主流，部分場景嘗試永磁電機資料來源：佳電股份官網(wǎng)，礦山電力傳動由低調速能力交流傳動到直流傳動再到“交直交變頻調速”交流電動機主導，變頻器發(fā)展助推演變過程。我國礦山電力傳動系統(tǒng)發(fā)展歷程主要包括：階段一：十九世紀五、六十年代，我國礦山大功率電力傳動系統(tǒng)一般采用交流傳動方式。優(yōu)點是技術簡單，設備及安裝費用低，建筑面積小，運行維護容易。缺點是電氣調速性能差，需要另外增設傳動裝置，增加設備投資和系統(tǒng)的復雜性。階段二：十九世紀七十年代后，礦井規(guī)模變大深度變深，交流傳動控制方法不成熟且受到電動機和控制設備制造容量的限制，所以對提升容量大、速度快的大型礦井，一般采用直流傳動裝置。礦山大功率直流傳動系統(tǒng)主要采用晶閘管變流器—電動機傳動方式，動作速度快、調速平滑穩(wěn)定，但它產(chǎn)生較大的起動壓降，對電網(wǎng)的無功沖擊大；運行功率因數(shù)低效率低；電機費用高。階段三：隨著微電子技術、交流傳動控制理論的進一步發(fā)展，礦山大功率傳動的發(fā)展方向開始重新轉向交流傳動，交流變頻傳動正式開始占據(jù)市場主體。我國從1985年起引進交-交變頻設備，主要用于軋機和礦井提升機。三相交-交變頻的同步電機調速系統(tǒng)是低速、大功率、高性能傳動領域的選擇方案之一，并取得了良好的技術經(jīng)濟效益。但交-交變頻器需要為數(shù)眾多的晶閘管，在深控時功率因數(shù)低，對電網(wǎng)注入大量諧波，影響礦井電網(wǎng)質量，需要附加濾波器進行無功補償，增加了投資成本、占地面積和維護量。階段四：隨著交-直-交功率變換拓撲控制策略的成熟以及高壓大功率全控器件進入商品化時代，性能更為優(yōu)異的交-直-交大功率中高壓變頻器作為交-交變頻器的替代者并迅速確立其主導位置。單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器及中點箝位型三電平NPC變頻器助推交流電機傳動逐漸成為礦山電氣傳動的主流方案。圖表62：大功率礦井提升機為代表的礦山電力傳動發(fā)展歷程資料來源：電氣傳動雜志公眾號，礦井提升機：變頻調速助力下，交流電機憑借低成本和高安全性逐漸成為主流應用。起升機構的基本要求是速度平穩(wěn)、轉速范圍低、初始成本低、加減速特性平滑、起動和拉出力矩大、可靠性好。電礦井提升系統(tǒng)一般使用直流或三相感應電機作為驅動器，如何選擇取決于礦井提升要求、電力供應和成本，其中感應電機更為主流。直流電機可接受獨立加載，適應礦井提升機速度和轉矩的多樣性。感應電機結構簡單、堅固、施工成本低，魯棒性好，可靠性高，鼠籠感應電機更易進行防爆設計。感應電機在礦井提升機應用中的調速問題隨變頻器發(fā)展得到解決，2006NPC中壓變頻調速系統(tǒng)首先在礦井提升機領域得到應用，TKD系統(tǒng)進一步優(yōu)化調速方案。目前部分礦井也使用性能更加優(yōu)良、節(jié)能屬性突出但成本昂貴的永磁內(nèi)裝式礦井提升機。圖表63：ABB礦井提升機 圖表64：永磁內(nèi)裝式礦井提升機驅動原理 資料來源：ABB官網(wǎng)， 資料來源：《永磁內(nèi)裝式礦井提升機應用技術研究》（李玉強等，2019），數(shù)控機床：主軸多用感應電機，進給電機中永磁伺服為主流驅動電動機是數(shù)控機床的執(zhí)行元件，用來完成進給運動和主軸驅動。機床所使用的驅動電動機大致可以分為進給電動機和主軸電動機兩類，當幾個坐標的進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。用于驅動數(shù)控機床各個坐標軸進給運動的稱為進給電動機，操縱相應的手柄和轉盤，即可獲得所需要的進給量。而主軸電動機通常是旋轉運動，不需要絲杠或其他直線運動裝置。一般進給電機需要對刀具進行精準控制，使用步進電機或伺服電機；主軸電機主要使用三相交流異步電動機，部分也使用直流電動機。圖表65資料來源：沈陽中捷眾創(chuàng)智能裝備有限公司公眾號，臥龍電驅官網(wǎng)，登奇機電官網(wǎng)，交流異步電機性價比較高，為主軸電機主流應用。主軸電機強調力量，轉速高，較多情況沒有位置控制要求，速度精度要求不高。主軸電機主要需要滿足：1）電動機功率大，并且在大的調速范圍內(nèi)，速度要穩(wěn)定；2）在斷續(xù)負載下，電動機轉速波動要?。?）調速范圍較高但低于進給電機，保證數(shù)控機床合用于各種不同的刀具、加工材質；4）過載能力較強。目前機床主軸和主軸電機通常打包生產(chǎn)，融合后稱為電主軸，其中主軸電機大多使用性價比較高且具有過載能力的交流異步電機。但因為和伺服系統(tǒng)的適配以及良好性能，高速永磁交流伺服在部分高端機床應用上開始逐步取代異步變頻驅動，提高效率和速度。圖表66：臥龍電驅電主軸電機產(chǎn)品大多為交流異步電機資料來源：臥龍電驅官網(wǎng)，機床進給電機精度控制要求較高，永磁伺服電機為主流應用。進給電機更強調精度與效率，突出高速、高精、高動態(tài)、高剛性的特點。進給電機主要要求有：1）機械特性要求伺服電機的速降小、剛度大；2）快速響應，在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格；3）調速范圍大，使數(shù)控機床合用于各種不同的刀具、加工材質，適應各種不同的加工工藝；4）一定的輸出轉矩，并要求一定的過載轉矩。因此高端數(shù)控機床進給電機主要使用高功率密度永磁伺服電機，滿足高速、高精、高響應、高密度的裝備需求。進給電機的新方案為直線電機驅動數(shù)控工作臺，達到高效率快響應目的。根據(jù)雅科貝思數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的“旋轉電機+30-48m/min，反響間隙大于等于3μm，難以滿足部分高速高精度情況的加工需要。直線電機驅動工作臺做直線運動時無需機械傳動結構，降低誤差和磨損，提升精度、響應速度和壽命，其速度大于60m/min010年；直線電機直接驅動的工作臺無反向工作死區(qū)；由于電機慣量小，由其構成的直線伺服系統(tǒng)可以達到較高的頻率響應。圖表67：Akribis機床專用直線電機系列 圖表68：直驅伺服響應速度更快資料來源：Akribis公眾號， 資料來源：Akribis公眾號，圖表69：相比于傳統(tǒng)的伺服電機+滾珠絲桿/齒輪齒條的驅動方式，直線電機驅動在機床方面應用優(yōu)勢明顯對比項傳統(tǒng)旋轉電機直線電機快移速度36-48m/min≥60m/min定位精度0.005-0.1mm0.002-0.005mm反響間隙≥3μm≈0機床精度壽命2-3年10年資料來源：Akribis公眾號，華泰研究未來：定子扁線化與碳化硅應用成為提升電機能效新方向扁線定子設計通過增加槽滿率提升電機效率、功率密度、散熱能力。傳統(tǒng)的永磁同步電機使用圓線電機，圓線電機中線圈繞組在電機內(nèi)部線圈槽內(nèi)，相鄰三根圓線之間會有空隙，空間利用率低，功率密度偏低，動力偏弱。扁線電機定子繞組所用的導線形態(tài)發(fā)生變化，從多根細的圓線轉變成幾根粗的矩形導線，根據(jù)匯川聯(lián)合動力數(shù)據(jù)，相比圓線電機，扁線20%2022年在論文《電動汽車用扁線永磁電機交流銅耗計算與分析研究》中提到，采用不同截面配比的扁線纏繞可1000Hz23.5%的銅耗。綜合相比傳統(tǒng)原線電機，扁線電機具NVH性能（電磁噪音低圖表70：傳統(tǒng)圓線繞組存在較大空隙 圖表71：矩形扁線繞組空間利用率更高 資料來源：《電動汽車用扁線永磁電機交流銅耗計算與分析研究》（胡昊波，2022），

資料來源：《電動汽車用扁線永磁電機交流銅耗計算與分析研究》（胡昊波，2022），扁線電機目前主要應用于新能源汽車，多企業(yè)布局扁線業(yè)務。扁線電機還沒有進入大規(guī)模應用階段，當前主要應用為電動汽車市場，其中特斯拉、廣汽、蔚來、比亞迪、吉利、上汽等相繼采用扁線電機。2020ONEES6等車型開始采用扁銅線繞組永磁同步電機，2023U8NE時代數(shù)據(jù)，2022276.247.6%。目前由于研發(fā)能力及技術水平的不同，各個廠家在扁線電機的布局進度不盡相同，扁線電機廠商中按照出貨量排序，弗迪動力領先，特斯拉、聯(lián)合電子排名二、三名。國內(nèi)匯川技術、方正電機、大洋電機等企業(yè)都在持續(xù)研發(fā)扁線繞組技術，目前都已量產(chǎn)出貨。圖表72：多家企業(yè)布局扁線業(yè)務企業(yè) 扁線業(yè)務發(fā)展情況弗迪動力 2015年啟動扁線電機技術自主研究，2017年扁線電機首樣成功，國內(nèi)率先實現(xiàn)6層扁線設計，次年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)如今已實現(xiàn)扁線電機研發(fā)設計、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝的自主化。特斯拉中國 特斯拉擁有5種型號的驅動電機，包括3臺圓線電機和2臺扁線電機。2021年，特斯拉換裝國產(chǎn)扁線機3D6，帶動滲透率大幅提升。方正電機 2018年，方正電機引入牛名奎博士后，系統(tǒng)開發(fā)了扁線電機以及自動化生產(chǎn)設備，目前已經(jīng)小批量供應。聯(lián)合電子 2021年，聯(lián)合電子首次提出X-Pin繞組概念，并于2023年6月率先實現(xiàn)批產(chǎn)應用，首批500件X-Pin樣件在聯(lián)合電子太倉工廠下線。大洋電機 2021年7月，大洋電機在投資者互動平臺上表示，扁線電機技術已在48VBSG總成產(chǎn)品上實現(xiàn)應用和量產(chǎn)。匯川聯(lián)合動力 蘇州匯川聯(lián)合動力扁線電機已在多個客戶車型上批量，2022年發(fā)貨20萬臺以上。資料來源：行家說動力總成公眾號，扁線電機工藝復雜、設備精度要求高，限制大規(guī)模量產(chǎn)。扁線電機雖然性能較強但大規(guī)模應用不易，主要因為扁線電機制造工藝復雜、設備精度要求高，必須依賴專業(yè)的高端設備才能實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。扁線電機裝配可分為定子、轉子、合裝三大工藝環(huán)節(jié)，其中轉子線和合裝線相對簡單，而定子裝配線有多道復雜工序，對設備精度和工藝一致性要求極高。PIN成型（裁斷、移載以后，通過折彎或沖壓的方式制成繞組，主要為制成H、扭轉（將插好PIN的定子端部的PIN腳按照先外層后內(nèi)層的順序進行交錯扭轉變形、動平衡（對電機轉子進行動平衡檢測并切削加工工藝定義難點解決方案（以匯川技術為例）圖表73：扁線電機工藝復雜、設備精度要求高工藝定義難點解決方案（以匯川技術為例）PIN成型 PIN成型指將扁漆包線放卷、難點在于放卷張力控制和沖壓矯直、去漆皮、去毛刺、牽引、裁斷、移載以后，通過折彎或沖壓的方式制成HPin。

成型要求高精度；去漆皮、去毛刺、牽引、裁斷要求既保證功能實現(xiàn)，又需要盡可能降低機械沖擊和伺服負載率。扭轉PINPIN電機定子一般有484~8層扁線。扭轉過程中，Z保持一定同步關系。動平衡 動平衡即對電機轉子進行動平

工藝難點在于根據(jù)