研究报告全文：证券研究报告工业传动系列二电气传动-灵活多面手华泰研究机械设备增持维持2023年10月01日中国内专题研究通用机械增持维持地研究员倪正洋电气传动灵活多面手应用广阔市场分散SACNoS0570522100004nizhengyanghtsccomSFCNoBTM566862128972228电气传动为机械设备三大传动方式之一其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研究员史俊奇应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置电动机行业呈现竞争格局分SACNoS0570522110002shijunqihtsccom散下游应用广泛的特点其复杂性在于技术路径多样对应电机不同的SFCNoBTM901862128972228特性适用于下游不同场景本报告系统阐述了电气传动行业市场概况研究员杨云逍电动机六大技术路径选择并以人形机器人矿山机械数控机床应用为SACNoS0570523070001yangyunxiaohtsccom例分析电气传动系统在主要产品中的应用以及未来定子扁线化和碳化硅862128972228应用对电机性能的提升全面覆盖电气传动原理市场应用分析研究员杨任重SACNoS0570522110003yangrenzhonghtsccom电机六大技术路线选择排列组合顺势而生各有千秋862128972228我们总结电机有六大关键技术选择分别是交流直流同步异步永磁联系人王自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是不SACNoS0570123070064wangzi022582htsccom同技术路线排列组合后的产物不同技术路径组合的电机各有所长适用862128972228于不同应用场景直流电机调速简单变频器发展提升交流电机调速能联系人张瑶珈力永磁电机一般表现同步特性高功率高效率且低速运行表现好异步SACNoS0570122090160zhangyaojiahtsccom交流电机无需永磁体成本较低性价比高应用广泛伺服电机相比步进控8675582492388制精度更高永磁同步伺服控制简单且效率较高成为主流之选直线电机可视为旋转电机的结构变形线性运动中需传动装置响应快精度高行业走势图典例人形机器人矿山机械数控机床中多种电机各司其职机械设备通用机械人形机器人执行器主要使用无框力矩电机和空心杯电机人形机器人具有沪深300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而25手部电机要求体积小精度高主流应用为直流永磁伺服的空心杯电机17矿山机械行业中高性价比的交流电机主要用于传输设备直流电机调节简10单主要用于挖掘机械而永磁同步电机凭借其优良综合性能及节能特性2应用场景逐渐增多数控机床方面交流异步电机为主轴电机主流应用而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6Oct-22Feb-23Jun-23Sep-23的新方案为直线电机驱动数控工作台可达到高效率快响应目的资料来源Wind华泰研究未来定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向电机未来向着更高功率和效率不断发展定子扁线化和碳化硅的应用是热门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目前主要应用于新能源汽车多个企业已经布局扁线业务但扁线电机工艺复杂设备精度要求高大规模量产存在一定难度碳化硅为电机提升能效提供新方向其属于宽禁带材料介电击穿强度和热导率高开关速度更快能够大大提高电机的效率和功率密度有望成为电机逆变器的主流材料风险提示电机技术路径发生改变电机上游原材料价格波动风险未来技术迭代不及预期免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读1工业正文目录电气传动灵活多面手应用广阔市场分散5电气传动系统概览灵活多面手5电机行业格局分散国内电机量增到质提走向高端6电机六大技术路线选择排列组合顺势而生各有千秋9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9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13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16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19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21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24典例人形机器人矿山机械数控机床中多种电机各司其职26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26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28数控机床主轴多用感应电机进给电机中永磁伺服为主流31未来定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向33报告提及公司36风险提示36图表目录图表1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5图表2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6图表32020年全球电机市场1427亿美元汽车占比最高6图表4预计21-28年全球电机市场CAGR64交流电机占比最大6图表5卧龙电驱主要电机产品7图表6大洋电机主要电机产品7图表7外资品牌为国内电机生产商第一梯队国内龙头在各自侧重领域走向高端7图表82022年中国电机进口金额为4234亿美元同比下降628图表92022年中国主要电机出口产品结构按金额单位8图表10电动机技术路径和结构不断更新多种类型适应下游多种应用场景9图表11直流电机与交流电机由于供电电源不同使得结构差异较大10图表12直流有刷电机率先流行交流电普及和控制元件发展使得交流电机和直流无刷快速发展成为主流10图表13直流有刷电机通过换向器跟电刷的连接实现线圈电流方向变化实现线圈受力方向变化11图表14周围磁通密度超过阈值时霍尔传感器会检测到并产生电压11图表15霍尔效应传感器可判断出电机转子磁极的相对位置11图表16交直交变频器主电路工作原理12图表17变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术13图表18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13图表19高性能永磁电机效率高功率大励磁电机制作成本低但效率较低14免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读2工业图表20电机常用永磁材料抗腐蚀性能最高工作温度加工性能退磁曲线形状价格对比14图表21直流电机励磁方式分为他励并励串励复励主要区别为励磁绕组和电枢绕组供电方式的关系15图表22永磁体与励磁绕组均位于转子的混合励磁电机15图表23永磁体位于转子励磁绕组位于定子的混合励磁电机15图表24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16图表25同步电机功率密度与效率更高异步电机成本低应用广泛17图表26磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理形成磁阻转矩性能较好且成本较低18图表27多家公司布局同步磁阻电机产品18图表28磁滞电机利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行目前应用场景较少18图表29三相电机采用相位差120度三相交流电源推转子19图表30主流单相电机有主副两个线圈互相垂直推动旋转19图表31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19图表32装配电容器单相电机的运行原理20图表33使用罩极法单相电机的运行原理20图表34六相双Y移30绕组空间分布图21图表35六相电机可实现低电压大功率相同负载转矩六相电流小21图表36步进电机结构图21图表37伺服电机结构图21图表38伺服电机闭环控制将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置步进电机开环控制无反馈过程22图表39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22图表40西门子1FK系列永磁同步伺服电机订货最大功率75kW23图表41西门子1PH系列交流异步伺服电机最大功率45kW23图表42伺服电机闭环控制将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置步进电机开环控制无反馈过程23图表43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感应电机相似24图表44直线电机具有高响应速度高精度加减速快等优势24图表45短初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用25图表46直线电机用于激光微加工平台25图表47多家公司布局直线电机业务25图表48特斯拉Optimus旋转执行器中使用无框电机26图表49特斯拉Optimus的手部模组26图表50无框电机多采用大尺寸中空设计26图表51Maxon无框电机套件外径仅为43至90mm极其紧凑26图表52步科股份第三代无框电机可对标国际领先产品27图表53无框电机市场主要参与者27图表54单个15万元协作机器人关节中无框电机价值量约为千元27图表55空心杯电机的优势27图表56有刷空心杯电机结构图28图表57无刷空心杯电机结构图28图表58空心杯电机用途广泛包括工业控制机器人高端机床等28图表59传统电机与空心杯电机结构及线圈差异28免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读3工业图表60直流电机交流异步电机永磁同步电机三种矿山机械应用电机对比29图表61佳电股份矿用机械电机中三相异步电动机为主流部分场景尝试永磁电机29图表62大功率矿井提升机为代表的矿山电力传动发展历程30图表63ABB矿井提升机30图表64永磁内装式矿井提升机驱动原理30图表65数控机床电动机可分为进给电机和主轴电机进给电机主流为永磁伺服主轴电机主流为感应电机31图表66卧龙电驱电主轴电机产品大多为交流异步电机31图表67Akribis机床专用直线电机AKM系列32图表68直驱伺服响应速度更快32图表69相比于传统的伺服电机滚珠丝杆齿轮齿条的驱动方式直线电机驱动在机床方面应用优势明显32图表70传统圆线绕组存在较大空隙33图表71矩形扁线绕组空间利用率更高33图表72多家企业布局扁线业务33图表73扁线电机工艺复杂设备精度要求高34图表74博世Bosch的逆变器采用碳化硅半导体35图表75安森美半导体650VSiCMOSFET35图表76碳化硅宽禁带优势35图表77报告提及公司36免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读4工业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图表1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资料来源电工电气学习公众号电气应用公众号华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读5工业图表2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资料来源液压传动-机械大力士华泰机械2023年8月8日华泰研究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70GrandviewResearch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707预计2021-2028年全球电机市场规模复合增长率将达到6402020年下游细分市场中汽车占比最高占405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2141亿美元预计2028年可达2409亿美元根据前瞻产业研究院数据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图表32020年全球电机市场1427亿美元汽车占比最高图表4预计21-28年全球电机市场CAGR64交流电机占比最大资料来源GrandviewResearch华泰研究资料来源GrandviewResearch华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读6工业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图表5卧龙电驱主要电机产品图表6大洋电机主要电机产品资料来源卧龙电驱官网前瞻产业研究院华泰研究资料来源大洋电机官网华泰研究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图表7外资品牌为国内电机生产商第一梯队国内龙头在各自侧重领域走向高端资料来源观研报告网中国工业电机行业发展深度研究与投资趋势预测报告2022-2029年华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读7工业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前瞻产业研究院统计海关数据显示中国工业电机进出口总额从2017年的13738亿美元上升至2020年的13947亿美元2020年受疫情影响同比减少1662017-2019年贸易顺差呈现扩大趋势从619亿美元上升至7108亿美元2020年受疫情影响有所下降为6667亿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2735亿美元占出口总额的比例达到2654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图表82022年中国电机进口金额为4234亿美元同比下降62图表92022年中国主要电机出口产品结构按金额单位资料来源前瞻产业研究院华泰研究资料来源前瞻产业研究院华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读8工业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图表10电动机技术路径和结构不断更新多种类型适应下游多种应用场景资料来源SMM电机资讯公众号华泰研究直流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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读9工业图表11直流电机与交流电机由于供电电源不同使得结构差异较大直流有刷电机直流无刷电机交流电机无刷直流电机通过霍尔元件感知永磁体磁有刷电机采用机械换向磁极不动线圈交流电机通过交流电产生旋转磁场转子绕组极的位置根据这种感知使用电子线路传动原理旋转电刷与换向器不断接触摩擦在转在变化磁场中产生感应电流随着旋转的磁场适时切换线圈中电流的方向保证产生正确动中起到导电和换相作用转动方向的磁力来驱动电机原理图电子换向器位置传感器和电子开关线包含结构转子定子电刷和换向器转子定子路转子定子构造图1高功率密度相比有刷电机性能更加稳定可靠2零部件磨损少寿命长不用更换刷优点能产生强大的转矩旋转力子3能够以较高转速运动转速没有限制4具有高效率和较小的尺寸体积适合于轻型小型高速模块化和集成化应用结构复杂有碳刷作为机械接触点寿命有限的恒功率范围控制复杂大多数与永控制较为复杂需要较为精准的控制算法和高缺点短产生噪声及灰尘磁体结合使用价格较高精度传感器信息输入广泛应用于工程机械金属切削机床轻工机对功耗要求不高的应用场景比如儿童电工业投料机等轻工业汽车空调雨刮器应用场景械矿井提升机水泵加工机械及日常生活动玩具电动牙刷电动剃须刀等医疗器械家用吸尘器搅拌机器具资料来源智能建筑电气技术杂志公众号华泰研究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图表12直流有刷电机率先流行交流电普及和控制元件发展使得交流电机和直流无刷快速发展成为主流资料来源电机史话戴庆忠2016华秋商城公众号华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读10工业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图表13直流有刷电机通过换向器跟电刷的连接实现线圈电流方向变化实现线圈受力方向变化资料来源电机驱动探索者公众号华泰研究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图表14周围磁通密度超过阈值时霍尔传感器会检测到并产生电压图表15霍尔效应传感器可判断出电机转子磁极的相对位置资料来源磁场检测系统及其电源管理的研究与设计赵竞翔2022华资料来源霍尔效应传感器设计吴颜飞2022华泰研究泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读11工业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图表16交直交变频器主电路工作原理资料来源电气传动中变频器应用技术研究许健2020华泰研究交直交变频技术中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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读12工业图表17变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术资料来源浅谈变频器及其采用的技术韩笑2010华泰研究永磁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85kJm3和50年代出现的铁氧体永磁最大磁能积可达40kJm3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图表18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资料来源智研咨询深圳市海特力智能装备公众号华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读13工业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图表19高性能永磁电机效率高功率大励磁电机制作成本低但效率较低资料来源ittbank公众号华泰研究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36-160kAm铁氧体永磁的剩磁密度不高02-044T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图表20电机常用永磁材料抗腐蚀性能最高工作温度加工性能退磁曲线形状价格对比性能铝镍钴铁氧体稀土钴钕铁硼剩磁T13042105116矫顿力Kam60200780850退磁曲线形状弯曲上部直线下部弯曲直线直线高温下弯曲剩磁温度系数K-002-018-003-012抗腐蚀性能强强强易氧化充磁安装后充磁充磁后安装也有安装后充磁充磁后安装充磁后安装最高工作温度C550200300150加工性能少量磨削电火花加工特殊道具切片和少量磨加工少量电火花加工加工性能好价格中等低很高高仪器仪表类等要求温度稳定性能和体积要求不高价格要求低高性能高温高温度稳定性价格高性能体积要求高温度不高应用场合性高的场合的场合不是主要考虑因素的场合的场合资料来源一览众车公众号华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读14工业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图表21直流电机励磁方式分为他励并励串励复励主要区别为励磁绕组和电枢绕组供电方式的关系资料来源万泰电机官网华泰研究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图表22永磁体与励磁绕组均位于转子的混合励磁电机图表23永磁体位于转子励磁绕组位于定子的混合励磁电机资料来源驱动视界公众号华泰研究整理资料来源驱动视界公众号华泰研究整理免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读15工业同步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图表24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资料来源中升奔驰远程诊断中心公众号华泰研究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rpm120fp-ss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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读16工业图表25同步电机功率密度与效率更高异步电机成本低应用广泛永磁同步电机交流异步电机过载能力弱强峰值效率95-9794-9510负荷时效率90-9279-85成本较高较低功率密度较高较低转速范围4000-1000012000-20000电动机重量和体积较小较大滑差016三级能效的异步交流YX3电机比传统的普通Y2电机具有更高的效率和功率因数而永磁同步电机比三级能效的YX3电机的效率和功率因数还节能效果要高因此节能效果更好异步交流Y2电机在80负载以下效率下滑严重功率因数下滑严重永磁电机在20120负载之间基本保持较高的效率和功率因数在部部分负载能耗分析分负载时永磁电机比Y2电机具有很大的节能优势甚至节能超过50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采新能源汽车大型机械如轧钢机压缩机鼓风机球磨机等的驱动电应用用三相异步电动机电风扇洗衣机电冰箱空调器等家用电器广泛机电网的调相机调节电网无功功率使用单相异步电动机图示资料来源物业工程社区磁易购资讯中升奔驰远程诊断中心公众号RIO电驱动公众号电器商城公众号华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读17工业图表26磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理形成磁阻转矩性能较好且成本较低资料来源科汇股份公众号华泰研究图表27多家公司布局同步磁阻电机产品公司名字磁阻电机产品描述卧龙电驱有同步磁阻电机产品新时达持续研发攻克噪声抑制超高速控制超高效电机控制同步磁阻电机控制等系列难题孚日股份已经成功开发IE5超高效同步磁阻电动机并已开始推向船用电机市场佳电股份公司与上海电科所联合开发的同步磁阻电机正在样机试制阶段伟创电气永磁同步电机和同步磁阻电机驱动器等产品都已在海外市场得到推广及应用科汇股份同步磁阻电机功率范围为55-132kW资料来源各公司公告华泰研究图表28磁滞电机利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行目前应用场景较少资料来源ElectricalAcademia官网FastTorqueComputationofHysteresisMotorsandClutchesUsingMagneto-staticFiniteElementSimulationGGallicchio2019华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读18工业单相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图表29三相电机采用相位差120度三相交流电源推转子图表30主流单相电机有主副两个线圈互相垂直推动旋转资料来源电气时代公众号华泰研究整理资料来源电气时代公众号华泰研究整理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图表31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电机类型应用领域图示三相电机机械制造领域三相电机的高转矩和高效率带来了很好的驱动源在机床钢铁矿山等领域得到广泛应用消防与物流领域三相电机适用于驱动一些重型设备例如水泵风扇压缩机等环保与节能领域三相电机在新能源设备电动汽车太阳能光伏等领域得到广泛应用单相电机家用电器领域单相电机在制冷空调洗衣机照明等小型家电领域得到广泛应用商业办公领域单相电机在音响设备打印机扫描仪等领域得到广泛应用科研与教育领域单相电机在实验室教学科研环境中得到广泛应用例如搅拌器真空泵离心机等资料来源德力西电气e电工公众号华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读19工业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图表32装配电容器单相电机的运行原理资料来源电气时代公众号华泰研究图表33使用罩极法单相电机的运行原理资料来源东莞市奇为电机科技有限公司公众号华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读20