机器人系列报告七：空心杯电机专题：机器人手部核心零部件，国内厂商迎替代机遇

——机器人系列报告七 研究背景：2023年以来，受益于生成式AI的飞跃、特斯拉Optimus提振市场信心等事件催化，人形机器人进展显著加快，量产可期，产业资本关注度提升。空心杯电机是机器人灵巧手关键零部件，确定性较强、技术壁垒较高，据我们此前机器人系列报告四中Tesla Optimus成本拆分测算，单台价值量预计为7,200元，占机器人总成本的4.43%，占手部执行器成本的54.5%，人形机器人有望带来空心杯电机广阔新增市场。我们希望通过本文对空心杯电机原理、技术、规模等的介绍，为加深空心杯电机产业链的认识提供参考，并通过海外龙头的发展复盘，总结其核心优势，据此筛选出具备潜力的国内企业。 空心杯电机是高端的直流、永磁、伺服微特电机，核心特征为无铁芯转子。空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也因此具备轻量化、节能、响应迅速等优点，被广泛应用于对重量要求高、需要实现快速自动控制的领域，如医疗器械、消费类电子产品、飞行器、电动工具、工业自动化等。 2022年全球空心杯电机市场规模为51.62亿元，人形机器人有望带来广阔增量市场。空心杯电机下游医疗器械、航空航天基本盘稳固，自主可控、国产替代逻辑清晰。人形机器人预计贡献巨额市场增量。参考特斯拉Optimus，每只灵巧手需要用到6个空心杯电机。我们预计在人形机器人销量分别为10/50/100万台时，空心杯电机市场规模分别为12/48/72亿元，相对于2022年市场规模的弹性分别为23.2%/93.0%/139.5%，成长空间广阔。 空心杯电机行业集中度高，海外企业占据主要市场份额。据QY Research数据，2021年全球空心杯电机行业CR3为55.43%，2022年全球空心杯电机CR5为67%，前五名企业包括Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor及Nidec CopalCorporation。国内鸣志电器、鼎智科技、拓邦股份均有空心杯电机产品布局，进展较快，具备量产能力。 空心杯电机技术壁垒高，核心难点在于绕线，我国在技术、工艺方面的积累较为薄弱，与海外存在差距。 1）核心难点在于绕线，我国技术差距体现在①设计环节，我国欠缺体系化的正向设计，缺乏定制化要求的系统驱动方案配置与产品设计能力；②加工环节，空心杯电机漆包线是悬空绕线，内部没有支撑，其加工精度直接影响磁场的稳定性，国内厂商切入需要在生产加工环节提高精度、良品率、自动化程度。 2）以Maxon、Faulhaber、Portescap为代表的海外企业成立超60年，技术起步早、工艺积累深，国企较外资差距体现在①规模方面，我国企业空心杯电机非各家主营业务，占比较小，营收静待起量；②产品方面，海外有刷/无刷空心杯电机最小尺寸可做到6 mm/3 mm量级，而国内仅能做到8 mm/12 mm，在功率、效率等部分性能参数方面仍有差距。 国内厂商有望受益于人形机器人产业机会提升市场份额，实现弯道超车。复盘海外龙头发展历程，其共同优势来自于深厚的技术积累、覆盖全球的渠道网络以及取得市场认可的产品品牌力。 我国空心杯电机国产化率偏低，提升空间广阔。人形机器人量产在即，我们认为国内厂商具备价格优势、交付周期优势，未来将持续发力研发积累和渠道建设，加深对下游应用行业的把控，提升交付整体解决方案的能力，有望在人形机器人产业进程中提升市场份额，实现弯道超车。 投资建议：空心杯电机下游医疗器械、航空航天等增长前景明确，基本盘稳固；同时人形机器人带来广阔新增空间，空心杯电机行业具备强成长性。此外，海外企业仍占据主要市场份额，自主可控背景下空心杯电机亦将受益于国产替代逻辑。 建议关注： 【鸣志电器】主业稳扎稳打，HB步进电机份额全球第四。空心杯电机领域国内领先，技术储备、生产工艺上具备先发优势和卡位优势。 【鼎智科技】微特电机领域隐形冠军，人形机器人线性执行器+空心杯电机双产品布局。业绩增速、盈利水平行业领先，成长潜力大。 【拓邦股份】智能控制器国内龙头，成立以来陆续发力家电、工具、新能源领域，电机业务有望成为公司第四增长曲线。空心杯电机业务起步早，产品已在智能制造、医疗健康等领域实现批量应用。 风险提示：机器人推广不及预期、人形机器人技术路线变化、市场竞争加剧、国内企业技术迭代不及预期、测算具有主观性。 1.空心杯电机：高端的直流、永磁、伺服微特电机 1.1.主要特征：无铁芯转子 空心杯电机是一种特殊的直流电机。传统直流电机被广泛应用于工业生产、家用电器、交通运输等领域，由定子和转子两大核心部分组成，直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。常用的定子磁铁材料包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴和铁氧体。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，其电枢绕组为空心杯线圈，形状类似水杯，因此被称为“空心杯电机”。空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。这种新颖的转子结构使空心杯电机具备以下优良特性： ①节能特性：无铁芯设计彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）； ②控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节； ③拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内； ④轻量化特性：与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，能量密度大幅度提高。 空心杯电机的核心指标为功率密度，即输出功率与重量或体积的比值。无铁芯转子在分子端消除了涡流和磁滞损耗，提高了能量转化效率；在分母端减轻了重量和体积。 图1.传统直流电机示意图 图2.空心杯电机示意图 表1：空心杯电机特点 电刷是有刷电机的一个重要组成元件，负责在旋转部件与静止部件之间传导电流。因较多用石墨制成，故也称碳刷。在普通直流电机中，为使转子保持旋转，需实时改变转子电流方向，因此需要使用换向器和碳刷。无刷电机取消了机械电刷换向方式，因此需要检测转子位置以完成电子换向。常用的获取转子位置信息的方式主要有两种：①无传感器控制方式，在电机运转时，通过电机反馈出的可测量变量来确定转子位置；②位置传感器控制方式，电机转子位置是通过电机内部的位置传感器直接检测得到的。常用的位置传感器有霍尔传感器、光电编码器、旋转变压器等。霍尔传感器检测精度不高，但价格较低；而光电编码器、旋转变压器位置检测准确，误差小，一般用于高性能要求控制系统，如磁场定向控制、直接转矩控制。 空心杯电机按其结构可分为有刷和无刷两种。 ①有刷空心杯电机（也被称为直流有刷无铁芯电机，转子无铁芯）：采用机械电刷换向，一般由机壳、软磁材料内定子、永磁体外定子、空心杯型转子电枢组成。当空心杯有刷电机通电时，绕组有电流通过，产生转矩，转子开始旋转，若转子转到特定角度，电刷利用机械换向器的方式改变电流方向，使输出转矩方向不变，转子继续旋转。由于空心杯有刷电机采用电刷换向，电机运行过程中存在着一定的相对摩擦，这就会产生噪声、电火花，降低了电机的使用寿命。一般国内的“空心杯电机”泛指有刷电机； ②无刷空心杯电机（也被称为直流无刷无齿槽电机，定子无铁芯）：采用电子换向的方式，一般由机壳，软磁材料、绝缘材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等组成。空心杯无刷电机通过控制电子元件的通断使不同绕组接入电路，达到换向的效果。这种换向方式使空心杯无刷电机具有效率高、转矩波动小、使用寿命高、结构精巧，维护方便，易保养等特点。 图3.有刷空心杯电机结构示意图 图4.无刷空心杯电机结构示意图 表2：无刷空心杯电机和有刷空心杯电机对比 1.2.核心壁垒：绕线工艺 空心杯电机工艺流程复杂，加工难度远超普通直流有槽电机。以鼎智科技的直流无槽电机（即其空心杯电机产品）为例，从前段线圈绕制、中段轴承、芯轴、支撑环等核心零部件安装，到后段后盖安装和线路板焊线等，涉及近30道工序，复杂程度远超普通直流有槽电机。线圈的生产需要经历漆包线——绕线——加热整形——出线脱漆、接公共线——线圈安装等环节。 图5.鼎智科技直流无槽电机生产流程图 其中，线圈制造是空心杯电机的核心流程之一。无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成，这是一根绝缘铜线，外面有一层漆。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔化在一起。适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性，这一点在高电流负载下尤为重要。 空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为三类： 1）人工绕线。通过一系列复杂的工艺，包括插针、手动卷线、手动排线等步骤进行生产。 2）绕卷式生产技术。绕卷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。 以一种绕卷式空心杯为例，其制造流程大致分为以下几步：①六边形线坯线圈绕制：在斜绕组绕线机上进行；②线坯线圈粘贴二条定型压敏胶带，脱模待展平；③展平：将定型板插入线坯线圈，并将线圈相错拉平，再送入展平机展平，成为扁平线坯。用竹质刮板整形。剪掉多余的胶带，仅留一只搭头，搭头应留在扁平线坯稍微隆起的一面，以利卷筒成行；④卷筒：把扁平线坯送入空心杯卷筒机卷筒，使线坯首尾衔接，胶带搭头粘贴于线坯首部外表，成为空心杯线圈；⑤涂环氧定型：涂环氧胶粘剂后，放入烘箱固化定型。 3）一次成型生产技术。绕线机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，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序，自动化程度高。 图6.绕卷式空心杯工艺流程图 图7.一次成型后的线圈 海外绕线工艺发展早，自动化程度高于国内。国内主要采用绕卷式生产，工艺比较繁琐，工人劳动强度大，无法完成线径较粗的线圈，废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，生产效率高，线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密，电机种类多、性能好。 空心杯电机按绕线方式可分为直绕形、马鞍形和斜绕形。1958年，德国的Dr.F.Faulhaber（冯哈伯）研制出斜绕组线圈绕组技术，在1965年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技术。德国、瑞士、日本等对空心杯电机的研制较早，在绕线工艺方面积累了丰富经验。全球空心杯电机三大龙头中，瑞士Maxon多采用直绕形和马鞍形，德国Faulhaber和瑞士Portescap多采用斜绕形。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；马鞍形可减小线圈厚度，在高功率密度电机上有效减小磁路气隙，增加切割磁场的长度，更好地利用定子磁性；斜绕形发展较早，相对来说绕制简单、排线紧密、适用于大批量生产。 图8.空心杯电机常见绕线方式 绕线是空心杯电机核心技术壁垒所在。①设计环节：海外三大家技术起源于1960年代，国内空心杯电机起步较晚，研究较少，缺少结合材料细分牌号、转子杯类型对电机的优化，欠缺体系化的正向设计，缺乏定制化要求的系统驱动方案配置与产品设计能力；②加工环节：与传统的无刷电机、有刷电机、伺服电机相比，空心杯电机的结构属于无齿槽结构，没有定子槽，所有漆包线都是悬空绕线，内部没有任何支撑，在工艺上难度很高，早期成品率低。 在绕线精度方面，空心杯电机精度要求比传统电机更高。空心杯电机本身体积较小，对误差的容忍度和普通永磁电机、步进电机相比更低，加工精度直接影响磁场的稳定性。导线粗细、绕组匝数的不同，使得绕组电阻值、启动电流以及速度常数等电机参