亚商投顾-万亿赛道，扬帆起航！人形机器人系列之空心杯电机！

 

（接前期两篇连载）今日小编给大家带来的是关于灵巧手核心部件空心杯电机的相关知识梳理，以帮助大家更好地把握和了解产业链发展情况，挖掘企业大牛股。

 

 

一、人形机器人使用工具，灵巧手不可或缺

 

人手是发挥功能的重要器官：人类正常的工作与生活离不开双手的活动。在人与环境交互的需求中，手占据极其重要的地位。在我国永久性功能障碍分级标准中，人的上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%。

 

1.灵巧手通用性强

 

人形机器人的灵巧手是一种基于人手运动学设计的特殊末端执行器，不同于工业机器人的末端执行器的通用性较差，只能完成焊接、喷漆等特定任务，灵巧手具备通用抓取能力。基本特征为至少具有3个手指，每指至少具有3个轴线不完全平行的自由度，通常还集成力觉、接近觉等多种传感器。

 

 灵巧手将人手的功能映射给人形机器人：人形机器人可以更加方便地使用为人设计的各种工具和仪器，一个主要原因就是灵巧手与人手有着相似的形态、结构和功能，能够完成灵活精细的抓取操作。如果没有灵巧手，那么人形机器人几乎没有用，因为它没有执行主要功能的设备以达到特定目的。

 

 

2.空心杯电机：人形机器人灵巧手的核心零部件

 

空心杯电机是特斯拉灵巧手的核心部件：特斯拉灵巧手是电机驱动+腱传动的内置式灵巧手，使用6个电机来实现11个自由度，其中拇指采用双电机驱动，其它四指各采用一个电机驱动。特斯拉Optimus灵巧手用的电机是空心杯电机，这是一种特殊的直流永磁伺服电机。空心杯电机不同于传统电机采用铁芯转子，采用的是无铁芯的空心杯型转子。

 

空心杯电机适用于灵巧手：灵巧手的空间狭小，所以要求配备的电机体积要尽可能小，体积小、重量小的空心杯电机凸显优势，与灵巧手的需求非常契合。其主要优点如下：

 

1）空心杯电机没有铁芯，所以与同等功率的铁芯电机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，且转动惯量小。

2）空心杯电机的无铁芯结构彻底消除了铁芯的涡流造成的电能损耗，效率一般都高于70%，部分产品可以高达90%，而铁芯电机效率一般在70%以内。

3）无齿槽效应，运行平稳，噪音小。

 

 

二、空心杯电机分类：有刷和无刷

 

1.有刷空心杯电机和无刷空心杯电机：空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机。有刷主要结构为定子+转子+电刷，永磁体为定子，电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用，容易产生火花。无刷主要结构为定子+转子，永磁体为转子，没有电刷，换向通过霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器完成。

 

 

2.无刷空心杯电机性能更好，寿命更长，是未来的发展方向。

 

寿命方面，无刷空心杯电机寿命受限于轴承，有刷空心杯电机寿命受限于电刷，电刷寿命比轴承短得多，空心杯电机通常随电刷的报废而报废。有刷空心杯电机换向时会有电火花，电火花会有电磁干扰，无刷空心杯电机通过霍尔元件换向，几乎没有电磁干扰的影响。

 

此外，无刷空心杯电机还有转速快，效率高等优点。虽然有刷空心杯电机价格更低，控制方式更加简单，但随着人形机器人灵巧手对于空心杯电机性能和寿命的更高追求，预计无刷空心杯电机会有更大的发展空间。

 

 

3.推测特斯拉灵巧手的空心杯电机为无刷，直径约为13mm

 

无刷是未来趋势，推测特斯拉灵巧手用的是无刷空心杯电机：特斯拉灵巧手的空心杯电机没有直接说明是有刷还是无刷，但是有刷空心杯电机寿命短且会产生火花，所以现在灵巧手用的空心杯电机一般都是无刷，例如因时灵巧手和HIT/DLR II灵巧手使用的都是无刷空心杯电机。虽然Shadow灵巧手使用了有刷空心杯电机，但是它在2004年就问世，使用有刷很可能是因为限于当时的技术。为了提高灵巧手的寿命和可靠性，无刷为未来趋势，所以我们推测特斯拉灵巧手用的是无刷空心杯电机。

 

推测特斯拉灵巧手所用电机直径约为13mm：特斯拉灵巧手没有说明电机的尺寸，我们参考因时灵巧手和Shadow灵巧手来估算。因时灵巧手的电缸直径为13.2mm，那么里面的电机直径应该略小于13mm，Shadow灵巧手电机直径也为13mm，因此我们推测特斯拉灵巧手的无刷空心杯电机直径约为13mm。而根据鸣志电器官网，无刷铁芯电机最小的直径也达到了16mm，这也是灵巧手都使用空心杯电机而不使用铁芯电机的原因。

 

 

三、行业分析

 

1.空心杯电机竞争格局

 

空心杯电机竞争格局：空心杯电机市场竞争格局高度集中，主要国际生产商是Maxon、Faulhaber、Portescap等公司，CR3全球市场占有率达70%-80%。主要国内生产商有鸣志电器、鼎智科技（江苏雷利子公司）和兆威机电，推测国内生产商总体市场占有率约为15%。空心杯电机市场之所以高度集中，我们认为主要有2个原因：

 

1）Maxon、Faulhaber和Portescap三大生产商起步早，有着丰富的技术储备，产品受到广泛认可，也跟客户建立了稳定的供应关系，如Maxon的产品在NASA的火星探测活动中被多次使用，Bebionic仿生灵巧手在研发过程中找到Faulhaber合作，研发出了专用的空心杯电机。

 

2）空心杯电机技术壁垒高，国内生产商更注重成本控制，缺乏对高端技术的投入，导致技术水平相对滞后，难以抢占高端市场。

 

 

2.空心杯电机技术壁垒

 

空心杯电机的技术壁垒：空心杯电机的工艺难度比较大，技术壁垒主要有2个，一是空心杯线圈绕组的设计和加工，二是绕线设备。

 

空心杯线圈绕组的设计和加工：空心杯线圈绕线方式主要有直绕形、马鞍形和斜绕形3种。为增大空心杯电机力矩，需要提高永磁体利用率，这一点可以通过减小线圈厚度从而减小磁场气隙来达成。直绕形端部的线圈厚度较大，而马鞍形和斜绕形能够有效减小线圈厚度。Maxon主要采用马鞍形绕组方式、Faulhaber主要采用斜绕形绕组方式，而它们绕线的具体工艺处于保密状态，目前鸣志电器采用直绕形工艺，但是它拥有一种新型的绕组结构专利，可以减小直绕形端部的线圈厚度，从而在很大程度上弥补了直绕形工艺的不足。

 

空心杯线圈绕线设备：产品的一致性、长寿命和批量化生产需要自动化产线。Maxon、Faulhaber的自动化生产设备是自研自制，不对外销售。国内生产商主要采用半自动/手工生产，其中鸣志电器的绕线机采购自日本小田原&田中精机，主要采用半自动生产，返工率高 (国内万分之三十，国外万分之五) 。

 

 

3.空心杯电机有望国产替代

 

空心杯电机有望凭借技术进步和价格优势实现国产替代：国产的空心杯电机价格显著低于国外生产的空心杯电机价格。选择国内生产商鸣志电器和国外生产Faulhaber、Maxon的相似规格的无刷空心杯电机进行对比，发现鸣志电器产品在性能上接近甚至超过了Faulhaber产品，相比国际龙头Maxon产品，转速还有较大的差距，但是价格也便宜许多。

 

认为鸣志电器有望率先在人形机器人细分赛道实现国产替代，原因如下：第一，鸣志电器产品达到了国际先进水平，能够满足特斯拉的需求；第二，鸣志电器产品在技术过关的前提下具有明显的价格优势，且毛利率为36.7%，仍有继续降价的空间；第三，鸣志电器是特斯拉的供应商，容易打入人形机器人供应链。

 

人形机器人的发展将加快空心杯电机国产替代速度：目前空心杯电机主要应用领域是医疗行业和航空航天行业，随着人形机器人的发展，预计未来人形机器人将会成为空心杯电机的主要应用场景，我们认为这会促使国内生产商加大研发投入，改进绕线设计加工工艺，加快空心杯电机国产替代速度。我们预测到2028年，国内生产商市占率将从15%提升到40%。

 

 

4.空心杯电机单价变化分析与增量市场预估

 

空心杯电机单价随销售量增加而降低：以Maxon的直径13mm无刷空心杯电机为例，当购买数量达到20-49个的时候，单价降到了原价的63.6%。鸣志电器的直径13mm无刷空心杯电机价格更低，议价空间也应该更小，我们可以假设现在大量拿货时价格由1162元降为930元，即原价的80%。之前对特斯拉Optimus放量后整体价格降幅为53.8%的判断，可以假设空心杯电机销售放量后价格降幅为50%，在现有的拿货价（930元）的基础上降低到465元。

 

空心杯电机市场规模预测：之前我们推测2028年灵巧手的销售量为138万只，按照6电机驱动的方案，2028年会给空心杯电机行业带来465×6×138万=38.5亿元的市场规模增量，约占灵巧手市场规模增量的14%。根据QYResearch报告，2022年全球空心杯电机市场规模为54.6亿元（按照1:7.3汇率），而目前人形机器人还未商业化，假设在空心杯电机行业的下游应用领域中人形机器人占比为5%，即应用于人形机器人领域的空心杯电机销售额为2.7亿元，我们预测2028年应用于人形机器人领域的空心杯电机销售额为41.2亿元，将为国内生产商带来41.2×40%=16.5亿元的营收。

 

 

四、产业链全景图

 

空心杯电机属于微特电机，上游原材料与微特电机原材料类似，包括铜、钢材、磁钢、轴承、 塑料等。空心杯电机技术的先进性十分明显，主要体现在产品节能、灵敏方便、稳定性等方面的运行环境，作为一种高效的能量转换装置，它代表了电机在许多领域的发展方向。

 

作为微型电机和特种电机的一种细分。它在航空航天领域、军事领域、电子装备领域、工业控制等领域具有广大的市场前景。在航空航天技术领域，空心杯电机可用于企业减轻飞机重量;在军事工业中，在调整导弹的飞行方向中，空心杯电机系统能做大快速且高效；空心杯电机在生产工业机器人有重要作用，2022年中国空心杯电机市场规模同比增长2.5%。

 

五、总结

 

人形机器人产业方兴未艾，赋予空心杯电机广阔的市场增量。在以特斯拉 Bot 为代表的人形机器人产业化和降本化双重驱动下，国内厂商经过长期技术积累，有望借助成本优势快速切入制造环节，核心零部件迎来国产替代的最佳机遇。相关企业如下：

 

风险提示：人形机器人发展不如预期的风险、市场竞争加剧等

 

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