电机的定义和分类

广义上，电机包括电动机、发动机和原动机等所有可实现电能、机械能相互转化的装置。但通常情况下电机指电动机，也被称为马达，其作用是将电能转化为机械能，产生驱动力矩，作为用电器和机械设备的动力源，在现代生产生活中应用极为普遍。电机的基本原理为电磁感应定律，电能在线圈上产生旋转磁场，并推动转子转动。电机的基本构造包括定子、转子，不同类别电机还可能配有电刷、传感器、驱动器、风扇等配件。定子是电机的固定部分，通常是外部部件，由铁芯、基座和能产生电磁力的绕组组成。转子由铁芯和绕组组成，是电机的转动部分，通常是内部部件，直接安装在动力输出轴。转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流。定子磁场和转子磁场相互作用产生电磁转矩，电磁转矩作用于转子产生旋转运动。电机原理虽然简单，但高端产品十分复杂，涵盖设计、工艺和设备等环节，涉及电磁学、摩擦学、机械、声学等自然科学和相关技术工程领域。

电机输出扭矩和转速通常呈负相关，增加电机的尺寸可提升输出扭矩，同时会降低电机转速。电机参数指标是选择电机的重要参考，包括：输入功率、输出功率、额定电流、堵转电流、额定转速、加速度、减速度、震动、噪音、功率、效率、堵转转矩、额定转矩、最大转矩、转动惯量、相间绝缘电阻、相对地绝缘电阻等。核心指标为转速、功率、扭矩等。控制电机还需要考虑控制精度和响应时间。不同应用场景的侧重点不同，关注的指标也有差别。例如，汽车电机更侧重功率密度（单位体积对外输出密度），机器人电机更侧重控制精度， 重型机械电机更侧重扭矩。因此，自法拉第1821年制成了世界上第一个实验电机模型，1831年发现电磁感应定律以来，在电机理论、设计、材料和制造工艺不断发展的推动下，电机品类已十分丰富，以适应不同应用场景带来的差异化需求。

可以按照多种维度，对电机进行分类。按运动方式，可分为旋转电机和直线电机。根据电压性质不同，分为直流电机和交流电机。直流电机响应快，启动转矩大，调速性能好，调速范围宽，缺点是需要换向，结构更复杂，后续维护不便利，且限制了电机容量和速度，功率范围0.01W-1000kW。直流电机按内部有无电刷，分为有刷电机和无刷电机。无刷电机的换向和调速工作由霍尔传感器、控制器、磁编码器等电子元件完成，解决了电刷运转产生的电火花问题，同时赋予电机更多的控制性能，数字变频的可控性更强。运转时的摩擦减少，噪音降低，寿命延长，缺点在于成本较高，技术难度较高，常用在控制要求较高、转速较高的设备上。交流电机不需要换向器，因此结构简单、制造方便、使用寿命长、功率覆盖范围大（几W到百万kW）。根据转子定子是否同步，交流电机分为同步电机和异步电机。同步电机较复杂、效率高、造价高，大多用于大型发电机和2000KW以上的电动机；异步电机简单、成本低、易于安装、效率略低，应用更广泛。按相数不同，交流电机可分为三相交流电机和单相交流电机。按用途，可分为动力电机和控制电机两大类。动力电机功率较大，侧重于电机的启动、运行和制动方面的性能指标，用于电动工具、家电和其他通用设备中；控制电机输出功率较小，相较于动力电机，增加了控制电路，可以对电机的转速、位置和转矩进行精准控制，更侧重于高精度和快速响应，因此多用于自动化设备中。根据控制方法的不同，控制电机可进一步分为步进电机、伺服电机、测速电机、力矩电机等。在数字控制的发展趋势下，运动控制系统中大多采用步进电机或伺服电机作为执行电动机。

二

步进电机和伺服电机的对比

步进电机，也称脉冲电机，利用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移，每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。步进电机没有电刷、维护方便、寿命长、容易控制，一般不具备过载能力，加速性能欠佳，不适于快速启动。步进电机分为反应式（亦称磁阻式）、永磁式、混合式三类。反应式步进电机由软磁材料组成，结构简单、成本低、输出转矩中等，但动态性能差、效率低、发热大、噪声和振动大，已经被逐渐取代。永磁式步进电机由永磁材料制成，动态性能好、体积相对较小，但精度较差、输出力矩较小，是一种成本较为经济的选择，多用于计算机外围设备和办公设备。由于壁垒低，小厂家多，价格战严重，采取薄利多销的策略。混合式步进电机综合了前两者的优点，可以实现精确的小增量步距运动，转子和定子上有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大、动态性能好、步距角小，但结构相对复杂、成本相对较高，在工业运动控制中应用最为广泛。技术壁垒远高于永磁式步进电机，全球前十仅鸣志电气一家内资企业，其他都是日本企业。

伺服电机利用输入的电压信号转换成角位移或角速度输出，通过改变控制电压改变电机的转速和转向，其主要特点是当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

两者在使用性能和应用场合上存在着差异，呈互补关系。步进电机没有反馈回路，为开环控制，易出现失速或与控制器失去同步的情况，只能做位置控制，不能做速度控制。伺服电机为闭环控制，通过实时的闭环信号反馈来调整，实现更精密的控制。综合来讲，伺服电机在控制精度、低频特性、能量转换效率、过载能力、速度响应等许多方面都优于步进电机，更适用于工业自动化、机器人等领域，但步进电机具备性价比优势，在一些精度要求不高的场合仍可使用。

以人形机器人为例，具备更高控制精度的伺服电机将是未来人形机器人的主要配置，占据绝大部分用量份额。现有研究设计表明，在机器人仿生眼中使用步进电机是较为理想和可靠的选择，因为仿生眼需要具有人类一样的视觉功能，并且体积较小，要求驱动摄像头的驱动机构具备小体积的特点，而步进电机可以实现无位置传感器的位置控制，并保证平稳运行，因此在人形机器人眼部安装步进电机具备较好适配性。

三

电机产业链

电机产业链上游为磁性材料、编码器、芯片及轴承等结构件，成本占比分别约为25%、25-30%、45-50%；中游为电机本体；下游应用领域主要为各行业通用自动化设备。

（一）上游

电机使用的磁性材料以永磁体为主。永磁体主要分为塑磁、铁氧体和钕铁硼。塑磁是一种高分子复合材料，选择尼龙、聚苯硫醚、弹性塑料等树脂作为基材，与铁氧体磁粉、钕铁硼磁粉混合，放进模具中，压铸成磁环或磁钢，塑磁的磁性偏低。铁氧体中稀土含量比较少，具备价格优势，国外应用较为广泛。钕铁硼原料主要为稀土，国内小型化电机使用较多。钕铁硼分为粘结钕铁硼、烧结钕铁硼两种。粘结钕铁硼是把特制胶水跟磁性材料混合，通过模具定型；烧结钕铁硼不使用胶水，通过高温烧结使磁性材料定型。稀土含量越高，材料的磁性就越好。相同体积的钕铁硼性能远高于铁氧体，预计未来会有越来越多的电机使用钕铁硼。中国是稀土大国，相较国外具备价格优势。

编码器是伺服电机内部集成的传感器。根据物理介质的不同，伺服电机编码器可以分为光编码器和磁编码器。磁编码器成本相较光编码器可以下降100多元。光学编码器具有高精度、高分辨率的特点；磁编码器环境耐受性强、体积小、重量轻、可靠性高。最新的磁编码器提高了精度和分辨率，而且可以实现离轴检测，因此，光学编码器的市场上也逐渐出现了磁编码器的应用。整体来看，国内编码器的精度和综合性能较国外仍有差距，国内厂商使用的编码器，尤其是应用于高精度领域的，大多需要进口。

以驱动直流无刷电机为例，必备要素包括控制芯片、预驱芯片和功率器件。控制芯片通过PWM波控制预驱芯片，进而控制功率器件。根据Grand View Research测算，2022年全球直流无刷电机驱动芯片总市场规模约为252亿元。海外大厂多采用ARM架构电机主控芯片，提供从控制器到功率器件的完整电机芯片解决方案, 意法半导体、德州仪器等国际大厂主导市场，国内厂商全球市占率较低。

铁氧体：横店东磁；烧结钕铁硼：英洛华；粘结钕铁硼：英洛华、成都银河。

编码器（国内、入门级）：长春汇通、奥普光电、禾川科技；编码器（海外、高精度）：多摩川、尼康图南股份、广大特材、科德数控。

轴承：长盛轴承、新强联、恒润股份。

芯片：意法半导体、德州仪器、兆易创新、峰岹科技。

轴承：力星股份、南方精工、国机精工。

（二）中游

电机的选择取决于终端产品设计，与产品特征紧密相关，选型需要考虑驱动需求、电源供电要求、工作环境等众多因素，因此其需求表现出极强的分散和长尾特征。电机行业总量大、单品产量小、定制属性强，导致电机行业存在大量深耕细分领域的中小型公司，竞争格局高度分散。电机行业涌现出的优秀公司主要有三类：1）聚焦于单品销量较大的下游行业，例如汽车电机、空调电机、洗衣机电机等，公司产品具有性价比优势，国内上市公司有大洋电机、江苏雷利、微光股份、方正电机、祥明智能等；2）电机平台型公司，电机种类丰富，快速定制化能力强，产品具有价格优势，能快速响应客户需求，国内外上市公司如瑞士Maxon、鸣志电器、兆威机电等；3）电机产品与其他产品产生协同效应，作为核心竞争力为下游产品赋能，如安川电机、汇川技术、金龙机电等。

伺服电机：汇川技术、禾川科技、鸣志电器、兆威电机、步科股份、信捷电气、雷赛智能。

步进电机：鸣志电器、江苏雷利、雷赛智能。

（三）下游

电机的下游应用市场极为广泛，从简单低端的普通铁芯电机到航天军工用的特种电机都存在市场需求，空间千亿美元。电机作为必不可少的关键基础机电部件，广泛应用于家电、汽车、信息处理器、视听设备、工业自动化等领域。以家庭场景为例，根据高工咨询的数据，发达国家微特电机的家庭平均拥有量为80-130台，而中国大城市家庭平均拥有量大约在20-40台；汽车为最主要电机细分市场，一辆商用车采用超过40个电动机，从低功率到高功率不等。根据Grand View Research的研究数据，2020年全球电机市场规模为1427亿美元，预计2021-2028年全球电机市场规模复合增长率将达到6.40%。从下游细分市场来看，汽车占比最高，达40.5％，其次为工业机械、供热、通风与空气调节设备、空调、运输、家电等。

四

发展趋势及建议

相较于多关节、SCARA、DELTA、协作机器人等传统工业机器人，人形机器人自由度更多，对电机需求量大幅提高。特斯拉人形机器人将搭载约40个电机，实现对颈部、手臂、手指、躯干、腿部等部位的控制。与此同时，机器人关节的运转对驱动电机提出了更高的要求。在灵活度上，要求其有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量；在性能上，电机须有较高的可靠性、稳定性，同时能快速响应；在动作上，能够保持控制特性的连续性和直线性；在速度上，要求较宽广且平滑的调速范围；在形态上，体积小、质量小、轴向尺寸短，且能经受苛刻的运行条件。

目前量产的电机难以满足人形机器人灵活移动、抗冲击、快速响应等要求，人形机器人未来要拓展商业化应用场景，实现在工业、商业和家庭中的应用，电机技术是关键所在。虽然电机的结构、加工方式相对简单，行业的进入壁垒低，但电机应用领域向高端升级的壁垒很高。（1）资金壁垒高，前期需要大量投入研发以满足不同的使用标准。（2）技术壁垒高。高端领域的客户看重电机厂商在标准品基础之上以更低的成本满足其定制化要求的能力。设计一个全新的电机要求工程师掌握电磁学、电机学、动力学的底层逻辑，考虑电磁转换效率、磁场分布、涡流最小化等诸多因素，经过精密的计算最终完成设计，难度很高。（3）客户壁垒高。航天、手术机器人、高端医疗器械等应用领域的用户倾向于选择已经树立高品质品牌的厂商，基本不会切换供应商。

随着人形机器人逐渐落地，高端电机将迎来广阔的市场空间。目前全球科研机构和公司不断寻求电机在高扭矩密度、响应速度、轻量化、小型化等方向的技术突破。虽然国内电机厂商在技术实力、用户认可度等方面与国外龙头有较大的差距，但在上游原材料优势、国内机器人市场巨大需求和国家政策的推动下，国内电机厂商迎来重大机遇，加速高端产品的国产替代。具有较强研发实力，能根据下游客户需求定制化产品，并能做好成本管控的公司更有希望在这一趋势中受益。可以重点关注汇川技术、禾川科技、鸣志电器、雷赛智能等公司。

         课程目录
第一节：导读（必看）
第二节：非标自动化常用电机类型
第三节：步进电机与伺服电机的区别
第四节：东方马达选型工具的应用
第五节：利用工具插件进行电机快速选型计算
第六节：DD马达的特点与计算选型方法
第七节：伺服电机特性、类型与常见品牌
第八节：伺服电机性能参数解析
第九节：伺服电机选型计算方法（1）
第十节：伺服电机选型计算方法（2）
第十一节：伺服电机选型计算（3）
第十二节：伺服电机选型流程与惯量比详细讲解
第十三节：伺服电机大小规格选型流程
第十四节：步进电机类型、常见型号、品牌
第十五节：步进电机典型特性与应用
第十六节：步进电机性能参数解读
第十七节：步进电机选型流程、选型方法
第十八节：步进电机计算流程
第十九节：步进电机选型计算（1）
第二十节：步进电机选型计算（2）
第二十一节：调速电机、减速电机、变频电机、单相电机的应用
第二十二节：直线电机类型、特点、应用场景
第二十三节：直线电机光栅尺、球栅尺、磁栅尺的区别
第二十四节：音圈电机在自动化设备中典型应用简介
第二十五节：各种电机驱动工况下惯量比的匹配方法
第二十六节：简单皮带输送中电机选型计算
第二十七节：板链输送机电机功率与转速大小的计算
第二十八节：倍速链输送机中电机大小计算流程
第二十九节：实例解析滚子链输送机电机的计算方法