机器人动力之源，人形孕育新市场

投资逻辑： 电机分为哪些类型？ 电机是将电能转换为机械能的装置，按应用领域分为动力电机和控制电机。动力电机输出功率大，驱动性能好，常应用于汽车、家电等领域。控制电机控制精度高、响应速度快，常在控制系统中承担执行、检测和解算功能。 控制电机分为步进电机、伺服电机、力矩电机。步进电机结构简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。伺服电机增加了编码器与反馈机制，控制精度高，适用于半导体、工业自动化、机器人等领域。空心杯电机属于特殊的伺服电机。力矩电机以扭矩为控制方向，在电动机低速时仍能持续运转，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快等优点，分为有框力矩电机和无框力矩电机。 无框力矩电机：机器人关节电机，国内外厂商性能仍有差距 为什么机器人关节要用无框力矩电机？机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快。而无框力矩电机仅由转子 和定子组成，体积小，同时具有较高的功率，低转速情况下能够输出更大扭矩，更符合人形机器人的需求。 如何看待无框力矩电机的壁垒、竞争格局？（1）壁垒：磁路和工艺设计。海外厂商起步早，工艺技术拥有先发优势，例如科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，TQRobodrive采用模块化定子和环氧塑封灌胶技 术。国内企业起步晚，工艺水平和国外相比存在差距。（2）格局：全球龙头为科尔摩根，国内外厂商产品性能仍有差距。科尔摩根是全球无框力矩电机龙头，其电机性能在全球处于第一梯队。国内目前进展较快的公司包括步科股份、航天电器。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。 空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔 为什么机器人灵巧手要用空心杯电机？灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机属于 特殊的伺服电机，采用无铁芯转子结构，消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，具有体积小、控制精度高、寿命长、转速快、能效高、能量密度大等优势，完美契合了灵巧手对驱动电机的轻量化和高精度要求。 如何看待空心杯电机的壁垒、竞争格局？ 壁垒1：线圈绕组设计。（1）线圈成型方式分为卷绕生产和一次成型生产，后者工艺简单、效率高。国内厂商多采用卷绕式生产，生产效率低，废品率高，线圈直径小。（2）线圈绕法分为直绕形、马鞍形和斜绕形，其中斜绕形和马鞍形工艺简单，具有输出力矩大、转动惯量小、时间常数小等优势，国外厂商工艺更加纯熟。 壁垒2：绕线设备。海外厂商Meteor、田中精机等设备先进，基本实现了绕线设备的自动化、智能化。国内设备自动化程度低，尤其是面对较大功率电机的粗线径线圈，在可靠性和绕制精度方面与海外厂商仍有较大差距。格局：海外厂商技术领先，国产替代空间广阔。空心杯电机全球头部企业包括瑞士Maxon、瑞士Portescap和德国Faulhaber三家。国内企业中，鸣志电器技术水平位居全球前列，拓邦股份空心杯电机已实现批量应用；江苏雷利处于小批量验证阶段；伟创电气处于产品内部测试阶段，其余企业技术相对薄弱，国产替代空间广阔。 投资建议 考虑当前电机市场空间较大，同时国内厂商在无框力矩电机和空心杯电机技术领域仍有较大提升空间，在人形机器人产业链发展催化下，国内厂商有望加速实现国产替代，建议重点关注无框力矩电机领域的步科股份，空心杯电机领域的鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利。 风险提示 人形机器人发展不及预期，国产替代进展不及预期，行业竞争加剧。 内容目录 1.电机分为哪些类型？5 1.1按照应用领域分为动力电机和控制电机5 1.2按照电源类型分为直流电机和交流电机6 2.无框力矩电机：机器人关节电机，国内外厂商性能差距明显8 2.1为什么机器人关节要用无框力矩电机？8 2.2如何看待无框力矩电机的壁垒、竞争格局？10 3.空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔10 3.1为什么机器人灵巧手要用空心杯电机？10 3.2如何看待空心杯电机的壁垒、竞争格局？12 4.投资建议15 4.1步科股份：国内无框力矩电机龙头，盈利能力维持高位15 4.2鸣志电器：电机品类丰富，业务实现全球化布局17 4.3拓邦股份：智能控制系统领导者，布局新能源构建增长新引擎18 4.4江苏雷利：微特电机领域龙头，电机产品种类丰富20 5.风险提示21 图表目录 图表1：电机按照应用领域分类5 图表2：电机按照电源类型分类5 图表3：旋转电机和直线电机结构示意图5 图表4：步进电机结构图6 图表5：伺服电机结构图6 图表6：有框力矩电机图6 图表7：无框力矩电机图6 图表8：直流有刷电机结构图7 图表9：直流无刷电机结构图7 图表10：单相电机的转子受力图7 图表11：三相电机的转子受力图7 图表12：异步电机图7 图表13：同步电机图7 图表14：机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快8 图表15：无框力矩电机工作原理图8 图表16：无框力矩电机外观图8 图表17：科尔摩根的无框力矩电机实现更高扭矩9 图表18：科尔摩根的无框力矩电机实现更小尺寸9 图表19：特斯拉擎天柱关节执行器分为旋转和线性两类9 图表20：特斯拉擎天柱关节执行器结构图9 图表21：优必选仿人服务机器人Walker采用无框力矩电机9 图表22：海外厂商无框力矩电机及设计工艺10 图表23：国内外无框力矩电机厂商对比10 图表24：普通铁芯电机与空心杯电机对比11 图表25：空心杯电机机械时间常数小、控制精度高（ms）12 图表26：空心杯电机转速更快（rpm）12 图表27：机器人灵巧手是空心杯电机的应用方向之一12 图表28：因时机器人灵巧手内置空心杯电机12 图表29：一次成型生产技术工艺相对简单、效率更高13 图表30：空心杯电机线圈绕制形式13 图表31：绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本13 图表32：瑞士Meteor和日本日特机械绕线机14 图表33：中特科技和勤联科技绕线机14 图表34：国内外空心杯电机厂商对比14 图表35：国内产品价格优势明显15 图表36：重点公司估值表15 图表37：18-22年步科股份收入CAGR达14%16 图表38：18-22年步科股份归母净利润CAGR达26%16 图表39：步科股份毛利率保持在40%左右16 图表40：步科股份第三代无框力矩电机性能优越17 图表41：鸣志电器多种产品可运用于人形机器人17 图表42：17-22年鸣志电器收入CAGR为12.7%17 图表43：17-22年鸣志电器归母净利润CAGR为8.27%17 图表44：鸣志电器收入以控制电机及其驱动系列产品为主18 图表45：鸣志电器已实现全球布局18 图表46：拓邦股份业务布局19 图表47：17-22年拓邦股份收入CAGR为27.03%19 图表48：17-22年拓邦股份归母净利润CAGR为22.66%19 图表49：工具、家电业务为基本盘，22年占比超70%19 图表50：新能源业务增长迅速19 图表51：拓邦股份电机产品一览20 图表52：江苏雷利布局家电、工业控制、汽车、运动健康四大领域20 图表53：18-22年江苏雷利收入CAGR为6.56%21 图表54：18-22年江苏雷利归母净利润CAGR为6.68%21 图表55：江苏雷利毛利率近年来呈增长态势21 图表56：江苏雷利空心杯电机系列21 1.电机分为哪些类型？ 电机是依据电磁感应定律将电能转换为机械能的装置，主要由定子、转子及其他附件组成。其利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，从而为多种机械提供动力。电机有多种分类方式，按照应用领域分为动力电机和控制电机；按照电源类型分为直流电机和交流电机。 图表1：电机按照应用领域分类图表2：电机按照电源类型分类 来源：机械工程文萃，国金证券研究所来源：机械工程文萃，国金证券研究所 1.1按照应用领域分为动力电机和控制电机 动力电机输出功率较大，注重电机的驱动、运行及制动性能，主要应用于汽车、家电、小型机床等领域。控制电机侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标，精度高、响应速度快，主要在自动控制系统中承担执行、检测和解算功能。 （1）动力电机：按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转电机展平而得，其定子叫初级、转子叫次级，其优势在于可以直接将电能转换为直线运动的机械能，而无需再借助中间转换装置。常见的直线电机可分为U型槽式、平板式和管式。 其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱动电机，例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。 图表3：旋转电机和直线电机结构示意图 来源：《浅谈直线电机在轨道交通车辆车门上的应用》，国金证券研究所 （2）控制电机：按照控制方式进一步分为步进电机、伺服电机、力矩电机。 步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电动机，每输入一个脉冲信号，步进电机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。 伺服电机相较于步进电机增加了编码器与反馈机制，使得驱动器可以根据目标值与编码器的反馈信号之间的差异来调整转子转动的角度，从而可实现更精密的控制，主要适用于半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等对于控制精度、速度响应、过载 能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机是一种特殊的伺服电机，采用无铁芯转子，呈空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。 力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用开环控制。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。在电动机低速甚至堵转（转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好等优点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。 图表4：步进电机结构图图表5：伺服电机结构图 来源：鸣志电器官网，国金证券研究所来源：鸣志电器官网，国金证券研究所 图表6：有框力矩电机图图表7：无框力矩电机图 来源：杰瑞特官网，国金证券研究所来源：科尔摩根微信公众号，国金证券研究所 1.2按照电源类型分为直流电机和交流电机 直流电机由直流电源驱动，交流电机由交流电源驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大，适用于在重负载下启动或需要均匀调节转速的机械。交流电机效率高、噪音低，常用于家用电器中。 （1）直流电机：按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机，为使转子转动需要不断改变电流方向。 有刷电机采用机械换向，内部的电枢和换向器一起旋转，而外部的磁极和电刷都不动。通过换向器与电刷的交替接触，电机运行时电流的方向就会不断改变，从而改变电机的运动方向。其优势在于启动快速、制动及时、调速平稳，并且启动电流大、在低速时扭矩大，因而能带很重的负荷，常用在电钻等日常电动工具中。但由于换向器与电刷之间存在摩擦，因而电刷易损耗、寿命短，并且效率较低。 无刷电机采用电气换向，以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置，其线圈不动而磁极旋转。其原理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，从而适时切换线圈中电流的方向，以产生正确方向的磁力来驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用寿命长、运行时间和电压比较稳定。 图表8：直流有刷电机结构图图表9：直流无刷电机结构图 来源：智能建筑电气技术杂志，国金证券研究所来源：智能建筑电气技术杂志，国金证券研究所 （2）交流电机 交流电机按照电源类型分为单相电机与三相电机。单相电机采用单相交流电源供电，定子仅含一个绕组，需借助启动线圈或运行电容器等以产生旋转磁场。特点是结构简单、维修方便，多应用于小型家用电器等生活场景。三相电机采用三相交流电源供电，定子绕组分 为三组，通入互差120°的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性和精度高，多用于水泵、机床等工业领域。 图表10：单相电机的转子受力