2023年中国空心杯电机行业概览：人形机器人核心零部件，本土市场需求爆发可期

报告要点速览 本篇报告主要关注以下问题： 1.空心杯电机市场发展空间如何？ 2.空心杯电机产业链发展情况？ 3.空心杯电机竞争格局如何 观点提炼 1.空心杯电机市场发展空间如何？ 由于高端工业技术快速发展，空心杯电动机避开有铁芯电动机的多种技术弊端，在多种应用场合拥有不可替代的地位，因此市场规模不断扩大，预计2027年全球空心杯电机市场规模达到70.4亿元。机器人是空心杯电机市场发展最重要的应用领域；在2022年空心杯市场规模中人形机器人领域占比为38.0%，预计该领域占比将持续扩大，到2027年占比达到49%，市场规模为34.8亿元。 2.空心杯电机产业链各环节发展情况如何？ 空心杯电机上游主要包括原材料和零部件，上游总体议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足；中游为制造商，目前马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商主流；下游应用领域广泛，多为高端领域。 2.空心杯电机竞争格局是怎样的？ 目前，空心杯市场以国际厂商占据主导，国际市场呈现Maxon、Faulhaber和Portescap三足鼎立格局；中国市场以鸣志电器为代表，此外还包括鼎智科技、拓邦股份兆威机电、伟创电气等上市企业。2022年全球空心杯电机CR5为67%，国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列；中国空心杯电机厂商发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比存在一定差距。 行业概览| 2023/09 空心杯电机行业 精华摘要 空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机，在结构上突破传统电机的转子形式，从而彻底消除铁芯形成涡流所造成的功率损耗，具有良好的控制特性和伺服性能 空心杯电机定义 空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机，其尺寸较小，直径不超过40mm，可将其归类为微特电机的细分领域。空心杯电机主要由轴、轴承、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、线圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）等组成 空心杯电机磁体需在径向方向上进行磁化，因此圆环磁体的端面上设槽是它的显著特点之一。空心杯电动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，技术先进性十分明显。空心杯电机产生的转矩均匀分布，在低速下保持平稳运行，在高速运转下减少震动和噪音 空心杯电机结构图 轴 垫圈 轴承 电刷 换向器 线圈 磁铁 外壳 空心杯电机特点与特性 无齿槽效应 低电感 结构紧凑 低运行平稳，低振动，低噪音，转子可控制在任意位置节能特性 磁路设计更优，功率密度更高，温升低，效率高 高动态响应，高加速度 控制特性 空心杯电机具有快速响应速度和较小机械时间常数，一般在28毫秒以内；而铁芯电机机械时间在100毫秒以上；空心杯电机具有良好的启动和停止特性，在高速运行时转速调节灵敏 空心杯电机能量转化效率一般超过70%，部分产品能够达到90%以上，而传统电机转化效率通常在70%以下 空心杯电机特点与特性 拖动特性 能量密度特性 空心杯电机运行稳定可靠，转速波动较小且易于控制，通常可控制在2%以内的范围内 具有较高能量密度，相较于相同功率的传统铁芯电机，空心杯电机重量可减轻30%-50%，体积减小30%-50% 空心杯电机具有无齿槽效应、低电感和结构紧凑等特点，也具备节能、控制、拖动和能量密度等特性。 在结构上，空心杯电机突破传统电机的转子结构采用无铁芯转子，从而彻底消除铁芯形成涡流所造成的功率损耗；同时，空心杯电机转动惯量大幅降低，且响应速度快，具有良好的控制特性和伺服性能 根据换向方式不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机，无刷电机适用于需长时间运行和具有较高控制要求的应用场景，有刷电机适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业 空心杯电机分类（按换向方式划分） 根据换向方式的不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机 无刷空心杯电机（采用电子换向，线圈固定，磁极旋转） 无刷空心杯电机利用电子设备、霍尔元件感知永磁体磁极位置，并根据感知结果使用电子线路适时切换线圈中电流方向，使其产生正确方向的磁力来驱动电机。由于采用自控式运行，电机无需像变频调速下的同步电机那样在转子上额外增加启动绕组，也可避免在负载突变时产生振荡和失步现象。无刷空心杯电机采用无齿槽结构线圈，消除齿槽转矩，并大幅提升电机效率和功率密度。它适用于需要长时间连续运行和具有较高控制要求或可靠性要求的应用场景 有刷空心杯电机（采用机械换向，磁极固定，线圈旋转） 有刷空心杯电机通过换向器和碳刷的交替接触，使线圈电流方向随着电机的转动而变化。由于碳刷的摩擦会导致能量损耗，需要定期更换碳刷；此外，碳刷与线圈接线头之间的断续接触会产生电火花，并干扰电子设备。有刷空心杯电机采用空心杯线圈转子，具有无齿槽转矩、小转动惯量、灵敏反应和高扭矩的特点，适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业 空心杯电机上游主要包括原材料和零部件，上游总体议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足；中游为制造商，目前马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商主流；下游应用领域广泛，多为高端领域 空心杯电机产业链图谱 空心杯电机的上游构成与微特电机相似，主要包括原材料和零部件，原材料包括铜、钢材、永磁体材料等，零部件包括轴承、铸件和塑料件等。在原材料中，不同永磁体的特点和性能存在差异，在保证产生的磁场稳定的同时，需根据应用场景对工作温度、环境的要求，合理的配置永磁材料，达到电机的性能和成本效应最大化；此外，石墨电刷（>26mm，>10W）更适用于大电机，贵金属电刷更适用于空心杯电机（<13mm）。在零部件方面，套筒轴承相比较滚柱轴承更适用于空心杯电机。总体来看，上游议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足 中游：空心杯电机制造商 空心杯电机市场规模，2022-2027E单位：亿元 空心杯电机市场分布情况，2021年 国际 2027E 2026E 2025E 2024E 2023E 2022 70.4 65.6 59.4 55.8 52.9 50 中国 34.8% 39.3% 欧洲 中国 其他地区 25.9% 空心杯电机制造工艺线圈绕组主要分为直线形、马鞍形和斜绕形。目前，马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商的主流线形设计，这是由于马鞍形和斜线形无端部绕组，导线利用率高，重量优化，同等条件下具备转动惯量、时间常数小和输出力矩大等优势 下游：应用领域 空心杯电机应用领域占比，2022年 航空航天 医疗器械 测量仪器 运营商 人形机器人领域 其他领域 空心杯电机最初被应用于航空航天、军事等尖端行业，近年其应用领域逐步扩展至民用市场，如医疗装置、消费类电子产品、电动工具、工业自动化等场景 机器人 国防军工 光学设备 38% 62% 工业自动化 消费电子 生活用品 特斯拉Optimus人形机器人催化空心杯电机发展，产业进展大幅加速，空心杯电机作为人形机器人灵巧手关键零部件，在手部执行器零部件成本占比达54.5%，单台人形机器人需12个空心杯电机 特斯拉人形机器人成本占比情况 特斯拉人形机器人手部执行器零部件成本情况 30.8% 动力电池 空心杯电机是人形机器人灵巧手的关键零部件，其成本占比达54.5%（以特斯拉为例） 特斯拉Optimus手部关节 空心杯电机主要应用于人形机器人手部关节。人形机器人手指关节自由度提升，考虑到人形机器人的仿真性，其手指关节处需要配备体积小且能输出较大力的电机，空心杯电机具备较强契合度 特斯拉Optimus人形机器人中，灵巧手包含6个手部执行器，11个自由度，采用经典的六电机+金属腱绳方案。灵巧手主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠丝杠、传感器和编码器构成。空心杯电机使手指拥有活动能力，其中大拇指外的每节手指对应一个空心杯电机模组，大拇指环节同时完成伸缩和翻转2个动作配备2个空心杯电机模组，每个灵巧手由6个电机驱动；精密行星齿轮箱可实现降速增矩的作用，使机械手定位更精准、运用更灵活，增大手指抓握力；编码器提供手部高精度位置反馈和速度反馈；传感器使机器人拥有类似人类的知觉功能和反应能力 全球机器人市场产量 单位：百万台 工业机器人0.4 服务机器人0.4 2020 2021 2022 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 2022年全球空心杯电机CR5为67%，国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列；中国空心杯电机厂商发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比存在一定差距 全球空心杯电机竞争格局，2022年 全球空心杯电机市场集中度较高，2022年全球空心杯电机CR5为67%。按照业务营收规模来看，Maxon、Faulhaber、Portescap占据全球主要市场份额，此外，第二梯队Allied Motion Technologies、NidecCopal、Orbray也表现较突出 Maxon Faulhaber Portescap CR5 67% Allied Motion Technologies Nidec Copal Orbray 全球空心杯电机竞争格局 中国空心杯电机厂商发展较晚，距国际厂商仍有一定差距 鸣志电器 国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列，而中国空心杯电机发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比有一定差距。在营收规模上，2022年Maxon营收7.1亿瑞士法郎（约52.8亿人民币），而鸣志电器、鼎智科技、拓邦股份营收分别29.6、3.2、88.7亿元，但目前中国厂商空心杯电机占营收比例极小，属于非主营业务，因此规模与国际头部企业相差较大 拓邦股份、鼎智科技 万至达电机、伟创电气、兆威机电、昊升电机、鑫宝达电机等 国际与中国空心杯电机产品对比——直径对比 空心杯电机厂商 有刷空心杯直径（mm） 无刷空心杯直径（mm） Mason 6-65 4-90 Faulhaber 6-38 3-44 Portescap 8-35 12-35 鸣志电器 8-24 13-30 鼎智科技 / 16-42 拓邦股份 16-40 12-40 中国本土厂商中，鸣志电器产品性能参数较优，量产时价格可降至600+元/个，具备性价比优势；在人形机器人等下游应用领域的催化下，预计本土厂商持续研发投入，加速本土空心杯电机替代 国际与中国空心杯电机厂商产品对比——性能对比 通过各厂商相似尺寸产品性能参数对比，鸣志电器空心杯电机基本与瑞士MAXON、德国FAULHABER、瑞士PORTESCAP对标，主要性能满足机器人应用要求。在额定转矩和额定电流（对应电机力矩）方面，鸣志电器与Maxon接近，略低于Portescap；在热阻（对应电机发热情况）方面，鸣志电器与Maxon和Portescap接近，优于Faulhaber。此外，国际厂商空心杯电机均价约为2,000元/个，国产均价为1,000元/个，鸣志表示量产时价格可降至600+元/个，具备性价比优势 2019年以来，由于国际宏观环境进口较难，中国本土厂商加紧研发、改进工艺，涌现出一批企业，实现较多技术攻关，本土空心杯电机国产替代空前发展。在人形机器人等下游应用领域的催化下，预计本土厂商将持续加大研发投入，改进设备工艺，加速高端应用领域的本土空心杯电机替代