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伺服電機行業現狀:下游機器人產業快速擴張 國產替代正悄然加速

伺服電機又稱執行電動機,是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可以控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統中,用作執行元件,且具有機電時間常數小、線性度高等特性,可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

伺服電機的優點

精度

實現了位置,速度和力矩的閉環控制;克服了步進電機失步的問題;

轉速

高速性能好,一般額定轉速能達到20003000轉;

適應性

抗過載能力強,能承受三倍于額定轉矩的負載,對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用;

穩定

低速運行平穩,低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。適用于有高速響應要求的場合;

及時性

電機加減速的動態相應時間短,一般在幾十毫秒之內;

舒適性

發熱和噪音明顯降低;

資料來源:觀研天下整理

與步進電機相比來看,伺服電機具有良好的低頻特性、過載能力、矩頻特性、運行性能以及速度響應性能。lieu伺服電機加速性能較好,一般只需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合,而步進電機從靜止加速到工作轉速需要上百毫。

步進電機與伺服電機性能對比情況

步進電機 伺服電機
控制精度 相數和拍數越多,精確度就越高 取決于自帶的編碼器,編碼器的刻度越多,精度就越高
低頻特性 在低速時易出現低頻振動現象,當它工作在低速時一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現象 非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象
矩頻特性 輸出力矩隨轉速的升高而下降,高速時會急劇下降 在額定轉速內為恒力矩輸出,在額定轉速上為恒功率輸出
過載能力 不具備 有較強的過載能力
運行性能 其控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖現象 驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環和速度環,一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象,控制性能更為可靠
速度響應性能 從靜止加速到工作轉速需要上百毫 加速性能較好,一般只需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合

資料來源:觀研天下整理

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類。其中在性能上,由于采用正弦波控制,轉矩脈動小,容量可以比較大,因此交流伺服電機要優于直流伺服電機。

伺服電機種類

有刷直流伺服電機驅動器

電動機的工作原理和普通的直流電機完全相同,驅動器為三閉環結構,從內到外分別為電流環、速度環、位置環。電流環的輸出控制電機的電樞電壓,電流環的輸入為速度環PID的輸出,速度環的輸入為位置環的PID輸出,位置環的輸入即是給定輸入。

無刷直流伺服電機驅動器

供電電源為直流,經過內部的三相逆變器逆變成U/V/W的交流電,供給電動機,驅動器同樣采用三閉環控制結構(電流環、速度環、位置環),驅動控制原理同上。

交流伺服電機驅動器

大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊,控制板通過相應的算法輸出PWM信號,作為驅動電路的驅動信號,來改逆變器的輸出功率,以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。其中控制單元是整個交流伺服系統的核心,實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。

資料來源:觀研天下整理

根據觀研報告網發布的《中國伺服電機行業發展深度分析與投資前景研究報告(2022-2029年)》顯示,近年來,受到下游工業機器人、電子制造設備等產業擴張的影響,我國伺服電機市場規模一直保持增長趨勢。數據顯示,2021年我國伺服電機市場規模從2017年的116億元增長到169億元。預計2022年我國伺服電機市場規模將增長至181億元。

近年來,受到下游工業機器人、電子制造設備等產業擴張的影響,我國伺服電機市場規模一直保持增長趨勢。數據顯示,2021年我國伺服電機市場規模從2017年的116億元增長到169億元。預計2022年我國伺服電機市場規模將增長至181億元。

數據來源:工控網,觀研天下整理

伺服電機是機器人的動力系統以及機器人運動的“心臟”,在國家戰略產業中占據重要地位。而機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”,其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。

近年來,我國機器人產業快速發展,即便受到疫情影響,2020年我國工業機器人市場仍然為全球貢獻了40%左右的份額,連續多年穩坐世界最大機器人消費國地位。持續高漲的應用市場需求,有力拉動機器人產業技術創新、產品研發、系統集成、人才培育及公共服務體系建設,為我國機器人產業發展營造良好的生態環境。從而也帶動了伺服電機市場需求。

當前我國機器人市場進入穩定增長期。雖然在2019年期間市場規模出現輕微下滑,但由于率先突破疫情影響,機器人市場呈現加速復蘇趨勢,大量"非接觸"式服務也為機器人應該提供了更為廣闊的應用空間。根據數據顯示,2021年我國機器人市場規模預計將達到839億元。

以工業機器人為例:工業機器人是在工業生產中使用的機器人的總稱,是一種通過編程或示教實現自動運行,具有多關節或多自由度,能對環境和工作對象作出自主判斷和決策,并能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環境下體力勞動的自動化機器。

我國工業機器人起步較晚,但在國家相關政策大力支持和國內生產研發技術水平提升等因素下,我國工業機器人得到快速發展,產銷量呈現不斷增長態勢。據資料顯示,2021年我國工業機器人產量達366044套,同比增長54.4%;銷量達24.8萬臺,同比增長45.9%。

我國工業機器人起步較晚,但在國家相關政策大力支持和國內生產研發技術水平提升等因素下,我國工業機器人得到快速發展,產銷量呈現不斷增長態勢。據資料顯示,2021年我國工業機器人產量達366044套,同比增長54.4%;銷量達24.8萬臺,同比增長45.9%。

數據來源:國家統計局,觀研天下整理

數據來源:國家統計局,觀研天下整理

數據來源:觀研天下整理

服務機器人方面:服務機器人是指能為人類提供維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護等服務工作但不從事生產工作的半自主或全自主工作的機器人。

近年來,隨著人口老齡化趨勢加快,以及醫療、公共服務需求的持續旺盛,我國服務機器人存在巨大市場潛力和發展空間,市場規模及總體占比也隨之快速增長。據資料顯示,2020我國服務機器人市場規模達222.2億元,同比增長47.2%。2021年我國服務機器人累計產量達921.44萬套,同比增長48.9%。

近年來,隨著人口老齡化趨勢加快,以及醫療、公共服務需求的持續旺盛,我國服務機器人存在巨大市場潛力和發展空間,市場規模及總體占比也隨之快速增長。據資料顯示,2020我國服務機器人市場規模達222.2億元,同比增長47.2%。2021年我國服務機器人累計產量達921.44萬套,同比增長48.9%。

數據來源:IFR,觀研天下整理

掃地機器人方面:掃地機器人,又稱自動打掃機、智能吸塵、機器人吸塵器等,是智能家用電器的一種,能憑借一定的人工智能,自動在房間內完成地板清理工作。

掃地機器人兼具智能制造和消費屬性,行業的發展離不開政策的支持。近年來,國家相關部門出臺了支持、規范掃地機器人行業的發展政策,內容涉及機器人發展技術路線、推進機器人關鍵技術研究、壯大服務機器人產業規模、促進消費升級等內容。

隨著我國政策不斷推動、人工智能及機器人技術的不斷成熟,我國掃地機器人行業也隨之蓬勃發展。在我國城鎮化及人口老齡化進程加快和“懶人經濟”等因素的推動下,我國掃地機器人銷售規模不斷擴大。據資料顯示,2021年我國掃地機器人銷售規模110億元,同比增長17%。

隨著我國政策不斷推動、人工智能及機器人技術的不斷成熟,我國掃地機器人行業也隨之蓬勃發展。在我國城鎮化及人口老齡化進程加快和“懶人經濟”等因素的推動下,我國掃地機器人銷售規模不斷擴大。據資料顯示,2021年我國掃地機器人銷售規模110億元,同比增長17%。

數據來源:中怡康,觀研天下整理

特種機器人方面:特種機器人主要是應用于專業領域的機器人,一般由經過專門培訓的人員操作或使用的,輔助和/或代替人執行任務的機器人。

近年來在全國智能化產品推廣不斷深入的情況下,我國特種機器人市場規模也呈現穩步增長態勢。中國特種機器人銷售額從2017年的35.9億元增長至2020年的66.5億元,年均復合增長率達22.8%,預計2022年將進一步增長至127.1億元。

近年來在全國智能化產品推廣不斷深入的情況下,我國特種機器人市場規模也呈現穩步增長態勢。中國特種機器人銷售額從2017年的35.9億元增長至2020年的66.5億元,年均復合增長率達22.8%,預計2022年將進一步增長至127.1億元。

數據來源:中國電子學會,觀研天下整理(WW)

而雖然伺服電機市場規模大,但目前國內市場由國外品牌外資企業占據絕對優勢地位,其中日系和歐美系品牌占據了超過70%的市場份額。高端市場更是被西門子、博世、科爾摩根和施耐德等國際品牌壟斷。與此同時,國內廠商目前主要聚焦低端市場的爭奪,“價格戰”等惡性競爭方式。而隨著行業整體技術水平的上升,以及客戶的要求越來越高,同質化、低質化競爭的方式注定難以為繼,高端市場被國外壟斷、中低端市場面臨不健康競爭的也急需改變。在此背景下,營造良好的市場環境、加速國產替代進程,已經成為行業內企業一致的訴求。

在2022年“兩會”期間,全國人大代表、科力爾董事長聶鵬舉共提交了18份建議,其中一份是推動伺服電機的國產替代。聶鵬舉強調了伺服電機國產替代的迫切性,并建議在5個方面進行突破。聶鵬舉的建議,讓此前頗受關注的伺服電機國產替代問題再度升溫。

對此有相關人士建議,應制定伺服電機產業規范條件,促進各項資源向優勢企業集中;充分發揮行業協會、產業聯盟和服務機構等行業組織的作用,構建伺服電機產業服務平臺。并通過營造良好市場環境、加大財稅支持力度、加強人才隊伍建設、擴大國際交流與合作、拓寬投融資渠道等措施,鼓勵企業加大力度研發和生產伺服電機,逐步進入先進制造業的高端市場,打破外企壟斷。推進電機智能化生產,開發適合電機智能化生產的新工藝,是當前提高電機產品性能和效率的重要途徑。推動電機智能化制造,可以在高質量、高效率的基礎上,兼顧多種規格、小批量、柔性化的生產模式,更好地滿足需求。

目前國內企業在伺服電機的相關技術上,已經取得了不小的突破,國家推動伺服電機國產替代的速度將加快。從伺服電機的行業格局來看,國產替代將釋放百億級的市場增量空間。另外結合當前的經濟環境和產業政策來看,政府短期內有望出臺更多措施,全面推動伺服電機國產替代,行業內優秀的國產企業有望長期受益。

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