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来源：英雄联盟决赛压注 发布时间：2024-04-25 14:43:18
电机品种繁多，普遍有两种分类方式：按照控制方式能分为伺服电机、步进电机 和力矩电机等；按照驱动方式分为直流电机和交流电机，其中交流电机按照转子和 定子转动是否同步可大致分为同步电机和异步电机（感应电机）。
伺服电机和步进电机：主要区别为控制方式、控制精度、速度响应和过载能力。伺 服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，一般采用闭环/半闭环控制， 编码器和反馈机制保证高控制精度和高低速的流畅切换，广泛应用于半导体、光伏、 锂电、工业机器人等精密控制环节。步进电机可以将脉冲信号直接转化为角动量且步距角恒定，一般为开环控制，精度弱于伺服，但结构简单成本低，广泛应用于工业 自动化、办公自动化、家用电器等领域。
直流无刷和有刷电机：无刷电机以电子换向器（霍尔元件等）替代电刷。直流电机 相对于交流电机有良好的启动和调速特征，且转矩较大，在机器人等场景应用广泛； 其中无刷电机由于不采用机械电刷装置优势更为明显，包括无电刷火花，高效率、 低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性等。 交流同步和异步电机：依据定子和转子磁场转速是否同步而划分。异步电机的工作 原理是“电磁感应”，定子旋转变化的磁场在转子中感应出电流，此电流在磁场中受 力，带动转子转动，电机转子与定子磁场存在转速差，所以称之为异步电机，异步电 机结构简单，维护方便，运行可靠价格便宜，应用于传送带等工业传动场景较多。同 步电机的转子产生恒定磁场，而定子产生旋转磁场，转子磁场和定子磁场通过 “互 锁”而同步运行，效率、精度更高且更易控制，广泛应用于风扇等恒速负载领域。
机器人的驱动方式包括电动、液压和气动。电动驱动能够进行更为灵活、精准、方 便的运动控制，但不易进行重负载活动，核心部件为电机，广泛用于大部分机器人 公司；液压驱动更为高效且可以做到无极调节，驱动强劲，出力大但不灵活，适用于 弹跳和重负载活动，核心部件为液压缸、液压阀等，代表企业为波士顿动力；气动驱 动使用压缩空气发挥作用，节能方便但精度低，适于在中、小负荷的机器人中，主要 用于拣选、装载等仓储任务，核心部件为气缸等，代表企业为费斯托。
机器人关节驱动方式可大致分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动等不同模式。 （1）刚性驱动：起步于1971年，元件和负载刚性连接，结构简单、精准度高，曾在 全球首台三维双足机器人应用；刚性关节是最为传统的双足机器人关节，优点是控 制框架稳定、扭矩密度高，缺点是输出转速低。 （2）弹性驱动：起步于1995年，在驱动元件和负载之间增加了弹性单元来模拟肌肉 系统功能，使关节表现出一定的柔性、安全和高能量效率特性，并增加容错性；弹性 关节的优点在于可以抵抗外部冲击、储能节能，但因为机构复杂，控制较难，应用较少。 （3）准直驱驱动：起步于2016年，依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力 矩传感器,就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，最理想的是电机直接驱动,但 受限于电机工艺和技术,电机直驱驱动器的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因 此，折中采用电机加低传动比减速器的方案；准直驱关节一般由高扭矩密度电机、 低传动比减速器、编码器和控制板等组成，具有功率密度高、力控带宽大、抗冲击 能力强、爆发力强等优点，但控制机制较为复杂，目前主要用于四足机器人。
电机的基本参数包括转动惯量、扭矩、功率等，细长、扁平电机功能特性不同。惯 量为刚性物体绕轴运动的惯性量度，相当于线性力学中的质量，决定电机的反应速 度；扭矩提供角加速使物体绕定轴旋转，相当于线性力学中的力；功率由扭矩、速度 两个维度决定。相同质量、定子/转子截面厚度情况下，扭矩和转子半径正相关，因 此细长电机半径小、转矩小、惯量小、响应快、转速快，扁平电机半径大、转矩大、 惯量大、响应慢、转速小。 关节架构影响电机选择，刚性驱动偏好高转速的细长电机，而准直驱关节则偏好大 扭矩的扁平电机。相同输出功率下，刚性驱动搭配高转速电机+高减速比减速器能实 现较高的扭矩密度，输出力矩大；准直驱驱动搭配大扭矩电机+低减速比减速器能实 现更优的功率密度，即更强的爆发力。
电机的选型需要做到与机器人关节的充分适配，需要综合考虑机器人关节的尺寸功 率比、负载大小、精准性、可靠性、资源消耗等多维因素。 机器人所用电机主要包括交流、直流、伺服和步进电机。根据Skyquest数据，分电 机类型看，全球机器人电机占比最高的为直流电机，凭借其紧凑的尺寸和高效率高 扭矩的能力大范围的应用于工业、协作、服务机器人领域；增速最快的为伺服电机，主要 系数控机床、工业自动化等行业对高精度和精密控制的机器人系统的需求不断增加 所致。
人形机器人涉及的电机产品包括无框力矩电机和空心杯电机等。 力矩电机是一种多级对、无机壳的直驱电机，扭矩增强且结构紧凑。相较于普通电 机主要规格为功率，力矩电机的规格和选型主要取决于扭矩，力矩电机极对数多， 在电机低速甚至堵转时仍能持续运转并提供稳定的力矩给负载；同时，力矩电机为 直驱电机，负载直接连接转子，不需要任何传动件，减少摩擦损耗，结构紧凑；除此 之外，力矩电机为无框架式永磁电机，没有机壳，只有定子和转子两个部件，中空孔 大，方便走线。目前，无框力矩电机主要用在协作机器人等领域。
空心杯电机是微特电机的一种，无铁芯转子，重量轻且效率高。空心杯电机在结构 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；同时，由于转子重量大幅降低，所以 转动惯性减小，相比传统铁芯电机，大扭矩急加速急减速性能突出；另外，空心杯电 机还具有体积小、可控性高、噪音小等优点。因此，空心杯电机主要用在需要快速响 应（如军工、检测）和对重量和能耗要求较高（如无人机、机器人）等领域。
无框力矩电机目前主要用在协作机器人等领域，电机本质为对机器人功能的适配。 协作机器人的主要特点包括具备人机交互能力，且工作空间更为复杂，空间适应性 更强，因此在紧凑小型化、空间避障、轻量化等领域有较为明显的特征。基于此，协 作机器人采用无控制柜、轻量化的设计方式，进而影响零部件选型，包括采用紧凑 伺服驱动器&编码器、中空走线、高输出密度的伺服关节等。无框力矩电机之所以应 用于协作机器人领域，本质是对其紧凑、大扭矩、中空走线的功能之实现。 以Universal Robots推出的UR5协作机器人为例，电机与关节高度集成化，抱闸、驱 动器、编码器、无框力矩电机、中空套筒，谐波减速器、输出法兰环环相扣，精密融 合。
人形机器人可以看做协作机器人功能的进一步升级和外延。在人机交互方面，人形 机器人被植入“大脑”，同时具备视觉、听觉、触觉等多种功能；在该空间适应能力 方面也更加多样化。因此人形机器人与协作机器人在关节设计中有相同的产品特征 基础，人形机器人采用无框力矩电机本质也是对其大扭矩、高效率、轻量化、集成 化的功能实现。
空心杯电机从军事、航空航天等领域逐渐进入大工业和民用。空心杯电机被发明于 1950s，之后凭借其寿命长、快速响应、体积小、高精度等特征在军工、航空航天等 领域逐渐推广，如运用于导弹飞行的快速调节、火星探测器、航天飞机等。随着技术 成熟度的增加，空心杯电机逐渐向工业自动化等民用领域推广，如机器人、微型泵 等。
空心杯电机是微型执行器的重要组成，大范围的应用于机器人机械手。以Orbray开发的 K3 Hand协作机器人为例，其模仿人手部结构，共有3根手指8个自由度，其中拇指 有4个自由度，其余手指各2个自由度，机器人可以抓住不同形状、位置和柔软度的 物品，应用于实验等领域。K3 Hand载有Orbray开发的微型伺服执行器，包括无刷空 心杯电机（直径10mm）、精密传动齿轮、离合器、电位器四部分，各部分紧凑贴合、 高效灵活，执行器尺寸仅有12mm*24mm*14mm，重量仅12g，输出扭矩可达 147mNm，其中空心杯单机对执行器的平稳运行发挥了重要作用。 特斯拉灵巧手单手有6个主动自由度，其执行器采用空心杯电机+微型齿轮的模式， 可以做到轻量且高效。
电机是工业社会中的基础产品，全球市场空间超千亿美元。根据precedence research数据，2020年全球电机市场规模约1630亿美元，并预计以7%的CAGR成长 至2030年的3226亿美元；分下游看，电动汽车、工业设备、暖通空调为主要应用领 域。 机器人占电机整体市场比例不到1%，但增速较快，东亚为主力市场。根据future market insights和skyquestt数据，22年机器人电机市场空间为11亿美元，预计未来 将以12%的CAGR成长至2030年的28亿美元，增速大幅快于行业整体。分区域看， 东亚地区凭借高机器人数量和自动化水平在机器人电机细分领域占比更高：根据 grand view research数据，亚洲在全球电机占比仅为40%；而根据future marketinsights数据，22年东亚地区机器人电机市场规模占全球市场比重达61%。
力矩电机优势逐渐显现，22年市场空间达6亿美元。力矩电机用于军工、机器人（主 要为协作机器人，每个协作机器人需要配置6-7个无框无框电机）、机床等多种场景， 凭借易于集成、高动态性能和宽扭矩速度等优点获得市场青睐。根据technavio数据， 2022年力矩电机市场规模约6.1亿美元，并有望以8.0%的CAGR增长至27年的9.0亿 美元；结构性看，直流电机占比较高；分区域看，23-27年亚太地区对全球市场的增 长贡献了48%，主要系亚太地区制造业发展带动集成力矩电机的机床需求持续增加， 同时工业机器人和自动化机械持续扩容。
本土企业跻身第二梯队。根据QYResearch数据，力矩电机全球第一梯队厂商主要有 Parker Hannifin（派克汉尼汾）、Nidec（尼得科）、Aerotech（艾罗德克）和Kollmorgen （科尔摩根 ），第二梯队厂商有绿的谐波、西门子、Pranshu Electricals等。
空心杯电机起步于欧洲，推广于中国，22年市场空间超7亿美元。根据GII数据，22 年空心杯电机全球市场规模约7.5亿美元，并预计以8.0%的CAGR成长至2028年的 11.9亿美元，市场的增长主要归因于空心杯电机在医疗设备、航空航天、军工、机器 人等领域的的使用增加，此外，对能够以高速、低振动和低噪音运行的高性能电机 的需求不断增长，也是推动该市场增长的关键因素；产品结构看，有刷空心杯电机 占比较高；分地区看，21年中国空心杯市场空间位列第一位，录得2.4亿美元，占比 34.8%，欧洲市场占比25.9%。 本土企业空心杯电机在工业领域已有较为大范围的应用，差距在缩小。全球空心杯电机 主要制造商包括Faulhaber（冯哈伯）、Portescap、Allied Motion（艾莱德摩新）、 Maxon（马克森）、鸣志电器、拓邦股份等，根据GII数据，前三大企业占有全球55.4% 的市场。海外公司在高端产品较为领先，如冯哈伯的产品应用于手术机器人、呼吸 机、两栖飞机等，马克森的产品应用于火星探测器，可良好的承受火星表面的地震 及-120℃至+25℃的温差变化。本土企业中，鸣志电器空心杯电机应用于人工智能、 高端医疗器械及生化分析仪器、智能汽车电子、半导体制造、工控等领域，竞争实力 也较强。综合对比海内外公司，本土产品的主要差距在材料选用（如加工镀膜工艺）、 本体设计（如最小尺寸）、机电控制（定制化开发能力）。
复盘特斯拉新能源汽车产业化进程，产业化将带动核心零部件大幅扩容。新能源车 第一个五年为0到1的过程，伴随着新产品的研发、市场模式的摸索以及政策补贴的 介入，特斯拉新能源汽车销量由2012年的不到1万台增长至2017年的10万台；第二 个五年为产品规模化后1到N的过程，伴随着电池、电驱等产业链的培育，产业竞争 格局的形成，以及规模化后的产品降价等，特斯拉新能源汽车销量于2022年突破百 万台。 若未来人形机器人若能够达到消费品级别的体量，将带动机器人电机市场扩容。目 前人形机器人正处于产品研发和政策摸索的0到1的过程，与新能源汽车产业化早期 有一定相似性，该阶段为零部件产品的导入验证阶段。展望未来，预计人形机器人 将凭借其性能优势在工业、生活等各领域高速渗透，未来潜在市场空间达上百亿美 元，若人形机器人产业化顺利，力矩、空心杯电机作为其核心零部件需求量将持续 增长。
我们认为，海外科尔摩根、日本电产为代表的企业虽然在高端产品及营收规模上较 为领先，但产品价格也较高，人形机器人不同于军工、航天等高精尖产业，产业化进 程更看重性价比和保供能力，中国企业已具备产品基础。 国内无框力矩电机主要玩家有步科股份、昊志机电。其中步科股份无框力矩电机产 品形成完整的系列化的产品线，收入达到百万级；昊志机电产品已经大范围的应用于协作机器人和轻型机器人领域，同时，昊志机电现有的产品有谐波减速器、无框力 矩电机、驱动器、编码器、力矩传感器等可应用于人形机器人。 空心杯电机主要玩家为鸣志电器、江苏雷利、伟创电气。其中鸣志电器为运动控制 领域优质的出口企业，空心杯电机畅销国内外；江苏雷利和鼎智科技的空心杯电机 为共同研发生产，产品大范围的应用于军工、半导体、医疗等领域，同时当前多款样品处 在测试阶段。 汇川技术和禾川科技为国内伺服产品主要供应商。其中汇川技术具备工控和工业机 器人双重业务优势，并持续研发提高直驱电机竞争力；禾川科技的无框力矩直驱电 机大范围的应用于工业机器人、激光等领域。
本土企业经过多年发展，在产品、下游以及市场端逐渐积累优势。 （1）产品品类：打产品组合牌，具备多产品打入供应链的潜力。鸣志电器不但在空 心杯电机领域具备较强实力，其伺服系统等产品实力也较强，具备组合应用潜力； 鼎智科技在空心杯电机领域与江苏雷利合作研发，而直线驱动领域行星滚柱丝杠已 取得里程碑式成就，能应用于人形机器人直线）下游应用：具备工业机器人应用基础，经验比较丰富。昊志机电的无框力矩电机广 泛应用于协作机器人领域，而人形机器人于协作机器人关节执行器可比性较强，具 备产品可迁移性；伟创电气于22Q2成立机器人事业部，持续开拓市场；汇川技术由 工业自动化控制底层技术向SCARA机器人等领域拓展，并使用自研伺服和控制器， 22年中国市占率位列第二。 （3）海外认可：优质的出口企业，全球认可度高。以2022年海外收入占比为例，鸣 志电器、江苏雷利、鼎智科技占比均超过40%，昊志机电约30%，伟创电气、步科股 份约20%，主要企业出口能力较强。同时，以鸣志电器为代表的企业在美洲、欧洲、 东南亚等全球设立子公司，渠道建设成熟，可更优服务全球化生产。
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