人形机器人电机行业深度：电机是机器人核心驱动，人形机器人打开新成长

电机是机器人核心驱动，人形机器人打开新成长——人形机器人电机行业深度 分析师：刘阳东SAC编号：S0870523070002分析师：吴婷婷SAC编号：S0870523080001 电机驱动为机器人主要驱动方式，驱动系统是使机器人发出动作的机构，是机器人的关键部件 机器人驱动方式可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。 无框力矩电机崛起背景：主要跟随人工智能的高速发展，人工智能对协作机器人，服务类型的机器人，人形机器人需求增多，要求也越来越高，需要定制，无框力矩电机可以满足要求 无框力矩电机目前存在较高的技术壁垒，国内只有少量厂商能提供品质较高的无框力矩电机，市场呈头部集中的趋势。主要玩家包括步科股份、科尔摩根、航天电器、昊志机电、微精电机等。全球无框电机主要生产企业包括瑞士MAXON MOTOR公司、美国穆格公司（MOOG）、美国森萨塔科技公司（Sensata）、美国科尔摩根公司（Kollmorgen）、美国Novanta集团等。科尔摩根为全球最早研发出无框电机的企业，特斯拉的Optimus就在14个线性执行器和14个旋转执行器中使用了无框力矩电机，以实现精准控制并节省空间。 空心杯电机是机器人灵活手的关键零件 空心杯电动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，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。空心杯电机是机器人灵活手的关键零件，特斯拉擎天柱Optimus的单手采用了6个执行器，其中包括6个空心杯电机。 未来十二个月内，维持人形机器人电机行业“增持”评级。 ◆投资建议：建议关注能够供应无框力矩的厂商步科股份以及供应空心杯电机的厂商鸣志电器、鼎智科技等。 风险提示：技术人员流失、技术创新不及预期。 目录 SECTIONC o n t e n t 一、机器人驱动方式：电机为主 二、无框力矩电机行业国内企业集中度较高，产品实力有待追赶海外企业三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电四、亚太地区是全球空心杯电机的主要市场，国内企业积极发力五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒六、空心杯电机行业重点标的：鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能七、风险提示 1.1机器人以电机为主要驱动方式 ◆机器人驱动方式可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。 ◆电机驱动为机器人主要驱动方式，驱动系统是使机器人发出动作的机构，是机器人的关键部件，按照动力来源可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种方式，其中液压驱动和电机驱动较为常见。美国波士顿动力公司在其Atlas机器人中使用液压驱动方式因其驱动强劲、爆发力强适用于弹跳、负重等活动，适用于注重运动能力的Atlas机器人。其余的大部分机器人公司采用电机驱动如特斯拉人形机器人Optimus更注重智能化，采用高扭矩密度电机伺服技术。电机驱动在动作的精准控制方面与其他驱动方式相比更胜一筹，配合处理器编码器可获得实时运动状态反馈，更适合如今注重智能化、多功能的机器人发展趋势。 1.2电机：将电能转化为机械能部件，可分为直流电机、交流电机、特种电机 ◆电机是根据电磁感应原理将电能转化为机械能的部件，可分为直流电机、交流电机和特种电机；机器人用电机需具备快速响应、起动转矩惯量比大、运动控制精度高等特性。 资料来源：头豹研究院，上海证券研究所 1.3伺服电机、步进电机、力矩电机、直流电机、异步电机、同步电机等常见电机分类与应用现状对比 ◆电机上游为原材料与零部件，稀土磁钢和硅钢片占主要成本;中游为电机的制造，高端产品以国际厂商为主;下游为电机在机器人中的应用，人形机器人采用无框力矩电机和空心杯电机，其快速发展将为电机市场带来增量。 ◆电机的上游是原材料与零部件。以永磁同步电机为例，原材料成本中，稀土磁钢和硅钢片占比最高，合计超50%。原材料对电机的性能具有重要影响，其中编码器影响电机运动控制功能，高端产品主依赖进口重要元件芯片、码盘的制作工艺难度较大，是国产化的主要壁垒。磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内京矫顽力和磁能积，二者数值越大，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内禀矫顽力和磁能积，二者数值越大，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一。 ◆中游为电机的制造，中国电机产业超步较晚、目前中低端产品已实现国产替代、高端产品以国际厂商为主。人形机器人的高成长赛道将为中国企业突破高端电机带来机会。 ◆不同的应用场景使用不同种类的电机。工业机器人对精度要求较高，一毅使用伺服电机，协作机器人具有小型、轻量化特性，主要使用无框电机，人形机器人注重轻量化、灵巧性、结构紧凑，因此较多采用无框力矩电机和空心杯电机。 目录 SECTIONC o n t e n t 一、机器人驱动方式：电机为主二、无框力矩电机行业国内企业集中度较高，产品实力有待追赶海外企业三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电四、亚太地区是全球空心杯电机的主要市场，国内企业积极发力五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒六、空心杯电机行业重点标的：鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能七、风险提示 2.1无框力矩电机可提供更大设备空间、更大功率密度、更大扭矩 ◆力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。力矩电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。 ◆力矩电机的特点是具有软的机械特性，可以堵转。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，但转速的调整率不好。因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器，利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。 ◆力矩电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。 ◆为取得不同性能指标，力矩电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高;中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。 ◆力矩电机应用：卷绕、开卷、无级调速、堵转等。 ◆力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。无框力矩电机崛起背景：主要跟随人工智能的高速发展，对协作机器人，服务类型的机器人需求增多，要求也越来越高，而这类机器人关节部分使用的电机都是特殊定制的，与普通的步进或者伺服电机外形差距甚大，机器人关节狭小的空间内集成了电机，减速机，抱闸机构，编码器，驱动器，所以要求电机具有定制的尺寸，紧凑的体积和强大的供能，而无框力矩电机可以满足这类应用。无框力矩电机没有外壳，可以提供更大的设备空间，中间是中空型，便于走线，在设计中，可以使整个机器体积更小，力矩电机可以提供更大的功率密度，同尺寸电机可以提供更大的扭矩。 资料来源：科尔摩根产品手册，上海证券研究所 2.2无框力矩电机是人形机器人不可或缺的零部件，特斯拉的Optimus在28个执行器中使用了无框力矩电机 ◆无框力矩电机只提供两个单独的组件，定子和转子，不包括输出轴，轴承和端盖，无框电机可以通过支撑负载和电机本身的同一个轴承与负载进行直接耦合，这种结构消除了轴，轴承，端盖，联轴器，降低了电机的体积，重量和复杂性，而且也使得伺服刚性和快速响应进一步改善。无框电机可以添加包括构成整个电机所需要的霍尔传感器以及额外的位置反馈装置，譬如编码器或者旋转变压器等单独的组件。 ◆无框力矩电机的结构特点使其能够直接嵌入机构中，中空设计便于布线，实现高度集成化，从而缩小终端产品体积。此外，无框力矩电机具有高扭矩、性能稳定和高精度等优点。 ◆无框力矩电机，机器人的不可或缺之一：无框力矩电机在人形机器人中具有广泛的应用潜力。它可以用于模仿关节的活动，也可用于模拟肌肉的拉伸。特斯拉的人形机器人Optimus就在14个线性执行器和14个旋转执行器中使用了无框力矩电机，以实现精准控制并节省空间。 资料来源：特斯拉2022AI DAY，上海证券研究所 资料来源：特斯拉2022AI DAY，上海证券研究所 2.3瑞士MAXON MOTOR公司领先，我国无框电机行业集中度较高，产品实力有待追赶海外公司 ◆无框力矩电机目前存在较高的技术壁垒，国内只有少量厂商能提供品质较高的无框力矩电机，市场呈头部集中的趋势。主要玩家包括步科股份、科尔摩根、航天电器、昊志机电、微精电机等。 ◆全球无框电机主要生产企业包括瑞士MAXON MOTOR公司、美国穆格公司（MOOG）、美国森萨塔科技公司（Sensata）、美国科尔摩根公司（Kollmorgen）、美国Novanta集团等。科尔摩根为全球最早研发出无框电机的企业，具备高端产品核心生产技术，KBM系列无框电机为公司明星产品。与海外发达国家相比，我国无框电机行业起步较晚，产品质量相对落后，高端需求高度依赖进口。 ◆我国无框电机行业集中度较高，龙头企业占据市场主导地位。我国无框电机市场主要参与者包括步科股份、昊志机电、江南奕帆等。步科股份为我国无框电机龙头企业，专注于机器人用无框电机以及空心杯电机的研发、生产及销售，目前公司已成功推出具有温度控制稳定、尺寸小、功率密度高等优势第三代无框电机，产品在高端人形机器人领域拥有广阔应用前景。据步科股份企业年报显示，2023年公司实现营收5.06亿元，同比减少6.09%。 ◆新思界行业分析人士表示，无框电机作为人形机器人重要组件，市场需求不断增长。目前，我国无框电机行业尚处于起步阶段，市场参与者数量较少，产品质量与海外发达国家相比存在一定差距。预计未来一段时间，伴随本土企业自主研发实力提升，我国无框电机行业景气度将进一步提高。 目录 SECTIONC o n t e n t 一、机器人驱动方式：电机为主二、无框力矩电机行业国内企业集中度较高，产品实力有待追赶海外企业 三、无框力矩行业重点标的：步科股份、昊志机电 四、亚太地区是全球空心杯电机的主要市场，国内企业积极发力五、绕线工艺是空心杯电机的核心壁垒六、空心杯电机行业重点标的：鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能七、风险提示 3.1无框力矩电机重点标的：步科股份-2023年无框力矩电机出货量约1.4万台 ◆公司概况：公司主要从事工业自动化设备及机器人核心部件与数字化工厂软硬件的研发、生产、销售以及相关技术服务，并为客户提供设备自动化控制、机器人动力、数字化工厂解决方案。目前已拥有人机界面、可编程逻辑控制器、伺服系统