产品介绍

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　　空心杯电机是一种特殊的直流电机。传统直流电机被广泛应用于工业生产、家用电器、交通 运输等领域，由定子和转子两大核心部分组成，直流电机运行时静止不动的部分称为定子， 定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。常 用的定子磁铁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体。运行时转动的部分称为转子，其主 要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电 枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

　　空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，其电枢绕组为 空心杯线圈，形状类似水杯，因此被称为“空心杯电机”。空心杯电机属于直流、永磁、伺服 微特电机。这种新颖的转子结构使空心杯电机具备以下优良特性： ①节能特性：无铁芯设计彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率很 高，其最大效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 70%）； ②控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方 便地对转速进行灵敏的调节； ③拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易 的控制在 2%以内； ④轻量化特性：与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2，能量密度大幅 度提高。 空心杯电机的核心指标为功率密度，即输出功率与重量或体积的比值。无铁芯转子在分子端 消除了涡流和磁滞损耗，提高了能量转化效率；在分母端减轻了重量和体积。

　　电刷是有刷电机的一个重要组成元件，负责在旋转部件与静止部件之间传导电流。因较多用 石墨制成，故也称碳刷。在普通直流电机中，为使转子保持旋转，需实时改变转子电流方向， 因此需要使用换向器和碳刷。无刷电机取消了机械电刷换向方式，因此需要检测转子位置以 完成电子换向。常用的获取转子位置信息的方式主要有两种：①无传感器控制方式，在电机 运转时，通过电机反馈出的可测量变量来确定转子位置；②位置传感器控制方式，电机转子 位置是通过电机内部的位置传感器直接检测得到的。常用的位置传感器有霍尔传感器、光电 编码器、旋转变压器等。霍尔传感器检测精度不高，但价格较低；而光电编码器、旋转变压 器位置检测准确，误差小，一般用于高性能要求控制系统，如磁场定向控制、直接转矩控制。

　　空心杯电机按其结构可分为有刷和无刷两种。 ①有刷空心杯电机（也被称为直流有刷无铁芯电机，转子无铁芯）：采用机械电刷换向，一般 由机壳、软磁材料内定子、永磁体外定子、空心杯型转子电枢组成。当空心杯有刷电机通电 时，绕组有电流通过，产生转矩，转子开始旋转，若转子转到特定角度，电刷利用机械换向 器的方式改变电流方向，使输出转矩方向不变，转子继续旋转。由于空心杯有刷电机采用电 刷换向，电机运行过程中存在着一定的相对摩擦，这就会产生噪声、电火花，降低了电机的 使用寿命。一般国内的“空心杯电机”泛指有刷电机； ②无刷空心杯电机（也被称为直流无刷无齿槽电机，定子无铁芯）：采用电子换向的方式，一 般由机壳，软磁材料、绝缘材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等组成。空心杯无刷 电机通过控制电子元件的通断使不同绕组接入电路，达到换向的效果。这种换向方式使空心 杯无刷电机具有效率高、转矩波动小、使用寿命高、结构精巧，维护方便，易保养等特点。

　　空心杯电机工艺流程复杂，加工难度远超普通直流有槽电机。以鼎智科技的直流无槽电机（即 其空心杯电机产品）为例，从前段线圈绕制、中段轴承、芯轴、支撑环等核心零部件安装， 到后段后盖安装和线 道工序，复杂程度远超普通直流有槽电机。线圈 的生产需要经历漆包线——绕线——加热整形——出线脱漆、接公共线——线圈安装等环节。

　　其中，线圈制造是空心杯电机的核心流程之一。无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成， 这是一根绝缘铜线，外面有一层漆。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔 化在一起。适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性，这一点 在高电流负载下尤为重要。

　　空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为三类： 1）人工绕线。通过一系列复杂的工艺，包括插针、手动卷线、手动排线）绕卷式生产技术。绕卷式生产技术是半自动化生产，首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形 的主轴上，达到需要的长度后将其取下，然后压扁成线板，最后将线板卷绕成杯状的线圈。 以一种绕卷式空心杯为例，其制造流程大致分为以下几步：①六边形线坯线圈绕制：在斜绕 组绕线机上进行；②线坯线圈粘贴二条定型压敏胶带，脱模待展平；③展平：将定型板插入 线坯线圈，并将线圈相错拉平，再送入展平机展平，成为扁平线坯。用竹质刮板整形。剪掉 多余的胶带，仅留一只搭头，搭头应留在扁平线坯稍微隆起的一面，以利卷筒成行；④卷筒： 把扁平线坯送入空心杯卷筒机卷筒，使线坯首尾衔接，胶带搭头粘贴于线坯首部外表，成为 空心杯线圈；⑤涂环氧定型：涂环氧胶粘剂后，放入烘箱固化定型。 3）一次成型生产技术。绕线机通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上，线圈卷绕 成杯状后取下，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序，自动化程度高。

　　海外绕线工艺发展早，自动化程度高于国内。国内主要采用绕卷式生产，工艺比较繁琐，工 人劳动强度大，无法完成线径较粗的线圈，废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，生产效率高，线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密，电机种类 多、性能好。 空心杯电机按绕线方式可分为直绕形、马鞍形和斜绕形。1958 年，德国的 Dr.F.Faulhaber （冯哈伯）研制出斜绕组线 年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技 术。德国、瑞士、日本等对空心杯电机的研制较早，在绕线工艺方面积累了丰富经验。全球 空心杯电机三大龙头中，瑞士 Maxon 多采用直绕形和马鞍形，德国 Faulhaber 和瑞士 Portescap 多采用斜绕形。直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次 绕制而成；马鞍形可减小线圈厚度，在高功率密度电机上有效减小磁路气隙，增加切割磁场 的长度，更好地利用定子磁性；斜绕形发展较早，相对来说绕制简单、排线紧密、适用于大 批量生产。

　　绕线是空心杯电机核心技术壁垒所在。①设计环节：海外三大家技术起源于 1960 年代，国 内空心杯电机起步较晚，研究较少，缺少结合材料细分牌号、转子杯类型对电机的优化，欠 缺体系化的正向设计，缺乏定制化要求的系统驱动方案配置与产品设计能力；②加工环节： 与传统的无刷电机、有刷电机、伺服电机相比，空心杯电机的结构属于无齿槽结构，没有定 子槽，所有漆包线都是悬空绕线，内部没有任何支撑，在工艺上难度很高，早期成品率低。 在绕线精度方面，空心杯电机精度要求比传统电机更高。空心杯电机本身体积较小，对误差 的容忍度和普通永磁电机、步进电机相比更低，加工精度直接影响磁场的稳定性。导线粗细、 绕组匝数的不同，使得绕组电阻值、启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。因 此，国内厂商需要在生产加工环节提高精度、良品率、自动化程度。 与海外相比，我国在绕线设备方面也相对薄弱。绕线设备可分为全自动和需要人工的非自动 设备。与海外相比，我国绕线设备自动化程度相对较低。全球领先的绕线设备制造商包括瑞 士 Meteor、日本田中精机株式会社和日特机械工程株式会社。国内企业在设备方面仍然处于 相对空缺的状态，多外购日本绕线设备，价格从几十万到百万不等。国内相对具有代表性的 公司包括中特科技、东莞市台立电子机械有限公司、勤联科技、昆山库克等。

　　空心杯电机属于微特电机，上游原材料与微特电机原材料类似，包括铜、钢材、磁钢、轴承、 塑料等。空心杯电机最初被应用于航空、航天、军事等尖端行业，近年来其应用领域逐步扩 展至民用行业，如医疗装置、消费类电子产品、电动工具、工业自动化等场景。

　　空心杯电机的不同性能对应其在不同领域的应用： 1）体积小、重量轻、功率体积比大的特征使其适用于对重量要求较高的领域，如各类飞行器 等，可以最大限度减轻飞行器的重量；也被广泛用于各类消费类电子产品，如电动牙刷、便 携电风扇等。 2）起动制动迅速、响应极快的特点使其适用于需要实现快速自动控制的领域，如对控制性能 要求较高的导弹方向调节、高倍率光驱随动、高灵敏设备、工业机器人等。 3）能量转化效率高、运行时间长的特点使其适用于各类对节能和续航有要求的领域，如便 携式仪表及野外工作的仪器设备。

　　人形机器人打开了空心杯电机应用新蓝海。据特斯拉 5 月 AI Day 发布的人形机器人 Optimus 最新进展，每只手包括 6 个驱动器和 11 个自由度，大拇指包含两个驱动器，其他四指各包 含一个驱动器，手部可负重 20 磅。手部关节模组主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠 丝杠和传感器构成。空心杯电机使手指拥有活动能力，精密行星齿轮箱使得机械手定位更精 准、运用更灵活，编码器提供了手部高精度位置反馈和速度反馈，传感器使机器人拥有类似 人类的知觉功能和反应能力。 据马斯克预计，未来人形机器人数量或将超过人类数量，长期有望达到百亿台级别。空心杯 电机是机器人手部主流技术方案，确定性较高。人形机器人每只手用到 6 个空心杯电机，考 虑终局情形，人形机器人有望达到百亿台级别，若人形机器人量产落地，将拉动空心杯电机 相关企业营收大幅增长。

　　空心杯电机属于微特电机的一个细分领域。微特电机一般指功率在 750 瓦以下，机座外径不 大于 160mm 或中心高不大于 90mm 的电机，简称微电机，全称微型特种电机。微特电机主要应 用领域包括电动玩具、模型制作、家用电器、汽车行业、医疗器械、机器人制造、电动工具、 安防设备等。据 SKYQUEST 数据,2022 年全球微特电机市场规模为 406.5 亿美元，2030 年预 计达到 560.7 亿美元，2022-2030 年 CAGR 为 4.1%。 据 QY Research 数据，2022 年全球空心杯电机市场规模 7.48 亿美元，同比增长 10.55%，增 速高于微特电机 2022 年的同比增速。①分地区看，2021 年空心杯电机全球市场规模 6.77 亿 美元，中国、欧洲和其他地区分别占比 34.80%、25.85%和 39.35%。2022 年亚太、欧洲、北 美地区分别占比 49%、25%和 20%。②分产品类别看，2022 年有刷空心杯电机市场规模 4.92 亿美元，占比 65.8%；无刷空心杯电机市场规模 2.56 亿美元，占比 34.2%。随着空心杯电机 技术的持续成熟，无刷空心杯电机占比预计持续提升，2028 年预计达到 42.2%。

　　空心杯电机目前市场规模较小，我们以微特电机为例对其下游市场应用比例进行大致把握。 微特电机主要应用领域为 C 端民用产品，消费电子占 29%，家用电器占 26%。武器、航空、农 业、纺织、医疗、包装合计占比 20%，其余汽车电子、影像处理、工业控制及其他分别占比 13%、7%和 5%。

　　空心杯电机作为微特电机中的高端产品，主要应用领域与微特电机存在一定差异。我们将重 点介绍空心杯电机在医疗器械、航空航天以及机器人领域的应用。

　　空心杯电机在医疗领域中的应用主要分为以下几类： 1）有源植入物，如心脏支持系统、主动阀、定位系统、泵系统等。传感器或有源元件可以帮 助有源植入物监控或支持功能。植入物旨在确保可以长期、可靠的应用，电机也必须同 样安全地运行。 2）外科系统，如手术机器人、电动工具、牙医设备等。空心杯电机作为精密外科手术机器人 的动力元。