伺服电机是指控制伺服系统中的机械元件的操作的发动机,是辅助马达的间接变速装置。
伺服马达可以控制速度,位置精度非常准确,电压信号可以被转换为转矩和转速来驱动控制对象。转子速度伺服电机由输入信号,并迅速反应,自动控制系统控制,作为致动器,并且具有小的机电时间常数,高线性度,启动电压和其它特性,可接收到的电信号转换成电动机输出轴或角速度的角位移。
伺服电机分为直流伺服电机和交流伺服电机。其主要特点是当信号电压为零时,无自转现象,转速随转矩的增大而降低。
伺服电机的发展现状及市场前景
在2015年,中国伺服电机市场已达1220亿元,其中工业机器人占8.7%以上,市场规模约10.6亿元。
通过Researchand市场预测,90%的工业机器人的使用伺服马达,在同一时间,每个工业机器人伺服电机组装的平均量,那么到2014年,中国增加的231000个伺服电机的数量来考虑,2019年,中国的需求伺服电机预计将达到737,000台。
面对如此大的蛋糕,伺服电机行业的内部竞争异常激烈。就国内情况而言,外资企业在汽车市场上占有**优势,其中日本品牌以良好的产品性能和具有竞争力的价格垄断了中小型OEM(装备制造业)市场。2014年,伺服系统市场前15强厂商中,前三名均为日本品牌,总份额为45%。西门子、博世、施耐德等欧洲品牌占据了约30%的高端市场份额。国内企业整体占比不到10%。
工业机器人和数控机床的快速增长也在一定程度上刺激了伺服电机市场的发展。
目前,工业机器人用伺服电机的技术难点主要表现在以下几个方面:
1、工作制与发热
工业机器人一般运行在频繁加速、启停的情况下,由于这种特殊的运行方式’其伺服电机很大程度上受到了温度的限制,不仅仅是额定转矩点的温度特性对工业机器人伺服电机来说很重要,整个运行空间的运行温度由加减速转矩与维持转矩的工作制运行来决定。
2、转动惯量
伺服电机的转动惯量是伺服驱动中非常重要的关键点,在机械系统加速运行的时候,伺服电机不仅要提供给负载加速转矩,而且要提供给自身加速转矩,所以伺服电机的转动惯量和系统的转动惯量的配合十分重要。
3、转矩质量
工业机器人伺服电机要求转矩的平滑性,要求电机具有比较低的转矩脉动以及较平稳的转矩常数。平稳的转矩常数通常需要伺服电机有比较高的抗饱和能力,而且要细致考虑铁耗与摩擦损耗对转矩常数的影响,一般需要合理精致的伺服电机电磁与结构的设计才能满足转矩质量要求。
4、高响应能力
工业伺服电机系统追求比较高的响应能力,影响伺服系统的响应能力的因素一般有电机转动惯量、减速比、加减速转矩、电机结构、控制策略等,高响应能力还与电机的发热密切相关。
5、磁钢退磁
为了使伺服电机具有高性能,目前普遍使用钕铁硼永磁体来提供磁场,但它对温度比较敏感,在高温环境下容易发生不可逆退磁。工业机器人用伺服电机需要有高过载能力,更需要较高的电枢反应,因此转子永磁体上感应出的涡流损耗通常很大,永磁体易升温,所以对伺服电机的温度计算和永磁体保护的要求比较高。
随着工业机器人市场掀起热潮,我国伺服系统与国外**企业的明显差距已成为制约我国工业机器人产业的“瓶颈”。从技术上看,国产伺服电机主要有以下几个缺陷:
1、外形普遍较长,外观粗糙,很难应用在一些高档机器人上面。尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上,由于机器人手臂的安装空间非常狭小,对伺服电机的长度有严格要求。
2、信号接插件的可靠性需要改进,而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向设计,方便安装、调试、更换。
3、另一个核心技术就是高精度的编码器,尤其机器人上用的多圈**值编码器,严重依赖进口,是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化绕不过去的核心技术。
4、缺失基础性研究,包括**值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。
5、伺服系统各部分产业协同联合不够,导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。
中国机器人产业正处于大变革时代。据知名行业数据机构IDC预测,到2020年,中国机器人市场规模将达到594亿美元,中国市场将占全球机器人市场总量的30%以上。同时,目前中国已经取代德国,成为全球*大的数控机床市场,据政府相关报告,未来我国中高端数控机床市场仍将继续保持增长,到2020年,我国数控机床行业的资产规模将到达2700亿元。
《2015-2019年全球工业机器人伺服电机行业报告》显示,2013年开始,中国成为世界*大的工业机器人市场,2014年,中国市场上伺服电机的销量已飙升到全球伺服电机销量的55%。
按Researchand Markets的预测,90%的工业机器人使用伺服电机,同时,每个工业机器人装配的伺服电机都是平均量,那么以2014年中国所增加的231000台伺服电机数量来考量,到2019年,中国的伺服电机需求量将有望达到737000台。
面对这样一块大蛋糕,伺服电机行业内部竞争激烈。就国内情况而言,外资企业在电机市场上占据**优势,其中日系品牌凭借良好的产品性能与极具竞争力的价格垄断了中小型OEM(设备制造业)市场。2014年,伺服系统市场**5厂商中,前三名均为日系品牌,总份额达到45%。西门子、博世、施耐德等欧系品牌占据高端,整体市场份额在30%左右。国内企业整体份额低于10%左右。