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一、控制電機是機器人“動力核心”

1.1 電機構(gòu)成與原理介紹

電機是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。大多數(shù)電機通過電流在導(dǎo)線繞組中與磁場的相互作 用來產(chǎn)生扭矩，作用在電機軸上形成力。電機主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上的繞組通電產(chǎn)生 磁場，而轉(zhuǎn)子則通過與磁場相互作用而轉(zhuǎn)動。 主要組成部分可以分為： 1） 外殼：外殼由一個框架（或軸心）和兩個端蓋（或軸承座）組成。電機的外殼不僅可以將 電機的組件保持在一起，還可以保護內(nèi)部組件免受濕氣和污染物的影響。此外，外殼類型 還會影響電機的冷卻，外殼可以分為開放式外殼，完全封閉式外殼。 2） 定子：定子承載磁場繞組和極。定子與轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成機器的磁路或核心。 3） 轉(zhuǎn)子：承載電樞繞組。電樞是承載負(fù)載的部分。 4） 繞組：通電后，會產(chǎn)生電磁力。

電機種類多，可以按照不同方式進行分類：1）從運行方式來分，有旋轉(zhuǎn)電動機（含連續(xù)旋轉(zhuǎn)、 斷續(xù)旋轉(zhuǎn)和步進旋轉(zhuǎn)三大類）、直線電動機、平面電動機等；2）從所用電源來分，有交流電動 機（含單相和三相、同步和異步、工頻和中頻等多種分類）和直流電動機兩大類；3）還可從 電壓高低、結(jié)構(gòu)形式、體積或功率大小、用途、適用環(huán)境等多方面進行分類。

從應(yīng)用場景來看，電機應(yīng)用場景眾多，在消費市場、工業(yè)、車載等都有應(yīng)用。本文以機器人為 切入點，重點關(guān)注在工控、工業(yè)機器人領(lǐng)域、人形機器人等領(lǐng)域應(yīng)用的控制電機。

1.2 電機原材料：釹鐵硼滲透率有望提升，編碼器國產(chǎn)化步入快車道

電機的上游主要是磁性材料、編碼器、芯片和軸承等其他零部件，中游是電機制造，下游是工 控、工業(yè)機器人等行業(yè)應(yīng)用。

磁性材料是電機主要原料之一，對電機性能影響較大。電機一般使用磁性較強的材料，強磁 性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經(jīng)磁化，很難退磁， 而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體 永磁和稀土永磁，而軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁 材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無法向外磁路提供能量 （但磁體內(nèi)部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場強度，單位為 Oe 或 A/m。簡單一點理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁： 1） 永磁材料的目標(biāo)是不斷追求更高的矯頑力，強化不退磁能力，在永磁電機中應(yīng)用較多； 2） 軟磁通過降低矯頑力，追求更高的磁導(dǎo)率，可以起到電能參數(shù)變換，提高磁性元件效率并 節(jié)省空間的作用，目前作為各類電機、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應(yīng)用在新能源汽車、機器人、光伏等諸多領(lǐng)域。

釹鐵硼性能較好，滲透率有望提升。釹鐵硼材料在矯頑力上的表現(xiàn)較優(yōu)異，同時在磁能積上 也優(yōu)于其他材料。磁能積較好也意味著單位磁場強度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節(jié)省 電機空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于 60），能大大減小電機體積， 減輕電機質(zhì)量，縮小電機能量損耗并提高整個電機系統(tǒng)效率。唯一的劣勢在于溫度穩(wěn)定性比較 差，需要通過添加鈷等其他元素來改善溫度性能，價格相對較高。

編碼器的分辨率和精度與電機運動控制性能有著密切的聯(lián)系。編碼器是將信號進行編制、轉(zhuǎn) 換為可用以通訊、傳輸?shù)男盘栃问降脑O(shè)備，如為伺服電機的閉環(huán)控制產(chǎn)生速度或位置的實際測 量值。編碼器種類繁多，按照讀出方式可分為接觸式和非接觸式兩種；按照檢測工作原理，伺 服電機編碼器可主要分為光電編碼器、磁性編碼器、電感式編碼器和電容式編碼器。其中，基 于光電轉(zhuǎn)換原理的光編碼器和基于磁敏感元件感應(yīng)磁場變化原理的磁編碼器的應(yīng)用較為廣泛。 1） 光電編碼器由 LED 光源（通常是紅外光源）和光電探測器組成，二者分別位于編碼器碼盤 兩側(cè)。碼盤由塑料或玻璃制成，上面間隔排列著一系列透光和不透光的線或槽。碼盤旋轉(zhuǎn) 時，LED光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷，從而產(chǎn)生兩路典型的方波A和B正交脈沖， 可用于確定軸的旋轉(zhuǎn)和速度。 2） 磁電式編碼器的原理是采用磁阻或者霍爾元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進行測 量。磁性材料角度或者位移的變化會引起一定電阻或者電壓的變化，通過放大電路對變化 量進行放大，通過單片機處理后輸出脈沖信號或者模擬量信號，達到測量的目的。磁性轉(zhuǎn) 盤的磁極數(shù)、磁阻傳感器的數(shù)量及信號處理的方式?jīng)Q定了磁性編碼器的分辨率，使磁場信 號不會受到灰塵、濕氣、高溫及振動的影響。

光編碼器一般精度較高，成本較高，對工業(yè)環(huán)境有一定要求，粉塵、水汽等可能會影響編碼器 精度；磁編碼器成本較為簡單，價格優(yōu)勢相對明顯。

編碼器國產(chǎn)化進行時，看好國內(nèi)企業(yè)突破高端編碼器。當(dāng)前，編碼器中的一些芯片、碼盤及 磁頭等重要元器件仍然依賴于進口，這是國內(nèi)編碼器廠商下階段的主要突破目標(biāo)。以碼盤為例， 碼盤的碼道數(shù)越多，其最外道被分割的區(qū)域就越多，即編碼器的最小分辨率越高。碼盤的生產(chǎn) 要求每個碼道刻劃精準(zhǔn)，并且要求彼此對準(zhǔn)，給編碼器的國產(chǎn)化進程造成了極大阻礙。除碼盤 之外，光電編碼器的芯片屬于光敏器件，光電結(jié)合緊密且工藝特殊，對參數(shù)控制要求較高，需 要在高溫條件下持續(xù)工作，還要保證信號形態(tài)正常，且電流輸出能力較大，有特殊的封裝工藝 要求，是國產(chǎn)化的壁壘。

二、人形機器人時代將至，看好國內(nèi)廠商切入高端電機市場

2.1 風(fēng)起人形機器人，機器人電機市場蓄勢待發(fā)

電機是機器人的關(guān)鍵組成部件之一，電機的扭矩、功率密度和轉(zhuǎn)速等指標(biāo)決定了機器人的性 能。機器人相關(guān)的電機可以分為伺服電機、直流電機、交流電機和步進電機，參考 Skyquest 數(shù)據(jù)，目前直流電機占比較高，而伺服電機增長較快，主要應(yīng)用在工業(yè)機器人、CNC 系統(tǒng)對精 度要求較高的場合。

我們認(rèn)為機器人需要根據(jù)不同場景去使用對應(yīng)的電機，工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、協(xié)作機器人 等機器人根據(jù)應(yīng)用場景不同，會選擇不同電機。本文主要以工業(yè)機器人、協(xié)作機器人和人形機 器人為例，分析對應(yīng)電機情況。

2.1.1 工業(yè)機器人：伺服電機系統(tǒng)是機器人“心臟”

工業(yè)機器人指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中通過自 動控制來代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，主要包括焊接機器人、搬運機器 人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。工業(yè)機器人在機械結(jié) 構(gòu)上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計算機控制。工業(yè)機器人 廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等工業(yè)領(lǐng)域。按照機械機構(gòu)分類，工業(yè)機器人可以分為線性機器 人（又叫直角坐標(biāo)機器人）、多自由度機器人（又叫多關(guān)節(jié)機器人）、并聯(lián)機器人（又叫 deltaΔ 機器人）和水平多關(guān)節(jié)機器人（又叫 scara 機器人）等。

工業(yè)機器人對精度要求較高，一般使用伺服電機，伺服系統(tǒng)成本在機器人中的占比為 25%。伺 服系統(tǒng)作為工業(yè)機器人核心零部件，可以將控制層指令準(zhǔn)確、及時、穩(wěn)妥地傳送到執(zhí)行層。

2.1.2 協(xié)作機器人：輕量化設(shè)計背景下，無框電機成首選

協(xié)作機器人追求輕量化、人機相互。協(xié)作機器人是在 SCARA 機器人以及垂直多關(guān)節(jié)機器人等機 械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上衍生出的新類型。協(xié)作機器人除在外觀形態(tài)上與傳統(tǒng)工業(yè)機器人有些差別外，在 產(chǎn)品特性上也區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機器人追求的“剛度”，協(xié)作機器人更多追求輕量化、柔性和安 全協(xié)作性。此外在結(jié)構(gòu)特點、交互方式、部署成本以及應(yīng)用場景等方面與傳統(tǒng)工業(yè)機器人也存 在一定的差距。

協(xié)作機器人具有緊湊小型化、輕量化特性，因此選擇更加緊湊、高效率的電機方案。協(xié)作機 器人與傳統(tǒng)工業(yè)機器人在構(gòu)造上有一定差異，協(xié)作機器人通常采用整體式的無框電機，采用關(guān) 節(jié)一體化技術(shù)。無框電機只由定子和轉(zhuǎn)子兩個部分組成，相較于傳統(tǒng)電機，去除了軸、軸承和 外殼，使其體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊，易于維護，并便于被高度集成到協(xié)作機器人本體的中空結(jié) 構(gòu)內(nèi)，從而提高其機械性能。除了伺服電機外，協(xié)作機器人通常還使用體積小、重量輕的諧波 減速機。我們認(rèn)為隨著未來機器人小型化的發(fā)展，協(xié)作機器人關(guān)節(jié)中狹窄的安裝空間和末端力 矩的要求顯著增高，對無框電機本身性能的挑戰(zhàn)也不斷提升。

2.1.3 人形機器人：全新市場帶來新增量

人形機器人運動離不開驅(qū)動器，目前驅(qū)動器方案可以分為剛性驅(qū)動、彈性驅(qū)動和準(zhǔn)直驅(qū)。雙 足人形機器人關(guān)節(jié)運動特點和人類關(guān)節(jié)運動類似，運動速度較快、機動性較好，因此相比其他 驅(qū)動器，人形機器人驅(qū)動器需要具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特 性。參考丁宏鈺等的《國內(nèi)外雙足人形機器人驅(qū)動器研究綜述》，目前人形機器人電動驅(qū)動器 方案可以分為三類：

1） 剛性驅(qū)動：1983 年，早稻田大學(xué)研究的 WL－10R 機器人使用剛性驅(qū)動器 TSA。自此雙足 人形機器人開始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動器為關(guān)節(jié)動力源。剛性驅(qū)動器主要由電機、高傳動比減 速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成（力矩傳感器是可選擇項）。相比其他方案， 剛性驅(qū)動較為成熟，但能量效率相對較低一些。

2） 彈性驅(qū)動：1995 年，麻省理工學(xué)院的 Pratt 等提出了彈性驅(qū)動器 SEA( series elastic actuator) 的概念。美國宇航局的機器人 Valkyrie 和意大利技術(shù)研究院的機器人 WalkMan 都使用了彈性驅(qū)動器。彈性驅(qū)動器通過增加彈性單元來模擬肌肉系統(tǒng)功能，可以緩沖 外部沖擊和儲能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。但由于彈性元件引入，系 統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動系統(tǒng)，因此運動控制精度較低。

3） 準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動：2016 提出了準(zhǔn)直驅(qū)方案，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器含義是依靠驅(qū)動器電機開環(huán)力控，不 依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體 驅(qū)動器。一般方案是采用電機加低傳動比減速器的方案，同時要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡 可能地小，這樣可以實現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器主要由高扭矩密 度電機、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。相比其他方案，運動控制系統(tǒng)較為復(fù) 雜。

我們認(rèn)為特斯拉人形機器人在方案方面偏好剛性驅(qū)動方案，其一體化關(guān)節(jié)（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）類似 協(xié)作機器人設(shè)計，無框力矩電機是核心，利用高轉(zhuǎn)速電機+高減速比減速器實現(xiàn)快速響應(yīng)。以 協(xié)作機器人為例，一體化機器人關(guān)節(jié)主要由扭矩傳感器、諧波減速機、力矩電機、制動器、增 量編碼器、絕對值編碼器和伺服驅(qū)動器組成。根據(jù)金力等《驅(qū)控一體化機器人關(guān)節(jié)的研制及應(yīng) 用》，一體化機器人關(guān)節(jié)采用無框力矩電機，電機定子與關(guān)節(jié)殼體之間一般通過耐高溫樹脂膠 粘接或過盈配合連接。電機轉(zhuǎn)子與電機軸之間一般通過樹脂膠粘接。無框力矩電機的大直徑長度比和多磁極對保證了電機的大扭矩輸出性能和低轉(zhuǎn)速特性，其轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu)，方便關(guān)節(jié)的內(nèi) 部走線。

人形機器人需要完成復(fù)雜的工作，對手部“靈巧性”提出需求。根據(jù)來淼等的《腱驅(qū)動仿人 型五指靈巧手的設(shè)計》，目前靈巧手的傳動方式有很多，常見的有齒輪傳動、連桿傳動和腱傳 動等多種方案。腱傳動使用鋼絲繩模仿人手的肌腱部位，將驅(qū)動器外置于手掌或者手臂處，用 腱繩實現(xiàn)遠距離傳動，精簡了手指處的結(jié)構(gòu)設(shè)計，相對齒輪和連桿，鋼絲繩的重量和摩擦更小， 我們推測特斯拉人形機器人采用的是經(jīng)典的六電機+金屬腱繩方案。

人形機器人采用集成化方案，對輕量化、緊湊結(jié)構(gòu)追求較高，手部采用輕量高效的空心杯電 機，身體部位采用無框電機等構(gòu)成的一體化關(guān)節(jié)。特斯拉 Optimus 共有 28 個運動關(guān)節(jié)，包括 三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器：其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用電機+傳感器+諧波減速器的方案；而線 性關(guān)節(jié)采用電機+絲杠+傳感器（從形態(tài)上，我們推測是無框電機）；特斯拉機器人靈巧手采取 了折中的方案，使用較為經(jīng)典的六電機驅(qū)動方式，拇指采用雙電機驅(qū)動彎曲和側(cè)擺，其它四指 各用一個電機帶動，電機采用蝸桿傳動機構(gòu)。從數(shù)量來看，共 12 個驅(qū)動，手指部分我們推測 是空心杯電機+驅(qū)動裝置+傳動裝置構(gòu)成。

機器人電機市場占電機市場約 1%，增速相對較快。Skyquest 預(yù)計 2021 年全球機器人相關(guān)電機 規(guī)模為 11 億美元，2030 年有望達到 28 億美元，復(fù)合增速達 13.4%。根據(jù) Fortune Business Insights 公布的數(shù)據(jù)，2021 年全球電機市場規(guī)模約為 1139 億美元，機器人相關(guān)電機市場份額 約 1%，但增速相對較快。

我們認(rèn)為人形機器人有望復(fù)制特斯拉新能源車成長道路，較快實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。特斯拉新能 源汽車第一個五年突破 10 萬銷量，第二個五年達到百萬銷量，展示了特斯拉較強的量產(chǎn)能力。 我們認(rèn)為有望人形機器人復(fù)制特斯拉新能源汽車 0-1 的過程，有望在初步量產(chǎn)后快速上量。目 前方案下人形機器人身體擁有 28 個無框電機，手部對應(yīng) 12 個空心杯電機，假設(shè)人形機器人量 產(chǎn)后，無框電機價值量為 800 元/個，空心杯電機 1000 元/個，則 100 萬人形機器人對應(yīng)電機 市場空間約為 344 億元。

國內(nèi)企業(yè)加速推進人形機器人相關(guān)項目+落地場景逐漸清晰，看好人形機器人加速落地。 1） 國內(nèi)企業(yè)紛紛入局機器人項目，近期傅利葉智能發(fā)布了最新研發(fā)的通用人形機器人 GR-1， GR-1 是國內(nèi)領(lǐng)先的自主研發(fā)、可商業(yè)化落地的人形機器人產(chǎn)品，展示了機器人直腿行走、 敏捷避障等功能，國內(nèi)人形機器人推進迅速。此外，華為、字節(jié)跳動也入局機器人業(yè)務(wù)； 騰訊 Robotics X 實驗室發(fā)布了靈巧操作研究成果，并推出自研機器人靈巧手“TRX-Hand” 和機械臂“TRX-Arm”。我們認(rèn)為國內(nèi)多家企業(yè)入局機器人相關(guān)環(huán)節(jié)，有望加速人形機器 人落地。 2） 人形機器人有望在工廠場景落地。2023 年二季度業(yè)績說明會上，特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克 公布了備受關(guān)注的特斯拉人形機器人 Optimus 的最新進展。馬斯克表示，特斯拉已經(jīng)生產(chǎn) 了 10 臺人形機器人。預(yù)計在今年 11 月份進行行走測試，計劃明年在特斯拉工廠進行實用 性測試。

2.2 復(fù)盤海外高端電機廠商，人形機器人有望加速國內(nèi)高端電機突破之路

復(fù)盤海外高端電機廠商 MAXON 發(fā)展歷程，我們認(rèn)為，率先布局高壁壘/新興領(lǐng)域+掌握一體化技 術(shù)，掌握先發(fā)優(yōu)勢是維持電機企業(yè)高利潤的關(guān)鍵。 我們認(rèn)為 MAXON 的發(fā)展可以分為三個階段： 1） 發(fā)展初期（1961-1996）：MAXON 1961 年成立，開發(fā)設(shè)計 DC 迷你型電機，并通過收購美國 分銷商，逐步打通美國市場，我們認(rèn)為這一時期是公司發(fā)展初期，主要是“量增”； 2） 快速發(fā)展期（1996-2012）：公司 1996-1999 年參與 NASA“探路者”計劃，確定了公司高端電機定位，為公司拓展高端領(lǐng)域客戶打下了基礎(chǔ)，同時航空航天相關(guān)設(shè)計需求也可以復(fù)用 到其他高端電機場合，我們認(rèn)為這一時期公司完善了公司產(chǎn)品高端定位，是公司產(chǎn)品和品 牌“質(zhì)”飛躍； 3） 產(chǎn)業(yè)鏈布局完善期（2012-2020）：2015 年開發(fā)電驅(qū)系統(tǒng)，2017 年收購瑞士公司 ZUB machine control AG，增加了公司在控制器領(lǐng)域的布局，到 2020 年公司逐漸從元器件供應(yīng) 商轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)供應(yīng)商。

國內(nèi)電機企業(yè)電機處于“量增”到“提質(zhì)”的過渡期。目前電機的主要應(yīng)用市場可以分為消 費級、車端市場、工業(yè)（工控等）、尖端市場等：1）消費級市場進入門檻較低，國產(chǎn)化率較高； 2）車端市場對電機企業(yè)資金壁壘要求較高，但整體盈利相對一般；3）工業(yè)尤其是自動化控制 相關(guān)電機盈利水平相對較高，在中高端領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)待突破，相關(guān)電機需有精密控制、復(fù)雜工 業(yè)環(huán)境適應(yīng)等能力，可以用于機床、機器人等領(lǐng)域；在航空航天、軍工、精密醫(yī)療器械，包括 部分探索性領(lǐng)域（探索新應(yīng)用、新產(chǎn)品）等領(lǐng)域，對電機企業(yè)要求較高，客戶壁壘高，需要電 機企業(yè)具有較強的設(shè)計能力和生產(chǎn)能力，毛利率相對較高，以 MAXON 等為代表的海外企業(yè)占據(jù) 主導(dǎo)地位。我們認(rèn)為，從整體市場來看，國內(nèi)企業(yè)在消費級市場、車端、工業(yè)領(lǐng)域都有所布局， 中低端電機市占率較高，但在中高端市場依然待突破；而從企業(yè)角度來看，以匯川技術(shù)、鳴志 電器為代表國內(nèi)企業(yè)，技術(shù)積累豐富，擁有研發(fā)能力+高端客戶資源，有望突破高端電機市場。

以鳴志電器為例，國內(nèi)頭部企業(yè)通過收并購逐漸擁有高端電機定制化設(shè)計+核心零部件自產(chǎn)+ 觸達高端客戶的能力。鳴志電器通過收購 AMP、Lin Engineerin 等企業(yè)擁有了高端步進電機的 技術(shù)，獲得了觸達北美核心客戶群的機會，另外通過收購 Technosoft Motion AG 公司幫助公 司完善無齒槽和空心杯電機+驅(qū)動控制器的系統(tǒng)級平臺產(chǎn)品。此外，公司擁有行星齒輪箱、編 碼器等零部件的積累，有望在高端電機領(lǐng)域市場實現(xiàn)突破。

我們認(rèn)為以人形機器人為代表的高成長賽道或?qū)⒔o國內(nèi)企業(yè)進軍高端電機帶來突破性機會，： 1）相比如精密醫(yī)療器械、航天等領(lǐng)域，人形機器人潛在空間較大，帶來的成長空間大；2）人 形機器人電機對精度要求沒有航空等領(lǐng)域高，但需要電機廠商具有設(shè)計、調(diào)整工藝和大規(guī)模制 造降本能力，國內(nèi)企業(yè)擅長降本，這將給國內(nèi)企業(yè)帶來與頭部企業(yè)合作設(shè)計/調(diào)整相關(guān)電機方 案的機會；3）以空心杯電機為代表的微特精密電機，性能優(yōu)異，可以應(yīng)用于航空航天、光學(xué)、 國防等領(lǐng)域，整體市場較小，但毛利率高，人形機器人有望帶動相關(guān)市場擴容，促進國內(nèi)企業(yè) 對相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)和布局。

三、國產(chǎn)替代進行時，看好國產(chǎn)企業(yè)突破高端電機壁壘

3.1 伺服電機：進軍中高端市場，國產(chǎn)替代進行時

伺服電機系統(tǒng)是工業(yè)自動化控制設(shè)備主要的動力來源之一，伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動器、伺 服電機和編碼器組成，編碼器通常嵌入于伺服電機。伺服系統(tǒng)可通過閉環(huán)方式實現(xiàn)精確、快速、 穩(wěn)定的位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，主要應(yīng)用于對定位精度和運轉(zhuǎn)速度要求較高的工業(yè)自 動化控制領(lǐng)域。從原理來看，伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器發(fā)出信號從而驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，同時編 碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再對信號進行匯總、分析、修正。 整個工作過程通過閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。從成本構(gòu)成上 看，驅(qū)動器成本占比 42%；電機占比約 35%；編碼器由碼盤、光源和接收器組成，成本占比約 為 11%。

從分類來看，伺服電機系統(tǒng)可以分為通用伺服系統(tǒng)和專用伺服系統(tǒng)，兩種伺服電機系統(tǒng)在 產(chǎn)品技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面存在差異。通用伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用廣泛，包括電子及半導(dǎo)體、 機床、機器人、包裝、紡織、塑料、紙巾等。專用伺服系統(tǒng)根據(jù)不同行業(yè)需求定制化開發(fā)， 提供專業(yè)化產(chǎn)品，主要為交流電伺服以外的其他品類伺服，其市場規(guī)模較小。其下游應(yīng)用 領(lǐng)域包括風(fēng)力發(fā)電、礦山機械、纜車索道、電梯等。

伺服電機系統(tǒng)國產(chǎn)化替代進行時。從市場規(guī)模來看，2022 年前三季度通用伺服市場規(guī)模為 173.3億元，同比下滑3.45%，主要受到2022年傳統(tǒng)制造業(yè)景氣度較弱以及國內(nèi)疫情影響。 從國產(chǎn)化率來看，國內(nèi)伺服廠商以較短的貨期和充足的備貨擴大自身競爭優(yōu)勢，市場份額 均實現(xiàn)增長。近年來通用伺服國產(chǎn)化率逐年攀升，2021 年行業(yè)國產(chǎn)化率達到 23.57%，2022 年前三季度提升至 30.51%。

3.2 空心杯電機：繞線是核心壁壘，看好國內(nèi)企業(yè)突破繞線壁壘

空心杯電動機屬于直流永磁的伺服、控制電動機，也可以將其歸類為微特電機?？招谋姍C 主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)軸、墊圈、滑動軸 承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環(huán)組成。定子由永磁體、殼體、法蘭組成。外殼提供了 恒定的磁場，使電機無鐵損耗。沒有軟磁性牙齒。所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是均勻的，即使在低速情況下 也能運行平穩(wěn)。在較高的速度下，電機能減少振動，減少噪音。

分類方面，空心杯電機可以分為有刷和無刷兩種，有刷空心杯電機轉(zhuǎn)子無鐵芯，無刷空心杯電 機定子無鐵芯： 1）有刷空心杯電機：空心杯直流有刷微電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。電機工作 時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是通過隨電機轉(zhuǎn)動的換向器和電刷來完成的。在轉(zhuǎn)動的過程中會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷。碳 刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁波，干擾電子設(shè)備。 2）無刷空心杯電機：無刷空心杯直流電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷空心杯 直流電機，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知， 使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。因 為是自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞 組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。

相比普通電機，空心杯電機不含鐵芯，提升了電機的性能。 空心杯電機具有能量轉(zhuǎn)換效率較高，起動、制動迅速，響應(yīng)較快和運行穩(wěn)定性可靠，轉(zhuǎn)速的波 動較小等優(yōu)勢，因此適合需要快速響應(yīng)的系統(tǒng)，如導(dǎo)彈飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動 控制，快速自動調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測設(shè)備，工業(yè)機器人，仿生義肢等。在特斯拉人形機 器人中，空心杯電機可以運用在手部，從而滿足手部運動的快速響應(yīng)需求。

由于空心杯電動機避開了有鐵芯電動機多種技術(shù)弊端，，使其具備了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是 隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對電動機的伺服特性不斷提出更高的期望和要求，使空心杯電動機 在很多應(yīng)用場合擁有不可替代的地位?？招谋姍C的應(yīng)用場景包括： 1）需要快速響應(yīng)的隨動系統(tǒng)。如導(dǎo)彈的飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動控制，快速自 動調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測設(shè)備，工業(yè)機器人，仿生義肢等，空心杯電動機能很好地滿 足其技術(shù)要求。 2）對驅(qū)動元件要求平穩(wěn)持久拖動的產(chǎn)品。如各類便攜式的儀器儀表，個人隨身裝備，野外作 業(yè)的儀器設(shè)備等，同樣一組電源，供電時間可以延長一倍以上。 3）另外還有光學(xué)儀器、醫(yī)療設(shè)備、機器人等，細(xì)分應(yīng)用有牙科設(shè)備、微型泵、紅外鏡頭、移 液模塊、電動夾爪、機器人手、點膠閥、手術(shù)工具等。

空心杯電機常用的線繞組電樞有直繞組、斜繞組、菱形繞組三種，核心壁壘是繞線。參考謝 春輝的《馬鞍形空心杯電機線圈繞制設(shè)備研究》，空心杯電機常用的線圈繞法有直繞形、馬鞍 形、斜繞形三種形式。其中，直繞形繞制方法工藝較為復(fù)雜，多用于較長繞組結(jié)構(gòu)，常為多次 繞制而成。斜繞形和馬鞍形在繞制工藝上相對簡單，國內(nèi)外繞線機多采用這兩種方式。歐洲著 名品牌 Faulhaber 電機采用的是斜繞形線圈，瑞士 Maxon 電機采用馬鞍形繞制方法，有著較 為優(yōu)越的性能。

生產(chǎn)空心杯電機的關(guān)鍵在于線圈的繞制。需要將自粘漆包線緊密排列，最終繞成一個規(guī)則的杯 狀結(jié)構(gòu)。參考王鵬飛的《空心杯線圈繞線機機構(gòu)設(shè)計及控制》，空心杯電機的繞制方法分為三 種，自動化生產(chǎn)技術(shù)門檻較高： 1）人工繞線，通過復(fù)雜的工藝，包括插針、手動卷線、手動排線等步驟進行生產(chǎn)； 2）半自動化生產(chǎn)，卷繞式生產(chǎn)技術(shù)是半自動化生產(chǎn)，首先將漆包線順序繞到橫截面為菱形的 主軸上，達到需要的長度后將其取下，然后壓扁成線板，最后將線板卷繞成杯狀的線圈，此生 產(chǎn)方式工藝比較繁瑣，工人勞動強度大，廢品率高； 3）一次成型自動化生產(chǎn)技術(shù)，通過自動化設(shè)備將一根漆包線按規(guī)律繞到一主軸上，線圈卷繞 成杯狀后取下，完成一個線圈的繞制。

海外廠商占據(jù)繞線機主導(dǎo)地位。參考王鵬飛的《空心杯線圈繞線機機構(gòu)設(shè)計及控制》，在繞線 機廠商上，瑞士的 Meteor 公司是世界上有著較高占有率的繞線機供應(yīng)商，伺服電機來實現(xiàn)線 圈的精密排線+ CNC 數(shù)控技術(shù)進行精準(zhǔn)控制，確保了繞線機繞線精度；而日本田中精機株氏協(xié) 會，第一個將計算機控制用于全自動繞線機上，發(fā)明了磁鐵無摩擦張力器，研發(fā)出 CNC 可翻 轉(zhuǎn)的多軸繞線設(shè)備。 國內(nèi)廠商有望突破繞線機壁壘：1）根據(jù)田中精機招股說明書，田中精機全資子公司田中日本 無償受讓日本田中精機株氏與繞線機相關(guān)的專利與商標(biāo)，擁有繞線相關(guān)技術(shù)，有望在空心杯繞 線機上實現(xiàn)突破；2）江蘇雷利及控股子公司鼎智科技圍繞“編碼器+控制器+空心杯電機+精密 齒輪箱”產(chǎn)品，不斷加大研發(fā)投入，研發(fā)繞線機相關(guān)產(chǎn)品。

海外廠商如瑞士的 MAXON、德國 Faulhaber 等企業(yè)深耕行業(yè)多年，行業(yè)地位較高。國內(nèi)企業(yè)相 較海外廠商仍存在一定的技術(shù)差距，未來潛在發(fā)展空間大，主要原因是：1）相比普通電機， 空心杯電機由于少了鐵芯支撐，對線圈要求較高；2）國內(nèi)廠商更注重成本控制，缺乏對高端 技術(shù)的投入，導(dǎo)致技術(shù)水平相對滯后，同時在減速器等機械件上依然在追趕海外企業(yè)。我們認(rèn) 為，在高端微型電機上，國內(nèi)企業(yè)與海外依然存在差距，但以鳴志電器、江蘇雷利為主的國內(nèi) 企業(yè)也在不斷進步，依托國產(chǎn)企業(yè)降本能力，有望在這塊市場取得相應(yīng)進展。

國內(nèi)企業(yè)持續(xù)布局，有望打開高端空心杯市場。以鳴志電器和鼎智科技產(chǎn)品為例，國內(nèi)企業(yè) 空心杯產(chǎn)品已經(jīng)可以應(yīng)用在軍工、醫(yī)療、半導(dǎo)體等高端領(lǐng)域，且可以定制不同規(guī)格產(chǎn)品，并可 以以“編碼器+控制器+空心杯電機+精密齒輪箱”方案形式提供產(chǎn)品。工控領(lǐng)域頭部企業(yè)偉創(chuàng) 電氣也切入機器人板塊，布局空心杯電機、無框電機等產(chǎn)品，其他微傳動頭部企業(yè)兆威機電也有相應(yīng)積淀。我們認(rèn)為，疊加國產(chǎn)繞線機器持續(xù)突破，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)加速突破空心杯電機壁壘， 有望打開高端空心杯電機市場。

3.3 無框電機：國產(chǎn)企業(yè)有望憑借性價比優(yōu)勢加速突破

無框電機可以將定轉(zhuǎn)子部件直接裝配在機器中，便于終端產(chǎn)品的高度集成化，縮小體積。無 框架電機是傳統(tǒng)電機中用于產(chǎn)生扭矩和速度的部分，但沒有軸、軸承、外殼或端蓋。無框電機 只有兩個部件：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接 安裝在機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機器殼體 內(nèi)的電磁力。

無框電機通常安裝在先進的機器中，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護等優(yōu)勢，可以提升機器性能。

無框電機可以運用在多種機器人和自動化領(lǐng)域，包括機器人、醫(yī)藥、機床、包裝、印刷、加工 和通用自動化。在人形機器人領(lǐng)域，無框電機也有望發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)緊湊、性能較高的優(yōu)勢，在 機器人四肢等領(lǐng)域應(yīng)用。 機器人需要無框電機具有較強的過載能力、高響應(yīng)能力和可靠性。機器人諸如行走、跑、彈 跳等動作均由機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動產(chǎn)生。機器人關(guān)節(jié)電機作為機器人的核心硬件，直接決定機 器人的重要性能。機器人對電機總體要求為質(zhì)量輕、體積小、扭矩大。比如機器人在快跑、彈 跳時，需要電機具有瞬時爆發(fā)式功率輸出能力，因此關(guān)節(jié)電機需具備高過載能力、高動態(tài)響應(yīng) 能力；另一方面，在復(fù)雜工況下，對關(guān)節(jié)電機提出高可靠性的要求。參考王晟的《腿足式機器 人無框力矩電機設(shè)計與優(yōu)化》，美國科爾摩根 TBM(S)系列無框電機、德國 TQ 公司研制的 ILM 系 列無框電機、Aerotech 公司研制的高性能無框力矩電機等在機器人關(guān)節(jié)電機上應(yīng)用較多。

轉(zhuǎn)矩密度和轉(zhuǎn)矩波動要求較高，一體磁鋼有利于提升無框電機效率、節(jié)省空間。參考王治會 的《基于輻向環(huán)充磁的高轉(zhuǎn)矩密度永磁力矩電機設(shè)計與分析》，機器人關(guān)節(jié)的核心部件為關(guān)節(jié) 永磁力矩電機，力矩電機的高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩波動是實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)輕量化和高精度運行的 基礎(chǔ)。傳統(tǒng)拼接式磁瓦型永磁體存在較大漏磁的情況，降低了電機效率和氣隙磁密，從而降低 了關(guān)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩密度。根據(jù)王治會的《基于輻向環(huán)充磁的高轉(zhuǎn)矩密度永磁力矩電機設(shè)計與分 析》，永磁電機磁環(huán)大多數(shù)應(yīng)用拼接瓦形磁體或者磁環(huán)粘結(jié)的結(jié)構(gòu):1）因為粘接劑等非磁性相 的出現(xiàn)，磁環(huán)粘結(jié)的磁功能相當(dāng)?shù)停?）瓦形燒結(jié)磁體加工程序長，材質(zhì)耗費很大，磁極拼接 縫隙漏磁相當(dāng)大；3）基于全密度輻射取向 Nd-Fe-B 整體永磁環(huán)而言，它的磁化取向呈輻射狀，從而在磁環(huán)內(nèi)外兩端構(gòu)成 N 極以及 S 極，它能夠替代眾多傳統(tǒng)的方形或者瓦形磁體，精簡電機 安裝流程，提升安裝精確度，加大了電機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，合理縮減元件體積并提升其性能，實 現(xiàn)了提升效率、節(jié)省耗能的意圖。 以科爾摩根一體式磁鋼產(chǎn)品為例：1）提升功率密度，新一代 TBM2G 無框電機較上一代 TBM 產(chǎn) 品相比，功率提升 70% 以上，功率密度提升 80% 以上，從而轉(zhuǎn)矩提升可高達 45%；2）內(nèi)徑 增大，轉(zhuǎn)矩臂直徑得以增加，并且也進一步提升了電機內(nèi)部的寶貴空間。

根據(jù) Market Research 數(shù)據(jù)，2022 年全球無框力矩電機市場規(guī)模為 6.69 億美元，2029 年預(yù)計 將達到 12.17 億美元，Kollmorgen，Moog，Maxon Motor，BEI Kimco，Woodward 和 Shinano Kenshi等企業(yè)在市場占據(jù)優(yōu)勢地位，國產(chǎn)廠商如步科股份有望借助國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈成本優(yōu)勢，在市 場份額上取得突破。

國內(nèi)產(chǎn)品性能逐步接近海外企業(yè)產(chǎn)品，市占率有望提升。我們以步科股份與科爾摩根 60mm 左 右的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑產(chǎn)品對比，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)頭部企業(yè)產(chǎn)品過載能力、額定轉(zhuǎn)矩等部分性能已經(jīng)逐步 接近海外產(chǎn)品。在此情況下，國產(chǎn)品牌有望憑借價格優(yōu)勢提升市占率。