報告出品方：海通證券

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1. 人形機器人：産業化漸行漸近，空心杯/無框力矩電機迎發展機遇

特斯拉在 2022 年 9 月 30 日（北美時間）的 AI 日上，推出了 TeslaBot 原型機。

特斯拉人形機器人被命名爲‘Optimus’或“擎天柱”，此時的“擎天柱”高約 1.73 米，重量約 56.7 千克，身體由特殊材料制成，頭部爲可顯示信息的屏幕，四肢共由 40 個（手臂 12 個+頸部 2 個+軀幹 2 個+腿部 12 個+手部 12 個）電機控制實現平衡和敏捷動作，內臵了特斯拉 FSD 芯片，並通過 DOJO 有能力處理大量 AI 任務。2023 年 12 月，特斯拉發布了第二代人形機器人産品 Optimus Gen2。Optimus Gen2 的行走速度比上一代提高了 30%，同時全身重量減輕了 10kg，頸部增加了 2 個自由度，腳部采用了鉸接式腳趾設計，並配備了力和力矩傳感器，手部自由度增加至 11 個，並且所有手指都配備了觸覺傳感器。另外，Optimus Gen2 還通過材料和技術改進來降低全身重量。我們認爲，特斯拉推出人形機器人原型機，有望加速人形機器人産業化發展。

空心杯電機與無框力矩電機是人形機器人常用零部件，生産複雜，壁壘較高。機器人諸如行走、跑、彈跳等動作均由機器人關節電機驅動産生，機器人關節電機作爲機器人的核心硬件直接決定機器人的重要性能。同時空心杯電機和無框力矩電機均具備結構緊湊，輸出功率大的特點，對人形機器人匹配度較高。空心杯電機是采用了空心杯繞線技術的直流有刷或者直流無刷電機，屬于伺服電機的一種，適用于需要快速動作、功率較大的隨動系統中，比較契合靈巧手；無框力矩電機是一種無框架式的無刷永磁同步電機，適用于旋轉關節和線性關節。另外，不同類型的電機由于工作原理、應用材料和內部結構各異，其工藝存在差異，涵蓋機座鑄造、定轉子沖片、定子繞組嵌線、轉子鐵心鑄鋁、轉子校平衡、軸承熱套、永磁材料的充磁等衆多工藝環節，所需的工藝裝備及模具數量大、精度高，需要根據産品生産特點對工藝裝備及模具進行定制化。

在旋轉關節、線性關節、機械手等，微特電機（一般指直徑小于 160 mm 或額定功率小于 750 W 的電機）有望在人形機器人上大規模應用。由于機器人要求控制精度高、工作環境複雜、結構緊湊，因此對電機提出較高技術要求。

1）轉矩慣量比要大，機電時間常數要小，以滿足系統快速反應的要求；

2）調速範圍寬，低轉速運行平穩 ，零速附近可控，力矩波動要小，以滿足各種運動速度和精確定的要求；

3）功率體積比和功率重量比要大，以滿足有限安裝空間，即要求微電機盡量做到小型化和輕量化；

4）過載能力大，耐熱性能好，在惡劣環境條件能長期工作，即具有良好耐環境性和高可靠性。

2. 空心杯電機：與靈巧手匹配度較高，人形機器人發展帶來機遇

2.1 空心杯電機優勢顯著，無刷是未來發展趨勢

空心杯電動機屬于直流永磁的伺服、控制電動機。空心杯電機（又稱無鐵芯電機、無齒槽電機）通常尺寸較小，也可以將其歸類爲微特電機。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子。這種轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由于轉子的結構變化而使電動機的運轉特性得到了改善，不但具有突出的節能特點，更爲重要的是具備了鐵芯電動機所無法達到的控制和拖動特性。空心杯電機在搭配不同速比的減速機和不同分辨率的編碼器後，也可以作爲力矩電機以及位臵反饋的裝臵使用。

空心杯電機按照其換向方式可以分爲有刷空心杯電機和無刷空心杯電機兩種。空心杯電機分爲有刷和無刷兩種，有刷電機轉子無鐵芯，無刷電機（又稱無刷無齒槽電機）定子無鐵芯。

有刷電機：由一個運動轉子、一個固定定子和一個換向器組成，換向器是電流或磁極逆變器，以不斷變化的流向將電流導入轉子（在傳統的直流電機中，轉子由一個纏繞在鐵芯（電樞）上的線圈組成，鐵芯外面用 U 形定子磁鐵包圍）。有刷電機的定子是永磁鐵，爲圓柱形，位于內部，而轉子在外部圍繞其旋轉。轉子由一個無鐵芯、自承式、帶斜繞組的銅線圈組成。電流通過滑動觸點（即所謂的電刷）傳遞到轉子，産生了定子磁極排斥或吸引的磁場，使直流電機運動起來。換向器不斷地改變電流的流向，從而改變磁場的極性，磁極單次相吸和相斥就能産生連續旋轉。

無刷電機：不需要任何滑動觸點，而滑動觸點確保了傳統直流電機的電流傳輸（換向）。相反，無刷直流電機使用電子換向。這種設計通過無刷電機的反向設計實現，銅線纏繞成的線圈充當定子，而磁鐵充當轉子。控制電子設備引導電流，使線圈産生一個圓周運動的磁場，從而引起磁性轉子旋轉。在絕大多數無刷電機中，電子傳感器（即霍爾傳感器）會不斷測量轉子的位臵角度。電機電子設備使用它們的信號在旋轉過程中適時開關電流，或者逆轉電流方向。同時，無刷電機具有噪音小、壽命長、易維護等特點，或是未來發展趨勢。

2.2 空心杯電機技術壁壘高，海外廠商優勢顯著，國內廠商紛紛布局

空心杯制作的難點在于如何實現自動化。空心杯電機由于體積小，大多使用螺旋管微型線圈。螺線管微型線圈是一個三維線圈，由多匝導線纏繞而成，纏繞內部空心，電流流入纏繞導線，並産生均勻磁場。傳統螺旋管微型線圈制作方法以手工纏繞爲主，第一步繞線和粘膠帶；第二步壓扁；第三步切線頭，第四步浸錫；第五步取膠帶；第六步卷圓；第七步浸酒精，第八步整形打圓。手工生産空心杯電樞線圈勞動生産率低，人工成本高，而且工作環境使用酒精，對工人的適應性有一定阻礙且增加了材料成本，已不能適應現代化大規模精細生産要求。因此，空心杯制作的難點在于大批量生産及較難的裝配，手工制作方式在生産效率、産品穩定性方面無法滿足客戶需求。

空心杯電機的核心技術在于電機繞組。導線粗細、繞組匝數的不同，使得繞組電阻值，啓動電流以及速度常數等電機參數存在較大的差異。電機繞組是電機的重要組成部分，繞組的質量決定了空心杯電機的質量，直接影響到電機可靠性和運行性能。隨著科學技術的進步，電機繞組的生産方式不斷地發生改變。發展曆程經曆了最初的完全手工繞線，半自動繞線機，直至現在的自動線圈繞制設備，電機繞組的生産過程趨于自動化，繞制質量和效率也在不斷地提高。

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爲複雜，多用于較長繞組結構，常爲多次繞制而成。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，電機有著較爲優越的性能。

目前，空心杯電機線圈的生産技術按照線圈的成型方式主要分爲兩類：

1）繞卷生産技術。卷繞生産技術工藝較爲複雜，首先將銅線繞制成一定幾何形狀的空心線圈，多爲菱形和四邊形，進而將線圈擠扁，制成扁平的銅線板，最後再將線板繞成圓柱狀的線圈。

2）一次成型生産技術。利用空心杯線圈繞制設備一次繞制成型。繞線機將銅線按照既定的規則纏繞在主軸上，一次成型，不需要卷圓壓扁等多道工序。

繞線設備國外領先，國內企業起步較晚。作爲電機制造行業鮮明的代表，瑞士的Meteor 公司是全球占有率較高的繞線機供應商。Meteor 在該行業具有較爲先進的技術和強大的研發實力，研制出諸多類型的線圈繞制設備，攻克了較多技術上的難題，在多個方面有著獨特的解決方案。另外，作爲世界繞線機生産的鼻祖，日本田中精機株氏協會，第一個將計算機控制用于全自動繞線機上，發明了磁鐵無摩擦張力器，研發出 CNC可翻轉的多軸繞線設備。受到空心杯電機關鍵技術和工藝的制約，其中核心技術即線圈的設計、繞制工藝以及繞制設備，先進的技術和工藝設備一直被德國、瑞士等少數發達國家所壟斷，同時國外的高質量設備價格昂貴，我國對空心杯電動機制造設備的研發愈發重視，如中特科技、台立電子、勤聯科技、昆山庫克自動化等均有繞線設備産品。但是現有線圈繞制設備問題，包括一次成型的自動化繞制設備較少，馬鞍形線圈多爲卷繞式的成型方式，現有自動化的繞制線圈的類型多爲斜繞形，且在線圈兩端的質量較差等一系列問題。

海外先發優勢大，國內加速布局。海外廠商 Maxon、Faulhaber 等公司深耕空心杯電機多年，已經形成的強大的品牌效應和技術壁壘，國內廠商如鳴志電器、鼎智科技、偉創電氣等衆多公司也有空心杯電機相關布局。

以 maxon 爲例。

注重研發投入，空心杯電機品質領先全球。maxon 成立于 1961 年，致力于研發並生産性能強大的電動驅動器。公司主營有刷和無刷直流電機、無刷盤式電機、行星齒輪箱、正齒輪箱、特殊齒輪箱、傳感器、伺服放大器、位臵控制器、高科技 CIM 和 MIM組件以及客戶定制驅動方案，2022 年營業額達到 7.08 億瑞士法郎，投資額占營業額比例高達 7%以上。

全球化布局，快速響應能力突出。maxon 在全球範圍內約有 3300 名員工（其中約340 名研發人員），10 個研發中心，並在瑞士、德國、匈牙利和韓國等 8 個國家設有生産基地，銷售公司遍及全球 40 多個國家，以滿足客戶需求。

一站式供給爲客戶提供解決方案，滿足定制化需求。maxon 采用獨立研發的機器和生産線自行生産精密驅動系統的所有重要部件（一站式供給，所有元件出自 maxon：DC/BLDC 電機、齒輪箱、傳感器、電子系統、軟件、外殼），可以爲客戶量身定制的解決方案（以 maxon 模塊化系統爲基礎）。憑借其突出優勢，maxon 在工業自動化和機器人技術、航空航天、醫療技術等領域均有深度布局，如第一個電機驅動探測車“索傑納”由 11 台 maxon DC 電機驅動，彰顯其市場地位。

2.3 空心杯電機應用範圍廣闊，人形機器人或進一步打開行業天花板

空心杯電機在醫療、航空航天、機器人、工業控制等衆多領域擁有廣闊應用前景。

由于空心杯電機避開了有鐵芯電動機多種技術弊端，而且其突出的特點集中在電動機的主要性能方面，使其具備了廣闊的應用領域。尤其是隨著工業技術的飛速發展，對電動機的伺服特性不斷提出更高的期望和要求，使空心杯電機在很多應用場合擁有不可替代的地位。空心杯電機的應用，從軍事、高科技領域進入大工業和民用領域後，近年來得到迅速的發展，尤其是在工業發達國家，已經涉及到大部分行業和許多産品。

空心杯電機杯適用于需要快速動作、功率較大的隨動系統中。根據 IMR，在應用方面，空心杯電機在醫療器械中的應用最爲廣泛，其次是消費電子産品。以醫療設備爲例，其複雜性和小型化程度的提高是推動空心杯電機行業發展的關鍵因素，如手術器械、輸液泵和診斷設備等，緊湊的尺寸、低振動和可靠性至關重要。

作爲高效率而結構緊湊的能量轉換裝臵，空心杯對人形機器人手指關節的匹配度較高。以德國太空中心（DLR）與哈爾濱工業大學（HIT）共同開發了一種新機械手爲例，每只手用 15 台帶霍爾傳感器的無刷直流電機驅動。maxon 公司的 EC 20 扁平式驅動器的電機單元長度只有 10.4 mm、外徑 21.2 mm。每台電機的重量 15 克，可以與直徑相同的諧波減速機高精度傳動系列連成一個單元，提供 12V 或 24V 型的 3W 電機，實現最大 8.04 N〃m 的轉矩，電機在怠速時的轉速爲 9300 轉/分。根據特斯拉人形機器人“擎天柱”最新進展，其每只手包括 6 個執行器和 11 個自由度，手部可負重 20 磅。

空心杯電機市場規模尚小。根據 Business Research 數據，全球空心杯直流電機市場在 2022 年的市場規模約爲 7.48 億美元，預計到 2028 年將達到 11.86 億美元，在2023-2029 年的預測期內的複合年增長率爲 8.0%。根據 Market Research 數據在收入方面，2021 年全球 CR3 占有 55.43%的空心杯直流電機市場份額。從地區來看，2021年中國是最大的市場，份額約爲 34.80%（市場規模約 2.36 億美元），歐洲份額約爲25.85%（市場規模約 1.75 億美元）。從産品來看，從類型來看，2021 年有刷空心杯電機占全球空心杯直流電機市場的 67.33%。

人形機器人不同情景下，對空心杯新增市場空間進行情景測算：

假設 1：每台人形機器人用空心杯電機數量爲 12 個；

假設 2：空心杯電機價格受規模效應影響，目前單價較高，隨著空心杯電機起量，價格呈下降趨勢。20/50/100/500 萬台假設分別對應的單價爲 1000/800/600/400 元。

根據假設，在人形機器人銷量分別爲 20/50/100/500 萬台時，空心杯電機新增市場規模分別爲 24/48/72/240 億元。可以看出，人形機器人的銷量將顯著影響空心杯電機中遠期的市場規模，且新增市場規模遠高于目前。

3. 無框力矩電機：與關節執行器契合度高，受益于人形機器人行業發展

3.1 無框力矩電機結構緊湊，定制化屬性強

無框力矩電機通常也是永磁同步電機，是傳統電機中用于産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：轉子和定子。轉子通常是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環繞鋼片和銅繞組，以産生緊密攀附在機器殼體內的電磁力。無框力矩電機是通過機械設備本身的軸承支撐轉子，可以直接嵌入設備中，大大滿足集成度高的設計需求。

具體而言，無框力矩電機有以下幾點優勢：

1）機器需要更小的占地面積。將無框電機集成到機器結構中除了能最大限度減小電機所占空間外，在采用適合直驅應用的無框設計時，還能通過去除齒輪箱、皮帶和滑輪來進一步節省空間。

2）機器需要增強性能。通過將無框電機元件集成到機器中，可以去除聯軸器或皮帶等彈性機器元件，從而提升機器性能。集成式電機還能提高動態響應和系統效率，並可簡化添加液體冷卻以顯著增加可用連續轉矩。

3）機器需在嚴苛環境條件下運行。嚴苛環境條件可能包括腐蝕性化學品高壓沖洗、高溫環境、輻射或真空環境等。需在此類環境中運行的電機外殼可用來集成無框電機，不僅不會大幅增加成本，還能將無框電機的電機組件整合到機器元件內，不受環境幹擾。

無框力矩電機偏向定制，技術壁壘主要在于磁路和工藝設計。無框力矩電機采用分瓣繞線式的設計思路，但在生産過程中的一些繞線機設備上有特殊要求。無框力矩電機更偏向以輸出扭距爲衡量指標，而普通伺服電機更偏向以輸出功率爲評價指標。無框力矩電機是需要一體化設計並集成到機器內部，需要根據具體的機械設計尺寸來確定無框力矩電機的外形尺寸和扭矩/轉速性能。因此，我們認爲無框力矩電機在磁路和工藝設計方面有一定的技術壁壘，需要在低壓供電的環境下輸出更大功率，從驅動性的電路設計以及電路轉換等方面來看，通常需要定制，對整體安裝、固定的工藝及設計具有較高的要求。

3.2 無框力矩電機海外企業布局較早，已形成強大的品牌效應

和空心杯電機類似，海外起步早，先發優勢顯著。目前無框電機的代表性産品有美國科爾摩根的 TBM（S）無框力矩電機、Parker 公司的 K 系列無框伺服電機、Aerotech公司 S-series 高性能無框力矩電機、Alliedmotion 公司的無框力矩電機等；國內昊志機電等有無框力矩電機布局。

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