人形机器人电机行业深度：电机是机器人核心驱动，人形机器人打开新成长
证券研究报告2024年5月31日行业：机械设备增持（维持） 电机是机器人核心驱动，人形机器人打开新成长 ——人形机器人电机行业深度 分析师：刘阳东SAC编号：S0870523070002 分析师：吴婷婷SAC编号：S0870523080001 主要观点 电机驱动为机器人主要驱动方式，驱动系统是使机器人发出动作的机构，是机器人的关键部件 机器人驱动方式可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。 无框力矩电机崛起背景：主要跟随人工智能的高速发展，人工智能对协作机器人，服务类型的机器人，人形机器人需求增多，要求也越来越高，需要定制，无框力矩电机可以满足要求 无框力矩电机目前存在较高的技术壁垒，国内只有少量厂商能提供品质较高的无框力矩电机，市场呈头部集中的趋势。主要玩家包括步科股份、科尔摩根、航天电器、昊志机电、微精电机等。全球无框电机主要生产企业包括瑞士MAXONMOTOR公司、美国穆格公司（MOOG）、美国森萨塔科技公司（Sensata）、美国科尔摩根公司（Kollmorgen）、美国Novanta集团等。科尔摩根为全球最早研发出无框电机的企业，特斯拉的Optimus就在14个线性执行器和14个旋转执行器中使用了无框力矩电机，以实现精准控制并节省空间。 空心杯电机是机器人灵活手的关键零件 空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。空心杯电机是机器人灵活手的关键零件，特斯拉擎天柱Optimus的单手采用了6个执行器，其中包括6个空心杯电机。 未来十二个月内，维持人形机器人电机行业“增持”评级。 投资建议：建议关注能够供应无框力矩的厂商步科股份以及供应空心杯电机的厂商鸣志电器、鼎智科技等。风险提示：技术人员流失、技术创新不及预期。 2 目录 SECTION Content 一、机器人驱动方式：电机为主 二、无框力矩电机行业国内企业集中度较高，产品实力有待追赶海外企业 三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电 四、亚太地区是全球空心杯电机的主要市场，国内企业积极发力五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒 六、空心杯电机行业重点标的：鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能 七、风险提示 1.1机器人以电机为主要驱动方式 机器人驱动方式可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。 电机驱动为机器人主要驱动方式，驱动系统是使机器人发出动作的机构，是机器人的关键部件，按照动力来源可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种方式，其中液压驱动和电机驱动 表机器人驱动方式比较 驱动方式 定义 组成元件 优点缺点代表企业 液压驱动 以液体为实现驱动的介质，适用于大型、重载、特种机器人 往复运动油缸、回转油知、液压马达等 易受环境温 输出功率大、度影响、设BostonDynam动作平稳、高备难以小型ics负载和爆发力化、维护难波士顿动力 度较大 通过压缩空气实现驱动的方 节能方便、成 精度低、负 载的力差、 FESTO 较为常见。美国波士顿动力公司在其Atlas机器人中使用液压驱 动方式因其驱动强劲、爆发力强适用于弹跳、负重等活动，适用于注重运动能力的Atlas机器人。其余的大部分机器人公司采用电机驱动如特斯拉人形机器人Optimus更注重智能化，采用高扭矩密度电机伺服技术。电机驱动在动作的精准控制方面与 其他驱动方式相比更胜一筹，配合处理器编码器可获得实时运 气体驱动 式，适于在中、小负荷的机器人中 同液压驱动 本低、操作简 便、柔顺性高 功率小、体积大 费斯托 电机驱动 将电能转化为 机械能，是最成熟、应用最为广泛的驱动方式 直流/交流伺服电操作简单、响机、步进电机、应快、轻量化电磁铁等设计、灵活、 精度高 成本高、易 受外界电磁和噪音的影响、负载能力较弱 应用于大部 分机器人公司 动状态反馈，更适合如今注重智能化、多功能的机器人发展趋势。 资料来源：头豹研究院，上海证券研究所 1.2电机：将电能转化为机械能部件，可分为直流电机、交流电机、特种电机 电机是根据电磁感应原理将电能转化为机械能的部件，可分为直流电机、交流电机和特种电机；机器人用电机需具备快速响应、起动转矩惯量比大、运动控制精度高等特性。 图电机分类 资料来源：头豹研究院，上海证券研究所 1.3伺服电机、步进电机、力矩电机、直流电机、异步电机、同步电机等常见电机分类与应用现状对比 名称定义应用现状 表常见电机分类与应用现状对比 伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能够将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控元件，从而达到控制目的。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；通俗来说就是当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。 力矩电机是一种扁平形多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电机有直流力矩电机和交流力矩电机两种。 直流电机是出现最早的电机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电机有较好的控制特性。直流电机在结构、价格、维护方面都不如交流电机，但直流电机具有调速性能好、启动容易、可载重启动等优点而被广泛应用。 异步电机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及质量较小，成本较低等优点。 同步电机是在交流电的驱动下，转子和定子的旋转磁场同步运行的电机。同步电机的定子和异步电机的完全一样，但同步电机的转子有“凸极式”和“隐极式”两种。 橡胶轮胎行业：轮弹簧钢丝机、线切割机、铝包钢丝机等；食品行业：糖度显示仪、大型烤箱、咖啡机等。服装行业：三菱高头机、纺纱机、电脑绣花机、印花机。 数控机床制造领域、自动送料机、软盘驱动器、打印机、绘图仪、工业机器手、包装机械、汽车测试等。 交流力矩电机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般在纺织工业中经常使用交流力矩电机。 生活方面，被用于很多电动产品，如风扇、刮胡刀等。在宾馆中，自动门、自动门锁、自动窗帘都用到直流电机。直流电机还广泛应用于飞机、坦克、雷达等武器装备中。直流电机还可应用于机车牵引、如铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机等。 在异步电机中较为常见的是单相异步电机和三相异步电机，其中三相异步电机是异步电机的主体。三相异步电机可用于驱动压缩机、水泵、破碎机等，还可用于传动鼓风机、磨煤机、轧钢机、卷扬机等。单相异步电机在家用电气中使用较多，如电扇、冰箱、空调等。 主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件，三相同步电机是主体。同步电机还可以当调相机使用，用于向电网输送感性或者电容性无功功率。 资料来源：电机驱动探索者，上海证券研究所 1.4电机行业上游以稀土磁钢和硅钢片为主要成本，中游高端产品以国际厂商为主，下游人形机器人采用无框力矩电机和空心杯电机 电机上游为原材料与零部件，稀土磁钢和硅钢片占主要成本;中游为电机的制造，高端产品以国际厂商为主;下游为电机在机器人中的应用，人形机器人采用无框力矩电机和空心杯电机，其快速发展将为电机市场带来增量。 电机的上游是原材料与零部件。以永磁同步电机为例，原材料成本中，稀土磁钢和硅钢片占比最高 ，合计超50%。原材料对电机的性能具有重要影响，其中编码器影响电机运动控制功能，高端产品主依赖进口重要元件芯片、码盘的制作工艺难度较大，是国产化的主要壁垒。磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内京矫顽力和磁能积，二者数值越大，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内禀矫顽力和磁能积，二者数值越大 ，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一。 中游为电机的制造，中国电机产业超步较晚、目前中低端产品已实现国产替代、高端产品以国际厂商为主。人形机器人的高成长赛道将为中国企业突破高端电机带来机会。 不同的应用场景使用不同种类的电机。工业机器人对精度要求较高，一毅使用伺服电机，协作机器人具有小型、轻量化特性，主要使用无框电机，人形机器人注重轻量化、灵巧性、结构紧凑，因此 较多采用无框力矩电机和空心杯电机。 图电机产业链情况 资料来源：头豹研究院，上海证券研究所 目录 SECTION Content 一、机器人驱动方式：电机为主 二、无框力矩电机行业国内企业集中度较高，产品实力有待追赶海外企业 三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电 四、亚太地区是全球空心杯电机的主要市场，国内企业积极发力五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒 六、空心杯电机行业重点标的：鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能 七、风险提示 2.1无框力矩电机可提供更大设备空间、更大功率密度、更大扭矩 力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，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。力矩电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。 力矩电机的特点是具有软的机械特性，可以堵转。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩。当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速，但转速的调整率不好 。因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器，利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。 力矩电机具有低转速、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，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。 为取得不同性能指标，力矩电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高;中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。 力矩电机应用：卷绕、开卷、无级调速、堵转等。 力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。无框力矩电机崛起背景：主要跟随人工智能的高速发展，对协作机器人，服务类型的机器人需求增多，要求也越来越高，而这类机器人关节部分使用的电机都是特殊定制的，与普通的步进或者伺服电机外形差距甚大，机器人关节狭小的空间内集成了电机，减速机，抱闸机构，编码器，驱动器，所以要求电机具有定制的尺寸，紧凑的体积和强大的供能，而无框力矩电机可以满足这类应用。无框力矩电机
