报告出品方：海通证券
以下为报告原文节选
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1. 人形机器人：产业化渐行渐近，空心杯/无框力矩电机迎发展机遇
特斯拉在 2022 年 9 月 30 日（北美时间）的 AI 日上，推出了 TeslaBot 原型机。
特斯拉人形机器人被命名为‘Optimus’或“擎天柱”，此时的“擎天柱”高约 1.73 米，重量约 56.7 千克，身体由特殊材料制成，头部为可显示信息的屏幕，四肢共由 40 个（手臂 12 个+颈部 2 个+躯干 2 个+腿部 12 个+手部 12 个）电机控制实现平衡和敏捷动作，内臵了特斯拉 FSD 芯片，并通过 DOJO 有能力处理大量 AI 任务。2023 年 12 月，特斯拉发布了第二代人形机器人产品 Optimus Gen2。Optimus Gen2 的行走速度比上一代提高了 30%，同时全身重量减轻了 10kg，颈部增加了 2 个自由度，脚部采用了铰接式脚趾设计，并配备了力和力矩传感器，手部自由度增加至 11 个，并且所有手指都配备了触觉传感器。另外，Optimus Gen2 还通过材料和技术改进来降低全身重量。我们认为，特斯拉推出人形机器人原型机，有望加速人形机器人产业化发展。
空心杯电机与无框力矩电机是人形机器人常用零部件，生产复杂，壁垒较高。机器人诸如行走、跑、弹跳等动作均由机器人关节电机驱动产生，机器人关节电机作为机器人的核心硬件直接决定机器人的重要性能。同时空心杯电机和无框力矩电机均具备结构紧凑，输出功率大的特点，对人形机器人匹配度较高。空心杯电机是采用了空心杯绕线技术的直流有刷或者直流无刷电机，属于伺服电机的一种，适用于需要快速动作、功率较大的随动系统中，比较契合灵巧手；无框力矩电机是一种无框架式的无刷永磁同步电机，适用于旋转关节和线性关节。另外，不同类型的电机由于工作原理、应用材料和内部结构各异，其工艺存在差异，涵盖机座铸造、定转子冲片、定子绕组嵌线、转子铁心铸铝、转子校平衡、轴承热套、永磁材料的充磁等众多工艺环节，所需的工艺装备及模具数量大、精度高，需要根据产品生产特点对工艺装备及模具进行定制化。
在旋转关节、线性关节、机械手等，微特电机（一般指直径小于 160 mm 或额定功率小于 750 W 的电机）有望在人形机器人上大规模应用。由于机器人要求控制精度高、工作环境复杂、结构紧凑，因此对电机提出较高技术要求。
1）转矩惯量比要大，机电时间常数要小，以满足系统快速反应的要求；
2）调速范围宽，低转速运行平稳 ，零速附近可控，力矩波动要小，以满足各种运动速度和精确定的要求；
3）功率体积比和功率重量比要大，以满足有限安装空间，即要求微电机尽量做到小型化和轻量化；
4）过载能力大，耐热性能好，在恶劣环境条件能长期工作，即具有良好耐环境性和高可靠性。
2. 空心杯电机：与灵巧手匹配度较高，人形机器人发展带来机遇
2.1 空心杯电机优势显著，无刷是未来发展趋势
空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机。空心杯电机（又称无铁芯电机、无齿槽电机）通常尺寸较小，也可以将其归类为微特电机。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。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。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机在搭配不同速比的减速机和不同分辨率的编码器后，也可以作为力矩电机以及位臵反馈的装臵使用。
空心杯电机按照其换向方式可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机（又称无刷无齿槽电机）定子无铁芯。
有刷电机：由一个运动转子、一个固定定子和一个换向器组成，换向器是电流或磁极逆变器，以不断变化的流向将电流导入转子（在传统的直流电机中，转子由一个缠绕在铁芯（电枢）上的线圈组成，铁芯外面用 U 形定子磁铁包围）。有刷电机的定子是永磁铁，为圆柱形，位于内部，而转子在外部围绕其旋转。转子由一个无铁芯、自承式、带斜绕组的铜线圈组成。电流通过滑动触点（即所谓的电刷）传递到转子，产生了定子磁极排斥或吸引的磁场，使直流电机运动起来。换向器不断地改变电流的流向，从而改变磁场的极性，磁极单次相吸和相斥就能产生连续旋转。
无刷电机：不需要任何滑动触点，而滑动触点确保了传统直流电机的电流传输（换向）。相反，无刷直流电机使用电子换向。这种设计通过无刷电机的反向设计实现，铜线缠绕成的线圈充当定子，而磁铁充当转子。控制电子设备引导电流，使线圈产生一个圆周运动的磁场，从而引起磁性转子旋转。在绝大多数无刷电机中，电子传感器（即霍尔传感器）会不断测量转子的位臵角度。电机电子设备使用它们的信号在旋转过程中适时开关电流，或者逆转电流方向。同时，无刷电机具有噪音小、寿命长、易维护等特点，或是未来发展趋势。
2.2 空心杯电机技术壁垒高，海外厂商优势显著，国内厂商纷纷布局
空心杯制作的难点在于如何实现自动化。空心杯电机由于体积小，大多使用螺旋管微型线圈。螺线管微型线圈是一个三维线圈，由多匝导线缠绕而成，缠绕内部空心，电流流入缠绕导线，并产生均匀磁场。传统螺旋管微型线圈制作方法以手工缠绕为主，第一步绕线和粘胶带；第二步压扁；第三步切线头，第四步浸锡；第五步取胶带；第六步卷圆；第七步浸酒精，第八步整形打圆。手工生产空心杯电枢线圈劳动生产率低，人工成本高，而且工作环境使用酒精，对工人的适应性有一定阻碍且增加了材料成本，已不能适应现代化大规模精细生产要求。因此，空心杯制作的难点在于大批量生产及较难的装配，手工制作方式在生产效率、产品稳定性方面无法满足客户需求。
空心杯电机的核心技术在于电机绕组。导线粗细、绕组匝数的不同，使得绕组电阻值，启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。电机绕组是电机的重要组成部分，绕组的质量决定了空心杯电机的质量，直接影响到电机可靠性和运行性能。随着科学技术的进步，电机绕组的生产方式不断地发生改变。发展历程经历了最初的完全手工绕线，半自动绕线机，直至现在的自动线圈绕制设备，电机绕组的生产过程趋于自动化，绕制质量和效率也在不断地提高。
空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单，国内外绕线机多采用这两种方式。欧洲著名品牌 Faulhaber 电机采用的是斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形绕制方法，电机有着较为优越的性能。
目前，空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为两类：
1）绕卷生产技术。卷绕生产技术工艺较为复杂，首先将铜线绕制成一定几何形状的空心线圈，多为菱形和四边形，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后再将线板绕成圆柱状的线圈。
2）一次成型生产技术。利用空心杯线圈绕制设备一次绕制成型。绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序。
绕线设备国外领先，国内企业起步较晚。作为电机制造行业鲜明的代表，瑞士的Meteor 公司是全球占有率较高的绕线机供应商。Meteor 在该行业具有较为先进的技术和强大的研发实力，研制出诸多类型的线圈绕制设备，攻克了较多技术上的难题，在多个方面有着独特的解决方案。另外，作为世界绕线机生产的鼻祖，日本田中精机株氏协会，第一个将计算机控制用于全自动绕线机上，发明了磁铁无摩擦张力器，研发出 CNC可翻转的多轴绕线设备。受到空心杯电机关键技术和工艺的制约，其中核心技术即线圈的设计、绕制工艺以及绕制设备，先进的技术和工艺设备一直被德国、瑞士等少数发达国家所垄断，同时国外的高质量设备价格昂贵，我国对空心杯电动机制造设备的研发愈发重视，如中特科技、台立电子、勤联科技、昆山库克自动化等均有绕线设备产品。但是现有线圈绕制设备问题，包括一次成型的自动化绕制设备较少，马鞍形线圈多为卷绕式的成型方式，现有自动化的绕制线圈的类型多为斜绕形，且在线圈两端的质量较差等一系列问题。
海外先发优势大，国内加速布局。海外厂商 Maxon、Faulhaber 等公司深耕空心杯电机多年，已经形成的强大的品牌效应和技术壁垒，国内厂商如鸣志电器、鼎智科技、伟创电气等众多公司也有空心杯电机相关布局。
以 maxon 为例。
注重研发投入，空心杯电机品质领先全球。maxon 成立于 1961 年，致力于研发并生产性能强大的电动驱动器。公司主营有刷和无刷直流电机、无刷盘式电机、行星齿轮箱、正齿轮箱、特殊齿轮箱、传感器、伺服放大器、位臵控制器、高科技 CIM 和 MIM组件以及客户定制驱动方案，2022 年营业额达到 7.08 亿瑞士法郎，投资额占营业额比例高达 7%以上。
全球化布局，快速响应能力突出。maxon 在全球范围内约有 3300 名员工（其中约340 名研发人员），10 个研发中心，并在瑞士、德国、匈牙利和韩国等 8 个国家设有生产基地，销售公司遍及全球 40 多个国家，以满足客户需求。
一站式供给为客户提供解决方案，满足定制化需求。maxon 采用独立研发的机器和生产线自行生产精密驱动系统的所有重要部件（一站式供给，所有元件出自 maxon：DC/BLDC 电机、齿轮箱、传感器、电子系统、软件、外壳），可以为客户量身定制的解决方案（以 maxon 模块化系统为基础）。凭借其突出优势，maxon 在工业自动化和机器人技术、航空航天、医疗技术等领域均有深度布局，如第一个电机驱动探测车“索杰纳”由 11 台 maxon DC 电机驱动，彰显其市场地位。
2.3 空心杯电机应用范围广阔，人形机器人或进一步打开行业天花板
空心杯电机在医疗、航空航天、机器人、工业控制等众多领域拥有广阔应用前景。
由于空心杯电机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电机在很多应用场合拥有不可替代的地位。空心杯电机的应用，从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，近年来得到迅速的发展，尤其是在工业发达国家，已经涉及到大部分行业和许多产品。
空心杯电机杯适用于需要快速动作、功率较大的随动系统中。根据 IMR，在应用方面，空心杯电机在医疗器械中的应用最为广泛，其次是消费电子产品。以医疗设备为例，其复杂性和小型化程度的提高是推动空心杯电机行业发展的关键因素，如手术器械、输液泵和诊断设备等，紧凑的尺寸、低振动和可靠性至关重要。
作为高效率而结构紧凑的能量转换装臵，空心杯对人形机器人手指关节的匹配度较高。以德国太空中心（DLR）与哈尔滨工业大学（HIT）共同开发了一种新机械手为例，每只手用 15 台带霍尔传感器的无刷直流电机驱动。maxon 公司的 EC 20 扁平式驱动器的电机单元长度只有 10.4 mm、外径 21.2 mm。每台电机的重量 15 克，可以与直径相同的谐波减速机高精度传动系列连成一个单元，提供 12V 或 24V 型的 3W 电机，实现最大 8.04 N〃m 的转矩，电机在怠速时的转速为 9300 转/分。根据特斯拉人形机器人“擎天柱”最新进展，其每只手包括 6 个执行器和 11 个自由度，手部可负重 20 磅。
空心杯电机市场规模尚小。根据 Business Research 数据，全球空心杯直流电机市场在 2022 年的市场规模约为 7.48 亿美元，预计到 2028 年将达到 11.86 亿美元，在2023-2029 年的预测期内的复合年增长率为 8.0%。根据 Market Research 数据在收入方面，2021 年全球 CR3 占有 55.43%的空心杯直流电机市场份额。从地区来看，2021年中国是最大的市场，份额约为 34.80%（市场规模约 2.36 亿美元），欧洲份额约为25.85%（市场规模约 1.75 亿美元）。从产品来看，从类型来看，2021 年有刷空心杯电机占全球空心杯直流电机市场的 67.33%。
人形机器人不同情景下，对空心杯新增市场空间进行情景测算：
假设 1：每台人形机器人用空心杯电机数量为 12 个；
假设 2：空心杯电机价格受规模效应影响，目前单价较高，随着空心杯电机起量，价格呈下降趋势。20/50/100/500 万台假设分别对应的单价为 1000/800/600/400 元。
根据假设，在人形机器人销量分别为 20/50/100/500 万台时，空心杯电机新增市场规模分别为 24/48/72/240 亿元。可以看出，人形机器人的销量将显著影响空心杯电机中远期的市场规模，且新增市场规模远高于目前。
3. 无框力矩电机：与关节执行器契合度高，受益于人形机器人行业发展
3.1 无框力矩电机结构紧凑，定制化属性强
无框力矩电机通常也是永磁同步电机，是传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框电机只有两个部件：转子和定子。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。无框力矩电机是通过机械设备本身的轴承支撑转子，可以直接嵌入设备中，大大满足集成度高的设计需求。
具体而言，无框力矩电机有以下几点优势：
1）机器需要更小的占地面积。将无框电机集成到机器结构中除了能最大限度减小电机所占空间外，在采用适合直驱应用的无框设计时，还能通过去除齿轮箱、皮带和滑轮来进一步节省空间。
2）机器需要增强性能。通过将无框电机元件集成到机器中，可以去除联轴器或皮带等弹性机器元件，从而提升机器性能。集成式电机还能提高动态响应和系统效率，并可简化添加液体冷却以显著增加可用连续转矩。
3）机器需在严苛环境条件下运行。严苛环境条件可能包括腐蚀性化学品高压冲洗、高温环境、辐射或真空环境等。需在此类环境中运行的电机外壳可用来集成无框电机，不仅不会大幅增加成本，还能将无框电机的电机组件整合到机器元件内，不受环境干扰。
无框力矩电机偏向定制，技术壁垒主要在于磁路和工艺设计。无框力矩电机采用分瓣绕线式的设计思路，但在生产过程中的一些绕线机设备上有特殊要求。无框力矩电机更偏向以输出扭距为衡量指标，而普通伺服电机更偏向以输出功率为评价指标。无框力矩电机是需要一体化设计并集成到机器内部，需要根据具体的机械设计尺寸来确定无框力矩电机的外形尺寸和扭矩/转速性能。因此，我们认为无框力矩电机在磁路和工艺设计方面有一定的技术壁垒，需要在低压供电的环境下输出更大功率，从驱动性的电路设计以及电路转换等方面来看，通常需要定制，对整体安装、固定的工艺及设计具有较高的要求。
3.2 无框力矩电机海外企业布局较早，已形成强大的品牌效应
和空心杯电机类似，海外起步早，先发优势显著。目前无框电机的代表性产品有美国科尔摩根的 TBM（S）无框力矩电机、Parker 公司的 K 系列无框伺服电机、Aerotech公司 S-series 高性能无框力矩电机、Alliedmotion 公司的无框力矩电机等；国内昊志机电等有无框力矩电机布局。
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