空心杯电机 VS 传统直流电机的区别是什么
发布日期： 2024-04-05 | 作者：其他
灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件，十分重要且复杂，对电机性能要求比较高。灵 巧手作为机器人实现操作的终端工具，十分重要，其设计高度仿人手，结构很复杂， 面临的最大难题是空间极小而驱动自由度极多，需要配备功率密度高，体积小且控制精 度高的电机。空心杯电机与灵巧手关节适配性高，特斯拉Optimus 选用其作为动力源。空心杯电机具 有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，与灵巧手的需求高度适配。 特斯拉机器人“灵巧手”使用较为经典的六电机驱动方式，和人手一样同样使用 5 个手 指，拥有 11 个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动。 电机采用蜗杆传动机构的目的与腿部直线伺服如出一辙，采用机构自锁降低能耗。为追 求形态美观及自适应性，手指采用拉线的传动机构，拥有负重 20 磅（9KG）和自适应抓 取（能够抓取不一样的形状、尺寸的物体）的能力，可完成搬运、浇花等动作。
电机种类非常之多，空心杯电机凭借性能优势而非常关注。电机自从被发明出以来逐渐进入 我们生活的方方面面，是日常生活中应用最广泛的用电设备之一。电机按工作电源种类 可分为采用直流电源的直流电机和采用交流电源的交流电机，按用途分类可分为驱动电 机和控制电机，其中控制电机又可大致分为开环控制的步进电机和能轻松实现精确闭环控制 的伺服电机空心杯电机是一种采用永磁铁提供磁场，直流电源供电的微型伺服电机， 随工业技术的慢慢的提升，机电设施对于能更好适应任何需求对伺服电机的技术方面的要求越 来越高，而空心杯电机也因其节约能源的效果好、伺服特性好等性能优势而备受关注。
空心杯电机本体“小巧”，性能“精悍”，是电机领域“皇冠上的明珠”。从结构上看，以 有刷空心杯电机为例，其主要由空心杯绕组、永磁体、电刷、换向器等部件组成，采用了 无铁芯转子结构，各部件组合紧密，通常尺寸比较小，直径不超过 40mm。从性能上看， 无铁芯转子结构使电机的性能得到了极大的改善，使其具有卓越的节能，高效，高灵敏 度，运行稳定等特点。
空心杯电机VS 传统直流电机：无铁芯转子结构打破常规，电机性能全方位提升。空心杯电机采用无铁芯空心杯绕组，是与传统直流电机区分的核心差异。绕组是电机的 主要部件，绕组中的感应电动势以及通过绕组的电流产生的电磁转矩实现了机电能量的 转化以及电磁功率的传递。传统直流电机的转子是由铁芯及绕组构成，而空心杯电机的 绕组是由缠绕成杯子状的导线构成，结构的差异使二者性能大有不同。
独特的空心杯形线圈结构使电机性能得到极大改善。这种新式结构由于没冲片齿槽结 构和铁芯，减少了电机运行时的磁阻力矩，以此来降低输出转矩波动。空心杯电机从根本 上消除了铁芯涡流效应带来的损耗，进而减少了电机运行时的能量损耗，同时减轻了电 机的重量，性能得到了极大的改善。空心杯电机相对传统直流电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等 特点。
（1）无铁损与轻质量使空心杯电机能量转化效率较高，节约能源的效果良好。 无铁损：铁损指的是永磁直流电机中的铁芯，因磁体受变动磁场影响，微电机铁芯中损 耗的部分能量，损耗能量会以热能的方式散失或以噪音的方式散失，最重要的包含内部磁场 变化感应出循环电流所导致的涡流损耗、磁畴膨胀收缩导致的磁滞损耗和异常损耗（涡 流损耗和磁滞损耗之外的损耗）三种类型。空心杯电机采用无铁芯结构，几乎完全消除了涡流效应和磁滞效应带来的能量损耗。同时，由于因此，空心杯电机相比传统直流电机拥有更高的能量转化效率。 轻质量：空心杯电机的转动惯量和重量都明显低于普通电机，因此在电机运行过程中转 子自身的机械能损耗也会有所降低。
由新和电机统计，空心杯电能量转化机效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上， 而普通铁芯电机能量转化效率只能达到 15%-50%。
（2）高效率与轻质量使空心杯电机具有较高的功率密度。 轻质量：功率密度是输出功率与重量或体积的比率。从内部结构来看，空心杯电机省去 了铁芯，使得自身重量与体积变小，与同等功率的一般铁芯电机相比，空心杯电机重量 减轻 1/3-1/2，体积减小 1/3-1/2。 高能量转化效率：与传统的感应线圈相比，铜板线圈的重量更轻。由于绕制线圈时既不 需要卷线，也不用添加有槽硅钢片，因此空心杯电机在运行过程中不会产生这方面的涡 流损耗和磁滞损耗。虽然铜板线圈也会带来一定的涡流，但是这种损耗很小且易控制， 确保了较高的输出功率和输出转矩。 总体看来，空心杯电机的输出功率和输出转矩比同规格普通电机高，加上重量或体积小， 故功率密度高，一般达 30mW/cm3。
（3）更小的转子惯量使空心杯电机具有更快的响应速度。 机械时间常数：指的是电机空载加阶跃标称电压时，当转速达到空载转速的 63.2%时所 需的时间，是反应其动态性能好坏的主要技术指标之一。 与相同尺寸的普通有刷直流电机相比，空心杯电机的转子惯量更小，因而拥有更高的响 应速度，其机械时间常数通常在 28ms 以内，部分产品机械时间常数甚至小于 10ms，而 有铁芯电机的机械时间常数一般在 100ms 以上。
（4）无齿槽效应使空心杯电机运行更加平稳。 齿槽效应：齿槽效应是由于电磁场的分布不均匀，导致磁力线的密度在不同位置上发生 变化，当磁力线密度发生明显的变化时，会产生短时间内的电流脉冲，虽然不会减少或增加电 动机的平均转矩，但是会引起噪音、电机振动、速度波动等，对电机定位的伺服性能和 精度造成了比较大的影响，特别是在低速时产生的影响更大。空心杯电机去除了铁芯，采用无齿槽结构，减少了电机运行时的磁阻力矩，以此来降低了 输出转矩波动，使电机运行更加平稳。
空心杯电机按照其换向方式能分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种。 有刷空心杯电机：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；另外一种是无刷空心杯电机，采用电子换向的方式，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。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， 降低了电机常规使用的寿命。 无刷空心杯电机：经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 种电子换向方式使空心杯无刷电机具有效率高、转矩波动小、常规使用的寿命高、结构精巧、 维护方便、易保养等特点。
无刷空心杯电机性能更好，寿命更加长，是未来的发展趋势。寿命方面，无刷空心杯电机寿命受限于轴承，有刷空心杯电机寿命受限于电刷，电刷寿命比轴承短得多，空心杯电 机通常随电刷的报废而报废。有刷空心杯电机换向时会有电火花，电火花会有电磁干扰， 无刷空心杯电机通过霍尔元件换向，基本上没有电磁干扰的影响。 此外，无刷空心杯电机还有转速快，效率高等优点。虽然有刷空心杯电机价格更低，控 制方式更简单，但随着人形机器人灵巧手对于空心杯电机性能和寿命的更高追求，预 计无刷空心杯电机会有更大的发展空间。
二、行业分析：人形机器人带来全新机遇，降本需求助推国内企业打破原有 格局
空心杯电机性能优势突出，使其具备广阔的下游应用领域。空心杯电动机避开了有铁芯 电动机多种技术弊端，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广 阔的应用领域。尤其是随工业技术的快速的提升，对电动机的伺服特性不断提出更高的 期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有无法替代的地位。根据 QY research 在 《Global CorelessDCMotors Market Research Report 2022》中的测算，除人形机器人灵巧 手方面的应用，预计 2022 年全球空心杯电机市场规模约为 50 亿元。
空心杯电动机的应用，从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，十多年来得到迅 速的发展，尤其是在工业发达国家，已经涉及到大部分行业和许多产品： 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方面的要求。 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， 野外作业的仪器设施，电动车、玩具车、电动牙刷等，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，可以很大程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。
医疗设备：在转运患者时，要使用到功能强大、高效的便携式呼吸机。无刷空心杯直流 电机在保证提供更高压力和流量的条件下减小了电机-鼓风机组件的尺寸，能够作出更快 的响应，且更为安静、可靠、高效，能够在夜间、转院途中、急救车或洲际飞行期间通过 电池供电，高效地驱动呼吸机鼓风机。 牙科医生需要用重量轻、功率大且高效的手持式牙科手机成功完成牙科手术。无刷空 心杯直流电机是牙科治疗的理想选择。空心杯电机具有紧凑的设计，可在较小的封装中提供最大化的扭矩和功率，在治疗过程中实现精确而集中的工作，同时可消除对牙医和 患者造成的任何不愉快的噪音。
工业自动化：电动夹爪是自动化工业中一种重要的装置，在自动化快速地发展的今天，电 动夹爪能帮助人们完成复杂系数较高的事情。需要电机具有可靠性高、精准度高、反应 速度快等优点。空心杯电机很好地适配电动夹爪的需求，兆威机电基于驱动齿轮箱设计、仿真分析、噪音分析等多项技术方法，提出了电动夹爪驱动系统的解决方案，通过优化 驱动控制方式、增大抓持力的输出功率，有效的解决了电动夹爪使用时的复杂程度、噪 音大等问题，使其得到普遍应用。 精密点胶机作为一种专门用于汽车电子、智能家居、工业自动化、医疗器械等行业的高 精度设备，其作用是为产品做极致的精细化点胶。目前市面上某些点胶机进行精细化 点胶的过程中，由于驱动系统的精度及力矩欠佳，在长时间使用的过程中，点胶机容易出 现吐胶量不稳定的情况，造成点胶错误。利用无刷高性能电机配合精密齿轮箱，以 电机带动螺杆在定子型腔内旋转实现定量输送功能，可形成稳定吐胶效果，进而提高点 胶机性能。具有结构相对比较简单、操作便捷、常规使用的寿命长等特点。
航空航天：无人机也称为 UAV（无人驾驶飞行器），其用途广泛，可用于国防和监控、 农业和物流等各种应用。无人机需具备极度灵活的导航功能，并且必须极其耐用，因为 它们经常需要在恶劣的环境中作业。这些 UAV 应用需要有效的推进力来提高可操作性（即延长电池使用时间）、降低噪音和热特性，以确保不被发现，并精确控制相机云台和 其他辅助应用。无刷空心杯电机可满足无人机对响应性、可靠性和运动精度的要求，在 紧凑、轻量化的外壳中提供最佳的扭矩和效率，并且完全能在恶劣的环境条件下运行。 驾驶舱飞行控制元件也称为舱内控制元件，可以帮助飞行员控制飞机飞行的方向。这些 装置将飞行员的指令传输到固定翼飞机或旋翼飞机的操纵面，同时，向飞行员提供主动 力反馈；由此，飞行员能清楚看到并感觉到飞行控制元件的运动，类似于转弯时车辆方向 盘上的阻力。主动力反馈设备包括侧置操纵杆装置 (SSU)、方向舵踏板/方向舵制动踏板 装置 (RBPU)、油门控制组件 (TCA)/油门控制拉索 (TCQ) 以及无人驾驶/自动油门和智 能执行器。驾驶舱飞行控制元件的关键特性要求小型电机必须可靠、精确，空间和重量 限制需要紧凑、轻量化和高功率密度 (SWaP) 的解决方案。空心杯无刷电机不仅仅具备出 色的性能，同时具有较小的尺寸和重量，高度适配驾驶舱飞行控制元件对电机的要求。
海外头部企业主导，市场集中度较高。空心杯电机技术是从德国 Dr.F.Faulhaber 在 1958 年研制出斜绕组线圈绕制技术开始，起步较早，随着生产技术持续不断的发展，国外的空心杯 线圈生产技术已十分成熟。国外大部分采用一次成型技术，其生产的全部过程自动化程度高、 人为干扰少，这样在提高生产效率的同时也提高了产品质量，降低了生产所带来的成本，竞争优 势明显，因此占据了较大的市场占有率。据 QY research 在《Global Coreless DC Motors Market Research Report 2022》中统计，2021 年全球空心杯电机三大有突出贡献的公司占据了 55.43%的市 场份额，竞争格局高度集中。
国内企业经过近几年的追赶，产品性能差距不断缩小。以前国内没有充分意识到空心杯 电机的发展前途。近几年，我国空心杯发展速度较快，已经有更多的生产商开始从 事空心杯电机的设计和制造，国内龙头鸣志电器现在已经可以生产基座尺寸 8mm，额定 电压 6V，空载转速 13500rpm，机械常数 6.6ms，最大连续转矩 0.60mNm 的有刷空心杯 电机。对比全球空心杯龙头之一 Faulhaber 的同等基座尺寸和额定电压的有刷空心杯电机产品，性能参数仅有微小差异，海内外龙头技术差距不断缩小。
人形机器人普及的关键在于降本。马斯克在 2022AIDay 上预计 Optimus 最终量产时，价 格要在 2 万美元以下。从投资回报的角度看，人形机器人只有实现在家政、康复、工业 场景的普遍应用，且成本更低时，才会对客户有更强的吸引力，因此人形机器人降本需 求迫切。 国内空心杯电机性价比较高，降本需求带来国产替代新机遇。将海外厂商Maxon、与国 内厂商鸣志电器的性能接近、大小相似的空心杯电机价格进行比对，Maxon 产品虽然在 功率密度和最大连续转矩上有微小优势，但其价格大约是鸣志电器产品的 2 倍，鸣志电 器产品性价比较高。在降本需求的推动下，将会有慢慢的变多的国内厂商进入空心杯行业， 有望复刻已经验证过的汽车零部件降本的路线，加快推动人形机器人产业化落地。
菱形绕组设计最为省材，功耗也最小。刘明豪在《永磁直流有刷空心杯电机设计》中对 比分析了不同线圈设计的空心杯电机在 Maxwell 3D 中的铜损。当铜损达到稳定后，菱 形绕组的铜耗最小，斜绕组次之，直绕组铜耗最大。从根源上分析，绕组铜线的铜耗来 源于导线中的电阻。在材料相同的情况下，绕组跨距都为 180°，由于直绕组的轴向边距 离较长，所需的铜线尺寸最长，因此铜耗最大。而斜绕组在拐角处距离略长于菱形绕组， 长度接近但铜耗略大于菱形绕组，因此菱形绕组最为省材料，功耗也最小。
绕制工艺方面，斜绕组更适合手动绕制而成，直绕组难度次之，菱形绕组手动绕制较难， 一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成。手动绕制过程中人为误差较大，且进行多边 形绕制与固定时更易精度不够、产生形变，会降低绕组的空间密度、形状规范，从而会 影响到绕组发挥电磁转换的作用。世界知名企业的空心杯电机多采用机械进行菱形绕制 方式。前人设计中，直绕组内的气隙区域较大，空心杯轴向较长或者且额定功率较大的 电机中多采用此设计。
生产空心杯电机的重点是空心杯线圈的绕制方式，目前主要有绕卷式生产和一次性绕 制成型两种生产方式。
绕卷式生产主要由送线、坯线圈绕制、板坯成型、卷制成型四大步骤组成，下面以刘青 星在《基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究》中的贵州某企业的高精度空心杯线 圈智能制造生产线为例，介绍绕卷式生产的工艺流程。
送线：坯线圈绕制过程中，漆包线所受的张力将影响坯线成型松散程度，对后续的板坯 压制、卷制成型过程均有不同程度的影响。因此，采用伺服磁阻尼张力器进行漆包线张 力控制，磁阻尼张力器以永磁体产生的磁场为媒介，传递恒定扭矩进行张力控制。 坯线圈绕制：经过张力控制器的张力调节，空心杯线圈绕线机将漆包线绕制成一定匝数 和引线脚数的坯线圈。棱形卷制柱将漆包线绕制到恒定匝数时，便停止旋转，左右两边 的压平板对棱形卷制柱上的线圈进行搓平，同时钩针上升钩下漆包线并进行旋转，形成 一根引线。重复上述过程，当坯线圈的匝数与引线数达到设置值时，坯线圈成型。
板坯成型：坯线圈形成后，空心杯线圈压扁装置从棱形卷制柱上夹取坯线圈，通过夹具 上的涂胶加热以及夹具的压力定型，将坯线圈压制为板坯并将坯线板放置在线圈成型装 置上，进行卷制成型。
卷制成形：工装夹具沿导轨运动，将压制好的板坯送至线圈卷圆装置中，由四个模具及 中间的卷制圆柱对板坯进行加热、加压定型，进而将板坯卷制成线圈。通过设定四个模 具定型时的压力、定型温度、定型时间等关键工艺参数，保证线圈的成型质量。线圈卷 制完成后，取料夹具将空心杯线圈从卷制圆柱上取下，并放置在图片采集平台上，以便 对其进行外观缺陷检测。
一次成型技术为全自动化生产，绕线机为核心设备。一次成型生产技术利用空心杯线圈 绕制设备一次绕制成型，绕线机降铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，全程 依靠绕线机工作，属于全自动化生产。 一次成型技术主要分为加工准备、绕线、抽头三步，由绕线机的六大模块相互配合完成。 通过分析线圈的结构可以将绕线机的机械结构分为六个模块：主运动模块、排线模块、 摆线模块、加热模块、抽头模块、剪断模块。其中加工准备主要由加热模块完成，绕线主 要由主运动模块、排线模块和摆线模块相互协调完成，抽头主要由抽头模块和剪断模块 完成。
加热模块负责加热自粘线导线以实现导线间的粘结。空心杯线圈绕线机采用自粘线导线作为生产原材料。采用自粘线导线生产线圈时需要设计加热装置，裴新平在《空心杯线 圈绕线机设计》中采用热风加热。将加热模块设计成伸缩结构。需要加热时将热风口伸 出至指定位置，实现加热。
主运动模块负责实现芯轴的旋转。以一个芯轴按照一定规律的旋转运动作为空心杯线圈 绕线机的主运动；芯轴充当缠绕线圈时的载体，芯轴的外径决定了空心杯线圈的内径。 排线模块负责控制导线按一定的规律排列。空心杯线圈是由紧密排列的导线构成的。所 以空心杯线圈成型过程中需要导线按照一定的规律排列。而单独靠做旋转运动的芯轴并 不能完成排线功能，因此绕线机需要设计单独的排线单元。通过仔细观察线圈可知空心 杯线圈是由重复的导线回路构成的，各个回路的形状理论上是一致的，也就意味着排线 过程中主轴旋转一周排线机构与主轴在主轴圆柱表面的交点沿圆柱周向移动一个固定值 （该值由所要加工的线圈匝数和线圈内径决定），即排线机构与主运动机构存在固定的相 位差，该相位差根据所加工的线圈匝数、内径的不同而不同；绕线机的主运动为回转运 动，所以排线机构也设计为回转运动。
摆线模块负责控制线嘴的运动，与主运动模块一起决定了导线的缠绕方式。空心杯线圈 的导线轴线可以简化为两个空间正交的直线和圆柱体在圆柱体表面的交点的轨迹，主运动的芯轴即为该圆柱体，摆线结构的线嘴的轴线即为该直线。摆线机构带动线嘴机构往 复摆动，线圈的长度即为线嘴部分的摆动范围。摆线机构与主轴的运动规律共同决定了 空心杯线圈导线的缠绕方式。
抽头模块负责在指定位置留出抽头。抽头模块主要由伸缩机构、勾头、抽头电机组成， 空心杯线圈需要在指定位置留出抽头。在加工过程中，可以通过在指定位置暂停主运动 和摆线运动，将导线拉出一定长度的方式实现在指定位置留有抽头的目的。为此设计抽 头模块，为避免运动干涉同样将抽头模块设计成伸缩形式。
剪断模块负责在抽头和加工完成后剪断导线。空心杯线圈绕线机所采用的原材料导线为 成捆的整根导线。因此在抽头和加工完成后均需要剪断导线，方便拨叉将线圈推出，为 提高生产效率和自动化程度，将剪断模块也设计成自动化模块。
绕卷式生产工艺大多为手工或半自动化模式，生产设备要求较低但批量生产能力较差 成品一致性差：传统的线圈绕线工艺采用手工布线，线圈在布线模中的定位是通过肉眼 来判断是否均匀，线圈的均匀定位误差较大；而且由于手工绕制线圈，各个线圈之间存 在误差。这种误差的存在，使得线圈重量、宽度均不一致，由此造成绕组成型后分布不 均匀，成品一致性差。 生产效率低：采用该方法加工的空心杯电枢绕组贴成圆形后，后期还需要用刮板手工整 形、对线圈进行手工整理，绕组两端手工整形，整理、固定浮线，操作工艺复杂，生产效 率低。 无法绕制大功率电机线圈：绕卷式工艺只能生产线 以下的线圈，而较大功率电 机线径较粗，该工艺无法生产。
一次绕制成型工艺生产效率高、产品质量高，但对生产设备要求较高。日本、瑞士、德 国等国研制空心杯电机的时间较早，现在都已具有高效而优良的生产设备，有能力进行 自动化程度更高、人为干扰因素更少的一次绕制成型生产，提高生产效率的同时提高了 线圈的生产质量。
线圈设计：空心杯电机线圈常用到三种设计—直绕组、斜绕组、菱形绕组。菱形绕组设计最为省材，功耗也最小。绕制工艺方面，斜绕组更适合手动绕制而成，直绕组难度次 之，菱形绕组手动绕制较难，通常要借助特定的绕线机工艺设备完成。 生产工艺：生产空心杯电机的重点是空心杯线圈的绕制方式，目前主要有绕卷式生产 和一次性绕制成型两种生产方式。绕卷式生产主要由送线、坯线圈绕制、板坯成型、卷 制成型四大步骤组成。一次成型技术为全自动化生产，绕线机为核心设备。一次成型技 术大致上可以分为加工准备、绕线、抽头三步，由绕线机的六大模块相互配合完成。 壁垒在于绕线设备：绕卷式生产的基本工艺虽然对生产设备要求较低，但其生产效率低、一致 性较差且不能绕制大功率线圈，不适合大批量自动生产。一次绕制成型工艺生产效率高、 产品质量高，最终的原因在于其拥有先进的线圈生产设备。关键字：核心零部件引用地址：空心杯电机 VS 传统直流电机的区别是什么
产业 的发展和应用，是我国制造业走向高端化和化的重中之重。目前中国工业机器人产业呈现“快速成长”和“国产替代”的双重重要特征。 工业机器人 工业机器人是面向工业领域的多关节手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可接受人类指挥，也可根据预先编排的程序运行，现代的工业机器人还能够准确的通过技术制定的原则纲领行动。 组成结构 工业机器人由主体、驱动系统和三个基本部分所组成。 主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行路机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。 驱动系统包
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