机械设备深度报告：空心杯电机-人形机器人的“掌”上明珠

空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机，其在结构上突破传统电机的定转子结构形式，采用了无铁芯定/转子，从本质上解决了铁芯结构的固有问题。对比空心杯电机和传统铁芯电机，我们可以发现，利用其新颖的结构特性，空心杯电机优势众多，如高电机转速、能量转化效率极高、高加速度、高动态响应、体积小、重量轻等。空心杯电机分为有刷无铁芯和无刷无齿槽两种，有刷空心杯电机的转子无铁芯，无刷空心杯电机的定子无铁芯，两者在最终产品的性能特点及适用情况上有所区别。 空心杯电机的核心技术壁垒在于定子/转子的自支撑绕组技术上。实现自支撑绕组的关键点，一是在于绕组工艺的设计：空心杯电机的绕组类型众多，其中直线型绕制工艺相对复杂，需要多次绕制形成，多用于较少匝数、较长绕组结构。德国Faulhaber采用的是斜绕型线圈，自动化设备一次性绕制成型，合格率极高，绕组杯平整度、一致性也好。同心式绕组空心杯电机的功率密度较大，瑞士Maxon电机就采用此种使得电机产品性能优异；二是在于绕组设备：绕线设备行业的头部厂商主要集中在欧美、日本等地，国内同海外有较大差距。 空心杯电机产品因其优异性能，下游应用场景场景广泛，海外厂商Maxon、Faulhaber、Portescap等具备先发优势及技术沉淀，形成一定程度地垄断地位。人形机器人手部方案对于空心杯电机的应用，打开了产品未来的发展空间。 全球人形机器人产业规模化发展有望带动空心杯电机应用的广阔前景。人形机器人手部对于空心杯电机尺寸、扭矩等性能参数的需求尚不明确，而国产厂商产品向海外龙头追赶步伐较快，故后期国产厂商有望在人形机器人带动的空心杯电机市场中占据一席之地。 人形机器人空心杯电机相关标的梳理：新进入者切入的路径包括从其他领域延申或产品横向拓展。目前人形机器人厂商在产品应用定义阶段，希望能找出人形机器人能够规模化、普及化的真正形态。直接给人形机器人厂商供货的空心杯电机公司，能够获得一手的应用反馈，及时调整自身技术研发及产品优化路径，加之前期共同研发、技术交流的深厚积淀，有望在人形机器人产品规模量产之后占据先发优势。此外，医疗领域客户并不属于价格敏感型，对于空心杯电机的性能和质量需求与人形机器人领域类似，能够进入医疗领域的厂商，其产品大概率也能够符合人形机器人的应用需求。 重点关注公司：鸣志电器、鼎智科技、兆威机电、雷赛智能 风险提示： 人形机器人规模化不及预期风险；空心杯电机降本不达预期风险；产品技术突破受阻风险。 1人形机器人的“掌”上明珠——空心杯电机 1.1什么是空心杯电机？ 空心杯电机是微特电机的一种，属于直流永磁的伺服控制电机，其在结构上突破传统电机的定转子结构形式，采用了无铁芯定/转子，这种新颖的定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，从而减少定/转子自身的机械能损耗。由于定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。 图表1：空心杯电机产品结构图 空心杯电机相较传统伺服电机取消了铁芯的结构，从本质上解决了铁芯结构固有的种种问题。参考《高速永磁电机的损耗计算与温度场分析》（孔晓光、王凤翔等），文中对于铁芯电机的损耗进行了分析，并按照引起的原因将损耗分为四类，分别是：定子绕组铜耗、定子铁耗、转子空气摩擦损耗和转子的涡流损耗。 定子铁耗（包含磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗）和转子涡流损耗可以通过取消定子或转子的铁芯结构来达到规避的效果。定子绕组铜耗的大小受到电机工作频率、绕组导体尺寸和在槽中排列位置等多因素影响，所以也被铁芯结构的取消所影响。转子空气摩擦损耗同电机转速的三次方成比例，故而在高速电机中转子的风磨耗占据较大比例，若转子替换为无铁芯的结构，即杯状的自支撑线圈，体积小重量轻，在高转速情况下也能达到更小的风磨耗。铁芯电机由结构带来的损耗较大，尤其是在高转速的工况下表现显著，空心杯电机的设计结构决定了其特性可以规避铁芯电机的各类问题。 图表2：高速铁芯电机不同转速下的损耗情况 对比空心杯电机和传统铁芯电机，我们可以发现，利用其新颖的结构特性，空心杯电机优势众多：不存在磁滞，电磁额外干扰小，能够达到极高的电机转速。 由于转子结构中不存在铁芯，没有齿槽效应，使得相应的铁损较小。能量转换效率极高，能量利用率在75%以上，部分优质电机可达90%以上。小惯量电机转子可以达到较快的加速度，有着优异的动态响应性能，具有较好的启动和制动性能，较快的响应速度，机械时间常数较小，部分产品可以达到10ms以内。在高速运转状态下，转速调节灵敏，有着较为可靠的的运行稳定性。空心杯电机的能量密度比其他电机大得多，与同等功率的铁芯电机相比，重量可减轻一半。 图表3：空心杯电机特性 1.2空心杯电机分类：有刷与无刷 空心杯电机分为有刷和无刷两种： 空心杯电机（Coreless Motor）：直流有刷无铁芯电机，行业内通常称其为“有刷空心杯电机” 无齿槽电机（Slotless Motor）：直流无刷无齿槽电机，行业内通常称其为“无刷空心杯电机” 二者的结构中，有刷空心杯电机的转子无铁芯，无刷空心杯电机的定子无铁芯。从爆炸图中可以看出，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。 图表4：有刷空心杯电机爆炸图 图表5：无刷空心杯电机爆炸图 由于有刷与无刷的结构差异，也使得两者在最终产品的性能特点及适用情况上有所区别。有刷空心杯电机完全无铁损，控制简单，但电机寿命通常在2000小时，且转速受限，无刷空心杯电机存在一定铁损，且需要驱动控制才能稳定工作，但其长寿命、高转速、忽略电磁干扰的多项优势也令其具备更多应用空间。 图表6：有刷与无刷空心杯电机性能特点对比 1.3空心杯电机价格较贵，核心壁垒在于自支撑绕组技术 空心杯电机的整体装配过程同普通电机类似，其核心技术壁垒在于定子/转子的自支撑绕组技术上。德国Fritz Faulhaber Sr.博士发明并于1958年注册了System FAULHABER自承式空心杯斜绕组转子的专利，作为直流电机的核心部件，这项革命性的技术改变了电机产业并开启了全新的应用思路，以最小的体积和重量获得最大的功率并有最优的动态特性。自此之后，西方发达国家德国、瑞士、日本等均开始在空心杯电机领域投入研发，绕组工艺得以不断发展。 实现自支撑绕组的关键点，一是在于绕组工艺的设计。空心杯电机的自支撑绕组由漆包线制成，漆包线由铜导体和绝缘漆层两部分组成，裸线经退火软化后，再经过多次涂漆，烘焙而成。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻铜线上的油漆熔化在一起。油漆是一种热塑性塑料，含有一种使其易于成型的溶剂。在高温制造过程中的，溶剂气体逸出，热塑体变硬，绕组便有了一定稳定性和刚度。 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。这一点在大电流高负载的情况下尤为重要，因为在大电流高负载情况下，绕组发热量增大，油漆变的更软。绕组的工艺设计是其中的核心，导线粗细、绕组匝数等都将影响绕组电阻值、启动电流、速度常数等电机参数，从而直接影响电机的可靠性和运行性能，决定空心杯电机的质量。 空心杯电机的绕组类型众多，有盘式绕组、直绕组、斜绕组、同心式绕组、叠绕组等，我们对其中比较常见的几种绕组类型进行说明： （一）直绕型 图表7：直绕型绕线杯平面连接图 直绕型的元件有效导体部分与电枢轴线平行，属于集中绕组。绕制时先按照匝数要求在绕线模上绕制普通环形的漆包线元件（如图中红线所示），在排线芯轴上连成绕组，两端涂抹适当的粘结剂并固化成型。这种绕制方式槽满率较高，绕线杯中部壁薄，且由于漆包线排布不整齐、有堆叠，导致整个空心杯线圈排布较乱，端部留有走线余量所以端部尺寸较高。直线型绕制工艺相对复杂，需要多次绕制形成，多用于较少匝数、较长绕组结构，故而在流程化绕线设备上采用的情况相对较少。 （二）斜绕型 图表9：斜绕型线圈绕制形式 斜绕型也被称为蜂房式绕组，为了能够连续绕制，需要使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。绕线时需制作带有两排销钉的专用绕线芯轴，绕线过程中芯轴跟随绕线机做回转运动，使得漆包线缠绕在芯轴上。此种绕制方法使得端部尺寸较小，由于斜绕型需要一定的排线角，漆包线相互交叠，槽满率较低。欧洲著名空心杯电机品牌Faulhaber采用的就是斜绕型线圈，采用先进的绕线工艺技术，自动化设备一次性绕制成型，合格率极高，绕组杯平整度、一致性也很好。 （三）同心式绕组（菱形绕组） 图表10：菱形绕组绕线杯平面图 同心式绕组也被称为菱形绕组或马鞍形绕组，是采用先绕制成多个单一菱形线圈再排线的方法，线圈一般采用自粘性方导线，便于绕制和固定，之后依据产品设计尺寸要求，进行单个线圈的整形处理，再将成型后的线圈采用专用工装定位进行环形固定，最终形成杯状。此方法便于控制整形后的空心杯尺寸，提高槽满率，同时生产效率高，适合批量生产。同心式绕组空心杯电机的功率密度较大，瑞士Maxon电机就采用了马鞍形绕制方法，其电机产品性能优异。 实现自支撑绕组的关键点，二是在于绕组设备。为实现空心杯线圈的绕制方法，大致经历了传统的完全手工绕制，半自动绕制，以及现阶段的自动绕制方式。 手工绕制和半自动绕制自动化程度低，耗费大量的劳力。另外，其绕制线圈排线精度差导致各匝铜线排列不规整，线圈质量较差。因此，为实现线圈高精度、高效率的生产，必须采用自动化的绕制方式和绕线设备。目前，空心杯电机线圈的生产技术主要分为绕卷生产和一次成型生产，其中绕卷生产方式工艺复杂，需要先将铜线缠绕成一定几何形状的空心线圈，之后将其挤扁成扁平的铜线板，最后再将线板绕成圆柱状的线圈。绕卷生产的绕制效率较低，目前一次成型生产的方式较为主流，前述直绕型、斜绕型、同心式绕组均是应用于一次成型的自动化设备中。 图表12：绕卷生产与一次成型的对比 绕线设备行业的头部厂商主要集中在欧美、日本等地，诸如瑞士Meteor、日本田中精机、日本日特机械等。这些海外厂商的设备在自动化、智能化等方面均处于领先地位，设备产品先进可靠，生产效率高。瑞士Meteor公司是世界上市占率较高的绕线机供应商，具备行业内较为先进的技术和强大的研发实力，其代表性的M21型绕制设备能够应用于广泛的绕制范围，特别适用于较大功率线圈的制造，同时其整个系统采用CNC数控技术精准控制，确保了绕线机在高速运转下的绕制精度。同样还有日特机械工程株式会社研发的BAS系列设备，能够绕制各类空心线圈且一次成型。 图表13：瑞士Meteor M21型绕线机（左）和日特机械BAS-01-30（右）设备图 国内空心杯电机产品市场份额不高，且受到关键技术和工艺的制约，整体自动化绕线设备发展缓慢，同海外有较大差距。国内由于劳动力密集且相对廉价，导致依赖人工且工序较多的绕卷生产占据较高比重。另外在线圈设计、绕制工艺及绕制设备方面，先进的技术和工艺设备一直被德国、瑞士等少数发达国家所垄断，国外新专利公布较少，研究的学术论文同样较少涉及。近年来国内厂商在绕线机设备研发制造方面有所突破，但仍存在诸多局限。如中特科技研发生产了多款自动及半自动绕线设备，但其全自动双轴空心杯绕线机的绕制原理仍属于绕卷式生产；勤联科技式国产空心杯绕线机中较少采用一次性绕制成型生产技术的厂商，但其绕线机只能绕制尺寸较小、线径较细、形状单一的线圈，无法满足大功率空心杯电机的要求。 图表14：中特科技全自动双轴空心杯绕线机 图表15：勤联科技双轴全自动螺旋绕线机