人形机器人电机行业研究：人形机器人打开新成长

一、机器人驱动方式：电机为主

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 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 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。

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。

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。

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

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。

无框力矩电机是人形机器人不可或缺的零部件，特斯拉的Optimus在28个执行器中使用了无框力矩电机

无框力矩电机只提供两个单独的组件，定子和转子，不包括输出轴，轴承和端盖，无框电机可以通过支撑负载和电机本身的同一个轴承与负载进行直接耦合，这种 结构消除了轴，轴承，端盖，联轴器，降低了电机的体积，重量和复杂性，而且也使得伺服刚性和快速响应进一步改善。无框电机可以添加包括构成整个电机所需 要的霍尔传感器以及额外的位置反馈装置，譬如编码器或者旋转变压器等单独的组件。 无框力矩电机的结构特点使其能够直接嵌入机构中，中空设计便于布线，实现高度集成化，从而缩小终端产品体积。此外，无框力矩电机具有高扭矩、性能稳定和 高精度等优点。 无框力矩电机，机器人的不可或缺之一：无框力矩电机在人形机器人中具有广泛的应用潜力。它可以用于模仿关节的活动，也可用于模拟肌肉的拉伸。特斯拉的人 形机器人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。

三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电

无框力矩电机重点标的：步科股份-2023年无框力矩电机出货量约1.4万台

公司概况：公司主要从事工业自动化设备及机器人核心部件与数字化工厂软硬件的研发、生产、销售以及相关技术服务，并为客户提供设备自动化控制、机器人动力、数字化工厂解决方案 。目前已拥有人机界面、可编程逻辑控制器、伺服系统、步进系统、低压变频器等完整的工业自动化核心部件产品线，可为客户提供设备自动化控制、机器人动力产品及解决方案。无框力矩电机业务情况： 以步科从执行层到控制层到物联层到SaaS应用层的强大整体技术平台为基础，步科深耕人形机器人应用，在特种领域、工业制造领域、服务业领域、教育培训领域、娱乐休闲、医疗保健等 领域，助力人形机器人快速落地、批量性应用、高质量发展。自2015年步科开发无框力矩电机以来，2016年步科首代无框电机以媲美国外某品牌的性能上市后，就未曾停止技术探索之路。 接着突破了设计和工艺极限创造了国内市场上多槽分瓣式结构，极大提高了槽满率，降低了温升。推出了第二代无框力矩电机。这种基于18槽的灌封工艺属于首创。市场和需求是不断进化 的，2022年8月，步科基于更多用户痛点推出了第三代无框力矩电机FMC系列，首创无框灌封工艺、轻量化机身设计、运动速度更快。

无框力矩电机重点标的：昊志机电-公司无框力矩电机、谐波减速器等产品可用于人形机器人

公司概况：为一家专业从事中高端数控机床、机器人、新能源汽车核心功能部件等的 研发设计、生产制造、销售与维修服务的国家高新技术企业。截至2023年，公司拥 有 2 家全资子公司、1 家控股子公司以及 13 家全资孙公司，并已成立机器人事业部 、高速风机事业部、精密事业部、直驱事业部等多个事业部，生产基地分布国内外。 公司产品涵盖数控机床领域的主轴、转台、直线电机、数控系统、直线电机等；机器 人领域的谐波减速器、DD 电机、低压伺服驱动、刹车机构、编码器、末端执行、力 矩传感器等；新能源汽车领域的氢燃料电池空压机和曝气鼓风机等。

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

空心杯电机相比普通电机，具有功率密度高、高效率、高精度、高集成度

空心杯电机定义及原理。空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。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。这种新颖的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。因为没有铁损，所以它的效率要比普通的微型直流电机要高，它的线圈就是转子，转动惯量小，易于控制， 但是没有铁芯，转子的线圈只能做得非常薄，不然就会损失磁通，所以空心杯电机的功率不大，大型的空心杯电机也只能做到几百瓦。

从结构上空心杯电机和普通电机的区别如下：1. 结构不同：空心杯电机的定子是空心的杯状结构，而普通电机的定子是实心的。2. 外形尺寸小：由于空心杯电机的定子结构呈空心杯状， 因此其外形尺寸可以更加紧凑，相对于同样功率的普通电机来说，空心杯电机的体积更小。 3. 轻巧：空心杯电机的设计结构使其非常轻巧，适用于有重量要求的应用领域。

从应用优势上空心杯电机和普通电机的区别如下：1. 功率密度高：空心杯电机由于体积小，因此具有更高的功率密度，即单位体积内可以承载更高的功率输出。2. 高效率：空心杯电机 的结构紧凑，磁路短，铁芯和铜芯损耗较小，因此具有较高的能量转化效率。3. 高精度：由于空心杯电机配合高分辨率编码器一起使用，可以实现非常精确的位置控制。4. 集成度高： 空心杯电机常常具有集成传感器的功能，例如编码器，使其能够实时监测电机转子的位置和速度。

2022年全球空心杯电机市场规模为51亿人民币，中国成为全球最大的空心杯电机产地

空心杯电机全球市场发展增速强劲。根据华经产业研究院数据，2022年全球空心杯电机市场规模为51亿人民币，预计2028年市场规模将达到 83亿人民币，期间复合年均增长率约8.5%。 分地区产量：2022年中国空心杯电机产量占比为56%，成为全球最大的空心杯电机产地，欧洲和北美地区产量占比分别为15%和11%。

五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒

绕线杯结构是实现空心杯无刷电机降低齿槽转矩的关键部件

空心杯无刷电机体积小、质量轻，主要由定子组件、空心杯组件、传感器组件、转子、端盖、轴承等组成。为减小齿槽转矩，降低起动转矩，定子铁心采用无齿槽 结构，三相定子绕组采用绕线杯结构。位置传感器采用开关型霍尔元件，传感器磁钢与主磁钢转子同轴连接，霍尔位置的精确定位通过绕线杯位置及传感器调节进 行固定。绕线杯结构是实现空心杯无刷电机降低齿槽转矩的关键部件，其绕线杯独立线圈周向对称安装分布均匀性、绕线杯绕组固定方式、引出线的焊接等均是产 品实现的关键。因此，绕线杯绕组在结构上主要由三相对称分布的绕组、绕组固定支架、引出线焊接板组成。

定子空心杯组件主要由绕线杯、绕线杯固定架传感器组件等组成。绕线杯经绕制、周向整形形成三相对称绕线杯后进行绝缘处理后固定在绕线杯固定架上，引出线 焊接在传感器组件上，三相绕组中线通过传感器电路板连接在一起，引出线与传感器引出线一同从电路板上引出。

空心杯电机在需要急速反应的伺服系统、需要稳定和持久拖动驱动部件的产品、飞机等领域应用成为未来发展趋势

随着我国工业企业技术的飞速发展，对空心杯电机特性提出一个更高的期望和要求，使得空心杯电机在许多应用中不可替代。空心杯电机在 需要急速反应的伺服系统、需要稳定和持久拖动驱动部件的产品、各种飞机，包括航空、航天、飞机模型等、各种民用电器及工业产品等产 品或者领域的应用成为未来发展趋势。