【信达证券】机器人系列报告（二）：机器人“动力源”，看好国产电机持续突破.pdf

2023-07-31

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一、控制电机是机器人“动力核心”

1.1 电机构成与原理介绍

电机是一种将电能转换为机械能的装置。大多数电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作用来产生扭矩，作用在电机轴上形成力。电机主要由定子和转子组成，定子上的绕组通电产生磁场，而转子则通过与磁场相互作用而转动。主要组成部分可以分为： 1）外壳：外壳由一个框架（或轴心）和两个端盖（或轴承座）组成。电机的外壳不仅可以将电机的组件保持在一起，还可以保护内部组件免受湿气和污染物的影响。此外，外壳类型还会影响电机的冷却，外壳可以分为开放式外壳，完全封闭式外壳。 2）定子：定子承载磁场绕组和极。定子与转子一起构成机器的磁路或核心。 3）转子：承载电枢绕组。电枢是承载负载的部分。 4）绕组：通电后，会产生电磁力。

电机种类多，可以按照不同方式进行分类：1）从运行方式来分，有旋转电动机（含连续旋转、断续旋转和步进旋转三大类）、直线电动机、平面电动机等；2）从所用电源来分，有交流电动机（含单相和三相、同步和异步、工频和中频等多种分类）和直流电动机两大类；3）还可从电压高低、结构形式、体积或功率大小、用途、适用环境等多方面进行分类。

从应用场景来看，电机应用场景众多，在消费市场、工业、车载等都有应用。本文以机器人为切入点，重点关注在工控、工业机器人领域、人形机器人等领域应用的控制电机。

1.2 电机原材料：钕铁硼渗透率有望提升，编码器国产化步入快车道

电机的上游主要是磁性材料、编码器、芯片和轴承等其他零部件，中游是电机制造，下游是工控、工业机器人等行业应用。

磁性材料是电机主要原料之一，对电机性能影响较大。电机一般使用磁性较强的材料，强磁性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一经磁化，很难退磁，而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，而软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁材料的最不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量（但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为 Oe 或 A/m。简单一点理解就是矫顽力越高，材料越不容易退磁： 1）永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，在永磁电机中应用较多； 2）软磁通过降低矫顽力，追求更高的磁导率，可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。

钕铁硼性能较好，渗透率有望提升。钕铁硼材料在矫顽力上的表现较优异，同时在磁能积上也优于其他材料。磁能积较好也意味着单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于 60），能大大减小电机体积，减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。唯一的劣势在于温度稳定性比较差，需要通过添加钴等其他元素来改善温度性能，价格相对较高。

编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的联系。编码器是将信号进行编制、转换为可用以通讯、传输的信号形式的设备，如为伺服电机的闭环控制产生速度或位置的实际测量值。编码器种类繁多，按照读出方式可分为接触式和非接触式两种；按照检测工作原理，伺服电机编码器可主要分为光电编码器、磁性编码器、电感式编码器和电容式编码器。其中，基于光电转换原理的光编码器和基于磁敏感元件感应磁场变化原理的磁编码器的应用较为广泛。 1）光电编码器由 LED 光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，LED光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波A和B正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。 2）磁电式编码器的原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。磁性转盘的磁极数、磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁性编码器的分辨率，使磁场信号不会受到灰尘、湿气、高温及振动的影响。

光编码器一般精度较高，成本较高，对工业环境有一定要求，粉尘、水汽等可能会影响编码器精度；磁编码器成本较为简单，价格优势相对明显。

编码器国产化进行时，看好国内企业突破高端编码器。当前，编码器中的一些芯片、码盘及磁头等重要元器件仍然依赖于进口，这是国内编码器厂商下阶段的主要突破目标。以码盘为例，码盘的码道数越多，其最外道被分割的区域就越多，即编码器的最小分辨率越高。码盘的生产要求每个码道刻划精准，并且要求彼此对准，给编码器的国产化进程造成了极大阻碍。除码盘之外，光电编码器的芯片属于光敏器件，光电结合紧密且工艺特殊，对参数控制要求较高，需要在高温条件下持续工作，还要保证信号形态正常，且电流输出能力较大，有特殊的封装工艺要求，是国产化的壁垒。

二、人形机器人时代将至，看好国内厂商切入高端电机市场

2.1 风起人形机器人，机器人电机市场蓄势待发

电机是机器人的关键组成部件之一，电机的扭矩、功率密度和转速等指标决定了机器人的性能。机器人相关的电机可以分为伺服电机、直流电机、交流电机和步进电机，参考 Skyquest 数据，目前直流电机占比较高，而伺服电机增长较快，主要应用在工业机器人、CNC 系统对精度要求较高的场合。

我们认为机器人需要根据不同场景去使用对应的电机，工业机器人、服务机器人、协作机器人等机器人根据应用场景不同，会选择不同电机。本文主要以工业机器人、协作机器人和人形机器人为例，分析对应电机情况。

2.1.1 工业机器人：伺服电机系统是机器人“心脏”

工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和净室机器人。工业机器人在机械结构上有类似人类的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由计算机控制。工业机器人广泛应用于电子、物流、化工等工业领域。按照机械机构分类，工业机器人可以分为线性机器人（又叫直角坐标机器人）、多自由度机器人（又叫多关节机器人）、并联机器人（又叫 deltaΔ 机器人）和水平多关节机器人（又叫 scara 机器人）等。

工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，伺服系统成本在机器人中的占比为 25%。伺服系统作为工业机器人核心零部件，可以将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层。

2.1.2 协作机器人：轻量化设计背景下，无框电机成首选

协作机器人追求轻量化、人机相互。协作机器人是在 SCARA 机器人以及垂直多关节机器人等机械结构基础上衍生出的新类型。协作机器人除在外观形态上与传统工业机器人有些差别外，在产品特性上也区别于传统工业机器人追求的“刚度”，协作机器人更多追求轻量化、柔性和安全协作性。此外在结构特点、交互方式、部署成本以及应用场景等方面与传统工业机器人也存在一定的差距。

协作机器人具有紧凑小型化、轻量化特性，因此选择更加紧凑、高效率的电机方案。协作机器人与传统工业机器人在构造上有一定差异，协作机器人通常采用整体式的无框电机，采用关节一体化技术。无框电机只由定子和转子两个部分组成，相较于传统电机，去除了轴、轴承和外壳，使其体积更小、结构更紧凑，易于维护，并便于被高度集成到协作机器人本体的中空结构内，从而提高其机械性能。除了伺服电机外，协作机器人通常还使用体积小、重量轻的谐波减速机。我们认为随着未来机器人小型化的发展，协作机器人关节中狭窄的安装空间和末端力矩的要求显著增高，对无框电机本身性能的挑战也不断提升。

2.1.3 人形机器人：全新市场带来新增量

人形机器人运动离不开驱动器，目前驱动器方案可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱。双足人形机器人关节运动特点和人类关节运动类似，运动速度较快、机动性较好，因此相比其他驱动器，人形机器人驱动器需要具有高功率密度、高响应性、高能量利用效率和耐冲击性等特性。参考丁宏钰等的《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》，目前人形机器人电动驱动器方案可以分为三类：

1）刚性驱动：1983 年，早稻田大学研究的 WL－10R 机器人使用刚性驱动器 TSA。自此双足人形机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。刚性驱动器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成（力矩传感器是可选择项）。相比其他方案，刚性驱动较为成熟，但能量效率相对较低一些。

2）弹性驱动：1995 年，麻省理工学院的 Pratt 等提出了弹性驱动器 SEA( series elastic actuator) 的概念。美国宇航局的机器人 Valkyrie 和意大利技术研究院的机器人 WalkMan 都使用了弹性驱动器。弹性驱动器通过增加弹性单元来模拟肌肉系统功能，可以缓冲外部冲击和储能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。但由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，因此运动控制精度较低。

3）准直驱驱动：2016 提出了准直驱方案，准直驱驱动器含义是依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，也被称为本体驱动器。一般方案是采用电机加低传动比减速器的方案，同时要求负载质量和转动惯量尽可能地小，这样可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。准直驱驱动器主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。相比其他方案，运动控制系统较为复杂。

我们认为特斯拉人形机器人在方案方面偏好刚性驱动方案，其一体化关节（旋转关节）类似协作机器人设计，无框力矩电机是核心，利用高转速电机+高减速比减速器实现快速响应。以协作机器人为例，一体化机器人关节主要由扭矩传感器、谐波减速机、力矩电机、制动器、增量编码器、绝对值编码器和伺服驱动器组成。根据金力等《驱控一体化机器人关节的研制及应用》，一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机的大直径长度比和多磁极对保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内部走线。

人形机器人需要完成复杂的工作，对手部“灵巧性”提出需求。根据来淼等的《腱驱动仿人型五指灵巧手的设计》，目前灵巧手的传动方式有很多，常见的有齿轮传动、连杆传动和腱传动等多种方案。腱传动使用钢丝绳模仿人手的肌腱部位，将驱动器外置于手掌或者手臂处，用腱绳实现远距离传动，精简了手指处的结构设计，相对齿轮和连杆，钢丝绳的重量和摩擦更小，我们推测特斯拉人形机器人采用的是经典的六电机+金属腱绳方案。

人形机器人采用集成化方案，对轻量化、紧凑结构追求较高，手部采用轻量高效的空心杯电机，身体部位采用无框电机等构成的一体化关节。特斯拉 Optimus 共有 28 个运动关节，包括三种旋转执行器和三种线性执行器：其中旋转关节采用电机+传感器+谐波减速器的方案；而线性关节采用电机+丝杠+传感器（从形态上，我们推测是无框电机）；特斯拉机器人灵巧手采取了折中的方案，使用较为经典的六电机驱动方式，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。从数量来看，共 12 个驱动，手指部分我们推测是空心杯电机+驱动装置+传动装置构成。

机器人电机市场占电机市场约 1%，增速相对较快。Skyquest 预计 2021 年全球机器人相关电机规模为 11 亿美元，2030 年有望达到 28 亿美元，复合增速达 13.4%。根据 Fortune Business Insights 公布的数据，2021 年全球电机市场规模约为 1139 亿美元，机器人相关电机市场份额约 1%，但增速相对较快。

我们认为人形机器人有望复制特斯拉新能源车成长道路，较快实现大规模量产。特斯拉新能源汽车第一个五年突破 10 万销量，第二个五年达到百万销量，展示了特斯拉较强的量产能力。我们认为有望人形机器人复制特斯拉新能源汽车 0-1 的过程，有望在初步量产后快速上量。目前方案下人形机器人身体拥有 28 个无框电机，手部对应 12 个空心杯电机，假设人形机器人量产后，无框电机价值量为 800 元/个，空心杯电机 1000 元/个，则 100 万人形机器人对应电机市场空间约为 344 亿元。

国内企业加速推进人形机器人相关项目+落地场景逐渐清晰，看好人形机器人加速落地。 1）国内企业纷纷入局机器人项目，近期傅利叶智能发布了最新研发的通用人形机器人 GR-1， GR-1 是国内领先的自主研发、可商业化落地的人形机器人产品，展示了机器人直腿行走、敏捷避障等功能，国内人形机器人推进迅速。此外，华为、字节跳动也入局机器人业务；腾讯 Robotics X 实验室发布了灵巧操作研究成果，并推出自研机器人灵巧手“TRX-Hand” 和机械臂“TRX-Arm”。我们认为国内多家企业入局机器人相关环节，有望加速人形机器人落地。 2）人形机器人有望在工厂场景落地。2023 年二季度业绩说明会上，特斯拉 CEO 埃隆·马斯克公布了备受关注的特斯拉人形机器人 Optimus 的最新进展。马斯克表示，特斯拉已经生产了 10 台人形机器人。预计在今年 11 月份进行行走测试，计划明年在特斯拉工厂进行实用性测试。

2.2 复盘海外高端电机厂商，人形机器人有望加速国内高端电机突破之路

复盘海外高端电机厂商 MAXON 发展历程，我们认为，率先布局高壁垒/新兴领域+掌握一体化技术，掌握先发优势是维持电机企业高利润的关键。我们认为 MAXON 的发展可以分为三个阶段： 1）发展初期（1961-1996）：MAXON 1961 年成立，开发设计 DC 迷你型电机，并通过收购美国分销商，逐步打通美国市场，我们认为这一时期是公司发展初期，主要是“量增”； 2）快速发展期（1996-2012）：公司 1996-1999 年参与 NASA“探路者”计划，确定了公司高端电机定位，为公司拓展高端领域客户打下了基础，同时航空航天相关设计需求也可以复用到其他高端电机场合，我们认为这一时期公司完善了公司产品高端定位，是公司产品和品牌“质”飞跃； 3）产业链布局完善期（2012-2020）：2015 年开发电驱系统，2017 年收购瑞士公司 ZUB machine control AG，增加了公司在控制器领域的布局，到 2020 年公司逐渐从元器件供应商转变为系统供应商。

国内电机企业电机处于“量增”到“提质”的过渡期。目前电机的主要应用市场可以分为消费级、车端市场、工业（工控等）、尖端市场等：1）消费级市场进入门槛较低，国产化率较高； 2）车端市场对电机企业资金壁垒要求较高，但整体盈利相对一般；3）工业尤其是自动化控制相关电机盈利水平相对较高，在中高端领域国内企业待突破，相关电机需有精密控制、复杂工业环境适应等能力，可以用于机床、机器人等领域；在航空航天、军工、精密医疗器械，包括部分探索性领域（探索新应用、新产品）等领域，对电机企业要求较高，客户壁垒高，需要电机企业具有较强的设计能力和生产能力，毛利率相对较高，以 MAXON 等为代表的海外企业占据主导地位。我们认为，从整体市场来看，国内企业在消费级市场、车端、工业领域都有所布局，中低端电机市占率较高，但在中高端市场依然待突破；而从企业角度来看，以汇川技术、鸣志电器为代表国内企业，技术积累丰富，拥有研发能力+高端客户资源，有望突破高端电机市场。

以鸣志电器为例，国内头部企业通过收并购逐渐拥有高端电机定制化设计+核心零部件自产+ 触达高端客户的能力。鸣志电器通过收购 AMP、Lin Engineerin 等企业拥有了高端步进电机的技术，获得了触达北美核心客户群的机会，另外通过收购 Technosoft Motion AG 公司帮助公司完善无齿槽和空心杯电机+驱动控制器的系统级平台产品。此外，公司拥有行星齿轮箱、编码器等零部件的积累，有望在高端电机领域市场实现突破。

我们认为以人形机器人为代表的高成长赛道或将给国内企业进军高端电机带来突破性机会，： 1）相比如精密医疗器械、航天等领域，人形机器人潜在空间较大，带来的成长空间大；2）人形机器人电机对精度要求没有航空等领域高，但需要电机厂商具有设计、调整工艺和大规模制造降本能力，国内企业擅长降本，这将给国内企业带来与头部企业合作设计/调整相关电机方案的机会；3）以空心杯电机为代表的微特精密电机，性能优异，可以应用于航空航天、光学、国防等领域，整体市场较小，但毛利率高，人形机器人有望带动相关市场扩容，促进国内企业对相关领域研发和布局。

三、国产替代进行时，看好国产企业突破高端电机壁垒

3.1 伺服电机：进军中高端市场，国产替代进行时

伺服电机系统是工业自动化控制设备主要的动力来源之一，伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成，编码器通常嵌入于伺服电机。伺服系统可通过闭环方式实现精确、快速、稳定的位置控制、速度控制和转矩控制，主要应用于对定位精度和运转速度要求较高的工业自动化控制领域。从原理来看，伺服系统由伺服驱动器发出信号从而驱动伺服电机转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。从成本构成上看，驱动器成本占比 42%；电机占比约 35%；编码器由码盘、光源和接收器组成，成本占比约为 11%。

从分类来看，伺服电机系统可以分为通用伺服系统和专用伺服系统，两种伺服电机系统在产品技术、应用领域等方面存在差异。通用伺服系统下游应用广泛，包括电子及半导体、机床、机器人、包装、纺织、塑料、纸巾等。专用伺服系统根据不同行业需求定制化开发，提供专业化产品，主要为交流电伺服以外的其他品类伺服，其市场规模较小。其下游应用领域包括风力发电、矿山机械、缆车索道、电梯等。

伺服电机系统国产化替代进行时。从市场规模来看，2022 年前三季度通用伺服市场规模为 173.3亿元，同比下滑3.45%，主要受到2022年传统制造业景气度较弱以及国内疫情影响。从国产化率来看，国内伺服厂商以较短的货期和充足的备货扩大自身竞争优势，市场份额均实现增长。近年来通用伺服国产化率逐年攀升，2021 年行业国产化率达到 23.57%，2022 年前三季度提升至 30.51%。

3.2 空心杯电机：绕线是核心壁垒，看好国内企业突破绕线壁垒

空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。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，即使在低速情况下也能运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。

分类方面，空心杯电机可以分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯： 1）有刷空心杯电机：空心杯直流有刷微电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是通过随电机转动的换向器和电刷来完成的。在转动的过程中会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷。碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁波，干扰电子设备。 2）无刷空心杯电机：无刷空心杯直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯直流电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。因为是自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

相比普通电机，空心杯电机不含铁芯，提升了电机的性能。空心杯电机具有能量转换效率较高，起动、制动迅速，响应较快和运行稳定性可靠，转速的波动较小等优势，因此适合需要快速响应的系统，如导弹飞行方向快速调节，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。在特斯拉人形机器人中，空心杯电机可以运用在手部，从而满足手部运动的快速响应需求。

由于空心杯电动机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，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不可替代的地位。空心杯电机的应用场景包括： 1）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。 2）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等，同样一组电源，供电时间可以延长一倍以上。 3）另外还有光学仪器、医疗设备、机器人等，细分应用有牙科设备、微型泵、红外镜头、移液模块、电动夹爪、机器人手、点胶阀、手术工具等。

空心杯电机常用的线绕组电枢有直绕组、斜绕组、菱形绕组三种，核心壁垒是绕线。参考谢春辉的《马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究》，空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单，国内外绕线机多采用这两种方式。欧洲著名品牌 Faulhaber 电机采用的是斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形绕制方法，有着较为优越的性能。

生产空心杯电机的关键在于线圈的绕制。需要将自粘漆包线紧密排列，最终绕成一个规则的杯状结构。参考王鹏飞的《空心杯线圈绕线机机构设计及控制》，空心杯电机的绕制方法分为三种，自动化生产技术门槛较高： 1）人工绕线，通过复杂的工艺，包括插针、手动卷线、手动排线等步骤进行生产； 2）半自动化生产，卷绕式生产技术是半自动化生产，首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形的主轴上，达到需要的长度后将其取下，然后压扁成线板，最后将线板卷绕成杯状的线圈，此生产方式工艺比较繁琐，工人劳动强度大，废品率高； 3）一次成型自动化生产技术，通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上，线圈卷绕成杯状后取下，完成一个线圈的绕制。

海外厂商占据绕线机主导地位。参考王鹏飞的《空心杯线圈绕线机机构设计及控制》，在绕线机厂商上，瑞士的 Meteor 公司是世界上有着较高占有率的绕线机供应商，伺服电机来实现线圈的精密排线+ CNC 数控技术进行精准控制，确保了绕线机绕线精度；而日本田中精机株氏协会，第一个将计算机控制用于全自动绕线机上，发明了磁铁无摩擦张力器，研发出 CNC 可翻转的多轴绕线设备。国内厂商有望突破绕线机壁垒：1）根据田中精机招股说明书，田中精机全资子公司田中日本无偿受让日本田中精机株氏与绕线机相关的专利与商标，拥有绕线相关技术，有望在空心杯绕线机上实现突破；2）江苏雷利及控股子公司鼎智科技围绕“编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱”产品，不断加大研发投入，研发绕线机相关产品。

海外厂商如瑞士的 MAXON、德国 Faulhaber 等企业深耕行业多年，行业地位较高。国内企业相较海外厂商仍存在一定的技术差距，未来潜在发展空间大，主要原因是：1）相比普通电机，空心杯电机由于少了铁芯支撑，对线圈要求较高；2）国内厂商更注重成本控制，缺乏对高端技术的投入，导致技术水平相对滞后，同时在减速器等机械件上依然在追赶海外企业。我们认为，在高端微型电机上，国内企业与海外依然存在差距，但以鸣志电器、江苏雷利为主的国内企业也在不断进步，依托国产企业降本能力，有望在这块市场取得相应进展。

国内企业持续布局，有望打开高端空心杯市场。以鸣志电器和鼎智科技产品为例，国内企业空心杯产品已经可以应用在军工、医疗、半导体等高端领域，且可以定制不同规格产品，并可以以“编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱”方案形式提供产品。工控领域头部企业伟创电气也切入机器人板块，布局空心杯电机、无框电机等产品，其他微传动头部企业兆威机电也有相应积淀。我们认为，叠加国产绕线机器持续突破，国内相关企业加速突破空心杯电机壁垒，有望打开高端空心杯电机市场。

3.3 无框电机：国产企业有望凭借性价比优势加速突破

无框电机可以将定转子部件直接装配在机器中，便于终端产品的高度集成化，缩小体积。无框架电机是传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框电机只有两个部件：转子和定子。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。

无框电机通常安装在先进的机器中，具有结构紧凑、易于维护等优势，可以提升机器性能。

无框电机可以运用在多种机器人和自动化领域，包括机器人、医药、机床、包装、印刷、加工和通用自动化。在人形机器人领域，无框电机也有望发挥自身结构紧凑、性能较高的优势，在机器人四肢等领域应用。机器人需要无框电机具有较强的过载能力、高响应能力和可靠性。机器人诸如行走、跑、弹跳等动作均由机器人关节电机驱动产生。机器人关节电机作为机器人的核心硬件，直接决定机器人的重要性能。机器人对电机总体要求为质量轻、体积小、扭矩大。比如机器人在快跑、弹跳时，需要电机具有瞬时爆发式功率输出能力，因此关节电机需具备高过载能力、高动态响应能力；另一方面，在复杂工况下，对关节电机提出高可靠性的要求。参考王晟的《腿足式机器人无框力矩电机设计与优化》，美国科尔摩根 TBM(S)系列无框电机、德国 TQ 公司研制的 ILM 系列无框电机、Aerotech 公司研制的高性能无框力矩电机等在机器人关节电机上应用较多。

转矩密度和转矩波动要求较高，一体磁钢有利于提升无框电机效率、节省空间。参考王治会的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析》，机器人关节的核心部件为关节永磁力矩电机，力矩电机的高转矩密度和低转矩波动是实现机器人关节轻量化和高精度运行的基础。传统拼接式磁瓦型永磁体存在较大漏磁的情况，降低了电机效率和气隙磁密，从而降低了关节电机的转矩密度。根据王治会的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析》，永磁电机磁环大多数应用拼接瓦形磁体或者磁环粘结的结构:1）因为粘接剂等非磁性相的出现，磁环粘结的磁功能相当低；2）瓦形烧结磁体加工程序长，材质耗费很大，磁极拼接缝隙漏磁相当大；3）基于全密度辐射取向 Nd-Fe-B 整体永磁环而言，它的磁化取向呈辐射状，从而在磁环内外两端构成 N 极以及 S 极，它能够替代众多传统的方形或者瓦形磁体，精简电机安装流程，提升安装精确度，加大了电机运转的平稳性，合理缩减元件体积并提升其性能，实现了提升效率、节省耗能的意图。以科尔摩根一体式磁钢产品为例：1）提升功率密度，新一代 TBM2G 无框电机较上一代 TBM 产品相比，功率提升 70% 以上，功率密度提升 80% 以上，从而转矩提升可高达 45%；2）内径增大，转矩臂直径得以增加，并且也进一步提升了电机内部的宝贵空间。

根据 Market Research 数据，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 6.69 亿美元，2029 年预计将达到 12.17 亿美元，Kollmorgen，Moog，Maxon Motor，BEI Kimco，Woodward 和 Shinano Kenshi等企业在市场占据优势地位，国产厂商如步科股份有望借助国产产业链成本优势，在市场份额上取得突破。

国内产品性能逐步接近海外企业产品，市占率有望提升。我们以步科股份与科尔摩根 60mm 左右的转子内径产品对比，可以发现国内头部企业产品过载能力、额定转矩等部分性能已经逐步接近海外产品。在此情况下，国产品牌有望凭借价格优势提升市占率。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）