空心杯电机：人形机器人灵巧手赋予行业新增量，国产化机会正在孕育

空心杯电机：人形机器人灵巧手赋予行业新增量，国产化机会正在孕育 行业评级：增持 分析师：邹润芳 证券执业证书号：S0640521040001 研究助理：闫智 证券执业证书号：S0640122070030 分析师：卢正羽 证券执业证书号：S0640521060001 行业报告：先进制造行业周报 2023年10月15日 中航证券研究所发布证券研究报告请务必阅读正文后的免责条款部分 股市有风险入市需谨慎 重点推荐：华中数控、新莱应材、纽威股份、宝明科技、骄成超声、贝斯特、软通动力、天融信、航锦科技、天通股份 核心个股组合：华中数控、新莱应材、纽威股份、宝明科技、骄成超声、五洲新春、贝斯特、国茂股份、天融信、软通动力、航锦科技、华伍股份、奥特维、罗博特科、高测股份、捷佳伟创、科威尔、绿的谐波、埃斯顿 本周专题研究：灵巧手是机器人实现灵活操作功能的关键，特斯拉灵巧手采用“电机驱动+腱绳传动”方案，其中空心杯电机为核心零部件。空心杯电机采用无铁芯转子，具有节能、易控制、运行稳定等优势，生产的核心壁垒为线圈设计、线圈绕制、自动化设备。据NTCysd数据，2022年全球空心杯电机市场规模约为7.28亿美元，预计2028年增长至11.87亿美元，2022-2028年CAGR达8.47%，而人形机器人将进一步打开空心杯电机成长空间。全球主要的空心杯电机制造商包括Maxon、Faulhaber等，据MarketResearch数据，2021年全球CR3合计份额高达55.43%。我国空心杯电机在可靠性和精度等方面和国外中高端品牌存在差距，近年来绕线机的自动化程度和绕线速度持续突破，我国空心杯电机厂商呈现加速追赶态势，机器人降本需求下将有望逐步替代外资企业份额。建议关注：鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、江苏雷利、禾川科技、拓邦股份等。 重点跟踪行业： 锂电设备，全球产能周期共振，预计21-25年年均需求超千亿，国内设备公司优势明显，全面看好具备技术、产品和规模优势的一二线龙头； 光伏设备，设备迭代升级推动产业链降本，HJT渗透率快速提升，同时光伏原材料价格下降有望刺激下游需求，看好电池片、组件设备龙头； 换电，2025年换电站运营空间有望达到1357.55亿元，换电站运营是换电领域市场空间最大的环节，看好换电站运营企业； 储能，储能是构建新型电网的必备基础，政策利好落地，发电、用户侧推动行业景气度提升，看好电池、逆变器、集成等环节龙头公司； 半导体设备，预计2030年行业需求达1400亿美元，中国大陆占比提高但国产化率仍低，看好平台型公司和国产替代有望快速突破的环节； 自动化，下游应用领域广泛的工业耗材，市场规模在400亿左右，预计2026年达557亿元，看好受益于集中度提高和进口替代的行业龙头； 氢能源，绿氢符合碳中和要求，光伏和风电快速发展为光伏制氢和风电制氢奠定基础，看好具备绿氢产业链一体化优势的龙头公司； 工程机械，强者恒强，建议关注行业龙头，看好具备产品、规模和成本优势的整机和零部件公司。 机器人灵巧手传动方式多样。灵巧手是机器人实现灵活操作功能的关键，对执行器的紧凑、高效、可靠性提出了较高要求。常见的灵巧手传动方式包括腱传动、连杆传动、齿轮传动等，其中腱传动容易实现多自由度和远距离动力传输、成本较低，连杆传动负载强、精度高但缺乏柔性，齿轮传动驱动灵活但手指闭合时间长。 特斯拉灵巧手采用“电机驱动+腱绳传动”方案，空心杯电机为核心零部件。特斯拉Optimus灵巧手具备自适应能力和非可逆驱动能力，可承重20磅、使用工具、精确抓取零件。单只灵巧手由6个执行器构成，其中大拇指对应2个执行器，其余每个手指对应1个执行器。执行器主要由“驱动器+编码器+传感器+空心杯电机+行星减速箱+蜗杆蜗轮+金属腱绳”组成，其中空心杯电机最为关键。 蜗杆蜗轮 1234 5 多级行星减速箱 6 空心杯电机 图表：常见的灵巧手传动方式包括腱传动、连杆传动、齿轮传动等图表：特斯拉人形机器人手部关节示意图 ShadowHand、PISA/IIT SoftHand 由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者 腱传动软管实现传动，容易实现多自由度和远距离 动力传输，节省空间和成本。 应用案例 特点 采用平面连杆机构传动，刚度好、出力大、连杆传动负载能力强、加工制造容易、易获得较高的 精度。 BeBionicHand、因时机器人-RH56DFX 驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线 齿轮/蜗轮蜗运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动VincentHand、i-limbultra 杆传动手指产生动作。驱动更加灵活，但是手指的Hand 闭合时间较长。 空心杯电机采用无铁芯转子，具有节能、易控制、运行稳定等优势。空心杯电机在结构上突破传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子，其新颖的转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少转子自身的机械能损耗。由于转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善，节能特点突出，且具备铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。 空心杯电机根据换向方式可分为有刷和无刷两种，其中无刷空心杯电机性能更优。空心杯直流有刷微电机采用机械换向，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换向器和电刷来完成的，价格相对较低但噪音大、寿命短、效率低且需要维护；无刷空心杯直流电机采取电子换向，在功率密度、峰值效率、转速范围、可靠性、运行寿命、结构坚固性方面优势突出，但控制器成本高于有刷电机，随着电子控制技术的迅速发展和普及，控制器的成本有望降低，使得无刷空心杯性能更优的同时具备性价比。 空心杯电机传统电机 有刷空心杯电机无刷空心杯电机 依靠线圈和换向器 依靠霍尔元件 功率密度 低 高 峰值效率（%） 85~89 95~97 转速范围（r/min） 1000~10000以上 500~10000以上 可靠性 一般 优秀 运行寿命 短 长 图表：空心杯电机和传统电机性能对比图表：有刷空心杯电机和无刷空心杯电机对比 节能特性 能量转化效率70%以上部分产品可以达到90% 效率低于70% 原理机械换向 电子换向 控制特性 28ms以内 部分产品甚至低于10ms 100ms以上 拖动特性 运行稳定、可靠，转速波动小，转速波动容易控制，一般控制在2%以内 相对较差 能量密度大，与同等功率的一般铁能量密度特性芯电机相比，空心杯电机重量减轻 1/3-1/2，体积减小1/3-1/2 能量密度较小 空心杯电机的三大核心壁垒为线圈设计、线圈绕制、自动化设备。无刷空心杯电机转子由环形磁钢、转轴及其固定件组成，定子由环形硅钢片和空心杯线圈粘结而成，核心工艺为线圈的设计和制造。空心杯电机常用的线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种，线圈绕制方式分为人工绕线、半自动化（卷绕式）和一次成型自动化绕制。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，可加工0.08-0.2mm线径、功率400W以下电机所需线圈；而国内主要采用卷绕式生产，依赖人工、生产效率低且生产线径受限，一次成型绕线设备有待突破。 空心杯市场规模稳定增长，人形机器人打开新空间。空心杯电机主要应用在高精度、高速响应、紧凑高效场景，如航空航天、仪表仪器、工业机器人、医疗等领域。据NTCysd数据，2022年全球空心杯电机市场规模约为7.28亿美元，预计2028年增长至11.87亿美元，2022-2028年CAGR达8.47%。据MarketResearch数据，2021年我国、欧洲的空心杯电机市场规模分别占比34.8%、25.85%。 图表：空心杯线圈结构（马鞍形）及卷绕式生产示意图图表：2022年全球空心杯电机市场规模约7.28亿美元 14 12 10 8 6 4 2 0 202020212022202320242025202620272028 全球空心杯电机市场规模（亿美元）同比增速（右轴） 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 高端市场外资品牌优势明显，国内企业加速追赶。全球主要的空心杯电机制造商包括Maxon、Faulhaber、Portescap、AlliedMotion、Nidec等，据MarketResearch数据，2021年全球CR3合计份额高达55.43%。我国空心杯技术发展起步较晚，可靠性和精度等方面和国外中高端品牌存在一定差距，近年来绕线机的自动化程度和绕线速度持续突破，我国空心杯电机厂商呈现加速追赶态势，机器人降本需求下将有望逐步替代外资企业份额。建议关注：鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、禾川科技、拓邦股份等。 图表：国内主要布局空心杯电机公司及产品情况 公司名称 公司简介 空心杯电机产品情况 鸣志电器 公司是一家运动控制领域综合制造商，提供的产品包括旋转步进电机、无刷无槽电机、伺服电机、电机驱动系统、LED智能驱动等，旨在在广泛的应用领域中提供更专业、更节能、更高效的产品。 鸣志目前开发出φ13mm、φ16mm、φ22mm、φ30mm机座尺寸的无刷空心杯电机，电机的空载转速可以达到15000rpm~50000rpm；在有刷空心杯电机产品领域，鸣志开发了φ8mm、φ10mm、φ13mm、φ16mm、φ17mm、φ24mm等众多机座尺寸，电机的空载转速在10000rpm~16000rpm。 鼎智科技 公司提供以步进电机为基础的精密运动控制系列产品，广泛使用于医疗诊断设备、实验室自动化、机器人、流体控制、各类工业自动化设备等。 空心杯电机杯具有高耐用性、低电气噪声和高效率，电机最大效率达到91%，其直径范围16mm—42mm。目前已实现空心杯电机全自动量产，并能针对客户的不同需求提供定制化产品和组件。 江苏雷利 公司是一家从事微电机产品研发设计的生产制造型企业，产品以微型步进电机、同步电机等多种电机产品为主导，配套综合业务能力。 空心杯电机产品最小直径8mm、最大转速8万转/分钟。目前公司无刷空心杯电机处于小批量供货阶段。 禾川科技 专注于工业自动化产品的研发、制造、销售及应用集成，具备完整的自动化产品线包括伺服系统、控制器、视觉系统、编码器、变频器、触摸屏等。 空心杯电机实现量产，但销售占比较少。 伟创电气 从事工业自动化产品研发、生产和销售，产品包括变频器、伺服系统、控制系统、行业专机、智能物联网。 公司首款产品主要推向医疗领域，产品可以达到13毫米8万转的功率密度，后续也会进一步推进研发10毫米、8毫米、6毫米，包括10万转的更高功率密度的产品。 拓邦股份 国内智能控制领域首家上市公司，主营业务为智能控制系统解决方案的研发，以电控、电机、电池、电源、物联网平台的“四电一网”技术为核心。 空心杯有刷电机直径范围16—40mm，空心杯无刷电机直径范围12—40mm，已在电动夹爪、骨科动力工具等领域实现批量应用。 光伏设备：1）N型电池片扩产项目多点开花，光伏设备企业技术持续突破，需求与技术共振，推动光伏产业高景气增长。建议关注：迈为股份、捷佳伟创等。2）光伏产业链价格调整将会使产业链利润重新分配，同时刺激下游需求，有望引导整个产业链向好发展。在产业链调整的过程中，看好以下几个方向：靠近下游的电池组件、电站运营环节；非硅辅材、耗材环节；光伏设备等。建议关注：双良节能、奥特维等。 锂电设备：从新技术带来新需求、扩产结构性加速度和打造第二成长曲线等角度出发筛选公司，2023年重点推荐以下方向：1、新技术：①复合集流体从0到1加速渗透，推荐关注相关设备商东威科技、骄成超声；②若大圆柱渗透率提升，激光焊接等环节有望受益，推荐关注联赢激光；2、锂电储能：2023年或成为国内大储高增速元年，重点关注电池、逆变器、温控、消防等环节；3、主业拓展：锂电设备是少有的能出现千亿级别大市值公司的领域，推荐关注平台型公司先导智能；电力电子、激光加工技术具备延展性，需求增长持续性有望更强，推荐关注星云股份等；4、出口链：海外扩产有望