机器人系列报告（二）：机器人“动力源”，看好国产电机持续突破

来 机器人系列报告（二）：机器人“动力 源”，看好国产电机持续突破 2023年7月30日 信达证券股份有限公司 CINDASECURITIESCO.,LTD 北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 孙然电力设备与新能源行业研究助理 联系电话：18721956681 邮箱：sunran@cindasc.com 武浩电力设备与新能源行业首席分析 师 执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711 邮箱：wuhao@cindasc.com 看好 上次评级 看好 投资评级 证券研究报告 行业研究 行业深度研究 电力设备与新能源 机器人“动力源”，看好国产电机持续突破 2023年7月30日 本期核心观点 控制电机是机器人“动力核心”。电机是一种将电能转换为机械能的装置，主要由外壳、定子、转子、绕组组成。电机种类众多，根据不同方式可以划分为不同种类，应用领域众多，本文主要关注应用在机器人领域的控制电机（伺服电机）。控制电机的产业链上游主要是磁性原材料、编码器、芯片和轴承等，其中磁性材料和编码器相对关 键：1）磁性材料对电机性能影响较大，磁性材料中钕铁硼性能较好，渗透率有望提升；2）编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的关联，可分为磁编码器和光电编码器等，光编码器精度较高，成本较高，磁编码器对环境要求较低。我们认为编码器是电机核心部分，国内企业持续突破，有望加速高端电机国产化。 人形机器人时代将至，有望带动无框电机&空心杯电机快速增长。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，机器人需要根据不同场景去选择对应使用电机，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：1）工业机器人对性能和精度要求较高，主要使用伺服电机；2）协作机器人追求轻量化、小型化等特性，通常采用整体式的无框电机，并采用关节一体化技术；3）人形机器人关节要求与协作机器人有相似之处，主要使用无框电机、空心杯电机。从市场角度来看，2021年机器人电机市场规模约11亿美元，随着人形机器人逐步落地，有望贡献新增量，若人形机器人数量超过100万个，将带来电机市场增量344亿元。 看好人形机器人带动国内厂商切入高端电机市场。复盘MAXON发展之路，我们认为其布局高壁垒产品+新兴领域应用，并布局上游零部件和驱控技术，是MAXON维持高利润的关键。而国内电机企业处于“量增”走向“提质”阶段，部分企业不断加速中高端电机相关行业渗透 （工控等），若人形机器人加速落地，或将给国内企业带来参与先进领域设计/制造的机会：人形机器人潜在空间较大，这类高成长赛道或将带动国内企业对高端电机领域研发和布局，带动国内企业切入高端电机市场。 投资建议：我们认为人形机器人有望提高机器人相关电机市场空间，驱动国产电机突破中高端电机市场。推荐汇川技术、旭升集团（信达证券研发中心电新组&汽车组联合覆盖）；建议关注空心杯电机和步进电机头部企业鸣志电器、兆威机电，工控领先企业伟创电气、无框电机制造商步科股份。 风险因素：核心技术发展不及预期；特斯拉Optimus机器人量产不及预期；地缘政治风险&宏观经济下行风险等。 目录 一、控制电机是机器人“动力核心”5 1.1电机构成与原理介绍5 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6 二、人形机器人时代将至，看好国内厂商切入高端电机市场10 2.1风起人形机器人，机器人电机市场蓄势待发10 2.1.1工业机器人：伺服电机系统是机器人“心脏”11 2.1.2协作机器人：轻量化设计背景下，无框电机成首选12 2.1.3人形机器人：有望贡献新增量13 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16 三、国产替代进行时，看好国产企业突破高端电机壁垒19 3.1伺服电机：进军中高端市场，国产替代进行时19 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21 3.3无框电机：国产企业有望凭借性价比优势加速突破26 四、投资建议30 五、风险因素31 图表目录 图表1：交流电机核心部件5 图表2：直流有刷电机核心部件5 图表3：电机分类6 图表4：电机产业链情况6 图表5：主要永磁材料的特性7 图表6：光编码器原理8 图表7：磁编码器原理8 图表8：光编码器和磁编码器对比8 图表9：部分国内企业编码器布局情况9 图表10：2021年全球机器人主要电机占比情况10 图表11：2021-2030全球机器人电机主要区域情况10 图表12：不同应用场景下电机需求情况分析10 图表13：全球工业机器人市场规模及增速11 图表14：全球服务机器人市场规模及增速11 图表15：中国工业机器人成本构成11 图表16：传统工业机器人和协作机器人12 图表17：中国协作机器人市场规模及增速12 图表18：全球服务机器人市场规模及增速12 图表19：双足人形机器人驱动器的发展历程13 图表20：一体化关节内部构成（以协作机器人为例）14 图表21：一体化关节外观14 图表22：绳驱手指结构14 图表23：绳驱驱动方式14 图表24：Optimus躯干拥有28个运动关节15 图表25：Optimus手部情况15 图表26：全球电机市场规模（亿美元）15 图表27：全球机器人电机市场规模（亿美元）15 图表28：特斯拉汽车销售变化情况16 图表29：电机主要市场情况分析17 图表30：电机主要市场情况分析18 图表31：鸣志电器收购相关公司情况18 图表32：伺服系统工作原理19 图表33：伺服主要成本构成情况19 图表34：伺服系统的分类19 图表35：2021年伺服系统主要应用领域20 图表36：通用伺服系统市场规模（单位：亿元）21 图表37：2022前三季度通用伺服市场竞争格局21 图表38：某公司空心杯电机的可定制部分21 图表39：空心杯电机形状21 图表40：空心杯电机优势和应用范围22 图表41：空心杯电机应用场景23 图表42：空心杯电机线圈绕制形式23 图表43：卷绕式生产步骤图24 图表44：绕线机一体成型绕线24 图表45：meteor大线圈全自动生产线25 图表46：田中精机株氏协会全自动绕线机25 图表47：全球空心杯电机市场规模（亿美元）25 图表48：2021年全球空心杯电机主要类型占比情况25 图表49：国内企业空心杯电机布局情况26 图表50：无框电机外形26 图表51：无框电机优势27 图表52：无框电机在人形机器人领域应用27 图表53：无框电机在协作机器人领域应用27 图表54：瓦形磁体拼接辐向环和辐射充磁环28 图表55：科尔摩根一体化磁钢无框电机28 图表56：全球无框力矩电机市场规模（亿美元）28 图表57：2021年全球无框力矩电机主要类型占比情况28 图表58：步科股份与科尔摩根产品对比29 图表59：主要标的情况30 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。 图表1：交流电机核心部件图表2：直流有刷电机核心部件 资料来源：ElectricalKnowhow，信达证券研发中心资料来源：ElectricalKnowhow，信达证券研发中心 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。 图表3：电机分类 资料来源：ELECTRICALTECHNOLOGY，信达证券研发中心 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。 图表4：电机产业链情况 资料来源：信达证券研发中心 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。 图表5：主要永磁材料的特性 永磁材料 铝镍钴 铁氧体永磁 钐钴永磁 烧结钕铁硼 内禀矫顽力（kOe） 0.38~1.53 1.76~4.21 15~21 11~40 最大磁能积（MGOe） 1.4~13.2 0.17~5.2 24~33 33~50 剩磁强度（T） 0.58~1.35 0.32~0.43 0.8~1.2 1.17~1.48 工作温度（℃） -250~550 -40~250 -250~525 -125~220 主要应用领域 主要是仪表、电能表 大体积扬声器、电动玩具、玩具、家电的风扇电 机等 军事及航天航空 VCM、各种永磁电机、汽车EPS、MRI等 优点 最好的温度稳定性和时间稳定性，耐腐蚀性高 资源丰富，价格低廉 工作温度高，耐腐蚀性好，磁性能优于铝镍钴和铁氧体 磁能积高，机械力学 性能好，可切削和钻孔 缺点 含有战略元素钴，性价比较低 磁性能较差，温度稳定性差 含有战略元素钴，性价比低 居里温度低、温度稳定性差、化学稳定性 低 资料来源：大地熊招股说明书，信达证券研发中心 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