机器人核心零部件——电机

电机将电能转化为机械能的设备，用于产生旋转运动或线性运动。按工作用途来分类，电机分为驱动电机和控制电机。其中，空心杯电机和无框力矩电机均属于控制电机分类。国家积极颁布一系列政策推动电机相关产业的发展。电机作为机器人核心零部件，为重点突破的核心技术之一。同时，未来人形机器人实现规模量产，将进一步驱动电机需求。

一、电机行业概览

1、电机分类及区别

电机是将电能转化为机械能的设备，用于产生旋转运动或线性运动。其工作原理是基于电磁学原理，通过电流在磁场中的作用来实现运动。电机为现代工程和科技的核心组成部分，在各种应用领域中起着重要作用，从驱动机械设备到提供动力和控制系统。随着技术的不断发展，电机的性能和效率不断提高，以满足不同领域的需求。

电机种类多样化，根据不同分类标准可划分为不同类型。按工作电源来分类，电机分为直流电机和交流电机。直流电机是指通过直流电源供电的电机，而交流电机是指通过交流电源供电的电机。

（1）直流电机：直流电机是指将直流电能转换为机械能的电机。直流电机具备转速稳定、起动转矩大、效率高等优点，但其缺点是结构复杂、维护困难、成本较高等，主要应用于机床、机器人、电动车、船舶等领域。直流电机按结构分类可分为有刷直流电机和无刷直流电机。

➢有刷直流电机：有刷直流电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成。有刷直流电机结构简单，叠加已广泛得到应用，其技术发展成熟，生产加工相对容易。同时，有刷直流电机起动扭矩大、响应速度快、控制精度较高（控制精度可达到0.01毫米）。

➢无刷直流电机：无刷直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷直流电机通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，适时切换线圈中电流的方向，以产生正确方向的磁力驱动电机。由于去除电刷，在无刷直流电机的轴承磨损减少，使其使用寿命更长、维护成本更低；同时在运转时摩擦力减少，使无刷直流电机运行更顺畅、噪音降低。

（2）交流电机：交流电机是指将交流电能转换为机械能的电机。交流电机具有耐用性、低制造成本、价格合理和易于操作等特点，被广泛应用于消费品和工业设备。按电源分类可分为单相电机和三相电机。

➢单相电机：单相电机利用单相交流电产生的磁场来产生转矩，只有一个线圈，与单相交流电源相连。单相电机的转子由铁芯和导体组成，转子上的铁芯会受到线圈产生的磁场作用，从而产生旋转力矩，驱动转子旋转。由于单相电源的交流方向只有一个，其转矩产生不连续，需要通过启动电容器等辅助装置来实现启动。单相电机结构简单、安装方便、成本低廉，适用于家庭和商业领域，如风扇、空气净化器、吸尘器等。

➢三相电机：三相电机利用三相交流电产生的旋转磁场来产生转矩，由三个独立的线圈组成，每个线圈之间相隔120度，分别与三相交流电源相连。三相电机的转子是由磁性材料制成，通电后会在转子内部产生磁场，从而与外部磁场相互作用，产生旋转力矩，驱动转子旋转。三相电机效率高、运行平稳、寿命长，主要应用在工业领域，如水泵、风机、压缩机等。

按工作用途来分类，电机分为驱动电机和控制电机。  控制电机：控制电机主要应用于精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”，可分为步进电机、伺服电机、力矩电机。

➢步进电机：步进电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到脉冲信号，脉冲信号驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度。可通过控制脉冲个数控制电机的角位移量，达到精确定位目的；同时也可以通过控制脉冲频率控制电机转动速度和加速度，达到调速目的。步进电机结构简单、可靠性高和成本低，适用于自动送料机、打印机等领域。

➢伺服电机：伺服电机能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，达到控制目的。伺服电机自带编码器，用于反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。由于伺服电机精度高、响应速度快、稳定性强、能产生较大的输出力矩，广泛应用于各种控制系统中。

➢力矩电机：力矩电机是以输出力矩为主要控制目标的电机。其控制过程中更侧重对输出扭矩大小的精确控制，而不是控制方向。由于力矩电机的高扭矩输出和精确控制能力，常用于需高动态性能、精密定位和稳定扭矩输出的应用，如机床、自动化生产线、机器人关节等。力矩电机可分为无框力矩电机和有框力矩电机。

2、政策助力技术突破

国家积极颁布一系列政策推动电机相关产业发展。《机械行业稳增长工作方案（2023-2024 年）》聚焦提升产业基础能力、攻克关键核心技术与零部件，有利于电机的技术突破和产业升级。此外，《关于推动未来产业创新发展的实施意见》提出大力推动机器与电机相关产业的创新发展。机器人方面，将人形机器人列为重点突破高端装备领域，通过强化技术研发实力，加快突破前沿技术和颠覆性技术，以实现产品的创新。电机方面，电机作为机器人核心零部件，为重点突破的核心技术之一。同时，未来人形机器人实现规模量产，将进一步驱动电机需求。

二、空心杯电机

1、空心杯电机分类与区别

空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电机，主要由轴、轴承、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、线圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）等组成。空心杯电机磁体需要在径向方向上进行磁化，因此圆环磁体的断面上设槽是其特点之一。空心杯电机具备突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定运行特性，技术先进性十分明显。空心杯电机产生的转矩均匀分布，在低速运转下保持平稳运行，在高速运转下减少震动和噪音。

根据换向方式不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机。

➢有刷空心杯电机：有刷空心杯电机结构简单，成本相对较低。转子上的碳刷和换向器接触，将电能转换为机械能。两者接触会产生火花，并在接触磨损过程中存在一定噪音和震动，同时也会影响电机性能导致电机寿命缩短。有刷空心杯电机适用于对体积和重量要求较低领域，如小型家电。

➢无刷空心杯电机：无刷空心杯电机结构复杂，成本较高。由于无碳刷和换向器，无刷空心杯电机通过电子转换器实现电能转换，可根据转子位置自动调整电流方向，实现无花火运行，减少损耗延长电机寿命。无刷空心杯电机体积和重量相对较小，同时效率高、寿命长等特点，适用于无人机、机器人、精密设备等领域。

2、下游领域逐渐扩展，行业壁垒高

空心杯电机产业链上游包括原材料和零部件，原材料主要为铜、钢材、永磁材料等，零部件主要为轴承、铸件、塑料等。中游为空心杯电机制造商。空心杯电机制造工艺线圈绕组主要分为直线型、马鞍形和斜绕形。下游应用领域包括机器人、航天航空、消费电子等。空心杯电机最先应用于航天航空等领域，随后应用领域逐渐扩展。2023年中国空心杯电机下游应用领域占比前五分别为医疗器械（37.00%）、仓储物流（15.00%）、工业自动化（12.00%）、航天航空（11.00%）、机器人（8.00%）。

技术壁垒方面，空心杯电机工艺流程复杂，核心技术壁垒集中在线圈绕组。线圈绕组制造过程直接影响空心杯电机体积、转速、功率密度和良率等性能。与传统的无刷电机、有刷电机、伺服电机相比，空心杯电机结构为无齿槽结构，没有定子槽，漆包线均为悬空绕线，内部无任何支撑，生产工艺难度较高。绕线精度方面，空心杯电机精度要求相比传统电机高。空心杯电机体积较小，相比普通电机对误差的容错率更低，加工精度直接影响磁场的稳定性。导线粗细、绕组匝数的不同均会导致线圈绕组电阻值、启动电流以及速度常数等参数存在较大差异。因此在生产加工环节中需提高精度、良品率等。

个性化产品壁垒方面，空心杯电机的品质将影响下游客户产品的性能发挥、系统稳定性等，有一定概率上制造商需按照客户产品需求对空心杯电机产品设计和工艺进行调整。另外一种模式，制造商与客户形成协作的战略模式，此类合作模式客户粘性强，新进企业难以突破。

资金壁垒方面，空心杯电机体积小并实现高精度控制，依靠相对严格的工艺要求，同时需要庞大的资金投入到现代化设备，如全进口高精度模具、全自动高速冲床、全自动定子电镀、精密转子生产线、自动生产线等。此外，产品更新迭代也需足够资金支撑后续的设备投入与研发费用。

3、行业集中度高，市场空间持续提升

全球空心杯电机以海外企业为主导，市场集中度高。空心杯电机技术含量高、生产难度大，同时下游应用领域不断扩大，对产品的性能存在差异，制造厂商需具备一定的定制化生产能力予以应对。此外，由于技术更新迭代迅速，空心杯电机厂商需及时对产品进行迭代及优化。目前来看，全球空心杯市场仍以海外厂商为主导，2023年国外制造商市占率为85.00%。由于海外头部企业技术累积深厚，2022年全球空心杯电机市场CR5为67.00%，全球前五企业分别为Faulhaber、Portescap、AlliedMotion Technologies、Maxon Motor、Nidec CopalCorporation。

空心杯电机下游扩展迅速，市场空间不断提升。一方面，目前医疗器械、航空航天工业自动化产品对精度、转速等方面要求进一步提高，带动空心杯电机市场规模持续扩张。另一方面，空心杯电机快速响应、高精度特性适配于人形机器人手部关节；随着人形机器人量产，有望助推空心杯电机迎来新增市场，市场规模上限进一步提升。根据中商产业研究院，预计2024年全球及中国空心杯电机市场规模分别为8.70亿美元、3.20亿元，分别同比增长7.41%、10.34%。

人形机器人打开市场空间。根据头豹研究院，假设人形机器人的灵巧手均为五指（以特斯拉人形机器人为例），共使用12个空心杯电机，考虑规模生产、技术更新迭代等因素，均价逐年下降，预计人形机器人年产量分别为5万台、100万台、500万台，全球人形机器人用空心杯电机市场规模分别为10.83亿元、205.77亿元、977.41亿元；中国人形机器人用空心杯电机市场规模分别为 5.42亿元、102.89亿元、488.70亿元。

三、无框力矩电机

1、人形机器人关节主流电机，向高性能和多应用场景发展

无框力矩电机由定子和转子两部分组成，无传统电机外壳和轴承，通过嵌入设备内部实现紧凑化设计和高效传动。其以低速高力矩输出为特点，省去中间机械传动部件，减少能量损耗和系统惯性，提高设备动态响应和定位精度，适用于工业自动化、机器人、航空航天和医疗设备等领域。

无框力矩电机具备体积小、功率高、低转速输出大扭矩等特性，成为人形机器人关节驱动的主流电机。与普通电机相比，无框力矩电机更符合人形机器人需求。由于无框力矩电机的中空式设计，减小电机所占空间，更利于机器人轻量化发展。同时其在低转速情况下能输出更大扭矩，并且性能上不受高压、高温等环境影响，是人形机器人关节驱动中电机的较优选择。

从技术壁垒来看，无框力矩电机技术壁垒主要为磁路和工艺设计。电机的转矩密度和功率密度是影响机器人性能的重要指标。由于无框力矩电机需在低压供电环境下输出高功率，对磁路和工艺设计有一定的要求。未来，随着下游行业加速发展，产品技术更新迭代，无框力矩电机将以高性能化、多应用场景发展。高性能化方面，通过电磁结构和材料的优化，将提升无框力矩电机的单位体积或单位重量的转矩输出，满足下游紧凑设计方案的需求。多应用场景方面，针对不同下游领域研发专用无框力矩电机，将进一步提升产品的适应性和稳定性。

无框力矩电机产业链上游为钕铁硼磁材、钢材、绕线机等。中游为无框力矩电机制造商。下游应用领域包括机器人、通用机械、医疗器械、航天航空等。中国无框力矩电机下游应用领域中，机器人占比 80.00%，其中细分领域包括协作机器人、人形机器人等。

2、市场格局分散，人形机器人打开市场空间

海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势。无框力矩电机主要海外厂商为美国科尔摩根、德国TQ-RoboDrive、美国 Aerotech、奥地利AVS Mechatronics GmbH 等，由于海外企业技术累积深厚，在技术研发和生产工艺上存在领先优势。如科尔摩根产品采用分布式数槽及碳纤维绑扎技术、德国TQ-Robodrive 产品采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步相对较晚，在转矩密度和高端无框力矩电机产品上仍有一定差距。

产品定制化为主，市场竞争格局分散。虽然机器人作为无框力矩电机下游最大应用领域，但机器人各个细分产品（协作机器人、运动机器人、机器狗、人形机器人等）对无框力矩电机的参数要求不同，大部分以定制化为主。目前，国内外产品仍存在差距，国内企业依靠价格优势抢占市场份额。2023年中国无框力矩电机市场市占率前三分别为合泰科技（16.00%）、大族电机（12.00%）、步科股份（7.00%）。我们认为随着技术进一步突破，国产无框力矩电机渗透率将提升。

受人形机器人行业需求拉动，无框力矩电机市场规模呈上升态势。根据华经产业研究院，2023 年全球无框力矩电机市场规模约为6.57亿美元。随着人形机器人规模量产，需求进一步增加，预计2030年全球无框力矩电机市场规模约为9.03亿美元，2023-2030年复合增长率为4.65%。根据观知海内信咨询数据，预计 2024年中国无框力矩电机市场规模为2.23亿元，同比增长13.20%。

中国人形机器人用无框力矩电机市场规模预测。根据头豹研究院，人形机器人线性执行器、旋转执行器（以特斯拉人形机器人为例）分别由无框力矩电机+行星滚柱丝杠、无框力矩电机+谐波减速器组成，共计使用无框力矩电机28个。同时根据销售平台科尔摩根及步科股份无框力矩电机销售价格计算均价，考虑技术更新迭代等方面因素，假设销售均价呈逐渐下降趋势，预计人形机器人年产量为5万台、100万台、500万台，中国人形机器人用无框力矩电机市场规模分别为34.51亿元、621.22亿元、2795.47亿元。

特斯拉人形机器人用无框力矩电机市场规模测算：从产量来看，根据特斯拉给出2025-2027年量产指引及上述均价计算，预计 2025-2027 年特斯拉人形机器人用无框力矩电机市场规模分别为 3.45亿元、31.06亿元、279.55亿元。

四、技术壁垒及未来展望

目前，新一代灵巧手备受关注，空心杯电机作为灵巧手的关键部件之一，未来其精度及各方面参数将进一步提升以助力灵巧手完成弹钢琴或穿针引线等动作。无框力矩电机作为线性传动和旋转传动的主流电机，其优势较为明显。随着下游应用领域扩大，将拉动增量需求。未来人形机器人逐渐迈向产业化，以特斯拉、宇树科技等企业为代表的人形机器人顺利实现产业化并逐渐放量，空心杯电机和无框力矩电机行业空间将迎来巨大提升。