伺服系统的基本概念
伺服系统市场前景
国内中高端制造业不断发展，各行各业在生产制造活动中越来越多地使用伺服系统来实现高质量和高精度的产品制造，伺服系统下游应用行业实现了从纺织、包装、印刷等传统领域向电子设备制造、工业机器人等新兴领域的转移。根据MIR的数据，2021年，电子制造设备、电池制造设备和工业机器人是Zui主要的三大市场，占比分别为18%、11%、10%。伺服系统下游应用的转型升级带动市场规模逐步扩大。根据中商产业研究院测算，2017-2021年，中国伺服系统市场从97亿元增长至224亿元，复合增长率为23.27%，2022年市场规模有望达286亿元，保持较快增速。2021年中国伺服电机市场规模为169亿元，2017-2021年复合增长率9.86%。其中，交流和直流伺服电机市场占比分别为65%和35%。这是因为交流伺服电机具有Zui大转速高、速度控制平滑、振荡小不易发热以及适用于灰尘、易爆环境的诸多优点更加适应工业自动化对于运动控制的要求。目前，除协作机器人外的大多数工业机器人与数控机床都采用交流伺服电机，但较大的体积和重量在一定程度上限制了应用场景的拓展。
随着服务机器人和医疗器械的大规模应用，下游行业对电机技术的要求发生了巨大变化，有望带动直流伺服电机快速增长。特别是人形机器人为了具备高柔性和精准度，单台设备所需电机数量约30-40个，是多关节机器人的6-7倍。人形机器人采用直流伺服电机和微型电缸系统。其中，颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节一般采用标准的电机组合形式，电机功率约100-200瓦；手部关节空间狭小、要求较高，可选用微型电机系统和微型电缸系统相组合的形式，电机功率约30瓦。
机器人用伺服系统技术壁垒
（一）性能要求
相较于通用伺服，机器人伺服系统是伺服系统中的高端产品，对调速范围、可靠性、稳定性等诸多方面均提出更高的要求。（1）快速响应性：机器人动作转换快，电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应尽量短，一般以机电时间常数大小来反应伺服电机快速响应性能；（2）高负载运作：由于大型工业机器人负载十分大，因此要求伺服电机的起动转矩大，转动惯量小，有足够的起动转矩惯量比；（3）体积质量小：为保证灵活性，机器人正变得越来越轻，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短，并且还要经受得起苛刻的工况，可频繁地正反向和加减速运行，并能在短时间内承受数倍过载；（4）良好的温度控制：机器人关节电机小体积、轻量化、高力矩输出的特点不利于温度控制，需要改良设计以避免温度过高导致永磁体不可逆退磁、绝缘材料损坏等问题；（5）控制特性的连续性和直线性：随着控制信号的变化，电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比；（6）运行的稳定性：转矩脉动是电机中转子在旋转过程中产生的不均匀转矩，源于安装在转子上的永磁体和定子叠片的钢齿之间的吸引力导致的齿槽转矩，会产生振动和嗓音，影响电机的低速性能和精度，需要借助合理的电磁设计消除齿槽转矩。
（二）国内外差距虽然伺服电机的整体技术壁垒低于减速器，但由于机器人对伺服系统的要求更高，相较于通用伺服，国内外机器人用伺服系统的技术、产品质量、稳定性、品类差距更大。国产伺服电机主要有以下几个方面的不足：（1）国产伺服电机大多是仿制日系伺服电机设计，功率多在3kw以内，以中小功率为多，而5.5-15kw的中大功率伺服电机较少。（2）体积普遍较大，外观粗糙，很难应用在对伺服电机的尺寸有严格要求高档机器人中。（3）伺服系统核心技术之一就是高精度的编码器，编码器占电机成本的30%，其分辨率决定了控制精度。机器人上用的多圈juedui值编码器和芯片严重依赖进口，是导致国产伺服电机不能完全替代进口产品的主要原因。（4）国产伺服电机在复杂工况环境时的性能大打折扣，是阻碍国产伺服电机进军高端市场的重要原因之一。（5）基础性研究不足，包括juedui值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。（6）伺服系统各部分产业协同度不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。
四guoneishichang竞争格局
欧美和日系品牌仍然垄断着我国中高端伺服系统市场，占据了大部分市场份额。日系产品性价比较高，质量可靠、体积小、重量轻，但动态响应能力较弱、开放性较差，在中端市场中具备优势。2021年，松下、安川、三菱三大日系品牌大约占据国内伺服系统市场份额的30%。西门子、博世力士乐、贝加莱等欧美品牌更注重产品性能，过载能力高、动态响应好、驱动器开放性强，但价格昂贵、体积重量大，牢牢占据高端市场。虽然中大型高功率产品的市场需求量有限，但单台产品价值量高企，企业始终保持高盈利水平。
中国伺服系统自主研发起步晚，但通过引进和学习国际先进技术等举措，伺服系统的产品质量和技术水平不断提升，形成了一定的产品系列和自主配套能力。同时，受芯片短缺及疫情造成的物流不畅等因素影响，日韩和欧美企业货期有所延长，内资企业借此迎来国产替代的窗口期。中低端伺服系统已实现大规模量产，许多国产产品在技术上与日系产品接近，以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求，逐渐打破外资品牌垄断格局。以汇川技术、禾川技术和埃斯顿为首的国产企业市占率从2017年的27.6%提升至2021年的43.3%。汇川技术依靠行业定制化解决方案、xingjiabigao、客户需求响应及时等优势，于2021年首次超越外资品牌，以16%的市占率排名第一。同时，也应清醒地认识到，国产品牌份额的提升源于日系品牌市场份额的下降，而欧美五
未来发展方向
以空心杯电机、伺服电缸、无框电机为代表的微特电机有望成为伺服系统产业发展新趋势。上述三种电机均具备更高功率密度，符合绿色环保和低碳理念，未来在耗电量大、使用频率高的家电、机器人等领域将逐步渗透，满足高效节能化、小型化及智能化要求。
根据中商情报网数据显示，我国微特电机市场规模由2017年的1872亿元增长至2022年的2793亿元，年均复合增长率为6.9%，增量空间和技术变革需求巨大。近年来，我国已经出现了一批具有竟争力的微特电机制造企业，正在逐步扩大微特电机的生产规模和市场份额。
（一）空心杯电机空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。普通有刷直流电机的定子是永磁体，位于电机外圈，转子是固定在铁芯上的线圈，位于电机内圈。而空心杯电机的定子是位于电机内圈的永磁体，转子是杯状的自支撑线圈，位于电机外侧。无铁芯结构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Zui高可提升至90％以上，同时降低电机重量和转动惯性，急加速急减速性能突出，体积小，功率密度高，散热效果好。同时，空心杯电机没有齿槽转矩，转矩波动小，转速稳定，运行稳定性较高。能够较好地满足灵巧手质量轻、结构紧凑和抓取力强的要求，代表未来电机发展方向。但由于没有牢固的铁芯支撑，线圈厚度较薄，且线圈和输出轴的连接强度有限，因此体积、功率等无法做到很大，一般空心杯电机Zui大功率仅几百瓦。
空心杯市场长期被外资垄断，蕴藏大量国产替代机遇。空心杯电机的产品制造和量产的难度高，如何绕线以保证绕组杯的平整度、一致性是制作空心杯电机Zui重要、Zui关键的技术。目前空心杯市场被德国FAULHABER与瑞士Maxon主导，随着guoneishichang对空心杯电机认知程度不断提高，国产厂商鸣志电器等企业的量产工艺水平不断突破，未来有望实现国产替代。
（二）直流无框力矩电机直流无框力矩电机是去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖的伺服电机，只有一个转子、定子。无框力矩电机的核心优势：（1）转子很轻，可以以很高的转速运行；（2）外形紧凑，占据空间小，单位体积扭矩高；（3）机械部件数量少，没有易磨损或维护的部件，降低后期维护成本。步科股份的全资子公司常州精纳的无框力矩电机综合性能处于国内前列，产品主要用于协作机器人。
（三）伺服电缸伺服电缸是伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将电机的旋转运动转换成高精度直线运动，具备噪音低、节能、高刚性、抗冲击力等优势，符合人形机器人产品对电机的要求。伺服电缸可以分为直线式（直连式）和平行式（折返式）。直线式电缸由伺服电机、伺服驱动器、高精度滚珠丝杠或行星滚珠丝杠、直线位移传感器和缸体等组成，伺服电机与传动丝杆安装在一条直线上，通过联轴器相连，整体结构紧凑，能快速响应；平行式电缸的电机与缸体部分平行安装，通过同步带及同步带轮与电缸的传动丝杆相连接，具有直线式的优点，而且由于整体长度小，更加适用于空间较小的应用场景。伺服电缸主要用于人形机器人膝关节、肘关节和肩关节的连接处，起到辅助驱动的作用。
五总结与建议
在人形机器人商业化加速的背景下，作为机器人产业链核心部件的伺服电机会有较大的市场增量。但现有电机难以同时满足灵活、抗冲击、快速响应、高功率密度等要求，电机技术的突破是未来实现机器人商业化应用的关键环节，存在巨大的技术迭代空间，国内公司若能抓住机遇，凭借技术上的突破、性价比等优势，进入主机厂供应链体系，不仅可以助力国内机器人企业市场竞争力的提升，对于整个中国机器人产业的发展也具有战略意义。
现阶段，国内厂商主要集中在中低端市场，通过成本优势换取销量。但想维持稳定快速成长，要积极扩充产品品类，高效进军新领域。通过密切追踪下游前沿应用领域的Zui新发展，瞄准高成长性下游行业并深耕。积极与全球各行业的优质企业合作，真正了解并解决消费者的需求，开发出附加值高且复杂场景下稳定运行的运控系统，积累跨学科跨领域知识与经验，锻炼电机定制化和创新研发能力。享受在壁垒高企的新兴领域实现突破的先发优势，并凭借积累的产品研发迭代经验保持议价能力，提高盈利水平。
建议重点关注国内优质的伺服电机供应商：（1）具备较强电机定制能力、抢先布局国内尚未成熟，但具备技术、资源优势且空间可观的下游市场、拥有海外销售渠道与客户资源的鸣志电器；（2）布局力矩电机的步科股份；（3）国内通用交流伺服系统龙头汇川技术、禾川科技；（4）中高端微特电机lingjun企业江苏雷利、雷赛智能。品牌占据的高端市场份额几乎没有变化，说明国产高端伺服系统尚未获得竞争优势，还需要不断加大研发投入，中高端应用市场的国产替代空间广阔。
变频调速时对电机及其效能产生的影响变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的。所以普通异步电机在非正弦波下的运行特性分析就是变频调速时对电机产生的影响。主要有以下几个方面：
电机的损耗和效率非正弦电源下运行的电机，除了基波产生的正常损耗外，还将出现许多附加损耗。主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加，从而影响电机的效率。
1
定子铜损在定子绕组中出现的谐波电流使I2R及增加。当忽略集肤效应时，非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成比例。如定子相数为m1，每相定子电阻为及R1，则总的定子铜损P1为把包括基波电流在内的总定子电流有效值Irms代入上式，可得式中的第二项代表谐波损耗。通过实验发现，由于谐波电流的存在和与之相应的漏磁通的出现，使漏磁通的磁路饱和程度增加，因而励磁电流增大，从而使电流的基波成分也加大。2
转子铜损在谐波的频率下，一般可以认为定子绕组的电阻为常数，但对于异步电机的转子，其交流电阻却因集肤效应而大大增加。特别是深槽的笼形转子尤为严重。正弦波电源下的同步电机或磁阻电机，由于定子空间谐波磁势很小。在转子表面绕组中引起的损耗可忽略不计。当同步电机在非正弦电源下运行时.时间谐波磁势感应出转子谐波电流，就像接近其基波同步转速运行的异步电机那样。
反向旋转的5次谐波磁势和正向旋转的7次谐波磁势都将感应出6倍于基波频率的转子电流，在基波频率为50Hz时，转子电流频率为300Hz。同样，第11次和第13次谐波感应出12倍于基波频率，即600HZ的转子电流。在这些频率下，转子的实际交流电阻远远大于直流电阻。转子电阻实际增大多少取决于导体截面和布置导体的转子槽的几何形状。通常的长宽比为4左右的铜导体，在50Hz时交流电阻与直流电阻之比为1.56，在300Hz时比值约为2.6;600Hz时比值约为3.7。频率更高时，此比值随频率的平方根成比例增加。
3
谐波铁损电机中的铁心损耗也由于电源电压中出现谐波而增大;定子电流的各次谐波在气隙间建立了时间谐波磁动势。气隙中任何一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的合成。对于一个三相6阶梯电压波形，气隙中的磁密峰值比基波值约大10%，但是由时间谐波磁通引起的铁损的增加是很小的。
对于端部漏磁通和斜槽漏磁通产生的杂散损耗，在谐波频率作用下将有所增加，这一点在非正弦供电时必须考虑：端部漏磁效应在定子和转子绕组中都存在，主要是漏磁通进入端板引起的涡流损耗。由于定子磁势和转子磁势间相位差的变化，在斜槽结构中产生斜槽漏磁通，其磁势在端部Zui大，在定转子铁心及齿中产生损耗。
4
电机效率谐波损耗的大小明显地决定于外加电压的谐波含量。谐波分量大，电机损耗增加，效率降低。但是大多数静止逆变器不产生低于5次的谐波，而高次谐波的幅值较小。这种波形的电压对电机效率降低并不严重。对中等容量的异步电机进行计算和对比试验表明，其满载有效电流比基波值约增加4%。如果忽略集肤效应，则电机的铜损与总有效电流的平方成比例，谐波铜损为基波损耗的8%。考虑到由于集肤效应使转子电阻平均可增大3倍，因而电机的谐波铜损应为基波损耗的24%。如果铜损占电机总损耗的50%，则谐波铜损使整个电机的损耗增加12%。铁损的增加很难计算，因为它受电机结构和所用磁性材料的影响。
如果定子电压波形中的高次谐波成分相对较低，像在6阶梯波中那样，谐波铁损增加不会超过10%。如果铁损和杂散损耗占电机总损耗的40%，则谐波损耗仅占电机总损耗的4%。摩擦损耗和风阻损耗是不受影响的，因而电机的全部损耗增加小于20%。如果电机在50Hz正弦电源时的效率为90%，则由于谐波存在使电机效率只降低1%一2%。如果外加电压波形的谐波成分明显地大于6阶梯波时的谐波成分，则电机的谐波损耗将大大增加，而且可能大于基波损耗。
就是在6阶梯波电源时，一个低漏抗的磁阻电机可能吸收一个很大的谐波电流，从而使电机的效率下降5%或更多。在这种情况下，为了满意地运行，就要使用12阶梯波的逆变器，或采用六相的定子绕组。电机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关，因此时间谐波的损耗大小实际上可以在空载情况下用正弦电源和非正弦电源进行比较确定。以此来确定某种型式或某种结构的电机效率下降的大致范围