交流电动机需要换向器吗

报告出品方：国金证券

以下为报告原文节选

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1.电机分为哪些类型？

电机是依据电磁感应定律将电能转换为机械能的装置，主要由定子、转子及其他附件组成。其利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，从而为多种机械提供动力。电机有多种分类方式，按照应用领域分为动力电机和控制电机；按照电源类型分为直流电机和交流电机。

1.1 按照应用领域分为动力电机和控制电机

动力电机输出功率较大，注重电机的驱动、运行及制动性能，主要应用于汽车、家电、小型机床等领域。控制电机侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标，精度高、响应速度快，主要在自动控制系统中承担执行、检测和解算功能。

（1）动力电机：按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转电机展平而得，其定子叫初级、转子叫次级，其优势在于可以直接将电能转换为直线运动的机械能，而无需再借助中间转换装置。常见的直线电机可分为 U 型槽式、平板式和管式。

其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱动电机，例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。

（2）控制电机：按照控制方式进一步分为步进电机、伺服电机、力矩电机。

步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电动机，每输入一个脉冲信号，步进电机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。

伺服电机相较于步进电机增加了编码器与反馈机制，使得驱动器可以根据目标值与编码器的反馈信号之间的差异来调整转子转动的角度，从而可实现更精密的控制，主要适用于半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等对于控制精度、速度响应、过载能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机是一种特殊的伺服电机，采用无铁芯转子，呈空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。

力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用开环控制。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩，当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。在电动机低速甚至堵转（转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好等优点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。

1.2 按照电源类型分为直流电机和交流电机

直流电机由直流电源驱动，交流电机由交流电源驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大，适用于在重负载下启动或需要均匀调节转速的机械。交流电机效率高、噪音低，常用于家用电器中。

（1）直流电机：按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机，为使转子转动需要不断改变电流方向。

有刷电机采用机械换向，内部的电枢和换向器一起旋转，而外部的磁极和电刷都不动。

通过换向器与电刷的交替接触，电机运行时电流的方向就会不断改变，从而改变电机的运动方向。其优势在于启动快速、制动及时、调速平稳，并且启动电流大、在低速时扭矩大，因而能带很重的负荷，常用在电钻等日常电动工具中。但由于换向器与电刷之间存在摩擦，因而电刷易损耗、寿命短，并且效率较低。

无刷电机采用电气换向，以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置，其线圈不动而磁极旋转。其原理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，从而适时切换线圈中电流的方向，以产生正确方向的磁力来驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用寿命长、运行时间和电压比较稳定。

（2）交流电机

交流电机按照电源类型分为单相电机与三相电机。单相电机采用单相交流电源供电，定子仅含一个绕组，需借助启动线圈或运行电容器等以产生旋转磁场。特点是结构简单、维修方便，多应用于小型家用电器等生活场景。三相电机采用三相交流电源供电，定子绕组分为三组，通入互差 120°的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性和精度高，多用于水泵、机床等工业领域。

交流电机按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同，交流电机分为同步电机与异步电机。同步电机的转速恒定，而异步电机的转速可以随着负载的变化而调节。常见的电力拖动机械大多由异步电机驱动，如空气压缩机、鼓风机、大型起重设备等。而同步电机主要适用于要求转速恒定的大功率生产机械，如连续式轧钢机、球磨机等，由于其造价昂贵、维修困难而应用较少。

2.无框力矩电机：机器人关节电机，国内外厂商性能差距明显

2.1 为什么机器人关节要用无框力矩电机？

机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快。机器人关节是机器人各个零部件之间发生相对运动的机构，是机器人结构中重要的组成部分，其重量、结构、尺寸的选择对机器人性能影响较大。电机是机器人关节结构的主要部件，因此，机器人对关节电机的要求较高，主要包括：1）快速响应：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短。

2）起动转矩惯量比大：在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。3）体积小、质量小、轴向尺寸短。4）控制特性的连续性和直线性：随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号近似成正比。

无框力矩电机原理：无框力矩电机是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机，由驱动器供电，驱动器控制 U/V/W 三相电形成电磁场，永磁体的转子在磁场的作用下转动。

无框力矩电机外观：无框力矩电机没有轴、轴承、外壳或端盖，只有转子和定子两个部件。

转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，包含有齿钢叠片，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主体内。

相对于普通电机，无框力矩电机具有体积小、扭矩高、极端环境性能稳定等优势，更符合人形机器人的需求。1）体积小：无框电机中空式设计，最大限度减小电机所占空间，更方便走线布置；2）扭矩高：无框力矩电机具有较高的功率，在低转速的情况下，能够输出更大扭矩；3）性能稳定：无框电机的电机组件直接整合到机器元件内，不会受到外界高压、高温环境、辐射的影响。

使用无框力矩电机的机器人案例包括特斯拉擎天柱 Optimus 以及优必选仿人服务机器人Walker。

特斯拉 2022 年推出的机器人 Optimus 躯干包括 28 个关节执行器，分为旋转与线性两大类，每类包含 3 种执行器。其中旋转执行器解决方案预估为无框力矩电机+谐波减速器+传感器+轴承，用来实现类似人体关节的旋转运动；直线执行器解决方案预估为无框力矩电机+滚柱丝杠+传感器+轴承，用来实现类似人体肌肉的拉伸运动。

优必选仿人服务机器人 Walker 在全身关节部位安装了 36 个自研的高性能伺服舵机，该伺服舵机是一体化驱动单元，主要由无框力矩电机、精密谐波减速、驱动控制器及双编码器组成。机器人拥有从 2.5Nm 到 160Nm 的系列伺服舵机作为驱动单元，速度可以达到 60 转/分钟，支持位置模式、速度模式和力矩模式三种控制方式。

2.2 如何看待无框力矩电机的壁垒、竞争格局？

壁垒：磁路和工艺设计。电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标，而无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率，因此在磁路和工艺设计方面存在一定的技术能力要求。海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势，例如韩国 TM TECH 转子采用整体充磁磁环技术，美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国 TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相比存在差距。

格局：全球龙头为科尔摩根，国内外厂商产品性能仍有差距。美国科尔摩根是全球无框力矩电机龙头，拥有超 70 年的运动控制研发经验，电机性能在全球处于第一梯队。国内目前进展较快的公司包括步科股份、航天电器。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。

3.空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔

3.1 为什么机器人灵巧手要用空心杯电机？

空心杯电机属于伺服电机，被誉为“电机皇冠上的明珠”。不同于普通铁芯电机将电机绕组固定在铁芯之上，空心杯电机绕组不依靠铁芯支撑，而是利用特殊工艺将电机绕组做成可以独立支撑的杯状。由于采用无铁芯转子结构，空心杯电机消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时，其重量和转动惯量大幅降低，减少了转子自身的机械能损耗，大幅提高了电机的运转性能。

空心杯电机性能优越，具有控制精度高、寿命长、转速快、能效高、体积小、能量密度大等优势。

控制精度高、寿命长。空心杯电机的机械时间常数小，一般在 28 毫秒以内，而铁芯电机一般在 100 毫秒以上，因此空心杯电机响应时间极快。由于电机特性为线性，因而具有理想的控制性能，转子转速范围宽，便于对转速进行高精度控制操作。此外，空心杯电机换向片数量多，换向时电流波动小，加之电机电感量较小，换向系统在换向时受到的腐蚀小，从而寿命更长，可达 1000-3000 小时，约是普通有刷直流电机的4-6 倍。

转速快、能效高。空心杯电机由于采用无铁芯转子结构，基本没有涡流损耗、磁滞损耗，所以最高转速设计可达 10000rpm，最高能效多位于 65%-85%。普通有刷直流电机由于涡流损耗与转速的平方成正比，故其连续力矩会随转速上升而快速下降，最高转速一般在 5000rpm 以下。此外，由于铁损耗与机械损耗的存在，普通有刷直流电机的能量转化效率一般在 50%左右。

体积小、能量密度大、拖动特性优。与同等功率的普通有刷直流电机相比，空心杯电机体积更小、质量更轻，因而能量密度更大。此外，其输出转矩较高、转矩脉动更小，加之其换向片数量很多，因而操作更加平稳、可靠，转速波动小且容易控制，具有理想的拖动性能。

空心杯电动机应用广泛，与灵巧手轻量化、高精度需求完美契合。空心杯电机凭借性能优越，广泛应用于工厂自动化、机器人、医疗技术、航空航天等领域。在机器人领域，灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机尺寸较小，直径一般不超过 40mm，同时还具有转速高、响应快、精度高等优势，完美契合了灵巧手对驱动电机的轻量化和高精度要求。例如，因时机器人在灵巧手中内置微型驱动器，该驱动器为小型一体化直线伺服系统，内部集成了空心杯电机、精密行星减速器、传感器等部件。

3.2 如何看待空心杯电机的壁垒、竞争格局？

壁垒 1：线圈绕组设计：国内以卷绕生产为主，生产效率低空心杯电机线圈绕制技术按成型方式分为卷绕生产和一次成型生产。1）卷绕生产工艺较为复杂，先将铜线绕制成几何形状的空心线圈，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后将线板绕成圆柱状的线圈。2）一次成型技术通过绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，不需要卷圆压扁等工序。两种技术相比，后者工艺简单，绕制效率高。目前我国生产空心杯电机多采用卷绕式生产技术，生产效率较低，废品率高，生产出来的线圈直径较小，生产高性能大尺寸的线圈技术有待提升。

空心杯电机线圈绕制技术按线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，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。斜绕形和马鞍形的绕制工艺简单，具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，是国外先进空心杯电机厂商常用的两种线圈形式。例如，德国 Faulhaber 电机采用斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形线圈，因而电机性能更加优越。

壁垒 2：绕线设备：绕线机技术海外领先，国内企业自动化程度低绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本，包括瑞士 Meteor、日本田中精机、日本日特机械等企业。海外厂商设备先进，基本实现了绕线设备的自动化、智能化、网络化，绕线设备质量可靠,生产效率高。

例如：（1）瑞士 Meteor 专业从事绕线机制造，是瑞士 MAXON 等知名空心杯电机企业绕线机供应商。其 M21 系列绕线机通过伺服电机实现线圈的精密排线，系统采用CNC数控技术精准控制，确保了绕线机在高速运转状态下的绕制精度。（2）日本日特机械是全球大型绕线机专业生产商，绕线机种类多且性能可靠、通用性强。其 BAS 系列是绕制各种空心线圈，能够实现一次成型的设备。该绕线机采用高刚性的排线导轨，使得其在无槽夹具的情况下，同样能实现高质量的排线绕制。

国内绕线设备自动化程度低，技术与海外存在差距。我国绕线机研发起步晚，线圈设计以卷绕式为主，工序较为繁琐。部分绕线机可实现一次成型绕制，但面对较大功率电机的粗线径线圈，国产设备在可靠性和绕制精度方面相比世界先进水平仍有较大差距。

国内绕线机厂商包括中特科技、勤联科技、台立电子等公司。以中特科技为例，其全自动双轴空心杯绕线机绕制原理依旧属于卷绕式生产，工序相对复杂。勤联科技的空心杯绕线机采用一次性绕制成型技术，但主要适用于尺寸较小、线径较细的线圈，对于大功率空心杯电机的线圈绕制存在一定难度。

格局：海外厂商技术领先，国产替代空间广阔。

空心杯电机起源于德国、瑞士等欧美国家，全球头部企业包括德国 Faulhaber、瑞士 Maxon和瑞士 Portescap。海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚，是全球空心杯电机的主要供应商。国内起步较晚，有业务布局的企业包括鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利和伟创电气。根据上述各公司公告，鸣志电器空心杯电机技术水平位居全球前列；拓邦股份空心杯电机已经实现批量应用；江苏雷利子公司鼎智科技的空心杯电机已实现量产，目前处于小批量验证阶段；伟创电气处于产品内部测试阶段，其余企业技术相对薄弱，国产替代空间广阔。

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仰熊刚3403为什么交流电动机需要换向器?
融宏谭18741415667 ______ 因为线圈中有平衡电

仰熊刚3403交流电机和直流电机都有换向器吗?
融宏谭18741415667 ______ 交流电机没有

仰熊刚3403直流电机中,线圈到平衡位置时,改变电流方向,就继续转,是不是交流电动机就不需要换向器呢? -
融宏谭18741415667 ______ 你说的疑问是就像手电钻的电机吧,那我来给你说一下吧.它的工作方式和直流电机是一样的 只是线圈中是交流电.它产生的拧力夹角和它的电刷接触通电的转子线圈位置有关. 因为电刷换向的原因,转子通电绕组一直处在和定子线圈相对的一个可以产生最大力距的位置上. 那么它们里面的磁场在以固定的50Hz变化,是定子和转子中同步的.所以就可以一直的产生正转的力距,不会反转,还可以有很高的转速. 当然还有常见的交流异步电机,是没有电刷的那是利用的电磁感应磁电滞后的原理工作的,要另做分析给你, 还有一种叫遮极电机的.也是利用的磁极的遮极部分产生的磁极滞后的原理.你可以看看关于这些书籍.

仰熊刚3403交流发动机的原理是什么?有换向器吗?
融宏谭18741415667 ______ 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成. 定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成. 转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成. 由轴承及端盖将发电机的定子,转子连接组装起来,使转子能在定子中旋转,做切割磁力线的运动,从而产生感应电势,通过接线端子引出,接在回路中,便产生了电流. 有没有换向器,要看发电机励磁方式,绕线式转子的必须要有换向器,而永磁式转子就不需要有换向器. 假设向交流电动机输入220V,5Hz的电源,其转速和接入220V 50Hz的电源是不相同的,甚至无法启动电动机.

仰熊刚3403交流电动机和直流电动机的区别 -
融宏谭18741415667 ______ 发电机的线圈在磁场中旋转的同时电流的方向和大小是变化的.如果不用换向器输出的就是交流电.所以直流发电机要用换向器. 因为直流电动机通过换向器改变电流方向是线圈持续转动 而交流电本来就不停变换方向,不需要再用换向器

仰熊刚3403家庭电路中可以不用换向器吗 -
融宏谭18741415667 ______ 楼上说的不对.家庭电路就是交流电.220v50Hz楼主的问题应该是关于电动机的.交流电动机,确实不用换向器的.

仰熊刚3403交流电动机跟直流电动机有什么区别?是不是交流电动机没有换向器?最
融宏谭18741415667 ______ 串激式交流电机与直流电机的结构没有什么区别,如电吹风、粉碎机、手电钻等等中用的电机,只是不能象直流电机那样用恒磁体来产生磁场.有换向器、碳刷,工作中有电火花产生,噪声较大. 一般的感应式交流电机没有换向器、碳刷,定子线圈输入电流,转子线圈产生涡流磁场,工作中没有火花、噪声很小.

仰熊刚3403为什么线圈里是交流电,交流电是什么意思,交流电不是方向变化吗?为什么电动机还要装换向器 -
融宏谭18741415667 ______ 这个中学物理课都讲过了,你忘记啦. 交流电就是大小方向都不断的变化的电流. 正因为这样,所以要接换向器,让输出的电流保持一个方向 因为外面的电器是需要直流电,而且需要稳定的电流 所以还需要要有整流器,你应该知道吧.

仰熊刚3403直流电动机与交流电动机的区别 要简明扼要的
融宏谭18741415667 ______ 交流电动机:电流周期性改变方向 直流电动机:不改变方向

仰熊刚3403发电机要加换向器吗? -
融宏谭18741415667 ______ 只有直流发电机才需要