机械行业一周解一惑系列：人形机器人产线设备 +可行加工工艺

本周关注：精测电子、华曙高科、沃尔德 本周核心观点：关注3C设备的复苏以及行业结构性的改变，如3D打印电机难点在于绕线及测试，同时参考工艺路线选择及价值量占比，关注绕线、测试环节设备：电机是人形机器人的重要零部件，主要包含空心杯电机与关节中的电机。1）绕线的工艺路线迭代多，设备更容易具备差异化，公司格局也有望优化。与普通电机相比，空心杯难点在于绕线工艺更复杂，为避免效率低需关注一次成型绕线技术。同时，由于马鞍形线圈有着更好的特性，且能够大大拓宽空心杯应用领域，而国内马鞍形线圈多卷绕法的成型方式，多采用手工或半自动化设备，自动化程度低，国内技术目前仍然较空白。所以研发马鞍形线圈自动化绕制设备或者拥有相关专利或技术的绕线设备公司更应关注。2）难点+价值量占比筛选还可关注测试设备：除去绕线成型外，空心杯电机其他难点包括测试、转子成型，同时在电机整线中，测试设备价值量占比较高。 综合轴承、丝杆、谐波/行星减速器产线的设备价值量占比、设备难易，关注磨床、齿轮机、车床及对应刀具：1）价值量占比考量因素，可依次关注磨床、齿轮机、车床：轴承产线中磨床对应的磨削环节约占加工量的60%，谐波/行星减速器根据对应公司招股书，价值占比较高的分别的依次为磨床>滚齿机>车床（谐波）/滚齿+插齿+磨齿机>磨床>车床（行星），而行星滚柱丝杆企业目前尚缺乏量产的产线，其工艺中的螺纹（内/外）加工最为重要。目前螺纹的加工方式有旋风铣削、磨削加工、硬态车削、滚压成型，磨削是精度最高的工艺。2）设备难易角度，可依次关注磨床、刀具：难易程度的判断更偏主观，可依靠进口/出口的比例（进口占比越高，往往设备难度更大，国产尚未突破）、加工精度（高精度的机床对应价格及壁垒更高，其中磨床、齿轮机、高端车床均可实现较高的加工精度）综合判断。其中磨床、齿轮机、车床（高端）以及齿轮机、车床上使用的刀具符合上述标准。 横向对比人形机器人产线各设备，绕线机特点为小而美，磨床、齿轮机床进口依赖度高：1）绕线机市场小而美，可能更具备弹性：根据观研数据，2018年中国绕线机市场规模约为35亿元，市场规模较小，同时根据海关进口金额对比，2022年绕线机的进口金额约为1.16亿美元，而车床、铣床、磨床、齿轮机的进口金额为5.16/1.84/5.32/4.64亿美元。绕线机整体呈现小而美的特点，其中代表性公司如田中精机2020-2022年平均收入规模约为3亿元；进口绕线机的价格远远高于国产绕线机，表明高端的、定制化的绕线机仍具备不小的技术难度，田中精机年报中通同样显示非标准机单价远高于标准机；2）磨床、齿轮机分类繁杂且进口依赖度高：磨床的常见分类有平面磨床、无心磨床、外圆磨床、内圆磨床等，齿轮机主要是滚齿机、插齿机；根据海关数据计算的进口/出口金额的比值，磨床、齿轮机当前仍高度依赖进口，同时以磨床设备为例，各类磨床设备的进口单价显著高于国产设备，该领域国产替代弹性有望更大。 投资建议：绕线设备关注田中精机、磨床关注日发精机、专用车床关注浙海德曼、专用车铣刀具关注沃尔德、恒锋工具 风险提示：1）人形机器人产业落地和放量不及预期，导致设备采购偏少； 2）人形机器人硬件或加工方案出现变化 1空心杯电机及普通电机的制造流程 1.1空心杯电机的介绍 1.1.1空心杯电机原理，组成及优缺点 空心杯电机原理：空心杯电机在结构上突破传统电机的转子结构形式，采用了无铁芯转子，也叫空心杯型转子，这种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，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。 空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术优势明显。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。 空心杯电机的结构组成：后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁、法兰、定位环。 定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。 绕组通过所谓的换向板连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙中运动。换向系统使用一对贵金属刷减少了电刷火花。减少的电刷火花产生较少的电磁排放。 1）优点： 内外层马达双重备份，提高可靠性；杯形设计减小了体积，使得整个电机更为节约空间；高效率的能量转换技术，可实现更长时间的使用，并且有较低的功耗和噪声。 2）缺点： 复杂的结构使得生产成本相对较高；精密机械的组装要求较高，需要精细的加工技术，并且安装时需要保证各部件的平衡和精度；容易受外界因素的影响，如温度变化、磁场干扰等。 空心杯电机分为有刷和无刷（无齿槽）两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。从下图可以看出两种电机的区别在于有刷空心杯电机利用碳刷（或者金属电刷）和换向器的配合来完成换向，无刷空心杯电机没有这种物理结构，线圈导线直接连接到控制器，通过处理连接板上的霍尔反馈的位置信号完成换向；有刷空心杯电机是线圈，换向器和连接板在外壳和永磁体中间旋转，他们共同组成转子。无刷空心杯电机的线圈是固定的，永磁铁作为转子在中间旋转。空心杯电机在搭配不同速比的减速机和不同分辨率的编码器后，也可以作为力矩电机以及位置反馈的装置使用。 图1：有刷空心杯电机结构图 图2：无刷空心杯结构图 1.1.2空心杯电机有刷与无刷的区别 由表1可知有刷空心杯电机在电机寿命，转速中受限。相比于无刷电机，虽然会产生火花但在使用时无铁损，控制也简单。 表1：有刷电机与无刷电机的区别 1.2空心杯电机和普通电机的区别 空心杯电机和普通电机在结构和功能上存在以下区别： 1）结构不同：空心杯电机的转子和定子之间是一个空心的杯形结构，而普通电机的转子是实心的，没有空心结构。 2）负载能力不同：空心杯电机一般适用于精密应用和高负载环境，而普通电机则适用性更广，可以用于多种场合。 3）效率和大小不同：空心杯电机的效率比普通电机高，而且尺寸更小、重量更轻。 图3：直流有刷空心杯电机结构图 图4：传统直流有刷电机结构图 从生产流程来看，相较于传统直流电机，直流无槽电机（空心杯电机）制作流程有更多环节，更为复杂，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。 其中，空心杯电机绕线区别于普通直流电机绕线，普通直流电机的电机绕组是固定于电机铁芯之上，空心杯电机绕组则不依靠铁芯支撑，而是利用特殊工艺将电机绕组做成可以独立支撑的杯状。线圈通过连接板与换向器、主轴共同组成转子。线圈在磁铁和外壳中的缝隙旋转，从而带动整个转子旋转。 在线圈绕制过程中需要时刻做到均匀绕制，尽可能做到将空心杯面完整覆盖。 因此，空心杯电机绕线难度系数更高，对于绕线技术要求更苛刻，尤其是导线较细和尺寸较小的空心杯（抽头间距小于7毫米）。 图5：普通直流电机生产流程 图6：空心杯生产流程 总结：空心杯电机和普通电机在结构和功能上存在明显的区别。空心杯电机由于采用了杯形结构，具有更高的效率和更小的尺寸，适用于一些高精度和高负载的应用。而普通电机适用范围广，维护成本较低，可以用于多种场合。空心杯设备制作流程复杂，核心环节和难点在绕线。 1.3空心杯电机绕线 1.3.1空心杯绕线方式 根据不同的缠绕方式，目前绕法主要分为(a)直绕式、(b)折线式(马鞍形）、(c)斜绕式三种。其绕制出水的线圈如下图所示：直绕式由于受其自身工艺的影响，常常应用于线圈匝数要求比较少的电机线圈制造。而斜绕式和马鞍形才是目前国外先进空心杯电机厂商最常采用的两种方式。 图7：三种空心杯电机绕线方法 马鞍形线圈的优势： 1）马鞍形线圈绕组的线圈有着较为规整的几何形状，排列上纹路清晰且相互独立；铜线之间不发生干涉，特别是在线圈两端，重叠率较低，减小了线圈的厚度；方便安装，可安装在各种尺寸规格的空心杯电机上。 2）在高功率密度电机上，采用马鞍形排列方式在有效减小磁路气隙的同时，极大地增加切割磁场的长度，在同等有效切割磁力线情况下，马鞍形绕组线圈比斜绕组线圈材料耗费小，导线总长减小，使得线圈内阻小。 3）马鞍形绕制方法两端线圈较薄，使得磁场的气隙较小，更好地利用定子磁性。对于同输出功率的电机，由于永磁体利用率的提高，对永磁体的要求较小，即可满足电机输出功率。换言之，相同的磁体，利用效率更高。 1.3.2空心杯线圈生产方式 目前国内外空心杯线圈生产技术主要是以下两种： 1）绕卷式生产技术。卷绕式生产技术是首先将铜线绕制成菱形的空心线圈，然后将其压扁，制成扁平的线板。最后再将线板卷绕成杯状的线圈。 2）一次成型生产技术。利用自动化绕线设备，通过实现其线圈缠绕运动，将线圈直接缠绕在芯轴上，完成整个线圈的全自动化生产。 图8：空心杯绕卷式生产技术 图9：空心杯一次成型生产技术 两种方法相比较而言，第一种加工方式步骤繁琐，加工周期较长，需要人员较多，劳动强度大。而采用第二种方法，有助于缩减生产过程，提高生产效率，利于自动化生产，节省人力成本。目前我国的空心杯电机生产主要还是采用第一种加工方式，工人劳动强度大，废品率高，而且其受工艺自身的制约，生产线圈相对较小，很难用于生产大功率空心杯电机。 表2：绕线生产技术和绕线方式的总结 总结：由于卷绕工艺复杂，效率低。因此使用一次成型绕线技术的公司拥有更好的前景。同时，由于马鞍形线圈有着更好的特性，且能够大大拓宽空心杯应用领域，而国内马鞍形线圈多卷绕法的成型方式，多采用手工或半自动化设备，自动化程度低，国内技术目前仍然较空白。所以研发马鞍形线圈自动化绕制设备或者拥有相关专利或技术的绕线设备公司应该更受关注。 1.3.3空心杯技术难点 表3：空心杯技术难点 2绕线设备 2.1绕线设备海外主流玩家和其代表性设备介绍 2.1.1国外绕线设备研究现状 目前国外的空心杯线圈生产技术，国外大部分采用的是一次成型技术，其生产的空心杯自动化程度高，人为干扰少。这样在提高生产效率的同时也提高产品质量，降低了生产成本，其空心杯电机竞争优势明显。现在比较著名的绕线设备厂商有日本小田园、意大利马斯利、瑞士Maxon、日本Tormax等，各个厂商都拥有自己成熟的生产设备与生产技术，都已形成系列生产。 表4：绕线设备市场主要参与者 前身是国营青岛微电机厂，是我国从事电机设备研究与制造，为电机制造企业提供个性化系统解決方案。在无刷电机生产设备领域绕线设备的佼佼者，为多家客户提供了一流的设备和系统解决方案。 工序复杂，不能保证线圈质量 具有相对较高的效率，节省人工数量及劳动强度，保证运行过程稳定 医疗器械、机器人、电子产品 中特科技 国内公司 从事自动化机械集生产、研发和销售为一体的专业绕线机厂，拥有一批工作认真负责并具有丰富行业经验的专业人士；产品引进日本、台湾技术和采用优质的进口零配件，使产品在行业中处于较高水平 使用多轴运动控制器完成控制；配备以自动调节自动张力系统，调节每步工序张力大小 汽摩磁电机、汽车雨刷电机等汽车；航模电机等定子或转子线圈 无法进行空心杯电机线圈的绕制 台立电子 资料来源：日特机械官网，田中精机招股书，中特科技官网，马斯利官网，小田原官网，台立电子官网，《马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究》谢春辉 2.2线圈绕线设备进出口情况 数控自动化绕线设备可以绕制包括普通电感电子线圈、工字/色码电感电子线圈、贴片电感电子线圈、电子变压器电子线圈、电磁阀电子线圈、电声器件用音圈/空心电子线圈、汽车用点火电子线圈、微特电机电子线圈在内的各类电子线圈产品。 从2017年到2023年8月绕线机进出口金额变动来看，国内绕线机技术趋于成熟，进口总金额有下降趋势，出口总金额呈现上升态势，国内绕线机进口依赖度下降。 图1