电气传动行业市场分析

电气传动行业市场分析电气传动：灵活多面手，应用广阔市场分散电气传动系统概览：灵活多面手电气传动使用电动机将电能转换成机械能，带动各类型生产机械、交通车辆及运动物品。电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，主要结构为定子和转子，其中定子为静止部分，包含定子铁心（电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组）、定子绕组（电动机的电路部分，产生旋转磁场）和机座（固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用）；转子为旋转部分，包括转子铁心（作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组）、转子绕组（切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转）。电气传动在运动控制及精确度方面优势显著，广泛应用于工业机械。相较于其他传动方式，电气传动的优点主要包括：1）易于实现自动化与远程控制，精确度高：电气传动根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计算机技术支持下，控制精度大大超过其他控制方式。2）节省能源：电能的获得和转换比较经济，传输和分配比较便利。3）改善环保水平：由于使用能源品种的减少及其优化的性能，减少污染源。4）降低噪音。5）节约成本：去除液压油的成本和引起的麻烦，没有硬管或软喉，无须对液压油冷却，大幅度降低了冷却水成本。但电动机运动平稳性较差，易受外界负载的影响；惯性大、换向慢；元件可能要耗用大量有色金属成本高；受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。电机行业格局分散，国内电机“量增”到“质提”走向高端2020年全球电机市场千亿美元，交流电机占比70%。GrandviewResearch的研究数据显示，2020年全球电机市场规模为1427亿美元，其中交流电机市场占比70.7%。预计2021-2028年全球电机市场规模复合增长率将达到6.40%。2020年下游细分市场中汽车占比最高，占40.5%，其次为工业机械、HVAC设备（供热、通风与空气调节）、空调、运输、家电等。电机市场中工业电机行业快速增长，根据MordorIntelligence公布的数据，2021年全球工业电机市场规模约为214.1亿美元，预计2028年可达240.9亿美元。根据研究数据，2021年中国工业电机市场规模为765亿元，占中国整体电机市场规模的18%。电机行业总量大但单品产量小，定制属性强，机型及应用行业较分散。电机行业虽总量较大、但单品产量较小且定制属性较强，标准化的单品批量生产较少，各公司深耕于各个细分领域，应用于不同场景，占据不同细分市场份额，整体竞争格局高度分散。电机行业公司策略主要可以分为两类：1）深耕技术路径：同一种技术路径的电机应用于不同场景，部分公司深耕某种技术路径的电机，如空心杯电机或同步永磁电机，再根据场景进行调整和定制化；2）深耕行业：相同行业应用机型选择多，分别占据一定细分市场份额，部分公司瞄准单品销量较大的下游行业，如汽车电机、工程机械电机、洗衣机电机等，生产行业中主流应用电机，公司产品具有性价比优势。两种策略形成相同结果，即电机市场中产品多样，机型及应用行业都较为分散，各公司覆盖产品繁多。外资企业占据高端位置，国内龙头在各自侧重领域走向高端。目前国内电机行业市场参与者数量众多，竞争激烈。市场第一梯队为以西门子、ABB和Maxon为代表的外资工业电机品牌生产商，其技术成熟并积累了丰富的客户资源，主要占据工业控制、航空航天、军工、精密医疗器械等领域的中高端市场。第二梯队为国内汇川技术、卧龙电驱、大洋电机、鸣志电器等龙头企业，各生产厂商在其侧重的领域占据部分中端市场并逐步走向高端，不断向第一梯队进发。第三梯队为以中小企业为主的中国本土工业电机生产商。该类企业所生产工业电机产品价格低廉，产品同质化相对严重，产品稳定性相对差。我国工业电机行业长期呈现贸易顺差，但出口产品较为低端。据海关数据显示，中国工业电机进出口总额从2017年的137.38亿美元上升至2020年的139.47亿美元，2020年受疫情影响同比减少1.66%；2017-2019年贸易顺差呈现扩大趋势，从61.9亿美元上升至71.08亿美元，2020年受疫情影响有所下降，为66.67亿美元。随着国产电机技术不断进步，我国电机行业贸易顺差有望继续保持扩大趋势。从出口产品来看，2020年出口金额占比最大的产品是直流电动机及直流发电机，输出功率≤750W，出口金额为27.35亿美元，占出口总额的比例达到26.54%。其他单相交流电动机出口金额占比排名第二；而较为高端的多相交流电动机和微电机出口占比较小。电机六大技术路线选择排列组合，顺势而生各有千秋电动机核心为技术路线和结构的排列组合，多种类型适应下游多种应用场景。自1821年法拉第首次利用电流磁效应将电能转变为旋转运动的机械能以来，电动机在下游需求和技术突破的不断推动下，从最初诞生时的简单结构，发展到现在运用各种材料，不同原理的产品。各种技术路径的电机都有其优势及劣势，适用于下游不同的应用场景。我们总结电机技术有六大关键技术选择，分别是交流/直流、同步/异步、永磁/电磁、单相/三相、控制方式步进/伺服、直线/旋转。各种电动机产品其实是不同技术路线排列组合后的产物，对于一个电机产品，首先需要结合应用场景进行排列，决定其最重要的性能要求；之后选择多种技术路线的组合达到其最优方案。直流or交流：换向/调速为核心问题，霍尔元件/变频器助推无刷替代有刷直流电机与交流电机由于供电电源不同，结构差异较大。直流电机使用直流电作为电源，而交流电机使用交流电作为电源。电动机需要改变电流方向，产生交变的磁场获得力矩以维持电机的连续旋转。目前电机有三种方式达到该目的：1）直流电+换向器+电刷完成机械换向，对应直流有刷电机；2）直流电输入+电子换向器使直流电变为交流电完成电子换向，对应直流无刷电机；3）直接将交流电通入定子绕组产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，对应交流电机。不同原理使三种电机结构不同，直流有刷电机磁场固定不动，洛伦兹力驱动电机内转子旋转，配有电刷和换向器；直流无刷与交流电机结构相似，外围线圈通入交流电形成旋转磁场带动转子转动，直流无刷以霍尔元件取代碳刷换向。直流电源率先产生赋予直流电动机“先发优势”，交流电机受益于交流电系统和控制元件发展，后来居上成为主流。直流电源的发明使直流电机率先被研制完成，1832年英国物理学家威廉·斯特金发明了换向器并制造了有刷直流电机，但由于其低功率输出，应用上受到严重限制。1834年达文波特发明了第一台电池供电的直流电机，但仍无法摆脱功率和效率问题。19世纪80年代直流输电技术发展遇阻，交流电系统因为传输损耗小、易变压等原因逐渐成为主流，交流电机也应运而生。1885年特斯拉根据旋转磁场理论制成了第一台两相感应电动机。1889年第一台三相鼠笼式感应电动机诞生。同时随着各种新型功率半导体器件和计算机控制技术的进步替代机械换向，无刷直流电机得到快速发展。直/交流核心问题一：直流电机需完成换向，电刷从核心到桎梏限制直流电机应用场景。直流电机可以采用电刷完成机械换向，形成直流有刷电机；也可以使用电子换向器代替电刷形成直流无刷电机，换相的工作交由控制器中的控制电路（一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器）来完成。而交流电机直接产生旋转磁场无需换向器。直流电机的电刷面临磨损和噪音的问题，限制其应用场景。电刷和集电环之间存在机械摩擦，增加了工人的检修维护量，寿命短，需频繁更换刷子；磨损意味着直流电机的转速受到限制，无法满足高速运转的条件；此外机械换向会产生火花，打火不仅会造成电刷和换向器的烧蚀还会带来噪声，使直流电机无法应用在部分需要防爆、静音的工况中。取代电刷完成电子换向需要精确获得转子位置，霍尔元件提供低成本、易操作方案。20世纪中叶半导体与集成电路技术的发展推动了霍尔传感器发展，1962年无刷直流电动机随之产生，其利用电子开关线路和霍尔传感器来代替有刷直流电机电刷和换向器，具有直流电机的良好调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花的优势。无刷直流电机需要监测转子位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电维持旋转。转子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。多数无刷直流电机在非驱动端上的定子中嵌入三个霍尔传感器，转子磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，根据电平时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。直/交流核心问题二：直流电机方便调节转速，变频技术发展提升交流电机调速性能。直流电机可以方便地通过改变电压调节转速，并可以提供较大的转矩，适用于需要频繁调节转速的负载，如钢厂的轧机，矿山的提升机等。但随着变频技术的发展，交流电机同样可以通过改变频率来实现调节转速，使交流电机得到和直流调速一样优异的调速性能，并且其功率还不存在换向器的限制。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术，其中交直交变频器由整流器（交流变直流）、滤波系统和逆变器（直流变交流）三部分组成。交-交变频电路由正、负两组相控整流器组成。交直交变频技术中PWM逆变为主流，交交变频效率较高。交直交变频器一般采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式。采用PWM逆变可以减少输出谐波，PWM逆变器使用IGBT和碳化硅器件后可提高开关频率。交直交变频控制简单，所用晶闸管元件少，利用率高，且频率调节范围宽，适合应用于要求精度高、调速性能较好、频率调节范围宽的场合。交-交变频电路由正、负两组相控整流器组成，通过适当的相位控制，使两组整流器轮流导通，正、负组整流器分别流过负载中的正向和反向输出电流。交交变频技术只通过一次变流，省略了直流转换的步骤，效率较高；但该技术调节频率最大输出频率较低，适合于低速大容量的调速系统，如轧钢、水泥、牵引等场景。永磁or励磁：交替并行发展，高性能永磁体提升电机功率和效率电机磁场的提供方式经过低性能磁铁—电磁体—高性能永磁体与电磁并行三个发展阶段。永磁电机由永磁体提供电机的磁场，励磁电机由励磁线圈提供磁场。1821年法拉第制造的第一台电机是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但其使用的永磁材料天然磁铁矿石磁能密度低，制成电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。电磁直流电机1834年由雅各比发明并在1880年普及，它的出现让性能不佳的永磁电机发生历史停顿，但同样存在功率密度偏低的问题。20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积可达40kJ/m3）大大提升了磁体磁性能，提升电机功率和效率。随着钕铁硼等材料性能的提高和价格的降低，永磁电机应用领域不断扩大。高性能永磁电机高效率大功率但成本较高，励磁电机易于调节但效率较低。永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、用铜量少质量轻、损耗小、效率高等显著特点，并且其形状和尺寸可以灵活多样，应用范围较为广泛。高性能钕铁硼永磁具有较高的磁性能指标，高剩磁及高矫顽力，可提升电机的电能转化效率。永磁同步电机能在低速情况下产生较大扭矩，功率系数高，在相同的功率和扭矩情况下重量和体积更小。但永磁体价格较为昂贵，根据中钨在线数据，2023年8月30日钕铁硼毛坯55N方块235元/千克；且高温退磁、磁场不可调节等问题限制了永磁电机在特定场合中的应用。励磁电机更易于调节，功率因数可控性好，但励磁损耗的存在一方面降低了电机效率，另一方面增大了温升过高的风险。稀土永磁高剩磁密度、高矫顽力提升电机效率与功率。永磁体根据材料不同主要可以分为铁氧体永磁、铝镍钴永磁、稀土永磁。根据一览众咨询数据，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36-160kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2-0.44T），限制了它们在电机中的应用范围。稀土永磁主要包括稀土钴永磁和钕铁硼永磁，具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能，体积更小效率更高，广泛应用于大型电站、矿山、石油、化工等行业所需的兆瓦级电机。未来永磁体可能向纳米复合永磁体等超材料方向发展。不同电磁励磁方式具有不同机械特性，串励过载能力较强。电磁直流电动机的励磁方式主要有四种：1）串励：内部的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器串联；2）并励：内部的励磁绕组和转子绕组之间并联；3）他励：内部的励磁绕组接到独立的励磁供电，励磁电流较为恒定；4）复励：定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组。并励和复励电动机的机械特性较硬，而串励电动机具有软机械特性，轻载时转速增高，重载时转速降低，有较大的过载能力，有利于生产率的提高。串励电机没有理想空载转速，不能用于再生制动。但通过将串励电动机的励磁电路改接成并励或复励接法，可以获得较理想的空载转速机械特性，但励磁电路损耗也会增大。新兴混合励磁电机结合永磁与电励磁优势，宽调速应用场合前景广阔。美国科学家最早在1985年提出混合励磁概念，混合励磁电机是永磁电机和电励磁电机的有机结合，通过改变永磁电机的局部结构，放入电励磁绕组，从而能够灵活地调节气隙磁场。混合励磁电机既有永磁电机功率密度高的优点，又可实现调节电机内磁场的目的，解决永磁电机调磁困难，恒功率调速范围窄的问题。但目前混合励磁电机仍然处于研究和发展阶段，电机的结构设计复杂，制造工艺过程复杂，由于电机结构和励磁方式的多样性，使得混合励磁电机的数学模型复杂多样，电机的控制过程中，可控变量增加，数学模型更加复杂，为使电机的控制更加灵活，同时控制算法也变得更复杂。同步or异步：同步电机节能高效高功率，异步电机具有成本优势异步电机与同步电机区别在于转子是否产生磁场、速度与定子旋转磁场速度是否一致。同步电机和异步电机最大的区别在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致，电机的转子速度与定子旋转磁场相同称为同步电机，反之则称为异步电机。同步电机和异步电机的定子侧结构完全相同，都包含有定子铁心和定子三相对称绕组，区别为转子的结构不同。异步电机(感应电机)转子中并不直接产生磁场，其通过定子的旋转磁场在转子闭合导体中激发感应电流，进而产生电磁转矩，其中只有转子的转速小于同步速(小于同步速的差值是转差率)才能提供转子感应电流；同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或电励磁产生)，定子旋转磁场“拖着”转子磁场(转子)转动，因此转子的转速等于同步速。同步电机运行速度与负载无关精度更高，异步电机成本较低应用广泛。同步电机以同步速度运行，与负载无关，rpm(转速)＝120f(电源频率)/p(极对数)；异步电机的速度取决于它的负载，随负载增加而降低，且总是小于同步速度。rpm=120f/p-s，s代表滑差。同步电机的精度高、效率高，但造工复杂、造价高、维修相对困难。异步电机虽然反应慢，但易于安装、使用，同时价格便宜。因此同步电机用于功率因数校正，恒速负载服务，传输线的电压调节，精密伺服机构等，也用于驱动大型机械如轧钢机、压缩机、球磨机等。异步电动机其容量从几十瓦到千瓦不等，广泛应用于工业、农业等行业驱动机械负载，比如工业传动中的中小型轧钢设备、金属切削机床、传送带，混合机，矿井提升机和通风机。同步电机中永磁、磁阻和磁滞电机分别应用永磁转矩、磁阻转矩和磁滞转矩驱动电机。同步电机可分为永磁、磁阻、磁滞电机，其中磁阻电机、磁滞电机运行原理与永磁电机等传统的交直流电动机有根本区别。磁阻同步电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生磁拉力（即磁阻转矩）驱动电动机旋转。磁阻电机转子由钢片（铁磁性材料以及非铁磁性材料交替组成）冲压叠制而成，呈凸极形状，没有绕组或永磁材料，成本与异步机相当，但具有高效率高可靠性、节能、调速范围广等多种优点。特斯拉Model3的新型IPM-SynRM电机是同步磁阻电机。磁滞电动机是利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行的小功率同步电动机，运行安静操作可靠。单相or三相：三相电机稳定高效，单相电机需使用电容器/罩极启动三相电机和单相电机区别在于所供交流电的相位。三相电机需要三相交流电源，而单相电机则只需要单相交流电源。1889年，世界上第一台三相鼠笼式感应电动机诞生；同年特斯拉设计带辅助相的单相感应电动机，解决了单相感应电动机的启动问题。运行原理方面，三相电机没有电容器，采用三相交流电源。定子绕组通入相位差为120°的三相交流电产生旋转磁场，转子在旋转磁场中受到电磁力旋转。目前主流单相电机需要电容器，拥有相位相差90˚的主副线圈，通过电容器移相使得正弦交流电相位一前一后给主副线圈供电，使线圈产生一前一后的磁场力发生旋转。单相电机使用方便应用偏生活化，三相电机稳定高效工业场景应用居多。单相电机需要启动电容，启动电流大，三相电机直接启动，启动电流小。三相电机更具有耐用性、可靠性和稳定性，因此能够带来高功率和高速度的表现，一般被用于大型工业设备中，例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等。单相电动机只需要单相交流电，具有使用方便、结构简单、成本低廉、噪声小、安装方便、对无线电系统干扰小等优点，但是功率和速度受限，适用场景相对狭窄，常用在功率不大的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器和小型动力机械中。目前使用电容器或罩极法两种路线解决单相电机启动问题。直流电机和三相电机加电后可以自行启动，并不需要专门的启动策略和装置。单相电机启动难度较大，因此直到1889年特斯拉发明单相电动机的起动方法后才被生产出来。单相正弦电流通过定子绕组时，电机会产生交变磁场，该磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。目前主要使用安装电容器的方法或者罩极法使电机启动并持续旋转。多相电机可使用低功率等级器件进一步实现低压大功率调速。在冶金轧钢、矿井提升、机车牵引、船舶推进等应用场合，对于调速传动功率的需求不断增大，通常采用的手段是提高电压、增大电流。然而，受到功率开关器件耐压及耐流值的限制，一般需要采用多电平技术或者开关器件串、并联技术来实现大功率的三相变频调速。实现大功率传动的另外一种解决思路是增加电机的相数，降低对逆变器每相容量的要求。由于电力电子变频器的广泛应用，电机驱动完全可以不受三相供电系统限制，采用多相（相数多于三相）逆变器供电同样可以实现大功率交流传动。多相电机驱动系统可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速，减小电机的转动波动，此外多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。步进or伺服：伺服闭环相较步进开环控制精度较高，经济性较低伺服电机与步进电机主要结构差别在于有无编码器。伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。伺服来自英文servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机需要伺服驱动器及编码器，驱动器根据编码器反馈值与目标值进行比较，驱动伺服电机调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。步进电机源于自英语单词“Step”，意为“走一步”，其电机轴（转子轴）并不连续旋转，而是以一定的旋转角度间歇旋转。步进电机根据脉冲信号，收到一次脉冲旋转对应的一个步距角，并可调整脉冲频率(一秒钟发送的脉冲个数)，精确地控制轴的旋转角度和旋转速度。但步进电机不需要编码器进行反馈，属于开环控制。步进电机和伺服电机都可作为控制系统使用。伺服电机是闭环控制，通过控制脉冲时间长短控制转动角度。步进电机则属于开环控制，通过控制脉冲个数以实现控制转动角度的目的，一个脉冲对应一个步距角。伺服电机在接收一个脉冲过程中,将旋转一个脉冲对应角度,以此达到实现位移的效果。伺服电机通过编码器（旋转检测器）检测出旋转位置，并将编码器检测到的信息反馈给控制器来控制位置。因此能够实现高精度停止，即使是在旋转过程中停止，如果位置有偏差也能返回原来的位置。步进电机是把电脉冲信号转换成角位移或线位移的一种开环控制元件，其旋转角度与脉冲数成正比，驱动器通过从控制器接收脉冲信号来控制位置。因此步进电机不需要检测位置的机构，也无法识别位置偏差，可能会因意外的负载波动等原因而发生失步（指示的旋转角度与电机旋转不同步的状态）。步进/伺服电机伴随自动化需求及工业机器人进步快速发展。伺服电机技术随着工业机器人的进步而有显著发展。美国从20世纪50年代起重视工厂的自动化，并开始了以皮带输送机、自动化装置、工业机器人等为代表的自动化进程。初期自动化装置和工业机器人的执行器使用液压和气压定位，存在精度、使用稳定性、漏油漏气等问题。20世纪60年代后直流伺服电机技术不断发展开始用于工业机器人，以替代液压和气压机构。20世纪80年代交流伺服电机出现，顺应机器人更小更轻的趋势，如今交流伺服电机因其较高的实用性几乎应用在所有工业领域的设备类产品上。步进电机同样随着数字电路发展在1977年后被大规模应用于软盘驱动器和硬盘上。步进电机相较伺服电机可靠性与控制精度较低，经济性较高。步进电机精度略低，可靠性较低；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；但其调试较为简单，成本更低。伺服电机具有响应速度快、定位控制精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点，且转速范围宽、高速性能好、低速运行平稳，同时抗过载能力强，适用于对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合。但伺服电机需使用昂贵的旋转编码器和伺服驱动器，成本比步进电机更高。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，如工业机器人和精密机械的控制；步进电机用于要求不高、成本敏感的场合，如复印机、光盘驱动器等。伺服电机中交流逐渐替代直流，永磁同步交流伺服为主流之选。伺服技术持续由直流伺服系统转向交流伺服系统。目前国际市场几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在交流伺服系统中，电机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM）。其中永磁同步电机具备优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在低成本或大功率场合得到重视。例如西门子的伺服电机在功率为30kW以下多采用永磁同步电机1FK、1FT系列，而功率在30kW以上多采用1PH异步电机。永磁同步电机伺服控制原理较交流异步电机更加简单。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理和坐标变换实现矢量控制，同时结合正弦波脉宽调制控制模式对电机进行控制。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，通过检测转子的实际位置就可得知电机转子的磁通位置；而对于异步电机而言，编码器采集的转子机械速度或位置信号并不是旋转磁场速度，不能代表磁通位置，因此无法直接进行磁场定向完成闭环控制，需要考虑转差。因此永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。旋转or直线：直线电机可视为旋转电机的结构变形，高速响应高精度直线电机可认为是旋转电机径向剖开后的变形，结构及运行原理与旋转电机相似。电机诞生以来一直以旋转电机形式存在，本篇报告此前部分都基于旋转电机进行分类。直线电机是近年来快速发展的一种新型电机，直线电机运动形式是沿直线运动,不同于旋转电机驱动直线运动时需要螺纹传动装置。直线电机主要由定子（初级）、动子（次级）、滑动导轨、位置测量系统和工作台组成。直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初级和次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。直线电机在线性运动中无需传动环节，可以达到高响应速度和高精度。旋转电机在实际运用到线性运动中时，需要一系列中间传动环节，如联轴节、丝杠等，这些部件在启动、加减速、反转、停车等动作时产生弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成运动的滞后和非线性误差，产生电能消耗。此外，这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。直线电机取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，在做线性运动时无需将旋转运动转化为线性运动附加装置，简化了电机结构，实现“直接传动”，也就是“零传动”，排除中间环节造成的各样误差，减少了电能损耗，因此直线电机在性能上有原旋转电机驱动方式无法达到的高精度、高速度、高加速度等性能指标和优点。直线电机主要应用于高精度高端场景。直线电机凭借本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能优势，主要应用于高精度或节拍要求较高的场景，高速磁悬浮列车是直线电机实际应用中最典型的例子。选择发展直线电机的设备企业都采用扬长避短的手法，一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合，如汽车零部件加工机床，快速原型机及半导体生产机等；二是用于荷载低、工艺范围大的场合，例如电加工机床、等离子切割机、水切割机等。从应用行业角度来看，直线电机在3C、半导体、锂电池、激光加工机床等领域应用较多，医疗（生命科学、医疗设备等）、航空（飞行控制系统、飞行员反馈系统等）等领域也可看到直线电机的应用。典例：人形机器人/矿山机械/数控机床中多种电机“各司其职”人形机器人：无框力矩电机用于旋转关节，空心杯电机为灵巧手核心部件人形机器人执行器中主要使用无框力矩电机和空心杯电机。旋转执行器、线性执行器、灵巧手共同构建人形机器人全身关节，目前人形机器人驱动主流方案都需电机完成电气传动。相比液压驱动方案，电气传动方案可靠性和精度高、安静、高效、成本低。人形机器人具有结构紧凑、关节扭矩大的特点，因此目前身体关节选用无框力矩电机，无框力矩电机一般为直流或交流的永磁电机；而手部电机要求体积小、精度高，主流应用为空心杯电机。无框电机因其效率高、体积小、单位体积扭矩高适合用在旋转关节中。无框电机多采用大尺寸中空直径和低重量高功率密度的设计，只有转子和定子两个部件，企业可以由此设计出自重轻，中空走线的关节。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。从性能特点来看：无框电机结构简单、机械效率较高；高精度、高动态响应、小型化、大负载；转子不动时，也可以提供稳定扭矩。因此无框力矩电机被运用于需要小空间内高力矩输出的机器人关节内部。但无框电机运行时加热严重，需要散热，对机器人散热系统提出考验。国内企业无框电机已达到国际水平，单个价值量在千元左右。无框力矩电机相较于标准伺服电机技术难度更高，因为无框力矩电机属于低压电机，但其要求输出的功率较大，同时又要求体积较小，便于安装和节约空间。无框力矩电机主要应用在协作机器人领域，对整体安装、固定的工艺及设计具有较高的要求。国外参与企业主要是科尔摩根、Moog、MaxonMotor等，国内生产企业主要是步科股份和昊志机电。目前步科股份的第三代无框力矩电机产品已可以对标国际领先产品并具备一定优势。根据测算，无框电机在1.5万元的单个协作机器人关节中成本占比约为7%，价值量约为千元。空心杯电机属于直流永磁伺服电机，体积小响应快，是灵巧手的核心部件。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时其重量、体积和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电机的运转特性得到了较大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。响应极快，时间可以在微秒级别，所以被用于需要快速调节的导弹飞行系统、快速自动调焦的摄影设备镜头。空心杯电机应用领域广泛，大批量生产为难点。空心杯电机用途广泛，包括工业控制、军工、机器人、高端机床等。根据江苏雷利2023年3月1日披露的投资者调研纪要，德国Faulhaber和瑞士Maxon销售的空心杯电机+齿轮箱+编码器集成件年销售额约32亿欧元，产品主要面向军工和工业市场。空心杯电机核心技术难点在于大批量生产和精密齿轮箱减速器。国内众多厂商采用手工绕线的方式生产，在生产效率、产品寿命、精度方面存在劣势。目前国内生产空心杯电机的厂家主要有鸣志电器、江苏雷利和伟创电气。矿山机械：交流电机为主流，永磁电机节能特性顺应“绿色矿山”矿山机械行业中主要使用高性价比感应电机，永磁电机因其节能属性逐步开始应用。矿山机械传输设备主要使用同步或异步的交流电机。在矿井提升机为代表的矿山高性能调速应用中，交流同步电机的交-直-交变频调速方案占据主要市场。鼠笼电机的交-直-交变频调速系统更容易实现防爆设计，适应矿山开采现场大量灰尘，空气潮湿的恶劣环境，所以在控制性能要求不高的井下皮带输送、暗井提升、水泵和辅助运输系统中占据主流。开关磁阻电机变频传动主要应用于采煤机牵引和矸石山绞车等应用中。永磁同步电机因其节能特性及其他优异性能，在矿井皮带机、刮板输送机和辅助运输胶轮车等得到初步应用。矿山电力传动由低调速能力交流传动到直流传动再到“交直交变频调速”交流电动机主导，变频器发展助推演变过程。我国矿山电力传动系统发展历程主要包括：阶段一：十九世纪五、六十年代，我国矿山大功率电力传动系统一般采用交流传动方式。优点是技术简单，设备及安装费用低，建筑面积小，运行维护容易。缺点是电气调速性能差，需要另外增设传动装置，增加设备投资和系统的复杂性。阶段二：十九世纪七十年代后，矿井规模变大深度变深，交流传动控制方法不成熟且受到电动机和控制设备制造容量的限制，所以对提升容量大、速度快的大型矿井，一般采用直流传动装置。矿山大功率直流传动系统主要采用晶闸管变流器—电动机传动方式，动作速度快、调速平滑稳定，但它产生较大的起动压降，对电网的无功冲击大；运行功率因数低效率低；电机费用高。阶段三：随着微电子技术、交流传动控制理论的进一步发展，矿山大功率传动的发展方向开始重新转向交流传动，交流变频传动正式开始占据市场主体。我国从1985年起引进交交变频设备，主要用于轧机和矿井提升机。三相交-交变频的同步电机调速系统是低速、大功率、高性能传动领域的选择方案之一，并取得了良好的技术经济效益。但交-交变频器需要为数众多的晶闸管，在深控时功率因数低，对电网注入大量谐波，影响矿井电网质量，需要附加滤波器进行无功补偿，增加了投资成本、占地面积和维护量。阶段四：随着交-直-交功率变换拓扑控制策略的成熟以及高压大功率全控器件进入商品化时代，性能更为优异的交-直-交大功率中高压变频器作为交-交变频器的替代者并迅速确立其主导位置。单元串联型多电平高压变频器及中点箝位型三电平NPC变频器助推交流电机传动逐渐成为矿山电气传动的主流方案。矿井提升机：变频调速助力下，交流电机凭借低成本和高安全性逐渐成为主流应用。起升机构的基本要求是速度平稳、转速范围低、初始成本低、加减速特性平滑、起动和拉出力矩大、可靠性好。电矿井提升系统一般使用直流或三相感应电机作为驱动器，如何选择取决于矿井提升要求、电力供应和成本，其中感应电机更为主流。直流电机可接受独立加载，适应矿井提升机速度和转矩的多样性。感应电机结构简单、坚固、施工成本低，鲁棒性好，可靠性高，鼠笼感应电机更易进行防爆设计。感应电机在矿井提升机应用中的调速问题随变频器发展得到解决，2006年国产四象限背靠背式NPC中压变频调速系统首先在矿井提升机领域得到应用，TKD系统进一步优化调速方案。目前部分矿井也使用性能更加优良、节能属性突出但成本昂贵的永磁内装式矿井提升机。数控机床：主轴多用感应电机，进给电机中永磁伺服为主流驱动电动机是数控机床的执行元件，用来完成进给运动和主轴驱动。机床所使用的驱动电动机大致可以分为进给电动机和主轴电动机两类，当几个坐标的进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。用于驱动数控机床各个坐标轴进给运动的称为进给电动机，操纵相应的手柄和转盘，即可获得所需要的进给量。而主轴电动机通常是旋转运动，不需要丝杠或其他直线运动装置。一般进给电机需要对刀具进行精准控制，使用步进电机或伺服电机；主轴电机主要使用三相交流异步电动机，部分也使用直流电动机。交流异步电机性价比较高，为主轴电机主流应用。主轴电机强调力量，转速高，较多情况没有位置控制要求，速度精度要求不高。主轴电机主要需要满足：1）电动机功率大，并且在大的调速范围内，速度要稳定；2）在断续负载下，电动机转速波动要小；3）调速范围较高但低于进给电机，保证数控机床合用于各种不同的刀具、加工材质；4）过载能力较强。目前机床主轴和主轴电机通常打包生产，融合后称为电主轴，其中主轴电机大多使用性价比较高且具有过载能力的交流异步电机。但因为和伺服系统的适配以及良好性能，高速永磁交流伺服在部分高端机床应用上开始逐步取代异步变频驱动，提高效率和速度。机床进给电机精度控制要求较高，永磁伺服电机为主流应用。进给电机更强调精度与效率，突出高速、高精、高动态、高刚性的特点。进给电机主要要求有：1）机械特性要求伺服电机的速降小、刚度大；2）快速响应，在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格；3）调速范围大，使数控机床合用于各种不同的刀具、加工材质，适应各种不同的加工工艺；4）一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。因此高端数控机床进给电机主要使用高功率密度永磁伺服电机，满足高速、高精、高响应、高密度的装备需求。进给电机的新方案为直线电机驱动数控工作台，达到高效率快响应目的。根据雅科贝思数据，传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式进给速度一般为30-48m/min，反响间隙大于等于3μm，难以满足部分高速高精度情况的加工需要。直线电机驱动工作台做直线运动时无需机械传动结构，降低误差和磨损，提升精度、响应速度和寿命，其速度大于60m/min，反响间隙约等于0；直线机床精度寿命可达10年；直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。未来：定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向扁线定子设计通过增加槽满率提升电机效率、功率密度、散热能力。传统的永磁同步电机使用圆线电机，圆线电机中线圈绕组在电机内部线圈槽内，相邻三根圆线之间会有空隙，空间利用率低，功率密度偏低，动力偏弱。扁线电机定子绕组所用的