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一直以來(lái)應(yīng)用醫(yī)療器械、航空航天等高端領(lǐng)域的空心杯電機(jī)，在人形機(jī)器人帶來(lái)巨大增量空間的當(dāng)下，投資邏輯已經(jīng)發(fā)生變化。

01、什么是空心杯電機(jī)？

傳統(tǒng)直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，由定子和轉(zhuǎn)子兩大核心部分組成，空心杯電機(jī)是一種特殊的直流電機(jī)?？招谋姍C(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，其電樞繞組為空心杯線圈，形狀類(lèi)似水杯，因此被稱為“空心杯電機(jī)”。

與傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，空心杯電機(jī)首先具備節(jié)能特性，由于無(wú)鐵芯設(shè)計(jì)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，能量轉(zhuǎn)換效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90%以上（鐵芯電動(dòng)機(jī)一般在70%）。

同時(shí)具備控制特性，其起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到10毫秒以內(nèi)（鐵芯電動(dòng)機(jī)一般在100毫秒以上）；在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以方便地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)。

此外還有拖動(dòng)特性，即運(yùn)行穩(wěn)定性十分可靠，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)很小，作為微型電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠容易的控制在2%以內(nèi)；以及輕量化特性，與同等功率的鐵芯電動(dòng)機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3-1/2，能量密度大幅度提高。

空心杯電機(jī)可以說(shuō)是高端的直流、永磁、伺服微特電機(jī)，上游原材料與微特電機(jī)原材料類(lèi)似，包括銅、鋼材、磁鋼、軸承、塑料等?？招谋姍C(jī)最初被應(yīng)用于航空、航天、軍事等尖端行業(yè)，近年來(lái)其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展至民用行業(yè)，如醫(yī)療裝置、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、工業(yè)自動(dòng)化等場(chǎng)景。

資料來(lái)源：《永磁無(wú)刷空心杯電機(jī)及控制器研究》，百度百科“空心杯電機(jī)”詞條

02?、為什么此刻提及空心杯電機(jī)？

空心杯電機(jī)屬于微特電機(jī)的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，原本市場(chǎng)規(guī)模并不大，但是人形機(jī)器人的發(fā)展，給其帶來(lái)了廣闊的增量空間。

據(jù)SKYQUEST數(shù)據(jù),2022年全球微特電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為406.5億美元，2030年預(yù)計(jì)達(dá)到560.7億美元，2022-2030年CAGR為4.1%，其中2022年全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模同比增長(zhǎng)10.55%至7.48億美元，增速、體量都很一般。

但得益于以ChatGPT為代表的大模型使得通用人工智能得到質(zhì)的飛躍，有望從語(yǔ)言能力、視覺(jué)能力、運(yùn)動(dòng)控制和降低成本等幾個(gè)方面推動(dòng)人形機(jī)器人的落地，加上特斯拉作為行業(yè)標(biāo)桿，5月在TeslaAIDay發(fā)布的Optimus最新進(jìn)展超預(yù)期，量產(chǎn)預(yù)期提前，人形機(jī)器人熱度陡然飆升。

2021年起人形機(jī)器人重大事件梳理資料來(lái)源：TeslaAIday，各公司官網(wǎng)

其中空心杯電機(jī)是正是人形機(jī)器人靈巧手的關(guān)鍵零部件。

資料顯示，靈巧手作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，從3指的Stanford/Jpl手到DIST手、UB手、NASA手、Shadow手等，在學(xué)術(shù)上已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。對(duì)于人形機(jī)器人而言，其靈巧手應(yīng)該具備體積小、美觀、捏緊力大、負(fù)載力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此對(duì)于靈巧手的動(dòng)力源有較高的要求，目前特斯拉為代表的著力于人形機(jī)器人量產(chǎn)化的企業(yè)主要采用了空心杯電機(jī)方案。

靈巧手抓取示例來(lái)源：劉宏、姜力《仿人多指靈巧手及其操作控制》

據(jù)安信證券研究中心測(cè)算，以O(shè)ptimus為例，在大規(guī)模量產(chǎn)價(jià)格600的假設(shè)下，空心杯電機(jī)單臺(tái)機(jī)器人價(jià)值量為7,200元，占總成本4.43%，屬于占比較高的零部件環(huán)節(jié)。手部關(guān)節(jié)除空心杯電機(jī)外，還需要搭配行星齒輪箱、滾珠絲杠、傳感器和編碼器，組成模組使用，空心杯電機(jī)占手部執(zhí)行器成本的54.5%。

以此假設(shè)為前提，在人形機(jī)器人銷(xiāo)量分別為10、50、100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模分別為12、48、72億元，相對(duì)于2022年市場(chǎng)規(guī)模的彈性分別為23.2%、93.0%、139.5%。

申萬(wàn)宏源觀點(diǎn)認(rèn)為，若僅考慮特斯拉人形機(jī)器人：根據(jù)馬斯克在22年AIDAY的演講，公司將在3-5年面向消費(fèi)者銷(xiāo)售，前期將在工廠中使用，機(jī)器人銷(xiāo)量的趨勢(shì)參考其電動(dòng)車(chē)，產(chǎn)品成熟后銷(xiāo)量將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。中期階段，針對(duì)特定場(chǎng)景的機(jī)器人量產(chǎn)，人形機(jī)器人產(chǎn)量在樂(lè)觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為10萬(wàn)、5萬(wàn)、1萬(wàn)臺(tái)；遠(yuǎn)期階段，面向大眾的人形機(jī)器人產(chǎn)品規(guī)?；慨a(chǎn)，產(chǎn)量在樂(lè)觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為100萬(wàn)、50萬(wàn)、10萬(wàn)臺(tái)。

參考目前的硬件架構(gòu)，單臺(tái)機(jī)器人的空心杯電機(jī)使用數(shù)量為12個(gè)。參考公司官網(wǎng)的產(chǎn)品報(bào)價(jià)，假設(shè)中期空心杯電機(jī)單價(jià)1000元，遠(yuǎn)期降至800元。測(cè)算得到，中期空心杯電機(jī)的增量空間在樂(lè)觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為12億、6億、1.2億元；遠(yuǎn)期分別為96億、48億、9.6億元。

若考慮后續(xù)全球其他品牌機(jī)器人陸續(xù)推出：其他假設(shè)不變，假設(shè)遠(yuǎn)期特斯拉在人形機(jī)器人中占比20%，則空心杯電機(jī)的增量空間在樂(lè)觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為480億、240億、48億元；假設(shè)遠(yuǎn)期特斯拉在人形機(jī)器人中占比50%，則空心杯電機(jī)的增量空間在樂(lè)觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為192億、96億、19億元，同樣有著巨大增幅。

03?、國(guó)產(chǎn)替代還存在彎道超車(chē)機(jī)遇

目前空心杯電機(jī)行業(yè)的高端市場(chǎng)仍被歐企主導(dǎo)。

根據(jù)立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)信息，全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)的主要制造商包括Maxon、Faulhaber、Portescap、AlliedMotionTechnolgies等公司，目前這四家頂級(jí)制造商占據(jù)了市場(chǎng)份額的65%以上。海外廠商如德國(guó)Faulhaber和瑞士的Maxon等企業(yè)深耕行業(yè)多年，行業(yè)地位較高，且掌握了大批量生產(chǎn)的核心工藝，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠商主要受制于此項(xiàng)工藝。

目前空心杯電機(jī)技術(shù)核心難點(diǎn)在于繞線，我國(guó)在技術(shù)、工藝方面的積累較為薄弱，與海外存在差距。

無(wú)鐵芯的自支撐繞組由所謂的漆包線制成，這是一根絕緣銅線，外面有一層漆。在制造過(guò)程中，通過(guò)施加壓力和溫度將相鄰電線的漆熔化在一起。適當(dāng)?shù)恼澈希z帶或玻璃纖維）可進(jìn)一步提高纏繞的強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性，這一點(diǎn)在高電流負(fù)載下尤為重要。

海外繞線工藝發(fā)展早，自動(dòng)化程度高于國(guó)內(nèi)。國(guó)內(nèi)主要采用繞卷式生產(chǎn)，工藝比較繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。國(guó)外主要采用一次性繞制成型的生產(chǎn)技術(shù)，自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)效率高，線圈線徑范圍大、線圈質(zhì)量好、排列緊密，電機(jī)種類(lèi)多、性能好。

繞線機(jī)繞線工作過(guò)程資料來(lái)源：《永磁無(wú)刷空心杯電機(jī)及控制器研究》

以Maxon、Faulhaber、Portescap為代表的海外企業(yè)成立超60年，技術(shù)起步早、工藝積累深，海外有刷/無(wú)刷空心杯電機(jī)最小尺寸可做到6mm/3mm量級(jí)，而國(guó)內(nèi)僅能做到8mm/12mm，在功率、效率等部分性能參數(shù)方面仍有差距。

不過(guò)降本需求和政策驅(qū)動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)替代會(huì)持續(xù)加速。目前人形機(jī)器人落地的難點(diǎn)之一在于其高昂的成本，降本需求迫切。與海外企業(yè)相比，我國(guó)企業(yè)具備價(jià)格低廉、交付周期短、響應(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì)。鳴志電器產(chǎn)品大部分性能已對(duì)標(biāo)國(guó)際產(chǎn)品，可滿足人形機(jī)器人對(duì)空心杯電機(jī)的要求。

加上《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》中提出重點(diǎn)產(chǎn)品高端行動(dòng)，包括“小型化、集成化、高精密、高效節(jié)能微特電機(jī)”，隨著國(guó)產(chǎn)廠商陸續(xù)切入空心杯電機(jī)領(lǐng)域，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)追趕超越，國(guó)內(nèi)企業(yè)份額預(yù)計(jì)會(huì)穩(wěn)步提升。

04?、相關(guān)企業(yè)有哪些？

首先是HB步進(jìn)電機(jī)份額全球第四的鳴志電器，其在空心杯電機(jī)領(lǐng)域同樣具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，公司有刷空心杯電機(jī)外徑可做到8mm。其空心杯電機(jī)領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利可追溯至2015年，2019年收購(gòu)瑞士TechnosoftMotionAG，進(jìn)一步加強(qiáng)其在空心杯電機(jī)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

截至2022年底，公司共取得專(zhuān)利546項(xiàng)，數(shù)量較2018年增長(zhǎng)一倍以上，其中發(fā)明專(zhuān)利55項(xiàng)。具體到空心杯電機(jī)，根據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局查詢結(jié)果，檢索關(guān)鍵詞“空心杯”，鳴志電器共檢索到12項(xiàng)有效專(zhuān)利，包括3項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和9項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，在2015年已具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

其次是微特電機(jī)隱形冠軍鼎智科技，其空心杯電機(jī)屬于無(wú)刷電機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定繞線原理，攻克了繞線工藝、繞線成型、線包固化等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，相關(guān)專(zhuān)利正處于申請(qǐng)過(guò)程中。目前公司已實(shí)現(xiàn)空心杯電機(jī)全自動(dòng)量產(chǎn)，并能針對(duì)客戶的不同需求提供定制化產(chǎn)品和組件。當(dāng)前多款樣品處在測(cè)試階段。

并且，鼎智科技和母公司江蘇雷利同樣專(zhuān)注于微特電機(jī)領(lǐng)域，可形成協(xié)同效應(yīng)，在渠道擴(kuò)展、客戶開(kāi)發(fā)、提供一體化解決方案等方面具備優(yōu)勢(shì)。

拓邦股份則是智能控制器龍頭，電機(jī)業(yè)務(wù)從2007年開(kāi)始布局，2008年突破技術(shù)門(mén)檻成為國(guó)內(nèi)第一家空心杯電機(jī)制造企業(yè)，2010年空心杯電機(jī)率先應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)品并得到市場(chǎng)認(rèn)可，2014年成為德語(yǔ)區(qū)空心杯電機(jī)核心供應(yīng)商。公司電機(jī)產(chǎn)品包括空心杯電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)及伺服、步進(jìn)系統(tǒng)，目前公司有刷空心杯電機(jī)產(chǎn)品尺寸為16-40mm，無(wú)刷空心杯電機(jī)尺寸為12-40mm。

2020年公司募投項(xiàng)目“拓邦惠州第二工業(yè)園項(xiàng)目”達(dá)產(chǎn)后將形成年產(chǎn)1.3GWh的鋰電池產(chǎn)品以及年產(chǎn)860萬(wàn)件高效電機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，高效電機(jī)以直流無(wú)刷電機(jī)為主，也包括一部分空心杯電機(jī)產(chǎn)品。截至目前，公司空心杯電機(jī)已經(jīng)在智能制造的電動(dòng)夾爪、醫(yī)療健康的骨科動(dòng)力工具、智能跟隨的高爾夫球包車(chē)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用。

偉創(chuàng)電氣在2022年成立了機(jī)器人行業(yè)部，切入機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈，主要面向移動(dòng)類(lèi)、協(xié)作類(lèi)、服務(wù)類(lèi)的機(jī)器人領(lǐng)域，提供低壓伺服、空心杯電機(jī)、特種無(wú)框力矩電機(jī)等核心部件。產(chǎn)品目前在內(nèi)部測(cè)試階段，具有高轉(zhuǎn)速、高扭矩、低噪音振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。

此外還有禾川科技，一家專(zhuān)注于工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷(xiāo)售及應(yīng)用集成，致力于為智慧工廠提供核心部件和系統(tǒng)集成解決方案的企業(yè)，公司較早進(jìn)入了工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的國(guó)產(chǎn)伺服品牌，公司目前已有空心杯電機(jī)產(chǎn)品，但還未進(jìn)行銷(xiāo)售。

隨著人形機(jī)器人帶動(dòng)空心杯電機(jī)需求放量，以上企業(yè)有望迎來(lái)一波發(fā)展機(jī)遇。