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2.2 复盘海外高端电机厂商，人形机器人有望加速国内高端电机突破之路

复盘海外高端电机厂商 MAXON 发展历程，我们认为，率先布局高壁垒/新兴领域+掌握一体化技 术，掌握先发优势是维持电机企业高利润的关键。 我们认为 MAXON 的发展可以分为三个阶段： 1） 发展初期（1961-1996）：MAXON 1961 年成立，开发设计 DC 迷你型电机，并通过收购美国 分销商，逐步打通美国市场，我们认为这一时期是公司发展初期，主要是“量增”； 2） 快速发展期（1996-2012）：公司 1996-1999 年参与 NASA“探路者”计划，确定了公司高端电机定位，为公司拓展高端领域客户打下了基础，同时航空航天相关设计需求也可以复用 到其他高端电机场合，我们认为这一时期公司完善了公司产品高端定位，是公司产品和品 牌“质”飞跃； 3） 产业链布局完善期（2012-2020）：2015 年开发电驱系统，2017 年收购瑞士公司 ZUB machine control AG，增加了公司在控制器领域的布局，到 2020 年公司逐渐从元器件供应 商转变为系统供应商。

国内电机企业电机处于“量增”到“提质”的过渡期。目前电机的主要应用市场可以分为消 费级、车端市场、工业（工控等）、市场等：1）消费级市场进入门槛较低，国产化率较高； 2）车端市场对电机企业资金壁垒要求较高，但整体盈利相对一般；3）工业尤其是自动化控制 相关电机盈利水平相对较高，在中高端领域国内企业待突破，相关电机需有精密控制、复杂工 业环境适应等能力，可以用于机床、机器人等领域；在航空航天、jungong、精密医疗器械，包括 部分探索性领域（探索新应用、新产品）等领域，对电机企业要求较高，客户壁垒高，需要电 机企业具有较强的设计能力和生产能力，毛利率相对较高，以 MAXON 等为代表的海外企业占据 主导地位。我们认为，从整体市场来看，国内企业在消费级市场、车端、工业领域都有所布局， 中低端电机市占率较高，但在中高端市场依然待突破；而从企业角度来看，以汇川技术、鸣志 电器为代表国内企业，技术积累丰富，拥有研发能力+高端客户资源，有望突破高端电机市场。

以鸣志电器为例，国内头部企业通过收并购逐渐拥有高端电机定制化设计+核心零部件自产+ 触达高端客户的能力。鸣志电器通过收购 AMP、Lin Engineerin 等企业拥有了高端步进电机的 技术，获得了触达北美核心客户群的机会，另外通过收购 Technosoft Motion AG 公司帮助公 司完善无齿槽和空心杯电机+驱动控制器的系统级平台产品。此外，公司拥有行星齿轮箱、编 码器等零部件的积累，有望在高端电机领域市场实现突破。

我们认为以人形机器人为代表的高成长赛道或将给国内企业进军高端电机带来突破性机会，： 1）相比如精密医疗器械、航天等领域，人形机器人潜在空间较大，带来的成长空间大；2）人 形机器人电机对精度要求没有航空等领域高，但需要电机厂商具有设计、调整工艺和大规模制 造降本能力，国内企业擅长降本，这将给国内企业带来与头部企业合作设计/调整相关电机方 案的机会；3）以空心杯电机为代表的微特精密电机，性能优异，可以应用于航空航天、光学、 国防等领域，整体市场较小，但毛利率高，人形机器人有望带动相关市场扩容，促进国内企业 对相关领域研发和布局。

三、国产替代进行时，看好国产企业突破高端电机壁垒

3.1 伺服电机：进军中高端市场，国产替代进行时

伺服电机系统是工业自动化控制设备主要的动力来源之一，伺服系统主要由伺服驱动器、伺 服电机和编码器组成，编码器通常嵌入于伺服电机。伺服系统可通过闭环方式实现jingque、快速、 稳定的位置控制、速度控制和转矩控制，主要应用于对定位精度和运转速度要求较高的工业自 动化控制领域。从原理来看，伺服系统由伺服驱动器发出信号从而驱动伺服电机转动，同时编 码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。 整个工作过程通过闭环方式jingque控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。从成本构成上 看，驱动器成本占比 42%；电机占比约 35%；编码器由码盘、光源和接收器组成，成本占比约 为 11%。

从分类来看，伺服电机系统可以分为通用伺服系统和专用伺服系统，两种伺服电机系统在 产品技术、应用领域等方面存在差异。通用伺服系统下游应用广泛，包括电子及半导体、 机床、机器人、包装、纺织、塑料、纸巾等。专用伺服系统根据不同行业需求定制化开发， 提供化产品，主要为交流电伺服以外的其他品类伺服，其市场规模较小。其下游应用 领域包括风力发电、矿山机械、缆车索道、电梯等。

伺服电机系统国产化替代进行时。从市场规模来看，2022 年前三季度通用伺服市场规模为 173.3亿元，同比下滑3.45%，主要受到2022年传统制造业景气度较弱以及国内疫情影响。 从国产化率来看，国内伺服厂商以较短的货期和充足的备货扩大自身竞争优势，市场份额 均实现增长。近年来通用伺服国产化率逐年攀升，2021 年行业国产化率达到 23.57%，2022 年前三季度提升至 30.51%。

3.2 空心杯电机：绕线是核心壁垒，看好国内企业突破绕线壁垒

空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电机 主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴 承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了 恒定的磁场，使电机无铁损耗。没有软磁性牙齿。所产生的转矩是均匀的，即使在低速情况下 也能运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。

分类方面，空心杯电机可以分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电 机定子无铁芯： 1）有刷空心杯电机：空心杯直流有刷微电机采用机械换向，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通过随电机转动的换向器和电刷来完成的。在转动的过程中会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷。碳 刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁波，干扰电子设备。 2）无刷空心杯电机：无刷空心杯直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯 直流电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知， 使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。因 为是自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕 组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

相比普通电机，空心杯电机不含铁芯，提升了电机的性能。 空心杯电机具有能量转换效率较高，起动、制动迅速，响应较快和运行稳定性可靠，转速的波 动较小等优势，因此适合需要快速响应的系统，如导弹飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动 控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等。在特斯拉人形机 器人中，空心杯电机可以运用在手部，从而满足手部运动的快速响应需求。

由于空心杯电动机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，，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，使空心杯电动机 在很多应用场合拥有的地位。空心杯电机的应用场景包括： 1）需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自 动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢等，空心杯电动机能很好地满 足其技术要求。 2）对驱动元件要求平稳持久拖动的产品。如各类便携式的仪器仪表，个人随身装备，野外作 业的仪器设备等，同样一组电源，供电时间可以延长一倍以上。 3）另外还有光学仪器、医疗设备、机器人等，细分应用有牙科设备、微型泵、红外镜头、移 液模块、电动夹爪、机器人手、点胶阀、手术工具等。

空心杯电机常用的线绕组电枢有直绕组、斜绕组、菱形绕组三种，核心壁垒是绕线。参考谢 春辉的《马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究》，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，有着较 为优越的性能。

生产空心杯电机的关键在于线圈的绕制。需要将自粘漆包线紧密排列，终绕成一个规则的杯 状结构。参考王鹏飞的《空心杯线圈绕线机机构设计及控制》，空心杯电机的绕制方法分为三 种，自动化生产技术门槛较高： 1）人工绕线，通过复杂的工艺，包括插针、手动卷线、手动排线等步骤进行生产； 2）半自动化生产，卷绕式生产技术是半自动化生产，首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形的 主轴上，达到需要的长度后将其取下，然后压扁成线板，后将线板卷绕成杯状的线圈，此生 产方式工艺比较繁琐，工人劳动强度大，废品率高； 3）一次成型自动化生产技术，通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上，线圈卷绕 成杯状后取下，完成一个线圈的绕制。

海外厂商占据绕线机主导地位。参考王鹏飞的《空心杯线圈绕线机机构设计及控制》，在绕线 机厂商上，瑞士的 Meteor 公司是世界上有着较高占有率的绕线机供应商，伺服电机来实现线 圈的精密排线+ CNC 数控技术进行控制，确保了绕线机绕线精度；而日本田中精机株氏协 会，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。 国内厂商有望突破绕线机壁垒：1）根据田中精机招股说明书，田中精机全资子公司田中日本 无偿受让日本田中精机株氏与绕线机相关的专利与商标，拥有绕线相关技术，有望在空心杯绕 线机上实现突破；2）江苏雷利及控股子公司鼎智科技围绕“编码器+控制器+空心杯电机+精密 齿轮箱”产品，不断加大研发投入，研发绕线机相关产品。

海外厂商如瑞士的 MAXON、德国 Faulhaber 等企业深耕行业多年，行业地位较高。国内企业相 较海外厂商仍存在一定的技术差距，未来潜在发展空间大，主要原因是：1）相比普通电机， 空心杯电机由于少了铁芯支撑，对线圈要求较高；2）国内厂商更注重成本控制，缺乏对高端 技术的投入，导致技术水平相对滞后，同时在减速器等机械件上依然在追赶海外企业。我们认 为，在高端微型电机上，国内企业与海外依然存在差距，但以鸣志电器、江苏雷利为主的国内 企业也在不断进步，依托国产企业降本能力，有望在这块市场取得相应进展。

国内企业持续布局，有望打开高端空心杯市场。以鸣志电器和鼎智科技产品为例，国内企业 空心杯产品已经可以应用在jungong、医疗、半导体等高端领域，且可以定制不同规格产品，并可 以以“编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱”方案形式提供产品。工控领域头部企业伟创 电气也切入机器人板块，布局空心杯电机、无框电机等产品，其他微传动头部企业兆威机电也有相应积淀。我们认为，叠加国产绕线机器持续突破，国内相关企业加速突破空心杯电机壁垒， 有望打开高端空心杯电机市场。

3.3 无框电机：国产企业有望凭借性价比优势加速突破

无框电机可以将定转子部件直接装配在机器中，便于终端产品的高度集成化，缩小体积。无 框架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。

无框电机通常安装在先进的机器中，具有结构紧凑、易于维护等优势，可以提升机器性能。

无框电机可以运用在多种机器人和自动化领域，包括机器人、医药、机床、包装、印刷、加工 和通用自动化。在人形机器人领域，无框电机也有望发挥自身结构紧凑、性能较高的优势，在 机器人四肢等领域应用。 机器人需要无框电机具有较强的过载能力、高响应能力和可靠性。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。机器人对电机总体要求为质量轻、体积小、扭矩大。比如机器人在快跑、弹 跳时，需要电机具有瞬时爆发式功率输出能力，因此关节电机需具备高过载能力、高动态响应 能力；另一方面，在复杂工况下，对关节电机提出高可靠性的要求。参考王晟的《腿足式机器 人无框力矩电机设计与优化》，美国科尔摩根 TBM(S)系列无框电机、德国 TQ 公司研制的 ILM 系 列无框电机、Aerotech 公司研制的高性能无框力矩电机等在机器人关节电机上应用较多。

转矩密度和转矩波动要求较高，一体磁钢有利于提升无框电机效率、节省空间。参考王治会 的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析》，机器人关节的核心部件为关节 永磁力矩电机，力矩电机的高转矩密度和低转矩波动是实现机器人关节轻量化和高精度运行的 基础。传统拼接式磁瓦型永磁体存在较大漏磁的情况，降低了电机效率和气隙磁密，从而降低 了关节电机的转矩密度。根据王治会的《基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分 析》，永磁电机磁环大多数应用拼接瓦形磁体或者磁环粘结的结构:1）因为粘接剂等非磁性相 的出现，磁环粘结的磁功能相当低；2）瓦形烧结磁体加工程序长，材质耗费很大，磁极拼接 缝隙漏磁相当大；3）基于全密度辐射取向 Nd-Fe-B 整体永磁环而言，它的磁化取向呈辐射状，从而在磁环内外两端构成 N 极以及 S 极，它能够替代众多传统的方形或者瓦形磁体，精简电机 安装流程，提升安装jingque度，加大了电机运转的平稳性，合理缩减元件体积并提升其性能，实 现了提升效率、节省耗能的意图。 以科尔摩根一体式磁钢产品为例：1）提升功率密度，新一代 TBM2G 无框电机较上一代 TBM 产 品相比，功率提升 70% 以上，功率密度提升 80% 以上，从而转矩提升可高达 45%；2）内径 增大，转矩臂直径得以增加，并且也进一步提升了电机内部的宝贵空间。

根据 Market Research 数据，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 6.69 亿美元，2029 年预计 将达到 12.17 亿美元，Kollmorgen，Moog，Maxon Motor，BEI Kimco，Woodward 和 Shinano Kenshi等企业在市场占据优势地位，国产厂商如步科股份有望借助国产产业链成本优势，在市 场份额上取得突破。

国内产品性能逐步接近海外企业产品，市占率有望提升。我们以步科股份与科尔摩根 60mm 左 右的转子内径产品对比，可以发现国内头部企业产品过载能力、额定转矩等部分性能已经逐步 接近海外产品。在此情况下，国产品牌有望凭借价格优势提升市占率。

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