2023年中国空心杯电机行业概览：人形机器人核心零部件，本土市场需求爆发可期

2023年中国空心杯电机行业概览：人形机器人核心零部件，本土市场需求爆发可期China Coreless Motor Industry中国中国中空カップモーター産業报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造、传播、出版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行为发生，头豹研究院保留采取法律措施、追究相关人员责任的权利。头豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号、商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘用其他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动。www.leadleo.com报告标签：空心杯电机、微特电机、人形机器人主笔人：文上行业概览2023/09（摘要版） 行业概览| 2023/05www.leadleo.com400-072-55882由于高端工业技术快速发展，空心杯电动机避开有铁芯电动机的多种技术弊端，在多种应用场合拥有不可替代的地位，因此市场规模不断扩大，预计2027年全球空心杯电机市场规模达到70.4亿元。机器人是空心杯电机市场发展最重要的应用领域；在2022年空心杯市场规模中人形机器人领域占比为38.0%，预计该领域占比将持续扩大，到2027年占比达到49%，市场规模为34.8亿元。1.空心杯电机市场发展空间如何？空心杯电机上游主要包括原材料和零部件，上游总体议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足；中游为制造商，目前马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商主流；下游应用领域广泛，多为高端领域。2.空心杯电机产业链各环节发展情况如何？报告要点速览本篇报告主要关注以下问题：1.空心杯电机市场发展空间如何？2.空心杯电机产业链发展情况？3.空心杯电机竞争格局如何观点提炼目前，空心杯市场以国际厂商占据主导，国际市场呈现Maxon、Faulhaber和Portescap三足鼎立格局；中国市场以鸣志电器为代表，此外还包括鼎智科技、拓邦股份兆威机电、伟创电气等上市企业。2022年全球空心杯电机CR5为67%，国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列；中国空心杯电机厂商发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比存在一定差距。2.空心杯电机竞争格局是怎样的？ 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.com400-072-55883◼精华摘要空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机，在结构上突破传统电机的转子形式，从而彻底消除铁芯形成涡流所造成的功率损耗，具有良好的控制特性和伺服性能◼空心杯电机具有无齿槽效应、低电感和结构紧凑等特点，也具备节能、控制、拖动和能量密度等特性。在结构上，空心杯电机突破传统电机的转子结构采用无铁芯转子，从而彻底消除铁芯形成涡流所造成的功率损耗；同时，空心杯电机转动惯量大幅降低，且响应速度快，具有良好的控制特性和伺服性能空心杯电机定义来源：头豹研究院❑空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机，其尺寸较小，直径不超过40mm，可将其归类为微特电机的细分领域。空心杯电机主要由轴、轴承、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、线圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）等组成❑空心杯电机磁体需在径向方向上进行磁化，因此圆环磁体的端面上设槽是它的显著特点之一。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术先进性十分明显。空心杯电机产生的转矩均匀分布，在低速下保持平稳运行，在高速运转下减少震动和噪音轴轴承电刷线圈换向器磁铁外壳空心杯电机结构图空心杯电机特点与特性无齿槽效应节能特性控制特性拖动特性能量密度特性磁路设计更优，功率密度更高，温升低，效率高具有较高能量密度，相较于相同功率的传统铁芯电机，空心杯电机重量可减轻30%-50%，体积减小30%-50%空心杯电机运行稳定可靠，转速波动较小且易于控制，通常可控制在2%以内的范围内空心杯电机特点与特性结构紧凑低电感高动态响应，高加速度空心杯电机能量转化效率一般超过70%，部分产品能够达到90%以上，而传统电机转化效率通常在70%以下低运行平稳，低振动，低噪音，转子可控制在任意位置空心杯电机具有快速响应速度和较小机械时间常数，一般在28毫秒以内；而铁芯电机机械时间在100毫秒以上；空心杯电机具有良好的启动和停止特性，在高速运行时转速调节灵敏垫圈 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.com400-072-5588根据换向方式不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机，无刷电机适用于需长时间运行和具有较高控制要求的应用场景，有刷电机适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业◼根据换向方式的不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机◼无刷空心杯电机（采用电子换向，线圈固定，磁极旋转）无刷空心杯电机利用电子设备、霍尔元件感知永磁体磁极位置，并根据感知结果使用电子线路适时切换线圈中电流方向，使其产生正确方向的磁力来驱动电机。由于采用自控式运行，电机无需像变频调速下的同步电机那样在转子上额外增加启动绕组，也可避免在负载突变时产生振荡和失步现象。无刷空心杯电机采用无齿槽结构线圈，消除齿槽转矩，并大幅提升电机效率和功率密度。它适用于需要长时间连续运行和具有较高控制要求或可靠性要求的应用场景◼有刷空心杯电机（采用机械换向，磁极固定，线圈旋转）有刷空心杯电机通过换向器和碳刷的交替接触，使线圈电流方向随着电机的转动而变化。由于碳刷的摩擦会导致能量损耗，需要定期更换碳刷；此外，碳刷与线圈接线头之间的断续接触会产生电火花，并干扰电子设备。有刷空心杯电机采用空心杯线圈转子，具有无齿槽转矩、小转动惯量、灵敏反应和高扭矩的特点，适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业空心杯电机分类（按换向方式划分）簧环垫圈机壳电机磁体套筒轴承无铁芯绕组换向器套筒轴承轴后盖前端盖绕组磁钢外壳霍尔传感器波簧柔性电路板平衡环霍尔磁钢铁芯安装架滚珠轴承后端盖无刷空心杯电机有刷空心杯电机长寿命（20000h）电机寿命受限（2000h）高转速电机转速有限电磁干扰可忽略有火花有铁损无铁损需要驱动控制控制简单 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.com400-072-5588空心杯电机上游主要包括原材料和零部件，上游总体议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足；中游为制造商，目前马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商主流；下游应用领域广泛，多为高端领域5052.955.859.465.670.420222023E2024E2025E2026E2027E空心杯电机产业链图谱上游：原材料与零部件中游：空心杯电机制造商下游：应用领域运营商航空航天铜原材料•空心杯电机制造工艺线圈绕组主要分为直线形、马鞍形和斜绕形。目前，马鞍形和斜线形绕线方式是国际制造厂商的主流线形设计，这是由于马鞍形和斜线形无端部绕组，导线利用率高，重量优化，同等条件下具备转动惯量、时间常数小和输出力矩大等优势钢材轴承塑料空心杯电机最初被应用于航空航天、军事等尖端行业，近年其应用领域逐步扩展至民用市场，如医疗装置、消费类电子产品、电动工具、工业自动化等场景零部件铸件•空心杯电机的上游构成与微特电机相似，主要包括原材料和零部件，原材料包括铜、钢材、永磁体材料等，零部件包括轴承、铸件和塑料件等。在原材料中，不同永磁体的特点和性能存在差异，在保证产生的磁场稳定的同时，需根据应用场景对工作温度、环境的要求，合理的配置永磁材料，达到电机的性能和成本效应最大化；此外，石墨电刷（>26mm，>10W）更适用于大电机，贵金属电刷更适用于空心杯电机（<13mm）。在零部件方面，套筒轴承相比较滚柱轴承更适用于空心杯电机。总体来看，上游议价能力一般，技术壁垒较低，产能较充足磁钢国际中国34.8%25.9%39.3%中国欧洲其他地区空心杯电机市场分布情况，2021年38%62%人形机器人领域其他领域空心杯电机应用领域占比，2022年空心杯电机市场规模，2022-2027E机器人工业自动化医疗器械国防军工消费电子测量仪器光学设备生活用品电刷单位：亿元 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.com400-072-5588特斯拉Optimus人形机器人催化空心杯电机发展，产业进展大幅加速，空心杯电机作为人形机器人灵巧手关键零部件，在手部执行器零部件成本占比达54.5%，单台人形机器人需12个空心杯电机◼空心杯电机是人形机器人灵巧手的关键零部件，其成本占比达54.5%（以特斯拉为例）空心杯电机主要应用于人形机器人手部关节。人形机器人手指关节自由度提升，考虑到人形机器人的仿真性，其手指关节处需要配备体积小且能输出较大力的电机，空心杯电机具备较强契合度特斯拉Optimus人形机器人中，灵巧手包含6个手部执行器，11个自由度，采用经典的六电机+金属腱绳方案。灵巧手主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠丝杠、传感器和编码器构成。空心杯电机使手指拥有活动能力，其中大拇指外的每节手指对应一个空心杯电机模组，大拇指环节同时完成伸缩和翻转2个动作配备2个空心杯电机模组，每个灵巧手由6个电机驱动；精密行星齿轮箱可实现降速增矩的作用，使机械手定位更精准、运用更灵活，增大手指抓握力；编码器提供手部高精度位置反馈和速度反馈；传感器使机器人拥有类似人类的知觉功能和反应能力特斯拉人形机器人成本占比情况来源：头豹研究院14.8%30.8%20.9%22.4%0.3%8.1%0.9%1.8%肢体骨骼运动控制处理器旋转关节执行器线性关节执行器头部交互手部关节执行器环境探测传感器动力电池特斯拉人形机器人手部执行器零部件成本情况特斯拉Optimus手部关节全球机器人市场产量3.33.33.63.84.04.14.34.40.40.40.40.40.40.40.50.52020202120222023E2024E2025E2026E2027E工业机器人服务机器人单位：百万台 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.com400-072-55882022年全球空心杯电机CR5为67%，国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列；中国空心杯电机厂商发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比存在一定差距◼全球空心杯电机市场集中度较高，2022年全球空心杯电机CR5为67%。按照业务营收规模来看，Maxon、Faulhaber、Portescap占据全球主要市场份额，此外，第 二 梯 队Allied Motion Technologies、Nidec Copal、Orbray也表现较突出全球空心杯电机竞争格局，2022年来源：头豹研究院MaxonFaulhaberPortescapAllied Motion TechnologiesNidec CopalOrbrayCR567%全球空心杯电机竞争格局万至达电机、伟创电气、兆威机电、昊升电机、鑫宝达电机等拓邦股份、鼎智科技鸣志电器◼中国空心杯电机厂商发展较晚，距国际厂商仍有一定差距国际头部企业历史积淀悠久，技术积累深厚，营收规模处于前列，而中国空心杯电机发展较晚，在规模和技术积累等方面与国际头部企业相比有一定差距。在营收规模上，2022年Maxon营收7.1亿瑞士法郎（约52.8亿人民币），而鸣志电器、鼎智科技、拓邦股份营收分别29.6、3.2、88.7亿元，但目前中国厂商空心杯电机占营收比例极小，属于非主营业务，因此规模与国际头部企业相差较大国际与中国空心杯电机产品对比——直径对比空心杯电机厂商有刷空心杯直径（mm）无刷空心杯直径（mm）Mason6-654-90Faulhaber6-383-44Portescap8-3512-35鸣志电器8-2413-30鼎智科技/16-42拓邦股份16-4012-40 空心杯电机行业行业概览| 2023/09www.leadleo.co