人形机器人系列之三：妙用于灵巧手，空心杯电机迎广阔空间

行业研究 证券研究报告 电力设备及新能源2023年09月21日 电力设备及新能源行业深度研究报告 人形机器人系列之三：妙用于灵巧手，空心 杯电机迎广阔空间 推荐（维持） 华创证券研究所 证券分析师：黄麟 邮箱：huanglin1@hcyjs.com执业编号：S0360522080001 证券分析师：何家金 邮箱：hejiajin@hcyjs.com执业编号：S0360523010001 行业基本数据 股票家数(只) 296 占比% 0.04 2022-09-20~2023-09-20 7% -3% -13% 22/0922/1223/0223/0423/0723/09 -24% 电力设备及新能源 沪深300 相关研究报告 《人形机器人：技术奇点时刻，新一次工业革命的开始》 2023-07-17 《人形机器人系列之二：奇点时刻，丝杠崛起》 2023-09-21 空心杯电机本体“小巧”性能“精悍”，人形机器人产业链中的不可或缺。灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件，空间极小而驱动自由度极多，需要配备功率密度高，体积小且控制精度高的电机来充当动力源，通过驱动手指中采 用拉线方案的传动机构，完成手部的执行动作。空心杯电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，与灵巧手的需求高度适配。 空心杯电机是电机领域“皇冠上的明珠”。空心杯电机区分于传统电机的核心差异是其采用了无铁芯转子结构，使其机体轻巧，电机性能全方位提升—功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳。空心杯电机下游应用广阔，包 括工业自动化、医疗、航空航天等领域，据QYresearch在《GlobalCorelessDCMotorsMarketResearchReport2022》中的测算，除人形机器人灵巧手方面的应用，2022年全球空心杯电机市场规模为50亿元左右，未来人形机器人若顺利放量，空心杯电机市场有较大增长潜力。 线圈是空心杯电机核心，三大主流设计各有千秋。空心杯电机线圈常用到三种 设计—直绕组、斜绕组、菱形绕组。菱形绕组设计最为省材，功耗也最小；绕 总市值(亿元) 50,867.45 5.65 制工艺方面，斜绕组更适合手动绕制而成，直绕组难度次之，菱形绕组手动绕 流通市值(亿元) 41,957.71 6.05 制较难，一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成。 绕线工艺与设备构成核心壁垒，“绕卷式”虽易，“一次成型”更佳。绕卷式生 相对指数表现 产工艺其主要由送线、坯线圈绕制、板坯成型、卷制成型四大步骤组成，属于 % 1M 6M 12M 手工/半自动生产，虽然生产设备要求较低，但成品一致性差、生产效率低且无 绝对表现 -8.4% -15.9% -23.5% 法绕制大功率电机线圈，因此不适合大批量生产。一次绕制成型工艺，主要分 相对表现 -6.3% -9.9% -17.8% 为加工准备、绕线、抽头三步，由绕线机的六大模块相互配合完成，绕线机将 铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，属于全自动化生产，生产效率更高、产品质量更高，是未来空心杯线圈绕制技术的发展方向。 海外巨头占据主导，国产化替代正当时。空心杯电机主要市场份额集中于海外三大龙头企业MaxonMotor、Faulhaber和Portescap。国内企业经过近几年的追赶，产品性能差距已经大大缩小，如我们比较鸣志电器和海外龙头Faulhaber 的8mm产品，二者连续转矩、转速和响应速度均在同一水准，技术差距已十分接近。同时，国内企业仍在持续研发，提升产能水平，空心杯电机的国产化率有望持续提升。 相关标的：空心杯电机国产替代趋势明确，建议关注【鸣志电器】、【鼎智科技】、 【伟创电气】、【拓邦股份】、【兆威机电】。 风险提示：人工智能监管风险、人形机器人发展不及预期、人形机器人灵巧手技术路线变化风险、技术更新迭代风险、国产替代进程不及预期。 电力设备及新能源行业深度研究报告 投资主题 报告亮点 相较于市场上的其他报告，我们在参考了众多学术论文的基础上，更加细致地拆分了空心杯电机的两大生产工艺流程。并通过解说加工准备、绕线、抽头三步与绕线机的六大模块之间的紧密配合，展现了一次绕线成型工艺绕线机的复杂与精巧。同时，受益于生产工艺的细致拆分，我们更加清晰地分析了两大生产工艺的特点与技术壁垒。我们从工艺细节的角度对比了两种工艺路线，细致地论述绕卷式生产技术相对一次成型生产技术虽然生产设备要求 较低，但有操作步骤较多、中间损耗多、加工周期长等固有缺陷，规模化生产能力较弱。 投资逻辑 从需求端看，空心杯电机本体“小巧”性能“精悍”，下游应用场景广阔，且有望随人形机器人放量迎广阔蓝海。空心杯电机因其独特的无铁芯设计而具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，下游应用场景 广阔，包括工业自动化、医疗、航空航天等领域。预计2022年全球空心杯电 机市场规模为50亿元左右，同时，较高的功率密度与人形机器人灵巧手的需求高度适配，有望随着人形机器人的放量迎来广阔蓝海。 从供给端看，市场份额集中于海外巨头，国内企业正加速追赶，有望以高性价比优势推动空心杯电机国产替代。空心杯电机行业的市场集中度较高，50%以上的市场份额集中于海外三大龙头企业MaxonMotor、Faulhaber和 Portescap。国内企业经过近几年的追赶，产品性能差距已经大大缩小，将国内龙头鸣志电器和海外龙头Faulhaber的基座尺寸8mm的产品进行对比，二者仅在最大连续转矩方面有微小差距，转速和响应速度均在同一水准，但在产品价格方面，国内产品有明显优势，在人形机器人迫切的降本需求下，有望复刻特斯拉汽车零部件国产化降本的路线，国内空心杯相关企业可快速切入，推动人形机器人产业化落地。 目录 一、空心杯电机：本体“小巧”，性能“精悍”，是电机领域“皇冠上的明珠”6 （一）空心杯电机：人形机器人灵巧手的核心零部件6 （二）结构与性能：无铁芯转子结构打破常规，电机性能全方位提升。6 （三）分类：无刷空心杯电机是未来发展的方向11 二、行业分析：人形机器人带来全新机遇，降本需求助推国内企业打破原有格局12 （一）下游应用：优异的性能带来广阔的下游应用领域12 （二）竞争格局：海外头部企业主导，国内企业正加速追赶14 （三）国产替代：人形机器人降本需求迫切，国产替代迎来新机遇15 三、空心杯线圈设计与生产16 （一）线圈设计：三大主流设计各有千秋16 （二）线圈绕制工艺：“绕卷式”虽易，“一次成型”更佳17 1、绕卷式生产工艺17 2、一次成型生产工艺19 （三）技术壁垒：绕线工艺与设备22 （四）总结23 四、相关标的24 （一）鸣志电器（603728.SH）24 （二）鼎智科技（873593.BJ）24 （三）伟创电气（688698.SH）25 （四）拓邦股份（002139.SZ）26 （🖂）兆威机电（003021.SZ）27 �、风险提示27 图表目录 图表1特斯拉Optimus灵巧手实现浇花动作6 图表2特斯拉Optimus灵巧手空心杯电机位置6 图表3电机分类图7 图表4空心杯电机实物图7 图表5直流无刷空心杯电机结构图7 图表6传统直流电机转子有铁芯结构8 图表7空心杯电机转子无铁芯结构8 图表8空心杯电机四大优势8 图表9涡流损耗示意图9 图表10磁滞损耗示意图9 图表11空心杯电机与有铁芯电机能量转化效率对比图9 图表12空心杯电机与有铁芯电机功率密度对比图（单位：mW/cm3）10 图表13无刷有齿槽电机结构图10 图表14齿槽转矩产生原理10 图表15直流有刷空心杯电机与直流无刷空心杯电机结构图11 图表16无刷空心杯电机与有刷空心杯电机性能比较11 图表17空心杯电机下游应用12 图表18空心杯电机应用于呼吸机案例13 图表19空心杯电机应用于牙科手机案例13 图表20空心杯电机应用于电动夹爪案例13 图表21空心杯电机应用于工业点胶机螺杆阀案例13 图表22空心杯电机应用于无人机案例14 图表23空心杯电机应用于飞机驾驶舱控制元件案例14 图表242021年全球空心杯电机行业市场集中度15 图表25国内外空心杯厂商产品性能对比15 图表26不同厂商无刷空心杯电机价格对比16 图表27空心杯线圈三种常用线圈设计16 图表28三种不同设计的空心杯线圈在相同条件下的铜损比较16 图表29空心杯线圈绕卷式生产工艺流程17 图表30送线时使用的自动绕线张力控制装置18 图表31坯线圈绕制18 图表32板坯压制18 图表33卷制成型19 图表34一次成型工艺步骤与绕线机的机械结构19 图表35加热模块示意图20 图表36主运动模块结构示意图20 图表37排线装置结构图与实物图20 图表38摆线模块结构图21 图表39摆线模块实物图21 图表40抽头模块结构图21 图表41抽头模块实物图21 图表42剪断模块结构图22 图表43空心杯线圈绕线机中六大模块相对位置22 图表44手工绕制空心杯线圈实拍图23 图表45海内外空心杯线圈绕线机产品23 图表462018-2022年鸣志电器收入结构24 图表47鸣志电器空心杯电机产品24 图表482018-2022年鼎智科技收入结构25 图表49鼎智科技空心杯电机产品25 图表502018-2022年伟创电气收入结构26 图表51伟创电气机器人相关产品26 图表522018-2022年拓邦股份收入结构26 图表53拓邦股份可应用于人形机器人的空心杯电机26 图表542018-2022年兆威机电收入结构27 图表55兆威机电6mm空心杯减速电机27 一、空心杯电机：本体“小巧”，性能“精悍”，是电机领域“皇冠上的明珠” （一）空心杯电机：人形机器人灵巧手的核心零部件 灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件，十分重要且复杂，对电机性能要求较高。灵巧手作为机器人实现操作的终端工具，十分重要，其设计高度仿人手，结构比较复杂，面临的最大难题是空间极小而驱动自由度极多，需要配备功率密度高，体积小且控制精度高的电机。 空心杯电机与灵巧手关节适配性高，特斯拉Optimus选用其作为动力源。空心杯电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，与灵巧手的需求高度适配。特斯拉机器人“灵巧手”使用较为经典的六电机驱动方式，和人手一样同样使用5个手 指，拥有11个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动。电机采用蜗杆传动机构的目的与腿部直线伺服如出一辙，采用机构自锁降低能耗。为追求形态美观及自适应性，手指采用拉线的传动机构，拥有负重20磅（9KG）和自适应抓取（能够抓取不同形状、尺寸的物体）的能力，可完成搬运、浇花等动作。 图表1特斯拉Optimus灵巧手实现浇花动作图表2特斯拉Optimus灵巧手空心杯电机位置 资料来源：特斯拉AIDay2022 资料来源：任赜宇《Tesla人形机器人Optimus各伺服关节技术拆解》 （二）结构与性能：无铁芯转子结构打破常规，电机性能全方位提升。 电机种类繁多，空心杯电机凭借性能优势而备受关注。电机自从被发明出以来逐渐进入我们生活的方方面面，是日常生活中应用最广泛的用电设备之一。电机按工作电源种类可分为采用直流电源的直流电机和采用交流电源的交流电机，按用途分类可分为驱动电机和控制电机，其中控制电机又可以分为开环控制的步进电机和可以实现精确闭环控制的伺服电机。空心杯电机是一种采用永磁铁提供磁场，直流电源供电的微型伺服电机，随着工业技术的不断进步，机电设备对于能更好适应各种需求对伺服电机的技术要求越 来越高，而空心杯电机也因其节能效果好、伺服特性好等性能优势而备受关注。 图表3电机分类图 资料来源：嵌入式艺术，芯旺微电子，华创证券整理 空心杯电机本体“小巧”，性能“精悍”，是电机领域“皇冠上的明珠”。从结构上看，以有刷空心杯电机为例，其主要由空心杯绕组、永磁体、电刷、换向器等部件组成，采用了无铁芯转子结构，各部件组合紧密，通常尺寸比较小，直径不超过4