機器人核心零部件——電機

電機將電能轉化為機械能的設備，用于產生旋轉運動或線性運動。按工作用途來分類，電機分為驅動電機和控制電機。其中，空心杯電機和無框力矩電機均屬于控制電機分類。國家積極頒布一系列政策推動電機相關產業的發展。電機作為機器人核心零部件，為重點突破的核心技術之一。同時，未來人形機器人實現規模量產，將進一步驅動電機需求。

一、電機行業概覽

1、電機分類及區別

電機是將電能轉化為機械能的設備，用于產生旋轉運動或線性運動。其工作原理是基于電磁學原理，通過電流在磁場中的作用來實現運動。電機為現代工程和科技的核心組成部分，在各種應用領域中起著重要作用，從驅動機械設備到提供動力和控制系統。隨著技術的不斷發展，電機的性能和效率不斷提高，以滿足不同領域的需求。

電機種類多樣化，根據不同分類標準可劃分為不同類型。按工作電源來分類，電機分為直流電機和交流電機。直流電機是指通過直流電源供電的電機，而交流電機是指通過交流電源供電的電機。

（1）直流電機：直流電機是指將直流電能轉換為機械能的電機。直流電機具備轉速穩定、起動轉矩大、效率高等優點，但其缺點是結構復雜、維護困難、成本較高等，主要應用于機床、機器人、電動車、船舶等領域。直流電機按結構分類可分為有刷直流電機和無刷直流電機。

?有刷直流電機：有刷直流電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成。有刷直流電機結構簡單，疊加已廣泛得到應用，其技術發展成熟，生產加工相對容易。同時，有刷直流電機起動扭矩大、響應速度快、控制精度較高（控制精度可達到0.01毫米）。

?無刷直流電機：無刷直流電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉。無刷直流電機通過霍爾元件感知永磁體磁極的位置，適時切換線圈中電流的方向，以產生正確方向的磁力驅動電機。由于去除電刷，在無刷直流電機的軸承磨損減少，使其使用壽命更長、維護成本更低；同時在運轉時摩擦力減少，使無刷直流電機運行更順暢、噪音降低。

（2）交流電機：交流電機是指將交流電能轉換為機械能的電機。交流電機具有耐用性、低制造成本、價格合理和易于操作等特點，被廣泛應用于消費品和工業設備。按電源分類可分為單相電機和三相電機。

?單相電機：單相電機利用單相交流電產生的磁場來產生轉矩，只有一個線圈，與單相交流電源相連。單相電機的轉子由鐵芯和導體組成，轉子上的鐵芯會受到線圈產生的磁場作用，從而產生旋轉力矩，驅動轉子旋轉。由于單相電源的交流方向只有一個，其轉矩產生不連續，需要通過啟動電容器等輔助裝置來實現啟動。單相電機結構簡單、安裝方便、成本低廉，適用于家庭和商業領域，如風扇、空氣凈化器、吸塵器等。

?三相電機：三相電機利用三相交流電產生的旋轉磁場來產生轉矩，由三個獨立的線圈組成，每個線圈之間相隔120度，分別與三相交流電源相連。三相電機的轉子是由磁性材料制成，通電后會在轉子內部產生磁場，從而與外部磁場相互作用，產生旋轉力矩，驅動轉子旋轉。三相電機效率高、運行平穩、壽命長，主要應用在工業領域，如水泵、風機、壓縮機等。

按工作用途來分類，電機分為驅動電機和控制電機。  控制電機：控制電機主要應用于精確的轉速、位置控制上，在控制系統中作為“執行機構”，可分為步進電機、伺服電機、力矩電機。

?步進電機：步進電機是將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到脈沖信號，脈沖信號驅動步進電機按設定方向轉動一個固定角度。可通過控制脈沖個數控制電機的角位移量，達到精確定位目的；同時也可以通過控制脈沖頻率控制電機轉動速度和加速度，達到調速目的。步進電機結構簡單、可靠性高和成本低，適用于自動送料機、打印機等領域。

?伺服電機：伺服電機能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，達到控制目的。伺服電機自帶編碼器，用于反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。由于伺服電機精度高、響應速度快、穩定性強、能產生較大的輸出力矩，廣泛應用于各種控制系統中。

?力矩電機：力矩電機是以輸出力矩為主要控制目標的電機。其控制過程中更側重對輸出扭矩大小的精確控制，而不是控制方向。由于力矩電機的高扭矩輸出和精確控制能力，常用于需高動態性能、精密定位和穩定扭矩輸出的應用，如機床、自動化生產線、機器人關節等。力矩電機可分為無框力矩電機和有框力矩電機。

2、政策助力技術突破

國家積極頒布一系列政策推動電機相關產業發展。《機械行業穩增長工作方案（2023-2024 年）》聚焦提升產業基礎能力、攻克關鍵核心技術與零部件，有利于電機的技術突破和產業升級。此外，《關于推動未來產業創新發展的實施意見》提出大力推動機器與電機相關產業的創新發展。機器人方面，將人形機器人列為重點突破高端裝備領域，通過強化技術研發實力，加快突破前沿技術和顛覆性技術，以實現產品的創新。電機方面，電機作為機器人核心零部件，為重點突破的核心技術之一。同時，未來人形機器人實現規模量產，將進一步驅動電機需求。

二、空心杯電機

1、空心杯電機分類與區別

空心杯電機是一種采用無鐵芯轉子的直流永磁伺服控制電機，主要由軸、軸承、電刷、換向器、杯形繞組（轉子）、轉軸、線圈、滑動軸承、外殼、磁鐵（定子）等組成。空心杯電機磁體需要在徑向方向上進行磁化，因此圓環磁體的斷面上設槽是其特點之一。空心杯電機具備突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定運行特性，技術先進性十分明顯。空心杯電機產生的轉矩均勻分布，在低速運轉下保持平穩運行，在高速運轉下減少震動和噪音。

根據換向方式不同，空心杯電機可分為有刷空心杯電機和無刷空心杯電機。

?有刷空心杯電機：有刷空心杯電機結構簡單，成本相對較低。轉子上的碳刷和換向器接觸，將電能轉換為機械能。兩者接觸會產生火花，并在接觸磨損過程中存在一定噪音和震動，同時也會影響電機性能導致電機壽命縮短。有刷空心杯電機適用于對體積和重量要求較低領域，如小型家電。

?無刷空心杯電機：無刷空心杯電機結構復雜，成本較高。由于無碳刷和換向器，無刷空心杯電機通過電子轉換器實現電能轉換，可根據轉子位置自動調整電流方向，實現無花火運行，減少損耗延長電機壽命。無刷空心杯電機體積和重量相對較小，同時效率高、壽命長等特點，適用于無人機、機器人、精密設備等領域。

2、下游領域逐漸擴展，行業壁壘高

空心杯電機產業鏈上游包括原材料和零部件，原材料主要為銅、鋼材、永磁材料等，零部件主要為軸承、鑄件、塑料等。中游為空心杯電機制造商。空心杯電機制造工藝線圈繞組主要分為直線型、馬鞍形和斜繞形。下游應用領域包括機器人、航天航空、消費電子等。空心杯電機最先應用于航天航空等領域，隨后應用領域逐漸擴展。2023年中國空心杯電機下游應用領域占比前五分別為醫療器械（37.00%）、倉儲物流（15.00%）、工業自動化（12.00%）、航天航空（11.00%）、機器人（8.00%）。

技術壁壘方面，空心杯電機工藝流程復雜，核心技術壁壘集中在線圈繞組。線圈繞組制造過程直接影響空心杯電機體積、轉速、功率密度和良率等性能。與傳統的無刷電機、有刷電機、伺服電機相比，空心杯電機結構為無齒槽結構，沒有定子槽，漆包線均為懸空繞線，內部無任何支撐，生產工藝難度較高。繞線精度方面，空心杯電機精度要求相比傳統電機高。空心杯電機體積較小，相比普通電機對誤差的容錯率更低，加工精度直接影響磁場的穩定性。導線粗細、繞組匝數的不同均會導致線圈繞組電阻值、啟動電流以及速度常數等參數存在較大差異。因此在生產加工環節中需提高精度、良品率等。

個性化產品壁壘方面，空心杯電機的品質將影響下游客戶產品的性能發揮、系統穩定性等，有一定概率上制造商需按照客戶產品需求對空心杯電機產品設計和工藝進行調整。另外一種模式，制造商與客戶形成協作的戰略模式，此類合作模式客戶粘性強，新進企業難以突破。

資金壁壘方面，空心杯電機體積小并實現高精度控制，依靠相對嚴格的工藝要求，同時需要龐大的資金投入到現代化設備，如全進口高精度模具、全自動高速沖床、全自動定子電鍍、精密轉子生產線、自動生產線等。此外，產品更新迭代也需足夠資金支撐后續的設備投入與研發費用。

3、行業集中度高，市場空間持續提升

全球空心杯電機以海外企業為主導，市場集中度高。空心杯電機技術含量高、生產難度大，同時下游應用領域不斷擴大，對產品的性能存在差異，制造廠商需具備一定的定制化生產能力予以應對。此外，由于技術更新迭代迅速，空心杯電機廠商需及時對產品進行迭代及優化。目前來看，全球空心杯市場仍以海外廠商為主導，2023年國外制造商市占率為85.00%。由于海外頭部企業技術累積深厚，2022年全球空心杯電機市場CR5為67.00%，全球前五企業分別為Faulhaber、Portescap、AlliedMotion Technologies、Maxon Motor、Nidec CopalCorporation。

空心杯電機下游擴展迅速，市場空間不斷提升。一方面，目前醫療器械、航空航天工業自動化產品對精度、轉速等方面要求進一步提高，帶動空心杯電機市場規模持續擴張。另一方面，空心杯電機快速響應、高精度特性適配于人形機器人手部關節；隨著人形機器人量產，有望助推空心杯電機迎來新增市場，市場規模上限進一步提升。根據中商產業研究院，預計2024年全球及中國空心杯電機市場規模分別為8.70億美元、3.20億元，分別同比增長7.41%、10.34%。

人形機器人打開市場空間。根據頭豹研究院，假設人形機器人的靈巧手均為五指（以特斯拉人形機器人為例），共使用12個空心杯電機，考慮規模生產、技術更新迭代等因素，均價逐年下降，預計人形機器人年產量分別為5萬臺、100萬臺、500萬臺，全球人形機器人用空心杯電機市場規模分別為10.83億元、205.77億元、977.41億元；中國人形機器人用空心杯電機市場規模分別為 5.42億元、102.89億元、488.70億元。

三、無框力矩電機

1、人形機器人關節主流電機，向高性能和多應用場景發展

無框力矩電機由定子和轉子兩部分組成，無傳統電機外殼和軸承，通過嵌入設備內部實現緊湊化設計和高效傳動。其以低速高力矩輸出為特點，省去中間機械傳動部件，減少能量損耗和系統慣性，提高設備動態響應和定位精度，適用于工業自動化、機器人、航空航天和醫療設備等領域。

無框力矩電機具備體積小、功率高、低轉速輸出大扭矩等特性，成為人形機器人關節驅動的主流電機。與普通電機相比，無框力矩電機更符合人形機器人需求。由于無框力矩電機的中空式設計，減小電機所占空間，更利于機器人輕量化發展。同時其在低轉速情況下能輸出更大扭矩，并且性能上不受高壓、高溫等環境影響，是人形機器人關節驅動中電機的較優選擇。

從技術壁壘來看，無框力矩電機技術壁壘主要為磁路和工藝設計。電機的轉矩密度和功率密度是影響機器人性能的重要指標。由于無框力矩電機需在低壓供電環境下輸出高功率，對磁路和工藝設計有一定的要求。未來，隨著下游行業加速發展，產品技術更新迭代，無框力矩電機將以高性能化、多應用場景發展。高性能化方面，通過電磁結構和材料的優化，將提升無框力矩電機的單位體積或單位重量的轉矩輸出，滿足下游緊湊設計方案的需求。多應用場景方面，針對不同下游領域研發專用無框力矩電機，將進一步提升產品的適應性和穩定性。

無框力矩電機產業鏈上游為釹鐵硼磁材、鋼材、繞線機等。中游為無框力矩電機制造商。下游應用領域包括機器人、通用機械、醫療器械、航天航空等。中國無框力矩電機下游應用領域中，機器人占比 80.00%，其中細分領域包括協作機器人、人形機器人等。

2、市場格局分散，人形機器人打開市場空間

海外廠商起步較早，工藝技術存在先發優勢。無框力矩電機主要海外廠商為美國科爾摩根、德國TQ-RoboDrive、美國 Aerotech、奧地利AVS Mechatronics GmbH 等，由于海外企業技術累積深厚，在技術研發和生產工藝上存在領先優勢。如科爾摩根產品采用分布式數槽及碳纖維綁扎技術、德國TQ-Robodrive 產品采用模塊化定子和環氧塑封灌膠技術。國內企業起步相對較晚，在轉矩密度和高端無框力矩電機產品上仍有一定差距。

產品定制化為主，市場競爭格局分散。雖然機器人作為無框力矩電機下游最大應用領域，但機器人各個細分產品（協作機器人、運動機器人、機器狗、人形機器人等）對無框力矩電機的參數要求不同，大部分以定制化為主。目前，國內外產品仍存在差距，國內企業依靠價格優勢搶占市場份額。2023年中國無框力矩電機市場市占率前三分別為合泰科技（16.00%）、大族電機（12.00%）、步科股份（7.00%）。我們認為隨著技術進一步突破，國產無框力矩電機滲透率將提升。

受人形機器人行業需求拉動，無框力矩電機市場規模呈上升態勢。根據華經產業研究院，2023 年全球無框力矩電機市場規模約為6.57億美元。隨著人形機器人規模量產，需求進一步增加，預計2030年全球無框力矩電機市場規模約為9.03億美元，2023-2030年復合增長率為4.65%。根據觀知海內信咨詢數據，預計 2024年中國無框力矩電機市場規模為2.23億元，同比增長13.20%。

中國人形機器人用無框力矩電機市場規模預測。根據頭豹研究院，人形機器人線性執行器、旋轉執行器（以特斯拉人形機器人為例）分別由無框力矩電機+行星滾柱絲杠、無框力矩電機+諧波減速器組成，共計使用無框力矩電機28個。同時根據銷售平臺科爾摩根及步科股份無框力矩電機銷售價格計算均價，考慮技術更新迭代等方面因素，假設銷售均價呈逐漸下降趨勢，預計人形機器人年產量為5萬臺、100萬臺、500萬臺，中國人形機器人用無框力矩電機市場規模分別為34.51億元、621.22億元、2795.47億元。

特斯拉人形機器人用無框力矩電機市場規模測算：從產量來看，根據特斯拉給出2025-2027年量產指引及上述均價計算，預計 2025-2027 年特斯拉人形機器人用無框力矩電機市場規模分別為 3.45億元、31.06億元、279.55億元。

四、技術壁壘及未來展望

目前，新一代靈巧手備受關注，空心杯電機作為靈巧手的關鍵部件之一，未來其精度及各方面參數將進一步提升以助力靈巧手完成彈鋼琴或穿針引線等動作。無框力矩電機作為線性傳動和旋轉傳動的主流電機，其優勢較為明顯。隨著下游應用領域擴大，將拉動增量需求。未來人形機器人逐漸邁向產業化，以特斯拉、宇樹科技等企業為代表的人形機器人順利實現產業化并逐漸放量，空心杯電機和無框力矩電機行業空間將迎來巨大提升。