人形机器人行业专题报告：伺服电机再探讨

一、电机技术日趋成熟，伺服电机和步进电机是行业主流

1.1 历经 200 年技术更迭与产业磨砺，电机逐步走向成熟

“电机”广义上来说包括电动机、发动机和原动机等所有可实现电能、机械能相互转化 的装臵，但通常情况下所谓电机指的是电动机。电动机也称马达，它的作用是将电能转 化为机械能，产生驱动力矩，作为用电器和机械设备的动力源。电机发展至今已有 200 多年的历史，其发展历程可分为以下四个重要阶段。

第一阶段：基本理论建立，直流电机产生（1821-1870）。1821 年法拉第制成了世界上 第一个实验电机的模型，并在 1831 年发现了电磁感应定律。1832 年皮克西利用磁铁和 线圈的相对运动，制成了一台原始型旋转磁极式直流发动机，这就是现在直流发电机的 雏形。1834-1870 年期间，发电机领域产生了三项重大发明和改进，即永磁体转变到电 流线圈、西门子兄弟从蓄电池他励发展到发电机自励、格拉姆提出环形绕组，此后发电 机与电动机的可逆原理被广泛接受，两者同步发展。

第二阶段：直流电机趋于成熟，交流电机开始受到关注（1870-1880）。1873 年，海夫 纳阿尔泰涅克发明了鼓形绕组，提高了导线的利用率。1880 年爱迪生提出采用叠片铁芯， 进一步降低了铁芯损耗与绕组温升。鼓形电枢绕组和有槽叠片铁芯结构一直沿用至今。 随着直流电机的广泛应用，其固有缺点也很快暴露出来，主要问题在于远距离输电、电 机换向存在困难，因此 19 世纪 80 年代后，人们注意力逐渐向交流电机方向转移。

第三阶段：交流电机诞生并不断向前发展（1885-1890）。1885 年加利莱奥费拉里斯提 出了旋转磁场原理，并研制出厂二相异步电动机模型，1886 年移居尼古拉〃特斯拉也独 立地研制出二相异步电动机。1889 年多利沃多勃〃罗沃利斯基制成一台三相交流单鼠笼 异步电动机，与单相和两相系统相比，三相系统效率高、用铜少，电机性价比、容量体 积比和材料利用率均有明显改进。交流电机的研制和发展，特别是三相交流电机的研制 成功为远距离输电创造了条件，把电工技术提高到一个新的阶段。

第四阶段：电机理论和设计、制造技术逐步完善（20 世纪至 21 世纪）。进入 20 世纪， 工业的高速发展不断对电机提出新的要求，而自动化方面的特殊需要则使控制电机和特 种电机迅速发展。同时，这一时期电机理论不断丰富，材料和冷却技术不断改进，交、 直流电机的单机容量、功率密度与材料利用率都有显著提高。

第五阶段：永磁电机是 21 世纪电机发展方向（21 世纪至今）。进入 21 世纪，专用性、 轻量化、高性能是电机行业发展方向。在专门化的基础上，专用电机的节电潜能很大。 而永磁电机控制性能好，节能且体积小，可通过频率的变化调速，又容易做成低速直接 驱动等优点，在医疗器械、视听产品、计算机、数控机床、电动车辆、航空航天产品等 领域得到广泛应用。同时轻量化需求下，属于永磁伺服电机中的小功率的空心杯电机等 微型电机开始得到各个行业的重视。