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（報告出品方/作者：廣發證券，代川、孫柏陽、姚佳）

一、機器之“心臟”，緊湊而高效的藝術

電機品種繁多，普遍有兩種分類方式：按照控制方式可以分為伺服電機、步進電機和力矩電機等；按照驅動方式分為直流電機和交流電機，其中交流電機按照轉子和定子轉動是否同步可以分為同步電機和異步電機（感應電機）。

伺服電機和步進電機：主要區別為控制方式、控制精度、速度響應和過載能力。伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，一般采用閉環/半閉環控制， 編碼器和反饋機制保證高控制精度和高低速的流暢切換，廣泛應用于半導體、光伏、 鋰電、工業機器人等精密控制環節。步進電機可以將脈沖信號直接轉化為角動量且步距角恒定，一般為開環控制，精度弱于伺服，但結構簡單成本低，廣泛應用于工業自動化、辦公自動化、家用電器等領域。

(資料圖片)

直流無刷和有刷電機：無刷電機以電子換向器（霍爾元件等）替代電刷。直流電機相對于交流電機有良好的啟動和調速特征，且轉矩較大，在機器人等場景應用廣泛； 其中無刷電機由于不采用機械電刷裝置優勢更為明顯，包括無電刷火花，高效率、 低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性等。

交流同步和異步電機：依據定子和轉子磁場轉速是否同步而劃分。異步電機的工作原理是“電磁感應”，定子旋轉變化的磁場在轉子中感應出電流，此電流在磁場中受力，帶動轉子轉動，電機轉子與定子磁場存在轉速差，所以稱之為異步電機，異步電機結構簡單，維護方便，運行可靠價格便宜，應用于傳送帶等工業傳動場景較多。同步電機的轉子產生恒定磁場，而定子產生旋轉磁場，轉子磁場和定子磁場通過 “互鎖”而同步運行，效率、精度更高且更易控制，廣泛應用于風扇等恒速負載領域。

機器人的驅動方式包括電動、液壓和氣動。電動驅動能夠進行更為靈活、精準、方便的運動控制，但不易進行重負載活動，核心部件為電機，廣泛用于大部分機器人公司；液壓驅動更為高效且可以做到無極調節，驅動強勁，出力大但不靈活，適用于彈跳和重負載活動，核心部件為液壓缸、液壓閥等，代表企業為波士頓動力；氣動驅動使用壓縮空氣發揮作用，節能方便但精度低，適于在中、小負荷的機器人中，主要用于揀選、裝載等倉儲任務，核心部件為氣缸等，代表企業為費斯托。

機器人關節驅動方式可以分為剛性驅動、彈性驅動和準直驅驅動等不同模式。 （1）剛性驅動：起步于1971年，元件和負載剛性連接，結構簡單、精準度高，曾在全球首臺三維雙足機器人應用；剛性關節是最為傳統的雙足機器人關節，優點是控制框架穩定、扭矩密度高，缺點是輸出轉速低。 （2）彈性驅動：起步于1995年，在驅動元件和負載之間增加了彈性單元來模擬肌肉系統功能，使關節表現出一定的柔性、安全和高能量效率特性，并增加容錯性；彈性關節的優點在于可以抵抗外部沖擊、儲能節能，但因為機構復雜，控制較難，應用較少。 （3）準直驅驅動：起步于2016年，依靠驅動器電機開環力控，不依賴于附加力或力矩傳感器,就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，最理想的是電機直接驅動,但受限于電機工藝和技術,電機直驅驅動器的扭矩密度不能滿足機器人應用的需求，因此，折中采用電機加低傳動比減速器的方案；準直驅關節一般由高扭矩密度電機、 低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成，具有功率密度高、力控帶寬大、抗沖擊 能力強、爆發力強等優點，但控制機制較為復雜，目前主要用于四足機器人。

電機的基本參數包括轉動慣量、扭矩、功率等，細長、扁平電機功能特性不同。慣量為剛性物體繞軸運動的慣性量度，相當于線性力學中的質量，決定電機的反應速度；扭矩提供角加速使物體繞定軸旋轉，相當于線性力學中的力；功率由扭矩、速度兩個維度決定。相同質量、定子/轉子截面厚度情況下，扭矩和轉子半徑正相關，因此細長電機半徑小、轉矩小、慣量小、響應快、轉速快，扁平電機半徑大、轉矩大、 慣量大、響應慢、轉速小。 關節架構影響電機選擇，剛性驅動偏好高轉速的細長電機，而準直驅關節則偏好大 扭矩的扁平電機。相同輸出功率下，剛性驅動搭配高轉速電機+高減速比減速器能實現較高的扭矩密度，輸出力矩大；準直驅驅動搭配大扭矩電機+低減速比減速器能實現更優的功率密度，即更強的爆發力。

電機的選型需要做到與機器人關節的充分適配，需要綜合考慮機器人關節的尺寸功率比、負載大小、精準性、可靠性、資源消耗等多維因素。 機器人所用電機主要包括交流、直流、伺服和步進電機。根據Skyquest數據，分電機類型看，全球機器人電機占比最高的為直流電機，憑借其緊湊的尺寸和高效率高扭矩的能力廣泛應用于工業、協作、服務機器人領域；增速最快的為伺服電機，主要系數控機床、工業自動化等行業對高精度和精密控制的機器人系統的需求不斷增加所致。

人形機器人涉及的電機產品包括無框力矩電機和空心杯電機等。 力矩電機是一種多級對、無機殼的直驅電機，扭矩增強且結構緊湊。相較于普通電機主要規格為功率，力矩電機的規格和選型主要取決于扭矩，力矩電機極對數多， 在電機低速甚至堵轉時仍能持續運轉并提供穩定的力矩給負載；同時，力矩電機為直驅電機，負載直接連接轉子，不需要任何傳動件，減少摩擦損耗，結構緊湊；除此之外，力矩電機為無框架式永磁電機，沒有機殼，只有定子和轉子兩個部件，中空孔大，方便走線。目前，無框力矩電機主要用在協作機器人等領域。

空心杯電機是微特電機的一種，無鐵芯轉子，重量輕且效率高。空心杯電機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。這種新穎的轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。因為沒有鐵損， 所以它的效率要比普通的微型直流電機要高；同時，由于轉子重量大幅降低，所以轉動慣性減小，相比傳統鐵芯電機，大扭矩急加速急減速性能突出；另外，空心杯電機還具有體積小、可控性高、噪音小等優點。因此，空心杯電機主要用在需要快速響應（如軍工、檢測）和對重量和能耗要求較高（如無人機、機器人）等領域。

無框力矩電機目前主要用在協作機器人等領域，電機本質為對機器人功能的適配。 協作機器人的主要特點包括具備人機交互能力，且工作空間更為復雜，空間適應性更強，因此在緊湊小型化、空間避障、輕量化等領域有較為明顯的特征。基于此，協作機器人采用無控制柜、輕量化的設計方式，進而影響零部件選型，包括采用緊湊伺服驅動器&編碼器、中空走線、高輸出密度的伺服關節等。無框力矩電機之所以應用于協作機器人領域，本質是對其緊湊、大扭矩、中空走線的功能之實現。 以Universal Robots推出的UR5協作機器人為例，電機與關節高度集成化，抱閘、驅動器、編碼器、無框力矩電機、中空套筒，諧波減速器、輸出法蘭環環相扣，精密融合。

人形機器人可以看做協作機器人功能的進一步升級和外延。在人機交互方面，人形機器人被植入“大腦”，同時具備視覺、聽覺、觸覺等多種功能；在該空間適應能力方面也更加多樣化。因此人形機器人與協作機器人在關節設計中有相同的產品特征基礎，人形機器人采用無框力矩電機本質也是對其大扭矩、高效率、輕量化、集成化的功能實現。

空心杯電機從軍事、航空航天等領域逐漸進入大工業和民用。空心杯電機被發明于 1950s，之后憑借其壽命長、快速響應、體積小、高精度等特征在軍工、航空航天等領域逐漸推廣，如運用于導彈飛行的快速調節、火星探測器、航天飛機等。隨著技術成熟度的增加，空心杯電機逐漸向工業自動化等民用領域推廣，如機器人、微型泵等。

空心杯電機是微型執行器的重要組成，廣泛應用于機器人機械手。以Orbray開發的 K3 Hand協作機器人為例，其模仿人手部結構，共有3根手指8個自由度，其中拇指有4個自由度，其余手指各2個自由度，機器人可以抓住不同形狀、位置和柔軟度的物品，應用于實驗等領域。K3 Hand載有Orbray開發的微型伺服執行器，包括無刷空心杯電機（直徑10mm）、精密傳動齒輪、離合器、電位器四部分，各部分緊湊貼合、 高效靈活，執行器尺寸僅有12mm*24mm*14mm，重量僅12g，輸出扭矩可達 147mNm，其中空心杯單機對執行器的平穩運行發揮了重要作用。 特斯拉靈巧手單手有6個主動自由度，其執行器采用空心杯電機+微型齒輪的模式， 可以做到輕量且高效。

二、人形機器人風起，電機賽道擴容

電機是工業社會中的基礎產品，全球市場空間超千億美元。根據precedence research數據，2020年全球電機市場規模約1630億美元，并預計以7%的CAGR成長 至2030年的3226億美元；分下游看，電動汽車、工業設備、暖通空調為主要應用領域。 機器人占電機整體市場比例不到1%，但增速較快，東亞為主力市場。根據future market insights和skyquestt數據，22年機器人電機市場空間為11億美元，預計未來將以12%的CAGR成長至2030年的28億美元，增速大幅快于行業整體。分區域看， 東亞地區憑借高機器人數量和自動化水平在機器人電機細分領域占比更高：根據 grand view research數據，亞洲在全球電機占比僅為40%；而根據future marketinsights數據，22年東亞地區機器人電機市場規模占全球市場比重達61%。

力矩電機優勢逐漸顯現，22年市場空間達6億美元。力矩電機用于軍工、機器人（主要為協作機器人，每個協作機器人需要配置6-7個無框無框電機）、機床等多種場景， 憑借易于集成、高動態性能和寬扭矩速度等優點獲得市場青睞。根據technavio數據， 2022年力矩電機市場規模約6.1億美元，并有望以8.0%的CAGR增長至27年的9.0億美元；結構性看，直流電機占比較高；分區域看，23-27年亞太地區對全球市場的增長貢獻了48%，主要系亞太地區制造業發展帶動集成力矩電機的機床需求持續增加， 同時工業機器人和自動化機械持續擴容。

本土企業躋身第二梯隊。根據QYResearch數據，力矩電機全球第一梯隊廠商主要有 Parker Hannifin（派克漢尼汾）、Nidec（尼得科）、Aerotech（艾羅德克）和Kollmorgen （科爾摩根 ），第二梯隊廠商有綠的諧波、西門子、Pranshu Electricals等。

空心杯電機起步于歐洲，推廣于中國，22年市場空間超7億美元。根據GII數據，22 年空心杯電機全球市場規模約7.5億美元，并預計以8.0%的CAGR成長至2028年的 11.9億美元，市場的增長主要歸因于空心杯電機在醫療設備、航空航天、軍工、機器人等領域的的使用增加，此外，對能夠以高速、低振動和低噪音運行的高性能電機的需求不斷增長，也是推動該市場增長的關鍵因素；產品結構看，有刷空心杯電機占比較高；分地區看，21年中國空心杯市場空間位列第一位，錄得2.4億美元，占比 34.8%，歐洲市場占比25.9%。 本土企業空心杯電機在工業領域已有較為廣泛應用，差距在縮小。全球空心杯電機主要制造商包括Faulhaber（馮哈伯）、Portescap、Allied Motion（艾萊德摩新）、 Maxon（馬克森）、鳴志電器、拓邦股份等，根據GII數據，前三大企業占有全球55.4% 的市場。海外公司在高端產品較為領先，如馮哈伯的產品應用于手術機器人、呼吸機、兩棲飛機等，馬克森的產品應用于火星探測器，可良好的承受火星表面的地震及-120℃至+25℃的溫差變化。本土企業中，鳴志電器空心杯電機應用于人工智能、 高端醫療器械及生化分析儀器、智能汽車電子、半導體制造、工控等領域，競爭實力也較強。綜合對比海內外公司，本土產品的主要差距在材料選用（如加工鍍膜工藝）、 本體設計（如最小尺寸）、機電控制（定制化開發能力）。

復盤特斯拉新能源汽車產業化進程，產業化將帶動核心零部件大幅擴容。新能源車第一個五年為0到1的過程，伴隨著新產品的研發、市場模式的摸索以及政策補貼的介入，特斯拉新能源汽車銷量由2012年的不到1萬臺增長至2017年的10萬臺；第二個五年為產品規模化后1到N的過程，伴隨著電池、電驅等產業鏈的培育，產業競爭格局的形成，以及規模化后的產品降價等，特斯拉新能源汽車銷量于2022年突破百萬臺。 若未來人形機器人若能夠達到消費品級別的體量，將帶動機器人電機市場擴容。目前人形機器人正處于產品研發和政策摸索的0到1的過程，與新能源汽車產業化早期有一定相似性，該階段為零部件產品的導入驗證階段。展望未來，預計人形機器人將憑借其性能優勢在工業、生活等各領域高速滲透，未來潛在市場空間達上百億美元，若人形機器人產業化順利，力矩、空心杯電機作為其核心零部件需求量將持續增長。

三、產品+平臺加持，本土電機企業蓄勢待發

我們認為，海外科爾摩根、日本電產為代表的企業雖然在高端產品及營收規模上較為領先，但產品價格也較高，人形機器人不同于軍工、航天等高精尖產業，產業化進程更看重性價比和保供能力，中國企業已具備產品基礎。 國內無框力矩電機主要玩家有步科股份、昊志機電。其中步科股份無框力矩電機產 品形成完整的系列化的產品線，收入達到百萬級；昊志機電產品已經廣泛應用于協作機器人和輕型機器人領域，同時，昊志機電現有的產品包括諧波減速器、無框力矩電機、驅動器、編碼器、力矩傳感器等可應用于人形機器人。 空心杯電機主要玩家為鳴志電器、江蘇雷利、偉創電氣。其中鳴志電器為運動控制領域優質的出口企業，空心杯電機暢銷國內外；江蘇雷利和鼎智科技的空心杯電機 為共同研發生產，產品廣泛應用于軍工、半導體、醫療等領域，同時當前多款樣品處在測試階段。 匯川技術和禾川科技為國內伺服產品主要供應商。其中匯川技術具備工控和工業機器人雙重業務優勢，并持續研發提高直驅電機競爭力；禾川科技的無框力矩直驅電 機廣泛應用于工業機器人、激光等領域。

本土企業經過多年發展，在產品、下游以及市場端逐漸積累優勢。 （1）產品品類：打產品組合牌，具備多產品打入供應鏈的潛力。鳴志電器不但在空心杯電機領域具備較強實力，其伺服系統等產品實力也較強，具備組合應用潛力； 鼎智科技在空心杯電機領域與江蘇雷利合作研發，而直線驅動領域行星滾柱絲杠已取得里程碑式成就，可以應用于人形機器人直線驅動器。 （2）下游應用：具備工業機器人應用基礎，經驗豐富。昊志機電的無框力矩電機廣泛應用于協作機器人領域，而人形機器人于協作機器人關節執行器可比性較強，具備產品可遷移性；偉創電氣于22Q2成立機器人事業部，持續開拓市場；匯川技術由工業自動化控制底層技術向SCARA機器人等領域拓展，并使用自研伺服和控制器， 22年中國市占率位列第二。 （3）海外認可：優質的出口企業，全球認可度高。以2022年海外收入占比為例，鳴志電器、江蘇雷利、鼎智科技占比均超過40%，昊志機電約30%，偉創電氣、步科股份約20%，主要企業出口能力較強。同時，以鳴志電器為代表的企業在美洲、歐洲、 東南亞等全球設立子公司，渠道建設成熟，可更優服務全球化生產。

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