券商中國
馬靜
2025-05-11 20:09
一直以來應(yīng)用醫(yī)療器械、航空航天等高端領(lǐng)域的空心杯電機，在人形機器人帶來巨大增量空間的當(dāng)下，投資邏輯已經(jīng)發(fā)生變化。
01、什么是空心杯電機？
傳統(tǒng)直流電機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，由定子和轉(zhuǎn)子兩大核心部分組成，空心杯電機是一種特殊的直流電機?？招谋姍C在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)直流電機的結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，其電樞繞組為空心杯線圈，形狀類似水杯，因此被稱為“空心杯電機”。
與傳統(tǒng)直流電機相比，空心杯電機首先具備節(jié)能特性，由于無鐵芯設(shè)計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)品可達到90%以上（鐵芯電動機一般在70%）。
同時具備控制特性，其起動、制動迅速，響應(yīng)極快，機械時間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達到10毫秒以內(nèi)（鐵芯電動機一般在100毫秒以上）；在推薦運行區(qū)域內(nèi)的高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以方便地對轉(zhuǎn)速進行靈敏的調(diào)節(jié)。
此外還有拖動特性，即運行穩(wěn)定性十分可靠，轉(zhuǎn)速的波動很小，作為微型電動機其轉(zhuǎn)速波動能夠容易的控制在2%以內(nèi)；以及輕量化特性，與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕1/3-1/2，能量密度大幅度提高。
空心杯電機可以說是高端的直流、永磁、伺服微特電機，上游原材料與微特電機原材料類似，包括銅、鋼材、磁鋼、軸承、塑料等?？招谋姍C最初被應(yīng)用于航空、航天、軍事等尖端行業(yè)，近年來其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴展至民用行業(yè)，如醫(yī)療裝置、消費類電子產(chǎn)品、電動工具、工業(yè)自動化等場景。
資料來源：《永磁無刷空心杯電機及控制器研究》，百度百科“空心杯電機”詞條
02?、為什么此刻提及空心杯電機？
空心杯電機屬于微特電機的一個細分領(lǐng)域，原本市場規(guī)模并不大，但是人形機器人的發(fā)展，給其帶來了廣闊的增量空間。
據(jù)SKYQUEST數(shù)據(jù),2022年全球微特電機市場規(guī)模為406.5億美元，2030年預(yù)計達到560.7億美元，2022-2030年CAGR為4.1%，其中2022年全球空心杯電機市場規(guī)模同比增長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，有望從語言能力、視覺能力、運動控制和降低成本等幾個方面推動人形機器人的落地，加上特斯拉作為行業(yè)標(biāo)桿，5月在TeslaAIDay發(fā)布的Optimus最新進展超預(yù)期，量產(chǎn)預(yù)期提前，人形機器人熱度陡然飆升。
2021年起人形機器人重大事件梳理資料來源：TeslaAIday，各公司官網(wǎng)
其中空心杯電機是正是人形機器人靈巧手的關(guān)鍵零部件。
資料顯示，靈巧手作為機器人的末端執(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)進行了大量研究。對于人形機器人而言，其靈巧手應(yīng)該具備體積小、美觀、捏緊力大、負(fù)載力強等特點，因此對于靈巧手的動力源有較高的要求，目前特斯拉為代表的著力于人形機器人量產(chǎn)化的企業(yè)主要采用了空心杯電機方案。
靈巧手抓取示例來源：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算，以O(shè)ptimus為例，在大規(guī)模量產(chǎn)價格600的假設(shè)下，空心杯電機單臺機器人價值量為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，空心杯電機占手部執(zhí)行器成本的54.5%。
以此假設(shè)為前提，在人形機器人銷量分別為10、50、100萬臺時，空心杯電機市場規(guī)模分別為12、48、72億元，相對于2022年市場規(guī)模的彈性分別為23.2%、93.0%、139.5%。
申萬宏源觀點認(rèn)為，若僅考慮特斯拉人形機器人：根據(jù)馬斯克在22年AIDAY的演講，公司將在3-5年面向消費者銷售，前期將在工廠中使用，機器人銷量的趨勢參考其電動車，產(chǎn)品成熟后銷量將呈指數(shù)級增長。中期階段，針對特定場景的機器人量產(chǎn)，人形機器人產(chǎn)量在樂觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為10萬、5萬、1萬臺；遠期階段，面向大眾的人形機器人產(chǎn)品規(guī)模化量產(chǎn)，產(chǎn)量在樂觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為100萬、50萬、10萬臺。
參考目前的硬件架構(gòu)，單臺機器人的空心杯電機使用數(shù)量為12個。參考公司官網(wǎng)的產(chǎn)品報價，假設(shè)中期空心杯電機單價1000元，遠期降至800元。測算得到，中期空心杯電機的增量空間在樂觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為12億、6億、1.2億元；遠期分別為96億、48億、9.6億元。
若考慮后續(xù)全球其他品牌機器人陸續(xù)推出：其他假設(shè)不變，假設(shè)遠期特斯拉在人形機器人中占比20%，則空心杯電機的增量空間在樂觀、中觀、悲觀的假設(shè)下分別為480億、240億、48億元；假設(shè)遠期特斯拉在人形機器人中占比50%，則空心杯電機的增量空間在樂觀、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?、國產(chǎn)替代還存在彎道超車機遇
目前空心杯電機行業(yè)的高端市場仍被歐企主導(dǎo)。
根據(jù)立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)信息，全球空心杯電機市場的主要制造商包括Maxon、Faulhaber、Portescap、AlliedMotionTechnolgies等公司，目前這四家頂級制造商占據(jù)了市場份額的65%以上。海外廠商如德國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，國內(nèi)大多數(shù)廠商主要受制于此項工藝。
目前空心杯電機技術(shù)核心難點在于繞線，我國在技術(shù)、工藝方面的積累較為薄弱，與海外存在差距。
無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。在制造過程中，通過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）可進一步提高纏繞的強度和形狀穩(wěn)定性，這一點在高電流負(fù)載下尤為重要。
海外繞線工藝發(fā)展早，自動化程度高于國內(nèi)。國內(nèi)主要采用繞卷式生產(chǎn)，工藝比較繁瑣，工人勞動強度大，無法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。國外主要采用一次性繞制成型的生產(chǎn)技術(shù)，自動化程度較高，生產(chǎn)效率高，線圈線徑范圍大、線圈質(zhì)量好、排列緊密，電機種類多、性能好。
繞線機繞線工作過程資料來源：《永磁無刷空心杯電機及控制器研究》
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/無刷空心杯電機最小尺寸可做到6mm/3mm量級，而國內(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。
不過降本需求和政策驅(qū)動下，國產(chǎn)替代會持續(xù)加速。目前人形機器人落地的難點之一在于其高昂的成本，降本需求迫切。與海外企業(yè)相比，我國企業(yè)具備價格低廉、交付周期短、響應(yīng)迅速等優(yōu)勢。鳴志電器產(chǎn)品大部分性能已對標(biāo)國際產(chǎn)品，可滿足人形機器人對空心杯電機的要求。
加上《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》中提出重點產(chǎn)品高端行動，包括“小型化、集成化、高精密、高效節(jié)能微特電機”，隨著國產(chǎn)廠商陸續(xù)切入空心杯電機領(lǐng)域，在技術(shù)上實現(xiàn)追趕超越，國內(nèi)企業(yè)份額預(yù)計會穩(wěn)步提升。
04?、相關(guān)企業(yè)有哪些？
首先是HB步進電機份額全球第四的鳴志電器，其在空心杯電機領(lǐng)域同樣具備領(lǐng)先優(yōu)勢，公司有刷空心杯電機外徑可做到8mm。其空心杯電機領(lǐng)域相關(guān)專利可追溯至2015年，2019年收購瑞士TechnosoftMotionAG，進一步加強其在空心杯電機領(lǐng)域的優(yōu)勢。
截至2022年底，公司共取得專利546項，數(shù)量較2018年增長一倍以上，其中發(fā)明專利55項。具體到空心杯電機，根據(jù)國家知識產(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項有效專利，包括3項發(fā)明專利和9項實用新型專利，在2015年已具備自主知識產(chǎn)權(quán)。
其次是微特電機隱形冠軍鼎智科技，其空心杯電機屬于無刷電機，根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定繞線原理，攻克了繞線工藝、繞線成型、線包固化等多項技術(shù)難點，相關(guān)專利正處于申請過程中。目前公司已實現(xiàn)空心杯電機全自動量產(chǎn)，并能針對客戶的不同需求提供定制化產(chǎn)品和組件。當(dāng)前多款樣品處在測試階段。
并且，鼎智科技和母公司江蘇雷利同樣專注于微特電機領(lǐng)域，可形成協(xié)同效應(yīng)，在渠道擴展、客戶開發(fā)、提供一體化解決方案等方面具備優(yōu)勢。
拓邦股份則是智能控制器龍頭，電機業(yè)務(wù)從2007年開始布局，2008年突破技術(shù)門檻成為國內(nèi)第一家空心杯電機制造企業(yè)，2010年空心杯電機率先應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)品并得到市場認(rèn)可，2014年成為德語區(qū)空心杯電機核心供應(yīng)商。公司電機產(chǎn)品包括空心杯電機、直流無刷電機及伺服、步進系統(tǒng)，目前公司有刷空心杯電機產(chǎn)品尺寸為16-40mm，無刷空心杯電機尺寸為12-40mm。
2020年公司募投項目“拓邦惠州第二工業(yè)園項目”達產(chǎn)后將形成年產(chǎn)1.3GWh的鋰電池產(chǎn)品以及年產(chǎn)860萬件高效電機產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，高效電機以直流無刷電機為主，也包括一部分空心杯電機產(chǎn)品。截至目前，公司空心杯電機已經(jīng)在智能制造的電動夾爪、醫(yī)療健康的骨科動力工具、智能跟隨的高爾夫球包車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用。
偉創(chuàng)電氣在2022年成立了機器人行業(yè)部，切入機器人產(chǎn)業(yè)鏈，主要面向移動類、協(xié)作類、服務(wù)類的機器人領(lǐng)域，提供低壓伺服、空心杯電機、特種無框力矩電機等核心部件。產(chǎn)品目前在內(nèi)部測試階段，具有高轉(zhuǎn)速、高扭矩、低噪音振動等優(yōu)勢。
此外還有禾川科技，一家專注于工業(yè)自動化產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷售及應(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)，公司較早進入了工業(yè)機器人行業(yè)的國產(chǎn)伺服品牌，公司目前已有空心杯電機產(chǎn)品，但還未進行銷售。
隨著人形機器人帶動空心杯電機需求放量，以上企業(yè)有望迎來一波發(fā)展機遇。
