一、空心杯電機簡介
空心杯電機在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)直流電機的結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，其電樞繞組為空心杯線圈，形狀類似水杯，因此被稱為空心杯電機。
二、全球空心杯電機市場規(guī)模持續(xù)增長
德國的Dr. F. Faulhaber 在 1958 年研制出斜繞組線圈繞制技術(shù), 并經(jīng)過不斷開發(fā)和完善，在 1965 年獲 得空心杯電機轉(zhuǎn)子線圈斜繞組專利技術(shù)，這標志著空心杯電機正式誕生。憑借卓越性能，空心杯電機下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如微型機器人、智能穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械、無人機、機器人臂、自動化設(shè)備、精密定位系統(tǒng)和光學儀器等。隨著空心杯電機在眾多下游應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷突破，逐漸成 為眾多高端設(shè)備和系統(tǒng)的理想選擇。
2021-2023年，全球空心杯電機市場規(guī)模由6.77億美元增長至8.1億美元，預(yù)計2028年全球空心杯電機市場規(guī)模達11.9億美元。
空心杯電機性能
| 性能 | 簡介 |
| 效率高、轉(zhuǎn)速快 | 由于空心杯電機消除了鐵芯產(chǎn)生的磁阻力矩和渦流效應(yīng)造 成的損耗，因而可以得到很高的能量轉(zhuǎn)化效率，進一步提高能源利用效率、減少能源損 耗?？招谋姍C的最高效率都在 65%~85%之間，最高的可達 90%，而有刷直流電機的最 高效率一般都在 50%左右。高轉(zhuǎn)速的電機能夠提供更大的功率輸出并減少機械振動和噪 音，空心杯電機最高轉(zhuǎn)速在 10000rpm 左右，而有刷直流電機的連續(xù)力矩會隨著轉(zhuǎn)速的上 升快速下降，最高轉(zhuǎn)速都在 5000rpm 以下。 |
| 響應(yīng)快、壽命長 | 相比于有刷直流電機 100 毫秒以上的機械時間常數(shù)，空心 杯電機的轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)時間極快，其機械時間常數(shù)一般在 28 毫秒以內(nèi)，部分產(chǎn)品 甚至小于 10 毫秒，具有理想的控制性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)速的高精度控制操作?？招谋?機的換向片數(shù)量多，使得換向時的電流波動和電機電感量更小，大幅減少換向過程中對 換向系統(tǒng)的電腐蝕，從而擁有更長的壽命。根據(jù)《空心杯電機定制化管理的應(yīng)用研究》中的數(shù)據(jù)，有刷直流電機的壽命一般僅有幾百個小時，而空心杯電機的預(yù)期壽命通常在 1000 至 3000 小時之間，能夠提供更長久的可靠運行。 |
| 體積小、運行穩(wěn) | 空心杯電機具有較大的功率體積比，一般達 30mW/cm3， 與同等功率的鐵芯電機相比，重量和體積減少了 1/3~1/2；空心杯電機沒有齒槽效應(yīng)，過 載能力比有刷直流電機更高，同時更小的轉(zhuǎn)矩脈動讓其運行穩(wěn)定、可靠，轉(zhuǎn)速波動小且 容易控制，一般可控制在 2%以內(nèi)，可應(yīng)用于高動態(tài)性能伺服系統(tǒng)中。 |
資料來源：觀研天下整理
數(shù)據(jù)來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
三、有刷空心杯電機占據(jù)主導，無刷空心杯電機增長空間廣闊
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國空心杯電機行業(yè)發(fā)展深度分析與投資前景預(yù)測報告（2024-2031年）》顯示，空心杯電機可分為有刷空心杯電機和無刷空心杯電機。有刷主要結(jié)構(gòu)為定子+ 轉(zhuǎn)子+電刷，永磁體為定子，電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導電和換相作用，容易產(chǎn)生火花。無刷主要結(jié)構(gòu)為定子+轉(zhuǎn)子，永磁體為轉(zhuǎn)子，沒有電刷，換向通過霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器完成。
空心杯電機分類
| 指標 | 無刷空心杯電機 | 有刷空心杯電機 |
| 壽命 | 長壽命(10000h+) | 電機壽命受限(1000-3000h) |
| 轉(zhuǎn)速 | 高轉(zhuǎn)速 | 低轉(zhuǎn)速 |
| 電磁干擾 | 可忽略 | 有電火花 |
| 鐵損 | 有 | 無 |
| 控制 | 需要驅(qū)動控制 | 控制簡單 |
資料來源：觀研天下整理
目前有刷空心杯電機占據(jù)主要市場，2022年占比65.8%。隨著空心杯電機技術(shù)的持續(xù)成熟，無刷空心杯電機占比持續(xù)提升，預(yù)計2028年達42.2%，較2022年提升8個百分點。
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四、中國為全球第一大空心杯電機市場
中國是全球第一大空心杯電機市場，2021年中國、歐洲和其他地區(qū)市場規(guī)模分別占比35.45%、25.85%、38.70%。中國空心杯電機面臨更加廣闊的應(yīng)用前景和市場需求。2022-2023年中國空心杯電機市場規(guī)模由2.6億美元增長至2.9億美元，占全球空心杯電機市場規(guī)模的比重由34.67%提升至35.80%；預(yù)計2028年中國空心杯電機市場規(guī)模將達4.7億美元，占全球空心杯電機市場規(guī)模的比重為39.50%。
數(shù)據(jù)來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理
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五、海外頭部空心杯電機企業(yè)處于市場領(lǐng)先地位
空心杯電機工藝流程復(fù)雜，加工難度遠超普通直流有槽電機，行業(yè)具備較高的技術(shù)門檻。繞線是空心杯電機核心技術(shù)壁壘所在，按照線圈的成型方式主要分為人工繞線、繞卷式生產(chǎn)技術(shù)、一次成型生產(chǎn)技術(shù)三類。海外繞線工藝發(fā)展早，主要采用一次性繞制成型的生產(chǎn)技術(shù)，自動化程度高于國內(nèi)；而國內(nèi)主要采用繞卷式生產(chǎn)，工藝比較繁瑣，工人勞動強度大，無法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。因此現(xiàn)階段Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation等海外頭部空心杯電機企業(yè)處于領(lǐng)先地位，占據(jù)行業(yè)絕大多數(shù)市場，根據(jù)數(shù)據(jù)，2022年全球空心杯電機CR5達67%。
空心杯電機線圈生產(chǎn)技術(shù)
| 生產(chǎn)技術(shù) | 簡介 |
| 人工繞線 | 通過一系列復(fù)雜的工藝，包括插針、手動卷線、手動排線等步驟進行生產(chǎn)。 |
| 繞卷式生產(chǎn)技術(shù) | 繞卷式生產(chǎn)技術(shù)是半自動化生產(chǎn)，首先將漆包線順序繞到橫截面為菱形 的主軸上，達到需要的長度后將其取下，然后壓扁成線板，最后將線板卷繞成杯狀的線圈。 以一種繞卷式空心杯為例，其制造流程大致分為以下幾步：①六邊形線坯線圈繞制：在斜繞 組繞線機上進行；②線坯線圈粘貼二條定型壓敏膠帶，脫模待展平；③展平：將定型板插入 線坯線圈，并將線圈相錯拉平，再送入展平機展平，成為扁平線坯。用竹質(zhì)刮板整形。剪掉 多余的膠帶，僅留一只搭頭，搭頭應(yīng)留在扁平線坯稍微隆起的一面，以利卷筒成行；④卷筒： 把扁平線坯送入空心杯卷筒機卷筒，使線坯首尾銜接，膠帶搭頭粘貼于線坯首部外表，成為 空心杯線圈；⑤涂環(huán)氧定型：涂環(huán)氧膠粘劑后，放入烘箱固化定型。 |
| 一次成型生產(chǎn)技術(shù) | 繞線機通過自動化設(shè)備將一根漆包線按規(guī)律繞到一主軸上，線圈卷繞 成杯狀后取下，一次成型，不需要卷圓壓扁等多道工序，自動化程度高。 |
資料來源：觀研天下整理
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