空心杯电机组成部分、应用场景、优势、政策、市场规模及产业链结构分析

空心杯电机可应用于航天航空、医疗设备、工业自动化和机器人等领域

1.空心杯电机基本情况

空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁 （定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。没有软磁性 牙齿。所产生的转矩是均匀的，即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。有绕组和 换向器的转子。绕组通过所谓的换向板连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙中运动。换向系统使用一对贵金属刷减 少了电刷火花。减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

应用场景： ✓ 需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备， 工业机器人，仿生义肢等，空心杯电动机能很好地满足其技术要求。 ✓ 对驱动元件要求平稳持久拖动的产品。如各类便携式的仪器仪表，个人随身装备，野外作业的仪器设备，电动车等，同样一 组电源，供电时间可以延长一倍以上。 ✓ 各种飞行器，包括航空、航天、航模等。利用空心杯电动机重量轻，体积小，能耗低的优点，可以最大限度地减轻飞行器的 重量。 ✓ 各种各样的民用电器、工业产品。采用空心杯电动机作为执行元件，可以使产品档次提高，性能优越。 ✓ 利用其能量转换效率高的优势，也作为发电机使用；利用其线性运行特性，也作为测速发电机使用；配上减速器，也可以作 为力矩电动机使用。

缺点：当直流电机处于静止状态时，如果绕组一相切断或电源切断一相接通电源，绕组会产生两个大小相等，方向相反的旋 转磁场，这两个旋转磁场和转子作用产生的扭矩大小相等，方向相反，正好互相抵消，启动转矩为零，电机无法启动，这就 是空心杯电机的缺点。空心杯电机的这个缺点是一种危险很大的故障，在使用时，我们需要检查直流电机是否有故障，检查 电源电路是否有断路开关，是否有熔保险丝，然后检查三相绕组各相有无断流现象。

2.空心杯电机优势

可靠的运行稳定性：较强的自适应能力，速度波动可控制在2% 。 ◆最大能量转换效率(衡量其节能特性的指标) ：其效率通常为70，一些产品可达到90 (普通铁芯电机为15 – 50）。 ◆高能量密度：与同等功率的铁芯电机相比，其重量和体积减少了1 / 3 - 1 / 2;相应的参数如速度-电压、速度-扭矩、扭矩-电流等都显示出标准的线性关系。 ◆启动和制动迅速，反应非常迅速：机械时间常数小于28毫秒，一些产品可达到10毫秒，在推荐运行区域的高速运行条件下，速度调节是敏感的。 ◆更少的电磁干扰：采用高质量的电刷和换向器结构，减少换向火花，并可消除额外的抗干扰装置; ◆转动波动小：由于铁芯没有潜在的机械损耗，空心杯电机运行稳定性非常可靠，而且其体积和重量摆脱了传统铁芯的限制，有很大的扩展设计空间，可以引入许多 先进的技术来调节转速的波动，使得空心杯电机的波动频率和时间远小于传统电机。因此，空心杯电机是精密电器的最佳选择。

无转矩滞后：铜板线圈方式无有槽硅钢片，无磁滞损耗，无齿槽效应减少了速度和转矩波动。 ◆ 稳定性好：空心杯电机生产技术在国内也比较成熟，一般应用的要求各厂家都有配套的研发、测试、半自动化及自动化生产经验，产品一致性、稳定性可靠。 ◆降温效果好：铜盘管内外表面有气流，比槽转子线盘管冷却效果好，传统的漆包线嵌在硅钢片的凹槽内，线圈表面气流少，散热差，温升大，在输出功率相同的情 况下，采用铜线圈模式的电机温升较小。 ◆峰值转矩高：峰值扭矩与连续扭矩的比率非常大，因为当电流上升到峰值时，扭矩常数是恒定的，电流和扭矩之间的线性关系使马达能够产生更大的峰值扭矩，当 马达达到饱和时，无论增加多少电流，马达的扭矩都不会增加。

3.政策端发力助力空心杯电机国产化

 中央及地方出台微特电机和空心杯电机相关政策助力空心杯电机国产化。2022年12月，由工信部推出《关于加快内河船舶绿色智能发展的 实施意见》，推进高效节能电机、电力系统组网等技术研究；推动船用动力电池、电机等上下游配套产品集聚发展。

4.2022年全球空心杯电机市场规模为51亿人民币

空心杯电机全球市场发展增速强劲。根据华经产业研究院数据，2022年全球空心杯电机市场规模为51亿人民币，预计2028年市场规模将达到 83亿人民币，期间复合年均增长率约8.5%。 ◆ 分地区产量：2022年中国空心杯电机产量占比为56%，成为全球最大的空心杯电机产地，欧洲和北美地区产量占比分别为15%和11%。

5.产业链结构：上中下三游紧密衔接，机器人领域或成为市场关注焦点

空心杯电机与微特电机产业链相似。空心杯电机归属于微特电机，其上游原材料与微特电机相似，包括铜、钢材、磁钢、轴承、塑料等。 最初，空心杯电机主要应用于航空、航天、军事等高科技领域，近年来其应用领域逐渐扩展至民用行业，包括医疗设备、消费电子产品、 电动工具、工业自动化等各个领域。 ◆ 空心杯电机是机器人灵活手的关键零件。以特斯拉2023年开始生产的擎天柱Optimus的人形机器人为例，空心杯电机占单台机器人成本的 4.43%，属于占比较高的零部件环节。特斯拉Optimus单手有11个自由度，采用6个执行器，采用空心杯电机+蜗轮蜗杆+金属肌腱驱动的 方案，空心杯电机占手部执行器成本的54.5%。