无框力矩电机：至关重要的关节动力部件

无框力矩电机是力矩电机的一种变体，保留了传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框力矩电机的分类在控制电机之中，主要应用于控制系统中作为控制转速、位置等的执行机构。力矩电机相比其他控制电机的特性及优势在于：低转速、大扭矩，同时输出稳定。无框力矩电机相比于有框架电机的特性及优势在于：小体积、轻重量，同时提高性能。结合上述特性及优势，无框力矩电机能够在满足人形机器人尺寸和重量要求，同时实现高功率和高转矩密度。 力矩电机行业市场规模不大，增长速度相对平稳，我们预计未来人形机器人行业的蓬勃发展将带动无框力矩电机产品的快速增长。国外龙头深耕数十年，国内厂商产品正在追赶。现阶段人形机器人领域，无框力矩电机的发展桎梏主要在以下几方面：一、电机的转矩密度； 二、电机的温升；三、电机的额定和最高转速；四、成本的要求。国内外产品在关键参数上仍有差距，但已在不停缩小距离。人形机器人带来的浪潮中，国产厂商有望凭借产业链优势脱颖而出。 我们预计到2027年人形机器人用无框力矩电机市场空间超百亿。我们预测到2028年全球人形机器人需求将破100万台，2030年全球人形机器人总需求超360万台。我们预测到2030年单台人形机器人的平均价格将下降至17.02万元/台。由人形机器人拉动的无框力矩电机需求预测将于2027年破百亿，达到113.46亿元，2030年人形机器人领域带来的增量将达到428.77亿元；叠加原有市场的稳健增长，无框力矩电机市场总规模将于2030年突破500亿元。 重点关注标的：步科股份、昊志机电、雷赛智能、禾川科技 风险提示： 人形机器人规模化不及预期风险；无框力矩电机降本不达预期风险；人形机器人产业链转移风险；产品技术突破受阻风险。 1无框力矩电机：小尺寸大力矩，贴合人形机器人需求 1.1什么是无框力矩电机？ 无框力矩电机是力矩电机的一种变体，保留了传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框力矩电机一般只有两个部件，即转子和定子。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，由齿轮外部环绕钢片和铜绕组构成，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。 图表1：无框力矩电机产品图（左一定子、左二转子、右一电机整体） 1.2无框力矩电机的特性及优势 无框力矩电机的分类在控制电机之中，主要应用于控制系统中作为控制转速、位置等的执行机构。电机根据不同应用场景存在不同的设计和驱动方式等，人们根据旋转电机的具体用途对其进行了基本的分类，其中最具代表性的三种类型分别为控制电机、功率电机和信号电机。控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为执行机构，可细分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类，而力矩电机又可按照直/交流划分为直流力矩电机和交流力矩电机，或者有/无框划分为有框力矩电机和无框力矩电机。 图表2：旋转电机按用途分类 力矩电机相比伺服电机、步进电机等其他控制电机的特性及优势在于：低转速、大扭矩，同时输出稳定。 伺服电机：以扭矩、位置、速度三种模式为控制方向的电机。它能将输入的电压信号转化为电机轴上的机械输出量，从而带动被控制元件。由于采用闭环控制方式，整体控制精度较高。主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着扭矩增加而匀速下降。主要分为交流和直流两大类，因其结构中增加了编码器等以提高控制精度的元件，整体价格较高。 步进电机：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱使步进电机按设定方向转动一个固定的角度。既可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而精确定位，又可以通过控制脉冲的频率来控制电机的速度及加速度从而调速。适用于精度要求不是特别高的场景，具有结构简单、可靠性高和成本低的特点。 力矩电机：是以扭矩为控制方向的电机。属于极数较多的特种电机，可以在电机低速甚至转子无法转动时仍能持续运转，也不会造成电机的损坏。在低速的工作模式下，电机能够提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。 开关磁阻电机：是一种新型调速电机，结构极其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。 但目前也存在转矩脉动、运行噪声和振动大等问题需要优化改良。 直流无刷电机：从直流有刷电机的基础上发展而来，但驱动电流实际为交流。一般按驱动电流可以分为梯形波或正弦波两种。结构细长、体积小、重量轻，减小了转动惯性，从而使得电机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题。 图表3：伺服电机结构图 图表4：步进电机结构图 无框力矩电机相比于有框架电机的特性及优势在于：小体积、轻重量，同时提高性能。无框为结构上省去了电机的外壳，减小了必要的尺寸和重量。与此同时，结构更紧凑、扭矩/体积比更优的无框力矩电机，获得了更高的转矩密度、更强的散热能力、以及针对定制系统的灵活性。分离的定子和转子组件使得其能够集成在负载之中，占用机器的空间更小，同时有效地提高了机器的效率和性能。 图表5：有框力矩电机产品图 结合上述特性及优势，无框力矩电机能够在满足人形机器人尺寸和重量要求，同时实现高功率和高转矩密度。将无框电机的定子和转子直接集成到支撑传动组件的轴承系统，可以在很大程度缩小关节组件的尺寸，并消除支撑转子的轴承以及联轴器等冗余部件，带来更少的维护成本。现阶段我们已经可以看到无框力矩电机应用于协作机器人关节的商业案例。 1.3全球行业规模及市场格局 现阶段力矩电机行业市场空间较小，增长速度相对平稳。根据technavio的统计数据，2023年全球力矩电机市场规模从2022年增长6.95%至6.57亿美元，从2022年至2027年间全球市场将以8.01%的CAGR增长至9.03亿美元。不过这里的市场规模主要是传统应用带来的平稳增长，我们预计未来人形机器人行业的蓬勃发展将带动无框力矩电机产品的快速增长。 图表6：2017-2027E全球力矩电机市场规模（亿美元） 国外龙头深耕数十年，国内厂商产品正在追赶。美国Kollmorgen是全球无框力矩电机的龙头，拥有超过70年的运动控制研发经验，其电机产品性能处于全球领先地位。此外，还有奥地利AVS MechatronicsGmbH、瑞士MaxonMotor、德国TQ Robodrive、美国Aerotech、美国Allied Motion等公司均是无框力矩电机领域的领先供应商，提供各种定制化的产品解决方案。国内目前进展较快的公司有步科股份、昊志机电等。国内外产品部件核心性能指标存在一定代差，国外技术和先进部件对中国有限制，且最关键的，国内无框力矩电机厂商目前的产品规模相较国外龙头差距较大，国产仍需追赶。 1.4无框力矩电机发展桎梏及国内外产品参数对比 在人形机器人行业大热的当下，机器人最重要的性能保障单元除了运动控制系统之外就是硬件构成，能够解决核心零部件问题的厂商就能够脱颖而出。 现阶段人形机器人领域，无框力矩电机的发展桎梏主要在以下几方面： 一、电机的转矩密度：近年来，关节需求朝着扭矩不变、尺寸更小的方向发展，因此要求关节电机不断提高功率密度； 二、电机的温升：关节是一个布置紧凑的包含减速机以及编码器、力传感等元器件的完整系统，温升带来的是一系列影响。基于较小的尺寸，达到很高功率密度之外，达到热稳态之后的电机温升就成为另一个重要指标； 三、电机的额定和最高转速：机器人在某些场景中有不断提速的需求，理论上对于电机系统来说，转矩需求固定，额定速度上限附近将损失转矩，因此意味着有更高的电磁设计要求； 四、成本的要求：机器人成本需要做到能够满足落地的水平，电机作为关键部件，其成本备受关注。降本过程中，核心零部件国产化是必经之路。 国内外产品在关键参数上仍有差距，但已在不停缩小距离。简单比较Kollmorgen、AlliedMotion和步科股份的量产产品参数，可以发现在近似尺寸的条件下，相比于国外龙头在技术研发时间和经验上极长的领先，产品的输出扭矩上与国内产品的差距并非同等巨大，说明国产厂商在电机转矩密度的追赶上速度较快。 图表7：Kollmorgen量产产品参数 图表8：Allied Motion量产产品参数 图表9：步科股份量产产品参数 人形机器人带来的浪潮中，国产厂商有望凭借产业链优势脱颖而出。对于现阶段的协作机器人以及近在咫尺的人形机器人的应用场景中，其产品的性价比都是在规模化落地路上的重要阻碍。国内人形机器人市场发展十分迅速，考虑包括走在行业领先位置的特斯拉，近日港股上市的人形机器人股优必选，还有众多其他国内人形机器人厂商，可以说人形机器人产业链主要是扎根在中国国内的。相较于专注于使产品性能参数成为顶尖，产品达到满足要求的状态同时在产业链中得到更多应用，从而迅速达到降本，将会成长的更快。 2人形机器人带动无框力矩电机市场空间测算 由人形机器人拉动的无框力矩电机需求预测将于2027年破百亿，产品未来成长空间巨大。针对未来人形机器人带动的无框力矩电机市场进行测算，主要分三部分的假设来看： 首先是针对人形机器人的总需求进行分析。我们假设至2030年期间，人形机器人产品的主要应用场景为服务业，人们购置人形机器人的根本诉求是要满足与人交互的服务业需求，例如管家机器人、教育机器人、家政机器人等。另一部分的需求则来自于全球人口老龄化加剧导致的劳动力水平下降，一部分人形机器人需要去替代原本由人类任职（难以用工业机器人或协作机器人替代）的生产岗位。我们预计短期内人形机器人的通用性及经济性并不能达到在绝大多数生产制造场合替代工业机器人+协作机器人的效率组合，故在假设期间，仅认为需求来自消费者的服务性需求及对劳动力缺口的补充。对劳动力缺口的补充需求参考《2022世界人口展望》中的预测情况，服务性需求则是参考新能源车产品的逐年增长经验，但相比之会更加迅速。我们预测到2028年全球人形机器人需求将破100万台，2030年全球人形机器人总需求将达到362.16万台； 其次是对于人形机器人产品销售价格的变化预测。参考目前特斯拉Optimus公布的硬件设计情况以及各零部件国产厂商在线销售价格，以及类比特斯拉汽车的降本过程，我们大致得到单台人形机器人BOM成本的估计值。假设组装制造成本是BOM成本的10%，产品上市初期良率仅80%，后续随量产不断攀升并稳定在95%左右的水平。毛利率水平随产品寿命下降至2030年的20%左右。我们预测到2030年单台人形机器人的平均价格将下降至17.02万元/台，以1：7的美元兑人民币汇率估算，约等于2.43万美元/台。 第三是对于无框力矩电机产品的价值量预测。根据步科股份公告信息，目前无框力矩电机的产品单价是几百元至几千元不等，针对不同的功率段和尺寸则价格会有所不同，我们假设平均单价在1000元/支。针对于在人形机器人上的应用，以特斯拉Optimus的设计方案作为参考，其中Optimus全身14个旋转执行器+14个直线执行器，共使用28个定制开发的永磁铁电机，其与无框力矩电机同原理，均属无刷永磁同步电机。由此大致预测2024-2030年期间单台人形机器人产品内无框力矩电机的价值量。 图表10：无框力矩电机在人形机器人中的具体应用 最后，通过假设测算，由人形机器人拉动的无框力矩电机需求预测将于2027年破百亿，达到113.46亿元，2030年人形机器人领域带来的增量将达到428.77亿元；叠加原有市场的稳健增长，无框力矩电机市场总规模将于2030年突破500亿元。 图表11：2024-2030年全球无框力矩电机市场空间测算 3重点关注标的 3.1步科股份——产品验证销售积累丰富，前三季度出货一万套 从第一代无框力矩电机产品上市至今，已有七八年的发展时间，目前销售的是第三代产品，已充分得到市场验证及认可，形成可观收入，且已应用于协作机器人上