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人形机器人系列之四:无框力矩电机,玲珑动力源

电气设备2023-12-24苏千叶、黄麟华创证券艳***
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人形机器人系列之四:无框力矩电机,玲珑动力源

无框力矩电机:浓缩的机器人关节,兼具小体积与大转矩。 电机原理与结构:电机是电能与机械能之间的转换装置,主要由定子、转子及其他附件组成,凡是需要将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的地方都必须用到电机。 电机分类:从广义上,电机可分为旋转电机和静止电机,旋转电机按照用途可分为驱动电机和控制电机,按照电源类型可分为直流电机与交流电机。 力矩电机VS其他控制电机:相比步进电机与伺服电机,力矩电机具有大转矩、低转速、平稳性强、过载能力强、响应快等特点。 无框力矩电机VS有框力矩电机:相比有框力矩电机,无框力矩电机具有尺寸小、性能更可靠、环境适应性强等优势。 需求端——人形机器人打开无框力矩电机市场。 目前主要应用领域:无框力矩电机主要用于协作机器人,其效率高、便捷度好的优势满足协作机器人对轻量化的要求。 人形机器人应用领域:无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件,其主要具有高灵敏度、高功率密度、高效率的特点。特斯拉Optimus的28个关节中均搭载无框力矩电机作为动力源头。 市场空间:无框力矩电机占人形机器人零部BOM成本的8%左右。2022年全球无框力矩电机市场规模为45亿元,预计2030年达到224亿元,其中人形机器人市场规模163亿元。 供给端——国产有望凭借性价比优势加速替代。 市场格局:市场空间较小,海外品牌实力强劲。 市场痛点:性能提升与降本需求同时进行,无框力矩电机在转矩密度、温升、额定和最高转速等指标上仍需实现性能提升,同时为使机器人成本更落地,电机作为关键部件,成本备受关注。 发展现状:国内产品水平追赶国外,行业进入壁垒较低,国内丰富的伺服电机及新能源汽车电机公司有望快速切入,同时通过配合开发及成本优势加速突破。 投资建议: 步科股份:专精特新“小巨人”企业,持续深耕机器人行业;已量产多款无框力矩电机产品。 禾川科技:国产自动化一线品牌,深耕OEM市场,广泛应用于光伏、3C、锂电与机器人等行业。 信质集团:从事各类电机核心零部件业务,产品包括电机定转子总成等,有望切入无框力矩电机市场。 德昌股份:以电机起家,主要产品为吸尘器,布局小家电、汽车电机等领域。参股广东省人形机器人创新中心,出资500万,持股7.69%,有望凭借合资公司获得人形机器人发展先机。 风险提示:人形机器人商业化进展不及预期,人工智能发展不及预期,国产技术提升不及预期、工业自动化需求不及预期等,技术路线不确定,降本速度不及预期等,国内无框力矩电机的研发生产进度不及预期;新产品对无框电机产生替代风险。 投资主题 报告亮点 本报告与市场的不同点在于,我们对电机种类、无框力矩电机的优势、下游应用进行了全面的梳理,对无框力矩电机的市场竞争格局、市场痛点、发展现状等进行了系统性介绍。 投资逻辑 力矩电机带来大转矩,无框设计浓缩小体积。力矩电机以转矩为控制方向,是一种极数较多的特殊电机,采用开环控制。即使电机低转速驱动或堵塞(即转子不能转动),仍可以继续工作,而不会造成电机损坏。当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩。无框力矩电机具有尺寸小、性能更可靠、环境适应性强等进一步的优势。 无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件。人形机器人是无框力矩电机的新应用场景,其高灵敏度、高功率密度、高效率满足人形机器人关节零部件的需求。特斯拉Optimus的28个关节中均使用无框力矩电机作为动力源头。 无框力矩电机显著受益于人形机器人市场。无框力矩电机目前占人形机器人总体零部件价值量的8%左右。2022年全球无框力矩电机市场规模为45亿元,预计2030年达到224亿元,其中人形机器人市场规模163亿元。 国内产品性能与海外企业产品存在一定差距 , 但在逐渐接近 。以Kollmorgen与宇捷电机、宁波菲仕的机器人关节用无框力矩电机对比,可以发现国内头部企业产品转矩密度、过载倍数等部分性能已经逐步接近海外产品。国内企业有望凭借其较强的降本能力及规模优势在力矩电机领域上获得受益机会。 国内丰富的伺服电机及新能源汽车电机公司有望快速切入无框力矩电机赛道。无框力矩电机结构比伺服电机和新能源汽车电机简单很多,行业进入壁垒低,中国企业有望凭借地域优势和成本优势获得先机。 一、无框力矩电机:浓缩的机器人关节,兼具小体积与大转矩 (一)电机介绍:电能的变换装置,机器动力之源 1、电机原理与结构:基于电磁感应原理,从电能到机械能 电机是电能与机械能之间的转换装置,主要由定子、转子及其他附件组成。电机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组、一个旋转电枢或转子以及其他附件组成。定子绕组通电产生旋转磁场,并作用于转子从而形成磁电动力旋转转矩。电机在现代工业领域中应用极其广泛,包括冶金、电力、石化、煤炭、矿山、建材、造纸、市政、水利等领域,可以说,凡需要将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的地方都必须用到电机。 定子:定子是电机的静止部分,用来产生磁场和作为电动机的机械支撑。定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 转子:转子是电机的旋转部分,用来产生磁场和作为电动机的机械支撑。转子由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子铁心是电动机磁路的一部分;转子绕组的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势,通过电流产生电磁转矩使电动机旋转; 转轴是支撑转子的重量、传递转矩、输出机械功率的主要部件。 其他部件:包括电刷、端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。 图表1电机的原理 图表2步进电机、直流有刷及无刷电机结构图 2、电机分类:种类繁多,性能各异 从广义上,电机可分为旋转电机和静止电机,旋转电机又有多种分类方法。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置;静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置,又称变压器。旋转电机按照用途可分为驱动电机和控制电机,按照电源类型可分为直流电机与交流电机。 按照用途:可分为驱动电机和控制电机。控制电机又可分为步进电机、伺服电机以及力矩电机。随着现代科学技术的发展,电机在实际应用中的重点已经从过去简单的传动向复杂的控制转移,特别是对电机速度、位置、转矩的精密控制。 按照电源:可分为直流电机与交流电机。直流电机按照电刷的有无可分为有刷电机与无刷电机。交流电机按照电源类型又可分为单相交流电机与三相交流电机;按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同,可分为同步电机与异步电机。相比交流电机,直流电机具有更好的启动特性与调速特性、使用更为环保,但结构也更为复杂、造价更为昂贵。 其他分类方法:按照转子结构可分为笼型异步电动机和绕线转子感应电机;按照工作速度可分为高速、低速、恒速、调速电机等。 图表3旋转电机按照用途分类 图表4旋转电机按照电源分类 (二)无框力矩电机:力矩电机带来大转矩,无框设计浓缩小体积 1、力矩电机VS其他控制电机:大转矩、低转速、高平稳 相比步进电机与伺服电机,力矩电机具有大转矩、低转速、平稳性强、过载能力强、响应快等特点。 步进电机:步进电机是一种把电脉冲信号转换为角位移的电机。步进电机的优点是没有累积误差,结构简单,使用维修方便,制造成本低;缺点是由于转子实时位置对整个控制系统没有反馈,控制的延迟和失误虽然较少但无法得到保证(即"失步")。 图表5步进电机结构图 伺服电机:伺服电机是通过控制脉冲时间的长短控制转动角度的电机。伺服电机在步进电机的基础上增加了编码器,使得转子实时位置会向整个控制系统反馈,从而保证了较高的控制精度,但造价也更为昂贵。 力矩电机:力矩电机以转矩为控制方向,是一种极数较多的特殊电机,采用开环控制。即使电机低转速驱动或堵塞(即转子不能转动),仍可以继续工作,而不会造成电机损坏。当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩。 图表6伺服电机 图表7力矩电机 图表8三种控制电机的对比 2、无框力矩电机VS有框力矩电机:小体积、轻重量、优性能 力矩电机可分为无框力矩电机与有框力矩电机,无框电机结构更加简单。无框力矩电机仅包含传统电机中用于产生转矩和速度的元件(即转子和定子),但没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖。转子通常是内部部件,由带永磁体的旋转钢圆环组件构成,直接安装在机器轴上;定子是外部部件,包含有齿刚叠片,外面包裹着能产生电磁力的铜绕组,定子紧凑地安装在机器外壳的主体内。 图表9科尔摩根TBM 2G无框力矩电机 图表10科尔摩根DDR转台有框力矩电机 相比有框力矩电机,无框力矩电机具有尺寸小、性能更可靠、环境适应性强等优势: 结构简单,尺寸小,重量轻:无框力矩电机只保留了定子和转子,体积更小、重量更轻。 性能更可靠:机械系统中每一处传动(包括联轴器、皮带、齿轮等)都会引入会减小系统带宽的柔性元素,带宽减小会导致运动整定时间变长,工作效率下降。通过将无框电机元件集成到机器中,可以去除联轴器或皮带等弹性机器元件,从而提升机器性能。 更强的环境适应性:无框电机可集成到机器和所需的环境条件中,确保机器不受环境的负面影响。 二、需求端——人形机器人打开无框力矩电机市场 (一)协作机器人大量采用无框力矩电机 工业机器人主要搭载伺服电机,协作机器人主要搭载无框力矩电机。 1)工业机器人:主要运用于数控机床、工业自动化等行业领域。伺服电机具有高精度、高速度、强抗过载能力和高稳定性等优势,能够符合工业领域对精密控制的要求。 2)协作机器人:突出特点在于人机交互能力强,通常具有小巧紧凑、轻量化的特点。 无框力矩电机作为新型轻量化电机结构,采用无框中空设计,在同等扭矩情况下体积更小。其效率高、便捷度好的优势满足协作机器人对轻量化的要求。 图表11工业机器人与协作机器人对比 (二)特斯拉Optimus人形机器人采用无框力矩电机 特斯拉Optimus的28个关节中均搭载无框力矩电机作为动力源头。Optimus的14个旋转关节结构为无框力矩电机+谐波减速器,14个直线关节结构为无框力矩电机+行星滚柱丝杠。无框力矩电机体积小、扭矩大的特点适配人形机器人关节驱动的需求。 图表12 Optimus旋转关节使用的无框力矩电机 图表13Optimus直线关节中使用的无框力矩电机 无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件。随着技术的更新迭代,人形机器人市场逐步放量,成为无框力矩电机的新应用场景。无框力矩电机具有以下符合人形机器人工作要求的特点: 高灵敏度:无框电机部件惯性较低,转速较高,从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态所需时间短。适用于需要频繁启停、灵敏响应的人形机器人领域。 高功率密度:无框电机消除了传统电机的铁芯,结构紧凑小巧,可实现更高的功率密度。适用于需要高功率输出的人形机器人关节部件。 高效率:无框电机采用了新型的电磁铁和轴承结构,具有低能耗和低摩擦的特点。 适用于工作强度大,承载需求高的人形机器人应用场景。 图表14无框力矩电机在机器人关节的使用示意图 (三)无框力矩电机显著受益于人形机器人市场 无框力矩电机目前占人形机器人总体零部件价值量的8%左右。在关节执行器中无框力矩电机作为动力源泉,以特斯拉Optimus机器人为预估对象,不同关节处使用的电机单价在300至1200元之间,预计总体价值量为1.6万元,目前约占机器人整体零部件价值量的8%。 图表15人形机器人成本拆分 人形机器人市场空间有望在2030年超过3500亿元。人工智能的快速发展解决了机器人不智能、没场景两个核心难点,国内产业链的布局有利于快速降本,从而为人形机器人的普及奠定基础,我们预测2030年人形机器人平均售价从45.9万降低至16.2万,降幅达到65%;销量达到216万台,总市场规模3506亿元。 图表16人形机器人市场空间测算 图表17人形机器人年销量及增速预测 图表18人形机器人市场空间及增速预测 无框力矩电机市场规模有望随人形机器人市场的开拓实现迅猛增长。根据QYResearch数据,20