工控电机：国产替代加速，消费级机器人有望带来百亿级增量

电动机是机械的动力源，国内工业控制级电机市场规模约300亿元 电动机（下称，电机）是将电能转化为机械能的电磁装置。本篇报告重点研究技术壁垒更高、产品价值量以及利润水平相对更高的工业控制级电机，包括伺服电机（2021年国内约250亿元市场）以及步进电机（2021年全球约200亿元市场、国内约50亿元市场），统称为工业控制级电机。 具备规模效应或在下游新兴市场具备先发优势的工控电机企业盈利能力更强观海外，创新型电机企业如瑞士Maxon集团凭借超高的技术、客户壁垒拥有产品高利润率的优势；日本电产则通过并购实现发展早期的品类扩充，发展中期在目标市场增强产品实力、提升市场份额，在利润率水平较低的情况下仍保证净利润的稳定增长。看国内，电机厂商在技术储备，产品性能、客户资源上均和国外电机厂商存在差距，厂商对高端领域用电机的研发主动性也不充分，目前主要在工业自动化中低端(产品单价低于2000元)市场竞争，产销量更高、具备总成本优势的企业能够维持较高的利润率水平。此外，部分内资电机厂商已初步体现出重视创新的发展思维、提前布局除工业自动化以外的蓝海市场以获得先发优势的发展方向，中长期看利润水平、业绩规模有望抬升。 以特斯拉为代表的消费级机器人长期有望带来893亿元伺服系统市场 通用自动化红海竞争限制电机企业毛利率水平，消费级机器人为伺服电机市场注入新动能。特斯拉机器人目前已知的28个关节使用无框电机，我们判断特斯拉机器人手指关节可能使用10个空心杯电机。根据我们测算，2023-2027年特斯拉机器人带来伺服电机需求规模复合增速有望达到315%，2027年增量市场空间或达到893亿元。我们认为2025年后，电机需求量增长到2000万台左右时，国内电机厂商或将受益于规模效应的进一步提升而提高盈利水平。 自主可控推动国产工控电机向中高端加速渗透 2022年1-9月，工业自动化用伺服系统国产化率约40%。目前国内伺服电机玩家主要集中在通用自动化中低端市场，中高端应用领域（产品单价高于2000元）的伺服系统国产化率或低于10%，国产替代空间广阔。政策大力支持自主可控背景下，国产伺服系统在通用自动化中高端市场的渗透率有望加速提升。受益标的：具备较强电机定制能力、拥有海外销售渠道与客户资源的鸣志电器、布局力矩电机的步科股份、国内通用交流伺服龙头汇川技术、通用交流伺服系统龙二禾川科技、伺服系统业务高增长的国内小型PLC龙头信捷电气、兆威机电。其他受益标的：江苏雷利、江南奕帆、雷赛智能。 风险提示：消费级机器人量产进度不及预期，国内电机企业研发水平提升、新品落地、市场推广进度不及预期，原材料价格上涨、全球供应链波动。 表9：特斯拉机器人带来市场增量+工控产业链自主可控下，电机全产业链多家厂商或将受益........................................61 图1：电动机可分为工控级、消费级、车载电机 电机的核心部件包括： 定子：电机的固定部分，通常是外部部件，包含有齿钢叠片，外面包裹着 能产生电磁力的铜绕组。定子紧凑地安装在机器外壳的主体内，产生旋转 磁场以有效地产生扭矩。 绕组：绕组中的电流会产生旋转磁场。 轴：轴传递电机输出功率。该负载通过传输机构驱动。 转子：电机的转动部分，通常是内部部件，直接安装在动力输出轴。转子 绕组切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流。定子磁场和转子磁场相互 作用产生电磁转矩，电磁转矩作用于转子产生旋转运动而使电动机旋转。 电机输出扭矩大小和转速高低通常呈负相关，增加电机的尺寸可提升输出 扭矩，同时会降低电机转速。 客户选择电机时，主要是根据不同应用场景对电机的转矩性能、惯量匹配、 准确性、轴间协调、布线等要素的要求进行选择。电机的名称纷繁复杂，原因 是电机作为一种执行机构，其形态需要适应不同应用场景带来的差异化需求而发生改变。市面上有几百种不同名称的电机，但很多电机之间的差异很小。 图2：按有无闭环控制回路，工控级电机可分为步进电机和伺服电机 按应用领域分，电机可分为消费级电机、工业级电机，以及车载电机。我们测 算，2021年，国内消费级电机市场规模约300亿元，伺服电机市场规模约250亿元， 新能源汽车电机约140亿元规模，步进电机国内约50亿元规模，国内电机总市场规 模约为740亿元。 消费级电机指用在玩具、家电等消费品上的电机，技术壁垒低、产品附加 值低，因而单价低，利润率水平低，行业内众多玩家进行无差异化竞争。 新能源车电机的研发投入大，电机价格受限于整车价格而存在天花板、主 机厂与第三方供应商竞争激烈，利润率水平较低。 工业级电机技术壁垒较高，产品价值量更高同时拥有更高的毛利率。本文 重点讨论工业用电机。工业级电机主要分为伺服电机和步进电机。我们测 算，2021年国内市场规模共约300亿元。 图3：国内电机市场总规模约740亿元，其中工控级电机市场规模约300亿元 1.1、电机行业：进入壁垒较低，产品高端跃迁存在资金、技术、客户壁 垒 由于电机的结构、加工方式相对简单，应用领域非常广泛，从简单低端的普通 铁芯电机到航天军工用的特种电机都存在市场需求，因此电机行业的进入壁垒低， 中低端应用场景玩家众多，低价竞争的后果是利润率水平低。但电机应用领域向高 端升级的壁垒很高，主要在于以下三点： 第一，资金壁垒高，前期大量投入研发以满足不同领域的标准。如，新能源汽 车使用的电机需满足IATF16949和ISO26262国际标准。截至2022H1，汇川技术的 新能源汽车电驱业务目前已经投入30-40亿元，常州工厂还需再投入20-30亿，截至 2022H1公司新能源电驱业务仍然亏损。此外，进入医疗领域的产品需满足ISO13485 认证，进入航天领域的产品需满足EN9100标准认证。 第二，技术壁垒高，高端领域的客户看重电机厂商在标准品基础之上以更低的 成本满足其定制化要求的能力。 电机设计的主要组成部分是机械和电气。机械改动层面，缩小输出轴径较简单， 增大轴径却更复杂。电气修改层面，调整电机绕组的电气特性更为简单，但增加设 计电压更为复杂，需要更改绝缘材料甚至槽设计。设计一个应用在全新领域的电机 要求工程师真正掌握电磁学、电机学、动力学的底层逻辑，考虑电磁转换效率、磁 场分布、涡流最小化等诸多因素，经过精密的计算最终完成设计，难度很高。 电机应用环境是决定定制化复杂程度的重要因素。在极端温度/真空/无尘/潮湿/ 易爆/辐射/高振动冲击等偏离典型工业环境下，对电机材料、结构设计等要求大幅提 升，定制化成本会大幅增加，实力越强的公司越能做到压缩定制成本。 第三，客户壁垒高。航天、手术机器人、高端医疗器械等应用领域的用户倾向 于选择已经树立高品质品牌的厂商，基本不会切换供应商。比如，火星探测领域， NASA连续六次火星探测活动使用Maxon的电机。在医疗技术领域，瑞士胰岛素泵 供应商Ypsomed通过不断向患者说明其选用Maxon的高品质驱动器来赢得患者信任。 1.2、工控电机产业链上游为芯片、编码器、磁性材料和轴承等结构件 国内工控级电机产业链上游为磁性材料、编码器（伺服电机为电机和编码器集 成）、芯片以及轴承等结构件；中游为工控电机本体（伺服电机与步进电机），下游 应用领域主要为各行业通用自动化设备。 图4：国内工控级电机产业链上游原材料国产化率最高，中游伺服系统本体国产化率约35% 生产电机需要用到磁性材料，以永磁体为主。永磁体主要分为塑磁、铁氧体和 钕铁硼。 表1：钕铁硼稀土含量高，磁性强，我们认为未来电机原材料以钕铁硼为主 我们认为未来电机原材料以钕铁硼为主。中国是稀土大国，相较国外具备价格 优势。稀土含量越高，材料的磁性就越好。相同体积的钕铁硼性能远高于铁氧体。 我们认为，未来人形机器人使用钕铁硼的概率更高。 编码器是伺服电机内部集成的传感器。从物理介质的不同来分，伺服电机编码 器可以分为光编码器和磁编码器。磁编码器成本相较光编码器可以下降100多元。 整体来看，国内编码器的精度和综合性能较国外仍有差距，国内运控厂商使用的编 码器，尤其是应用于高精度领域的大多需要进口。 图5：光编码器精度高于磁编码器 以驱动一个直流无刷电机为例，必备要素包括MCU（控制芯片）+Gate Driver 或Pre-Driver（预驱）和功率器件(MOSFET)，MCU芯片通过PWM波控制预驱芯片， 进而预驱芯片控制功率器件（MOS、IGBT）。 根据Grandview Research测算，预计2022年全球直流无刷电机驱动芯片总市 场规模约为252亿元。意法半导体、德州仪器等国际大厂主导电机驱动控制芯片市 场，国内厂商的全球市占率较低。海外大厂多采用ARM架构电机主控芯片MCU， 提供从控制器到功率器件的完整电机芯片解决方案。 图6：主控MCU以及驱动芯片通过控制功率器件来驱动 图7：预计2022年全球直流无刷电机驱动控制芯片市场 1.3、工控级电机产业链中游为电机本体 1.3.1、伺服电机：精度较高的工业控制级电机，国内约250亿元市场 伺服电机是闭环伺服机构中使用的工业控制级电机，内部集成编码器（传感器）， 其精度取决于编码器的精度。根据MIR睿工业数据，2021年国内通用交流伺服系统 市场规模约为250亿元。 在闭环伺服机构中，驱动器接受控制器指令，转换为脉冲信号给伺服电机，伺 服电机接受脉冲信号，根据信号（转矩、转速、转动方向）运转，同时反馈一个脉 冲信号给驱动器。编码器则用于实时纠正两个脉冲信号之间的误差，让其趋于一致。 反馈闭环使得伺服电机可以满足对精度要求高的应用场景。 图8：反馈闭环是通过编码器检测电机转速和旋转角度并反馈给控制器的控制方法 转矩脉动是通电的电机中转子在旋转过程中产生的不均匀转矩，在传统电机中 主要由于齿槽转矩引起，齿槽转矩是由安装在转子上的永磁体和定子叠片的钢齿之 间的吸引力引起的。当旋转传统电机的轴时，可以从物理上感觉到齿槽效应是一种 间歇性的“抽动”运动。在对动线保持平滑要求高的场景（数控机床等高精度场景）， 应使用可以消除齿槽转矩的电机，包括空心杯电机、无框电机、无槽电机。 无槽电机（定子上没有钢齿的伺服电机）的定子不受齿槽转矩的影响，但在通 电时仍会出现转矩脉动，这是由于电枢反应的存在。电枢反应是随着电流水平的升 高，磁路中的磁通量发生变化，从而将谐波引入电机转矩的恒定波形。这种效应在 中高电流的无槽电机中最为明显。 图9：电枢反应导致电磁波形失真，从而导致无槽电机中的转矩脉动 1.3.2、空心杯电机：高转速、无铁芯、小功率段体积最小的直流伺服电机 空心杯电机是没有铁芯转子的直流伺服电机，外形细长，是小功率段体积最小、 功率密度最高的电机，1969年首次由瑞士Maxon集团发明并获得专利。 所谓“空心杯”，是因为这种伺服电机的线圈没有任何支撑结构，完全由导 线绕制而成，从外形上看像杯子。 线圈通过连接板和换向器、主轴连接到一起，共同组成转子。连接板起到 固定导线和传递力矩。线圈在磁铁和外壳之间的缝隙中旋转，从而带动整 个转子旋转 线圈绕组的关键技术是如何绕线，绕组杯的平整度、一致性是否良好。其 中斜绕组的绕线工艺最简单易操作。 图10：线圈绕组的关键技术是如何绕线，绕组杯的平整度、一致性是否良好 空心杯线圈的制造工艺是制作空心杯电机所需的最重要、最关键的技术。 分为一次性绕制成型和卷绕式成型。海外大厂使用一次性绕制成型的方法， 产品动平衡性能良好，并且适合大批量自动化生产。卷绕式工艺复杂、损 耗多、加工时间长。 空心杯的结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。 由于转子重量大幅度降低，转动惯性减小，相比传统铁芯电机大扭矩急加 速急减速性能突出。体积小、功率密度高；散热效果好。 空心杯电机没有齿槽转矩，转矩波动小，转