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电机行业深度:发展现状、国产替代机遇、产业链及相关公司深度梳理

发表时间:2024-03-14 访问量:2129

电机是一种将电能转换为机械能的装置。大多数电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作用来产生扭矩,作用在电机轴上形成力。电机应用场景众多,在消费市场、工业、车载等都有应用。

下面我们首先通过复盘海外高端电机厂商的发展历程,了解率先布局高壁垒/新兴领域+掌握一体化技术、掌握先发优势是维持电机企业高利润的关键。当前电机行业竞争激烈,人形机器人蓄势待发,驱动电机厂商抓住技术更新迭代的机遇,及时布局伺服电机、空心杯电机、无框电机等,真正实现国产替代冲出重围,在下一阶段竞争中抢占先机。

01电机行业概述

1.电机定义及组成

电机是一种利用电与磁相互作用从而实现能量转换与传递的机械电磁装置。广义的电机包括电动机、发电机和特种电机。电动机从电系统吸收电能,向机械系统输出机械能,各类型的电机广泛应用于我国经济生产各部门以及家用电器中,主要作为驱动各种机械设备的动力;发电机从机械系统吸收机械能,向电系统输出电能,发电机和相关设备的技术进步,使人们能够利用热能、水能、核能以及风能、太阳能、生物质能等能源发电,向国民经济各部门和广大城乡居民提供所需电能;特种电机主要是指使用环境、生产工艺、技术标准等比较特殊而区别于普通电机的电机。

从结构上来看,不同类型电机结构虽然不同,但一般都是由三大部分组成,即固定部分、转动部分和辅助部分。固定部分主要由定子机座、机架、定子铁心、定子绕组、端盖及底板等导磁、导电和支撑固定等结构部件组合;电机的转动部分包括转轴、转子铁心、转子支架、转子绕组、集电环、换向器和风扇等部件;辅助部分包括轴承、电刷和冷却器等。


2.电机分类

电机有多种分类方式,按照应用领域分为动力电机和控制电机;按照电源类型分为直流电机和交流电机。

(1)按照应用领域分为动力电机和控制电机

动力电机输出功率较大,注重电机的驱动、运行及制动性能,主要应用于汽车、家电、小型机床等领域。控制电机侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标,精度高、响应速度快,主要在自动控制系统中承担执行、检测和解算功能。

1)动力电机

按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转电机展平而得,其定子叫初级、转子叫次级,其优势在于可以直接将电能转换为直线运动的机械能,而无需再借助中间转换装置。常见的直线电机可分为U型槽式、平板式和管式。其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱动电机,例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。

2)控制电机

按照控制方式进一步分为步进电机、伺服电机、力矩电机。

步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电动机,每输入一个脉冲信号,步进电机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低,多用于办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。 

伺服电机相较于步进电机增加了编码器与反馈机制,使得驱动器可以根据目标值与编码器的反馈信号之间的差异来调整转子转动的角度,从而可实现更精密的控制,主要适用于半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等对于控制精度、速度响应、过载能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机是一种特殊的伺服电机,采用无铁芯转子,呈空心的杯状结构,内部环绕着绕组和磁铁。

力矩电机是以扭矩为控制方向的电机,采用开环控制。当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩,当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。在电动机低速甚至堵转(转子无法转动)时仍能持续运转,不会造成电动机的损坏,并提供稳定的力矩给负载,具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好等优点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。

(2)按照电源类型分为直流电机和交流电机

直流电机由直流电源驱动,交流电机由交流电源驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大,适用于在重负载下启动或需要均匀调节转速的机械。交流电机效率高、噪音低,常用于家用电器中。

1)直流电机

按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机,为使转子转动需要不断改变电流方向。

有刷电机采用机械换向,内部的电枢和换向器一起旋转,而外部的磁极和电刷都不动。通过换向器与电刷的交替接触,电机运行时电流的方向就会不断改变,从而改变电机的运动方向。其优势在于启动快速、制动及时、调速平稳,并且启动电流大、在低速时扭矩大,因而能带很重的负荷,常用在电钻等日常电动工具中。但由于换向器与电刷之间存在摩擦,因而电刷易损耗、寿命短,并且效率较低。

无刷电机采用电气换向,以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置,其线圈不动而磁极旋转。其原理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置,从而适时切换线圈中电流的方向,以产生正确方向的磁力来驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用寿命长、运行时间和电压比较稳定。

2)交流电机

交流电机按照电源类型分为单相电机与三相电机。单相电机采用单相交流电源供电,定子仅含一个绕组,需借助启动线圈或运行电容器等以产生旋转磁场。特点是结构简单、维修方便,多应用于小型家用电器等生活场景。三相电机采用三相交流电源供电,定子绕组分为三组,通入互差120°的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性和精度高,多用于水泵、机床等工业领域。

交流电机按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同,交流电机分为同步电机与异步电机。同步电机的转速恒定,而异步电机的转速可以随着负载的变化而调节。常见的电力拖动机械大多由异步电机驱动,如空气压缩机、鼓风机、大型起重设备等。而同步电机主要适用于要求转速恒定的大功率生产机械,如连续式轧钢机、球磨机等,由于其造价昂贵、维修困难而应用较少。


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