“人形机器人的Optimus时刻”系列（一）：空心杯电机小巧高效，灵巧手赋能全新市场

空心杯电机：电机领域“皇冠上的明珠”，性能优势突出。空心杯电机是一种微型伺服直流电机，主要由定子、转子和换向系统组成，其转子创新性的突破了传统电机的结构形式，采用无铁芯空心杯状结构。空心杯电机具有效率高、转速快、响应快、寿命长、体积小和运行稳等特点，凭借这些性能优势，空心杯电机下游应用领域广泛，在机器人、医疗器械、无人机和自动化设备等场景中不断突破，成为高端制造中的理想选择。 市场空间“小而精”，海外厂商占据主要份额。空心杯电机以其出色的性能和广泛的应用，市场规模快速增长。根据GII引用QYResearch的统计数据，2022年全球空心杯电机市场规模达到7.48亿美元，中国作为全球最大的市场，2028年全球市场份额有望提升至39.88%，达到4.73亿美元。空心杯电机市场由海外厂商主导，主要制造商包括MaxonMotor、Faulhaber等，2021年全球CR3占据55.43%的市场份额，市场集中度较高。海外厂商的竞争优势主要体现在技术专利的积累、研发团队的规模、产种类的数量和销售渠道的全球化，品牌声誉和市场认可度更高。 灵巧手赋能百亿市场，国内企业潜力巨大。Tesla、小米人形机器人推出，拉开产业化序幕，若引进国产供应链有望进一步降低核心零部件的价格。特斯拉Optimus灵巧手采用“电机驱动+腱绳传动”解决方案，根据马斯克的公开说辞，Optimus有望于2023年底开始交付，并在2025年实现100万台目标交付量，参考国产品牌的定价，有望为空心杯电机带来近百亿级别的增量市场空间。 复盘MaxonMotor：空心杯电机全球龙头，核心优势引领向前。Maxon于1961年成立于瑞士，六十多年来通过不断的创新和技术进步，逐渐成长为全球直流电机的龙头企业。Maxon拥有三大核心优势—产品模组化、销售国际化、设计可定制化，空心杯电机已覆盖直径6mm到65mm，功率范围0.3W到250W，可提供5000种产品、100万种组合方式，其灵巧手解决方案成熟稳定，已成功应用于Miroki人形机器人。 本土企业厚积薄发，笃行致远。国内空心杯电机厂商通过灵活的生产、本土化销售和较低的成本来努力缩小与海外龙头的差距，在市场上具备了较大的竞争优势。建议关注1）鸣志电器：公司是国内电机的龙头企业，2019年收购T motion拓展了空心杯电机业务，公司核心优势包括北美销售渠道成熟、空心杯电机技术位居全球前列、空心杯电机模组具备定制化生产能力，有望在国内市场中保持领先地位，率先拓展市场份额；2）江苏雷利：公司是全球知名的微特电机企业，下游行业多元、客户粘性高，实现多维发展。公司无刷空心杯电机已处于核心关键客户样品测试阶段，并自研自制绕线及绕线设备建立成本壁垒；3）伟创电气：公司专注电气传动和工业控制领域，建立“区域+行业”的独特营销体系布局全球化销售。公司自研的空心杯电动机具备高转速、高扭矩和低噪音振动等优势，有望充分受益核心零部件的国产替代。 行业投资评级与投资策略。人形机器人产业方兴未艾，赋予空心杯电机广阔的市场增量。在以特斯拉Bot为代表的人形机器人产业化和降本化双重驱动下，国内厂商经过长期技术积累，有望借助成本优势快速切入制造环节，核心零部件迎来国产替代的最佳机遇。给予空心杯电机行业“推荐”评级。建议重点关注：鸣志电器、江苏雷利、伟创电气等。 风险提示：人形机器人进展不及预期；国内厂商产品开发进度、核心客户导入不及预期；原材料价格上涨增加成本风险；市场竞争加剧等。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 投资主题 报告亮点 本报告1）详细拆解了空心杯电机的结构，并通过大量文献综述阐释了空心杯电机的性能优势所在；2）通过分析全球、中国空心杯电机市场规模和竞争格局，对比国内外厂商自身的竞争优势，得到结论—国内厂商有望深度受益于空心杯电机的国产替代；3）特斯拉Bot拉开人形机器人产业化序幕，随着降本化的持续推动，作为人形机器人的关键部位灵巧手将赋能空心杯电机近百亿增量市场；4）复盘全球空心杯电机龙头Maxon Motor六十余年发展历史，总结其成功三大优势—产品模组化、销售国际化、设计可定制化；5）国内空心杯电机厂商通过灵活的生产、本土化销售和较低的成本来努力缩小与海外龙头的差距，挖掘三家核心标的竞争优势。 投资逻辑 人形机器人产业方兴未艾，赋予空心杯电机广阔的市场增量。在以特斯拉Bot为代表的人形机器人产业化和降本化双重驱动下，国内厂商经过长期技术积累，有望借助成本优势快速切入制造环节，核心零部件迎来国产替代的最佳机遇。给予空心杯电机行业“推荐”评级。建议重点关注：鸣志电器、江苏雷利、伟创电气等。1）鸣志电器：公司是国内电机的龙头企业，2019年收购T motion拓展了空心杯电机业务，公司核心优势包括北美销售渠道成熟、空心杯电机技术位居全球前列、空心杯电机模组具备定制化生产能力，有望在国内市场中保持领先地位，率先拓展市场份额；2）江苏雷利：公司是全球知名的微特电机企业，下游行业多元、客户粘性高，实现多维发展。公司无刷空心杯电机已处于核心关键客户样品测试阶段，并自研自制绕线及绕线设备建立成本壁垒；3）伟创电气：公司专注电气传动和工业控制领域，建立“区域+行业”的独特营销体系布局全球化销售。公司自研的空心杯电动机具备高转速、高扭矩和低噪音振动等优势，有望充分受益核心零部件的国产替代。 一、空心杯电机：电机领域“皇冠上的明珠”，性能优势突出 （一）空心杯电机：空心杯状的转子，结构差异明显 空心杯电机是一种微型伺服直流电机，得名于其转子部分的设计。空心杯电机的转子在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，是一个空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。德国的Dr. F. Faulhaber在1958年研制出斜绕组线圈绕制技术,并经过不断开发和完善，在1965年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技术，正式标志着空心杯电机的诞生。 图表1空心杯电机与传统直流电机对比 传统直流电机铁芯结构质量较大，降低整体动态性能。传统的直流电机主要由定子、转子、电刷和换向器组成，定子通常由永磁体或电磁绕组制成，位于电机外圈，外壳用于引导磁通量和安装法兰。转子由带有线圈绕组的铁芯制成，位于电机内圈。换向器和电刷控制转子绕组的通电顺序，以产生连续旋转并连接直流电源进行电机驱动。由于直流电机的铁芯绕组质量较大，整体惯性也会增加，从而导致电机的加速度和响应速度降低，特别是在需要频繁启停或快速变速的应用中，较大的铁芯质量会影响电机的动态性能。 图表2传统直流电机结构 空心杯电机的定子是位于电机内圈的永磁体，转子是位于外侧的杯状自支撑的线圈。相比于传统有刷直流电机，空心杯电机有以下几大特点：1.电机铁损减少：传统的有刷直流电机运转过程中会在铁芯中产生涡流，造成较大电机铁损。而空心杯电机由于没有铁芯，铁损可以被大大减少甚至忽略。2、换向片数量增加：传统的有刷直流电机通常只有3到5片换向片，而空心杯电机一般有9、11或13片换向片。3.转子惯量减少：传统的有刷直流电机由于铁芯的存在，惯量一般比较大，而空心杯电机由于转子是杯状的自支撑的线圈，因此在相同尺寸下，转子的惯量会明显减小。4.线圈电感减少：由于没有铁芯的存在，空心杯电机的线圈电感相对于相同尺寸的传统有刷直流电机要小很多。 图表3空心杯电机结构 （二）拆解空心杯电机结构，技术迭代推进性能提升 定子：钕铁硼为空心杯电机永磁体材料首选，所需体积最小。常用于空心杯电机的稀土材料主要有铁镍钴基永磁体、马氏体永磁体、钕铁硼永磁体和稀土钴永磁体等。不同永磁体特点不同，性能也多种多样，直接决定了空心杯电机的性能和经济成本。现有的稀土材料中，钕铁硼的性能最好，为电机提供相同磁能量需要的体积最小，仅为铁氧体的1/5，铝镍钴的1/3，同时钕铁硼永磁体性能优越，矫顽力大，剩磁密度高，适用于体积要求较小，工作温度不高的场景，是空心杯电机永磁体材料的最佳方案。 图表4不同永磁体的功率密度 图表5不同永磁体的退磁曲线 转子：绕组电枢决定空心杯电机性能，斜绕组仍为主流。空心杯电机常用的线绕组电枢有直绕组、斜绕组、同心式绕组三种。直绕组端部不产生力矩，而且增加了电枢重量和电枢电阻。斜绕组电枢与直绕组电枢相比，没有端部绕组，减轻电枢重量，具有转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，目前国外两大知名空心杯电机生产公司德国Faulhaber和瑞士Maxon Motor均采用斜绕组电枢，并采用自动化设备一次性绕制成型，合格率高达100%。同心式绕组电枢端部重叠层数少，气隙小，永磁体利用率高，提高了电机的功率密度，Maxon Motor正在研发使用中。 图表6不同绕组电枢对比 换向器：换向片数量是影响空心杯电机性能的重要因素。空心杯电机换向片的数量通常较传统有刷直流电机更多，往往由9、11或13片（奇数片）换向片组成，安装在转子上并与定子上的电刷接触。通过改变电流的路径，换向片控制转子线圈的电流流向和转子磁场方向，实现高效的转矩输出和精确的速度控制。转矩脉动对空心杯电机的性能和运行质量造成较大影响，导致机械振动和噪音增加，降低系统的精度和稳定性，通过增加换向片的数量可以改善空心杯电机的换向精度和平稳性，从而降低转矩脉动的产生。 图表7换向片数量影响空心杯电机效能 （三）空心杯电机性能表现卓越，引领高端应用领域创新 空心杯电机效率高、转速快。由于空心杯电机消除了铁芯产生的磁阻力矩和涡流效应造成的损耗，因而可以得到很高的能量转化效率，进一步提高能源利用效率、减少能源损耗。空心杯电机的最高效率都在65%~85%之间，最高的可达90%，而有刷直流电机的最高效率一般都在50%左右。高转速的电机能够提供更大的功率输出并减少机械振动和噪音，空心杯电机最高转速在10000rpm左右，而有刷直流电机的连续力矩会随着转速的上升快速下降，最高转速都在5000rpm以下。 图表8空心杯电机最大效率高 图表9空心杯电机转速更快（rpm） 空心杯电机响应快、寿命长。相比于有刷直流电机100毫秒以上的机械时间常数，空心杯电机的转子惯量很小，响应时间极快，其机械时间常数一般在28毫秒以内，部分产品甚至小于10毫秒，具有理想的控制性能，能够实现对转速的高精度控制操作。空心杯电机的换向片数量多，使得换向时的电流波动和电机电感量更小，大幅减少换向过程中对换向系统的电腐蚀，从而拥有更长的寿命。根据《空心杯电机定制化管理的应用研究》中的数据，有刷直流电机的寿命一般仅有几百个小时，而空心杯电机的预期寿命通常在1000至3000小时之间，能够提供更长久的可靠运行。 图表10空心杯电机机械时间常数更小（ms） 图表11空心杯电机寿命更长（h） 空心杯电机体积小、运行稳。空心杯电机具有较大的功率体积比，一般达 30mW/cm3 ，与同等功率的铁芯电机相比，重量和体积减少了1/3~1/2；空心杯电机没有齿槽效应，过载能力比有刷直流电机更高，同时更小的转矩脉动让其运行稳定、可靠，转速波动小且容易控制，一般可控制在2%以内，可应用于高动态性能伺服系统中。 图表12空心杯电机体积小 得益于空心杯电机优异性能，下游应用领域广泛。空心杯电机小巧的体积和轻盈的重量使其具有良好的集成性，可以广泛应用于空间有限的设备和系统，如微型机器人、智能穿戴设备和医疗器械等。同时，空心杯电机具有高效能、快速响应和精度高的特点，使其成为无人机、机器人臂、自动化设备、精密定位系统和光学仪器等需要高功率密度和高速运动领域的最佳方案。随着空心杯电机在众多下游应用领域中的不断突破，逐渐成为众多高端设备和系统的理想选择。 图表13空心杯电机下游应用领域 二、小而精的优势赛道，灵巧手赋予全新增量 （一）中国主导全球市场，海外厂商占据主要份额 空心杯电机行业蓬勃发展，22年全球市场超7亿美元。空心杯电机以其独特的设计和出色的性能，在各个行