人形机器人行业专题报告：空心杯电机&滚柱丝杠

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 人形机器人专题报告 ——空心杯电机&滚柱丝杠 2023.07.11 分析师：曾彪 S0740522020001 研究助理：农誉 nongyu@zts.com.cn 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 1NT 人形机器人关键环节拆解 ｜领先｜深度 关键环节：线性执行器+灵巧手 灵巧手 人形机器人关键环节拆解 线性执行器 •相较具有20+个自由度的人手，特斯拉人形机器人灵巧手基于应用场景，保留11个自由度，在简化工序、优化成本的同时达到较佳的性能： •单手6个执行器，可使用工具，实现小物件的准 确抓取，举起20磅的重量。 •手部执行器：空心杯电机+精密减速器+蜗轮蜗 杆+绳驱 •参考人体膝关节结构，通过四个连杆+四个枢纽进行机械模拟，即可实现较好的动能转换； •特斯拉optimus通过手臂、腿上的线性执行器，对图示关节进行操控，模拟人类四肢运动。 •线性执行器：电机+行星滚柱丝杠+轴承+传感器， 相关部位对力矩的要求较高，关键零部件为丝杠 3 资料来源：特斯拉AIDay展示，Maxon官网，特斯拉2023WAIC展会展示，中泰证券研究所 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 2NT 核心部件1：空心杯电机 ｜领先｜深度 空心杯电机的特点 机 永磁体 传统直流有刷电机空心杯电 •转子：线 永磁体 电刷系统 圈绕组 换向器 铁芯线圈绕组 •转子：铁芯+线圈绕组 •定子为永磁体：产生磁场； •转子含有安装在轴上的铁芯，线圈缠绕在开槽铁芯上，起到集中、增强流量的作用。 •最大特点：转子不含铁芯，而是形似杯状的线圈绕组，没 有结构支撑，完全由导线绕制而成。 •转子通过连接板（换向盘，固定导线和传递力矩）与换向 器和主轴连接（通过滚珠轴承支持）。5 空心杯电机的优点 无齿槽效应：没有铁芯的开槽与永磁体相互反应 •即便在低速也能平稳运行 •低振动，低噪音 •均匀扭矩可以轻易控制在任意位置的转子 无铁损：铁芯会改变磁场，当轴旋转时磁滞回路被穿过，能量被消耗 •绕组线圈磁场的影响可忽略，磁化是恒定、不变的 •功率损耗更小，效率更高 结构设计紧凑 •永磁体置于中心，导致气隙中的高磁通密度，并可通过强磁体进一步增强，产生的扭矩增加 •没有铁芯，转子质量惯量低，机械时间常数仅为几毫秒响应速度快 安全、可靠性 •电机的电刷和换向器之间发生电弧和火花的可能性较小 •转子表面有空气流动，相较铁芯转子散热性能好 6 空心杯电机的结构拆解 Maxon空心杯电机（RE35）及其衍生产品类别 •钕铁硼永磁材料 （NdFeB）vs铝镍钴 永磁材料（AlNiCo） •金属电刷vs石墨电刷 电刷连接件 自支持线圈绕组 换向盘轴 压力环 滚珠轴承 换向器 机壳法兰 永磁体 •滚珠轴承vs套筒轴承 不同的应用场景，对运行条件、功率和成本有不同的诉求，空心杯电芯的结构部件有多种衍生； 用量：根据灵活程度的需求，常规单手搭载六件，即每个手指一颗/拇指两颗，单台人形机器人，预计搭载12件空心杯电机。7 永磁体材料 •AlNiCo和NdFeB均具有较高的剩余磁性； •AlNiCo具有陡峭的退磁曲线，产生的气隙较窄，线圈绕组的厚度可做得非常薄（但电流密度变小，产生的力也变小）； •稀土磁铁具有非常高的矫顽场强，即很难消磁；其产生的气隙更大，线圈绕组需要做得更粗，整体更坚固； 不同永磁体的特点和性能存在差异，在保证产生的磁场稳定的同时，需根据应用场景对工作温度、环境的要求，合理的配置永磁材料，达到电机的性能和成本效应最大化。8 电刷轴承 •贵金属电刷: •适用小电流、低电压 •适用连续运行模式 •低摩擦、噪声 •低电池干涉 •适用小型电机 •价格便宜 •石墨电刷: •适用高电流、峰值电流 •适用启停、反转运行模式 •高摩擦、无负载电流 •电损耗、噪声更高 •价格更贵 •滚珠轴承: •适用于较高的轴向和径向负载 •适用于所有运行模式 •使用于大型电机 •价格更贵、若无预加负载 •套筒轴承: •适用于连续高转速的运行模式 •适用于小型电机 •低摩擦、低噪声 •价格便宜 石墨电刷（>26mm,>10W）更适用于大电机，贵金属电刷 更适用于小电机（<13mm）； 轴承的使用一定情况下也会影响电机寿命。 9 •铜线：优良导体 •绝缘层：防止短路 •漆包层：高分子+溶质， 具备热塑性 典型的绕组方式（直线形、马鞍形、斜绕形）漆包线结构 •直线形： •六角线环状的绕线方式，更适用于长尺寸，长径比大的线圈柱体绕组； •马鞍形： •斜方形式的绕线方式，Maxon主要采用此种方法； •斜绕形： •在圆柱体对角线上进行绕线排布，多见于Faulhaber的产品； 无铁芯的自支持线圈绕组由漆包线绕制而成； 在线圈绕组的制备过程中，通过外加压力和加热，使得相邻的漆包线熔融并相互连接，同时复合高分子溶质溢出，冷却后获得一定的硬度和稳定性； 可在柱体缠绕粘合带（胶带或玻璃纤维）以增强绕组的强 度和形状稳定性，避免高电流负载造成的漆包线软化。10 直线形Vs马鞍形&斜绕形马鞍形Vs斜绕式 •直线形：上下两端部的绕组不产生力矩，却增加了电枢的整 体重量，受限于此，常于线圈匝数要求较少的场景； •马鞍形&斜绕形：无端部绕组，导线利用率高，重量优化，同等条件下具备转动惯量、时间常数小，输出力矩大等优势，为目前海外厂商主流的线型设计； •马鞍形： •线圈几何形状规整，相互独立排列，铜线间不发生干涉； •端部重叠率低，线圈厚度较薄，磁场气隙小，即永磁体定子的利用效率提高，同等面积下磁通量增大。根据转矩常数公式a，同输出功率，转矩输出能力强； •磁场切割长度增加，同等情况材料耗费小，即铜线总长减小，内阻降低；根据公式，铜损随电阻减少，输出效率提升。 空心杯电机的设计要点在于追求小型化的同时提供效率更高、更大的输出，线圈绕组设计是核心影响因子，包括绕线方式（排布、槽满率 等）、绕组参数（节距、匝数、抽头数等），掌握相关工艺的先进入者，存在先发优势。11 空心杯电机的绕线工艺一次绕线设备-总体方案设计 1）卷绕->坯线圈 •一次成型生产工艺 2）压制->线板 3）线板卷绕->线圈 •绕卷式生产工艺流程 1）线圈绕线 2）线圈抽头 绕卷式生产工艺流程：优势在于设备简单，外形规整，但步骤繁琐、工艺复杂导致废品率、时间损耗高，不适合大批量自动化生产，人工劳动强度大； 一次成型生产工艺：自动化程度高，一次性绕制成型，在生产效率和成本上具备优势。 绕线运动规划：包括路径设计及速度控制，前者意味着合理规划形状和运动模式，提高线圈绕组质量；后者直接影响铜线轨迹、线圈精度和效率。 抽头：整个线圈绕组分为多个部分，每个部分留有抽头，其与一个换向片相连，因此通过对各抽头的通/断电，可起 到控制线圈磁场的方向和旋转方向的作用。12 一次绕线设备-机械结构设计绕线设备厂家 主轴模块&摆线机构：线圈轨迹通过主轴的转动和线嘴的移动达成，主轴通常按匀速转动，摆线机构能否保证一定的速度和位置精度完成对于动作，决定了绕线轨迹的准确性； 辅助机制：抽头产生，加工过程主轴、摆线运动在指定位 置暂停，导线被拉出一定长度，对位置精度控制亦有要求； 项目 瑞士Meteor 中特科技 产品型号 M22 DCU13020P12-S001 使用尺寸（线径范围） 最小0.01mm 最小0.025mm 主轴个数 1 1 主轴转速 12000rpm 6000rpm 工作电源电压 230V/50-60Hz 220V/50-60Hz 排线器最大移动范围 400-1600mm可定制 绕线速度 90mm/s 最大绕线直径 200mm 图示 海外空心杯电机生产设备供应商核心玩家为瑞士Meteor与日本NipponSerbig，其技术成熟度高，产品系列齐全，可靠性高，受限于产能及技术保密，设备获取存在一定壁垒； 我国设备厂商起步晚于海外20-30年，在生产技术水平相比 存在一定的差距，目前仍以卷绕式生产设备为主。13 产品丰富性 小型化功能性 •鸣志电器有刷空心 杯电机： •Ø8mm~Ø24mm等多种外径规格 •鸣志电器无刷无齿槽电机： •Ø13mm,Ø16mm,Ø22mm等多种外径规格 重量轻，体积小，能耗低： 灭菌，耐温： •医疗应用 快速响应： •各种随动系 统，如导弹、 自动调焦、工业自动化 •飞行器 新兴应用： •光学仪器、人形机器人 等 Maxon：外径规格可选4-90mm，产品矩阵丰富； Faulhaber：无刷无齿槽电机外径低至3mm，同时提供匹配 其应用的高度紧凑齿轮箱、速度控制器配件。 14 鸣志电器：国内空心杯电机头部玩家 同尺寸产品对标情况 微型运动控制的一站式解决方案 项目MAXON鸣志电器 产品型号RE13DCU13020P12-S001 电刷类型稀有金属电刷稀有金属电刷电机长度19.8mm19.7mm 电机直径13mm13mm 空载转速11200rpm12900rpm 额定转矩（最大连续转矩）1.25mNm1.1mNm 额定电压12V12V 额定功率1.2W1.7W 堵转转矩2.65mNm5.54mNm 最大效率68%79% 绕组最高允许温度85°C100°C 热时间常数（电机）179s76s 热时间常数（绕组）4.96s4.14s 机械时间常数13.6ms7.77ms 重量0.012kg0.014kg 价格709583 •在同等条件下，相关产品相较海外头部企业MAXON具备一定的竞争力； •公司具备一体化整合能力：整合电机+减速机+控制器，输出一 体机，产品竞争力、价值量提升。 15 鸣志电器：国内空心杯电机头部玩家 兼并收购稳定基本盘，构建护城河。 •鸣志电器股权架构：截之2023年7月 常建鸣 傅磊 90% 10% 鸣志投资 56.1% 鸣志电器 100% 瑞士 TMotion 99.54% 常州运控电子 100% 鸣志美洲控股 75% 鸣志派博思 •步进基本盘：龙头地位巩固，22年混合式步进电机产量约1,800万台，跻身全球Top3； •海外销售体系完善：美、意、日、新设立全资子公司负责全球销售服务，2022年海外收入14.2+亿，占比48.1%；收购AMP、Lin，解决进入北美工业自动化领域面临的客户服务障碍； •产能情况：越南工厂，建设400万台/年混合式步进电机项目；太仓工厂，公司目前规模最大，产品线最完整的生产基地，22年Q3上海工厂主要产能按计划 •分期转移至该基地. •驱动控制技术： •原第二大HB •精密直线传动 无刷电机、空 步进电机厂商： 业务 心杯电机； 稳住基本盘，拓展安防领域； AMP LinEngineering •步进、伺服电 机驱动技术 •0.9\1.8度HB步进电机、无齿槽空心杯无刷电机，打入 1 高端应用领域6 江苏雷利/鼎智科技 鼎智科技股权穿透情况（截止2023年Q1） 业绩情况 •江苏雷利 营业收入（百万元）YOY •鼎智科技 营业收入（百万元）YOY 苏建国 苏达 10.2% 常州雷利投 资集团 36.88% 江苏雷利 丁泉军 其他股东 35.82% 18.59% 45.59% 鼎智科技 40.8% 21% 3,500 3,000 2,500 2,000 2,422.3 2,248.92,249.8 2,918.92,899.9 25% 20% 15% 350 300 250 200 67% 194.2 318.5 64% 90% 81%80% 70% 60% 50% 1,500 1,000 500 11% 8% 0% 704.4 -1% 10% 5% 0% 150 100 37% 72.478.7 131.2 48% 132.6 40% 30% 20% •鼎