常投格物 行业专题研究 | 人形机器人的“肌肉”——电机

人形机器人主流的驱动方式可以分为液压驱动、气压驱动和电机驱动三类，其中电机驱动由于控制精度高、响应速度快、运行稳定性好、成本较低等优势，得以广泛应用。

图2 机器人各类驱动方式的比较（资料来源:孙巍伟《机器人伺服控制系统及应用技术》）

其中电机按照控制方式分类，可以分为步进电机、伺服电机;按照驱动方式分类，可以分为直流电机、交流电机。直流电机中，按照线圈类型分类可以分为有铁芯的电机、空心杯电机；按照换向方式分类，可以分为有刷电机、无刷电机。

图3 电机按照控制方式和驱动方式进行分类（资料来源:光大证券研究所）

伺服电机是一种能够精确控制位置、速度和扭矩的电机，主要由电机本体、编码器、驱动器这几个核心部分组成。当控制系统发出一个目标位置、速度或者扭矩的指令后，驱动器会根据这个指令，向电机本体提供相应的电能，使电机开始运转并驱动负载运动。与此同时，编码器会不断地监测电机的实际运动状态，并将数据反馈给驱动器。驱动器将反馈数据与目标指令进行对比分析，如果发现存在偏差，就会立即调整对电机的供电参数，纠正偏差，直到电机的实际运动状态与目标指令完全相符，从而保证电机始终精准地按照要求进行运动。与普通电机一般只能实现简单的定速旋转或在一定范围内大致调速等基本功能，难以精确控制其位置、速度和扭矩，并且对外部指令的响应速度较慢，运行精度相对较低相比，伺服电机主要的特点是高精度控制、快速响应、稳定性好，多用于工业自动化领域、机器人领域、智能仓储物流领域与航空航天领域。

图4 伺服电机结构图（资料来源：鸣志电器官网）

步进电机又称脉冲电机，是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的开环控制电机，主要由转子和定子构成。当给电机的定子绕组输入一个电脉冲信号时，绕组中就会有电流通过，进而产生磁场，这个磁场与转子的磁场（永磁式转子自带磁场，反应式转子感应产生磁场）相互作用，使转子按照一定的方向转过一个固定的角度，这个角度被称为步距角。每输入一个脉冲信号，转子就会转过相应的步距角，脉冲信号连续不断地输入，转子就会一步一步地持续转动，其转动的位移量与输入脉冲的数量成正比，转动的速度则与脉冲的频率成正比。

图5 步进电机结构图（资料来源：鸣志电器官网）

灵巧手是人形机器人中制造难度最高的部件，而灵巧手能否足够灵巧，很大程度取决于内部使用的空心杯电机。特斯拉人形机器人从2021年Tesla Bot到2022年Al Day Optimus正式亮相，再到2023年Optimus二代已经实现快速发展。Optimus的灵巧手采用经典的6电机驱动方案，即由空心杯电机+驱动器+减速器+编码器组成，拇指是采用双电机驱动弯曲和侧摆，其余四指各用一个电机带动；国内灵巧手头部企业因时机器人的仿人五指灵巧手采用直线驱动设计，内部集成了6个力控微型伺服电缸，即减速器、空心杯电机、丝杆机构、传感器以及伺服控制系统。

图6 特斯拉Optimus人形机器人手部透视图（资料来源:光大证券研究 ）

图7 因时机器人灵巧手（资料来源:因时机器人官网）

而人形机器人各个关节使用的电机为无框力矩电机，是人形机器人的核心电机之一。以特斯拉人形机器人为例，特斯拉人形机器人全身共有28个执行器，执行器分布在肩部6个、肘部2个、腕部6个、躯干2个、髋部6个、膝部2个、踝部4个，其中旋转执行器和线性执行器各14个。

旋转执行器：主要由无框力矩电机+谐波减速器+扭矩传感器

+位置传感器+轴承角接触球轴承+交叉圆柱滚子轴承+编码器组成；旋转执行器分布在肩部6个、腕部2个、髋部4个、躯干2个。特斯拉人形机器人包含3种不同扭矩的旋转减速器，扭矩分别为20Nm/110Nm/180Nm。

图8 特斯拉Optimus人形机器人旋转执行器（资料来源:特斯拉AI DAY 2022，光大证券研究所）

线性执行器:主要由无框力矩电机+行星滚柱丝杠+力矩传感器+位置传感器+轴承（四点接触球轴承+深沟球轴承）+编码器组成；线性执行器分布在肘部2个、腕部4个、髋部2个、膝部2个、踝部4个。特斯拉人形机器人包含3种不同力矩的线性执行器，力矩分别为500N/3900N/8000N。

图9 特斯拉Optimus人形机器人线性执行器（资料来源:特斯拉AI DAY 2022，光大证券研究所）

无框力矩电机是力矩电机的一种变体，弃用了传统的电机结构中的轴、轴承、外壳或端盖，仅保留了传统电机中用于产生扭矩和速度的部分。

无框力矩电机一般只有两个部件，即转子和定子。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，由齿轮外部环绕钢片和铜绕组构成，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。

图10 传统有框力矩电机（资料来源:公开资料 ）

图11 无框力矩电机（资料来源:公开资料）

无框力矩电机在控制电机之中，主要应用于控制系统中作为控制转速位置等的执行机构。电机根据不同应用场景存在不同的设计和驱动方式等，人们根据旋转电机的具体用途对其进行了基本的分类，其中最具代表性的三种类型分别为控制电机、功率电机和信号电机。控制电机主要是应用在精确的转速、位置控制上，在控制系统中作为执行机构，可细分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类，而力矩电机又可按照直/交流划分为直流力矩电机和交流力矩电机，或者有/无框划分为有框力矩电机和无框力矩电机。

图12 旋转电机按用途分类（资料来源：智能装备信息，中邮证券研究所）

不同于传统伺服电机，无框力矩电机以输出扭矩为衡量指标，而普通伺服电机更偏向以输出功率为评价指标。无框力矩电机由驱动器供电，驱动器控制U//W三相电形成电磁场，永磁体转子在此磁场的作用下转动。无框力矩电机可以通过霍尔元件作为反馈信号，也可以通过另外加装的编码器信号作为反馈，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，达到伺服控制的目的。

典型的无框力矩电机为科尔摩根无框力矩电机，其典型构造为:（1）内圈采用SS400系列（抗拉强度为400MPa的普通结构钢）；（2）环形磁铁采用NdFeB，涂层采用环氧树脂；（3）集成电路PCB板；（4）线圈材料铜、涂层是清漆；（5）绝缘材料是合成树脂；（6）电源线；（7）叠片选用电工钢；（8）可选过热保护装置（PT1000铂热电阻、PTC热敏电阻）；（9）可选霍尔传感器。

图13 科尔摩根无框力矩电机（资料来源: 科尔摩根公司官网）

无框力矩电机非常适配于机器人关节。无框力矩电机的出现，让机器结构设计不再受制于电机壳体的束缚；可以利用机器的自身轴承支撑转子，将电机无缝内置于机器设计中。无框力矩电机具有体积小、质量轻、惯量低、结构紧凑、功率高、适配性强等特点，在机器人关节、医疗机器人、传感器万向轴、无人机推进和制导系统以及其他应用领域具有广泛的应用前景。

图14 无框力矩电机的特点（资料来源: 科尔摩根公司官网）

现阶段人形机器人领域，无框力矩电机整体的发展难点在于：1.如何不断提升关节电机功率密度；2.在较小尺寸下，达到高功率密度的同时如何控制电机温升；3.电机的额定及最高转速要求；4.电机成本的要求。

无框力矩电机核心壁垒在于以下几方面：

1.制造工艺方面

定子绕组工艺复杂：无框力矩电机的定子绕组通常采用扁平式且紧凑的绕制方式，要保证绕组的平整度、线径的均匀性以及各匝之间紧密排列且绝缘良好是颇具挑战性的。例如，在绕制过程中，稍有偏差就可能导致定子磁场分布不均匀，影响电机的力矩输出性能和运行稳定性，而且对于高精度、高功率密度的无框力矩电机，对绕组工艺的精度要求更高，这需要先进且精细的绕线设备以及熟练的操作工人来保障工艺质量。

转子装配精度要求高：转子与定子之间的气隙需要保持较小且均匀，这对转子的装配精度提出了严苛要求。因为哪怕是微小的装配误差，都可能引起转子与定子之间的摩擦、磁场耦合不均匀等问题，进而降低电机的效率、产生异常振动甚至损坏电机。在实际装配过程中，要借助高精度的定位工装和精密的测量仪器来确保转子准确无误地安装到位，并且在批量生产中持续维持这样的高精度装配水平难度较大。

2.散热设计难点

散热方式受限：虽然无框力矩电机定子和转子直接暴露在外有利于散热，但在一些特殊应用场景，如高负载长时间运行或者空间相对封闭的环境下，仅依靠自然散热往往是不够的。然而，由于其结构特点，要像传统电机那样方便地安装散热风扇、散热片等常规散热部件又存在一定限制，如何在不影响电机整体性能和结构紧凑性的前提下，设计出有效的散热方案，例如采用特殊的散热材料、优化散热通道等，是需要攻克的难题。

热管理难度大：电机运行过程中，热量的产生和传递情况较为复杂，不同部位的温度变化会影响电机的电磁性能、材料特性等。准确地监测、评估以及控制电机内部的热流分布，确保各部分温度处于合理范围，避免局部过热导致的电机性能下降、绝缘损坏等问题，需要建立精准的热模型并运用复杂的热管理技术，这增加了无框力矩电机热设计方面的难度。

3.控制与匹配难度

高精度控制算法复杂：无框力矩电机要实现高精度的力矩、速度和位置控制，需要与之相适配的复杂控制算法。例如，在动态负载变化时，如何快速准确地根据负载情况调整电机的输出力矩，以及在多电机协同应用场景（如多关节机器人）中，怎样保证各电机之间的协调配合，都涉及到复杂的运动学、动力学模型以及非线性控制算法的运用，开发和优化这些控制算法需要深厚的专业知识和大量的实践经验。

与驱动器匹配挑战大：电机与驱动器的良好匹配对于发挥电机的最佳性能至关重要。无框力矩电机的特性决定了其对驱动器的输出能力、响应速度、控制精度等方面都有较高要求，要找到完全适配的驱动器并非易事，并且在实际应用中，还需要根据不同的工况对电机和驱动器进行联合调试，以达到最优的工作状态，这增加了整个系统的匹配和调试难度。

4.可靠性保障难题

工况适应性问题：无框力矩电机需要在多种不同的工况下稳定可靠地工作，像在高温、潮湿、强振动等恶劣环境中，电机的材料性能、结构稳定性等都会面临考验。例如，在潮湿环境下，电机的绝缘性能可能受到影响，而在强振动环境中，其精密的结构容易出现松动、部件磨损等问题，如何通过合理的材料选择、结构优化以及防护措施来提高电机对各种工况的适应性，确保其可靠性，是一个关键难点。

寿命评估与延长困难：准确评估无框力矩电机的使用寿命并采取有效措施延长其寿命存在诸多困难。由于影响电机寿命的因素众多，包括电磁力作用下的部件疲劳、热循环导致的材料老化、摩擦磨损等，很难建立精准全面的寿命预测模型，而且在实际使用中，难以提前采取针对性的措施来预防潜在的寿命损耗因素，这对保障电机长期可靠运行带来了挑战。

2023年11月，工业和信息化部印发《人形机器人创新发展指导意见》，提出人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的下一个颠覆性产品，并明确2025年实现批量生产、2027年综合实力达到世界先进水平的目标。由于人形机器人前景广阔，国内外知名企业均在加速布局。 

根据特斯拉AI Day 2022，其人形机器人Optimus采用14个直线执行器及14个旋转执行器。无论是直线执行器还是旋转执行器，每个执行器均包含1个无框力矩电机，即单个人形机器人包含28个无框力矩电机。国产人形机器人如宇树H1、远征A1、小米Cyber one、优必选X1、傅里叶GR-1，其关节单元也都使用无框力矩电机，最大扭矩为360Nm。宇树、智元、小米机器人均自研关节电机，能够更好适配各自厂商的机器人产品。

图15 国产人形机器人及自研力矩电机情况（资料来源：光大证券研究所）

据浙商证券预测，2024年有望实现人形机器人的初步量产，预测2025年全球人形机器人用无框力矩电机市场规模有望达到60亿元，2030年将有望达到282亿元。关键假设：单个人形机器人所需无框力矩电机28个（参考特斯拉人形机器人方案），假设2024年无框力矩电机均价为1000元/个，而后因规模扩大单价逐年降低。

图16 预计2030年全球人形机器人领域所需无框力矩电机的市场规模有望达282亿元（资料来源：浙商证券研究所）

空心杯电机是一种微型伺服电动机，属于微特电机的一种，与灵巧手关节高度适配。它可以利用永磁铁产生磁场，从而实现直流供电。与传统电机的不同之处在于，空心杯电机通常直径不超过40mm，结构为无铁芯转子，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，这种新颖的定转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。整体表现为无铁心损耗、低摩擦和良好的散热性等特性，实现了电机的高效率，是电池供电型设备的理想选择。空心杯电机通常应用于便携式空气采样泵、仿人机器人、仿生手、手持电动工具等场景。

图17 传统有刷直流电机【资料来源：《空心杯电机定制化管理的应用研究》（2018年）】

图18 空心杯电机【资料来源：《空心杯电机定制化管理的应用研究》(2018年)】

空心杯电机无铁芯设计从结构上解决了由于铁芯的存在带来的多种问题。孔晓光、王凤翔等撰写的《高速永磁电机的损耗计算与温度场分析》对铁芯电机的损耗进行了分析，并按照引起的原因将损耗分为四类，分别是: 定子绕组铜耗、定子铁耗、转子空气摩擦损耗和转子涡流损耗。定子铁耗（包含磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗）和转子涡流损耗可以通过取消定子或转子的铁芯结构来达到规避的效果。定子绕组铜耗的大小受到电机工作频率、绕组导体尺寸和在槽中排列位置等多因素影响，所以也被铁芯结构的取消所影响。转子空气摩擦损耗同电机转速的三次方成比例，故而在高速电机中转子的风磨耗占据较大比例，若转子替换为无铁芯的结构，即杯状的自支撑线圈，体积小重量轻，在高转速情况下也能达到更小的风磨耗。铁芯电机由结构带来的损耗较大，尤其是在高转速的工况下表现显著，空心杯电机的设计结构决定了其特性可以规避铁芯电机的各类问题。

图19 高速铁芯电机不同转速下的损耗情况【资料来源: 《高速永磁电机的损耗计算与温度场分析》(孔晓光、王凤翔等)】

空心杯电机转子是杯状的自支撑线圈，在弃用传统结构后，可降低转子转动惯量，具有以下特点:不存在齿槽，没有齿槽转矩，因此噪声和振动小，铁损较小；能量转换效率高，高速运转下，转速调节灵敏，且能量密度远高于其他电机。 

图20 空心杯电机特性及应用优势【资料来源：《空心杯电机定制化管理的应用研究》（2018年）】

根据换向方式的不同，空心杯电机分为有刷电机和无刷电机，有无电刷是有刷电机和无刷电机最直观的区别。

图21 有刷空心杯电机图（资料来源：鸣志电器官网）

图22 无刷空心杯电机图（资料来源：鸣志电器官网）

而电刷可将电能转换成机械能或将机械能转换成电能，无刷电机则是由电机主体和驱动器组成的机电一体化产品。无刷空心杯电机适用于需要长时间连续运行和具有较高控制要求或可靠性要求的应用场景，有刷空心杯电机适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业。具体见下图：

图23 不同换向方式（有刷和无刷）特点描述【资料来源：《空心杯电机定制化管理的应用研究》（2018年）】

图24 不同换向方式的换向图形（资料来源：Maxon官网）

无刷电机通常具有以下特点：（1）使用寿命更长，通常为 7-10年；（2）能耗少，通常为有刷电机的1/3；（3）运行安静，运营平稳，噪音小；（4）价格较贵，有刷电机价格低廉。

空心杯电机的整体装配过程同普通电机类似，其生产方面核心技术壁垒在于定子/转子的自支撑绕组设计和绕线设备。

绕组设计方面，生产空心杯电机的关键在于空心杯线圈的绕制，目前绕法主要分为直绕式、马鞍式、斜绕式三种。马鞍式和斜绕式是目前海外先进空心杯电机商最常采用的两种方式。空心杯电机的自支撑绕组由漆包线制成，漆包线由铜导体和绝缘漆层两部分组成，裸线经退火软化后，再经过多次涂漆，烘焙而成。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻铜线上的油漆熔化在一起。油漆是一种热塑性塑料，含有一种使其易于成型的溶剂。在高温制造过程中，溶剂气体逸出，热塑体变硬，绕组便有了一定稳定性和刚度。

图25 空心杯电机常见的三种绕组方式(资料来源：Maxon《Permanent magnet dc motor with corless winding》)

绕线设备方面，主要分为人工绕线、绕卷式生产技术和一次成型生产技术。目前，我国大多数厂商采用绕卷式生产技术，海外厂商主要采取一次成型生产技术，手工绕制以及半自动式的绕卷式生产技术自动化程度低，在需要大量劳力的同时，其所产出的线圈排线精度较差，进而影响线圈质量。因此，如果想实现线圈高精度高效率生产，以及最终电机质量提升，必须采用自动化生产以及先进的绕线设备。

    欧洲及北美厂商对于空心杯线圈绕制设备发展较早，技术较为先进，绕制线圈的质量和效率具备较大的优势，国内厂商需要持续提升针对绕制设备的研发才能够使线圈及空心杯电机质量提升，持续向上拓展中高端的空心杯电机市场。

2022年，空心杯电机全球市场规模超50亿元人民币。根据 QY Research数据，全球空心杯电机市场规模在2022年约为54.6亿元人民币，预计到2028年将达到11.86亿美元，2022-2028年复合年增长率为7.98%；若进一步区分有刷和无刷，2021年全球有刷空心杯电机市场规模占全球空心杯电机市场规模比例（按金额）为67.33%，并预计到2028年有刷空心杯电机全球市场规模将达到6.86亿美元，2022-2028年复合增长率为5.68%。

根据OY Research数据，分地区来看，2021年中国、欧洲空心杯电机市场规模分别约为2.36亿美元、1.75亿美元，占全球空心杯电机市场规模比例（按金额）分别为34.80%、25.85%。

图26 全球空心杯电机市场规模(资料来源：QY Research)

图27 2021年全球市场各类空心杯电机占比（按金额）(资料来源：QY Research)

以全球空心杯电机龙头Maxon为例，其电机被广泛应用于医疗、航空航天和工业自动化领域。在医疗领域，Maxon电机在有源植入物、外科手术机器人、仿生假肢等高精度设备中运行;在航空航天领域，可具体应用于飞机控制系统、科研航天器和机器人探测器等；在工业自动化领域，能够应用于实验室自动化、原油和天然气等行业。

图28 Maxon电机典型的应用领域（资料来源：Maxon产品手册）

光大证券对人形机器人空心杯电机市场空间进行了简单测算，核心假设如下：（1）以特斯拉人形机器人Optimus为例，其手部共有12个执行器（双手）所用电机为空心杯电机，因此假设单台人形机器人空心杯电机用量为12个；（2）随着人形机器人大规模量产，降本要求提高，空心杯电机平均价格逐渐下降；（3）根据Market Research，全球领先的空心杯电机企业基本均位于海外，2021年全球空心杯电机前三大企业的市场份额（按收入）为55.43%。基于此，假设当人形机器人年产量为5万台时，中国企业市占率为30%，并且该市占率随着人形机器人年产量的增加而上升。

当人形机器人年产量分别为5/10/50/100万台时，假设空心杯电机平均价格分别为1000/800/600/500元/个，则对应市场空间分别为6/9.6/36/60亿元；若进一步假设中国企业市占率分别为 30%/40%/50%/60%，则中国企业可获得市场空间分别为1.8/3. 8/18/36亿元。

图29 人形机器人空心杯电机市场空间测算（资料来源：人形机器人联盟微信公众号，鸣志电器官网，光大证券研究所测算）

外国公司占据大部分份额，国产替代空间广阔。国外空心杯电机排名前列的公司分别是Maxon Motor、Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies及Nidec Copal Corporation；国内空心杯电机龙头公司是鸣志电器，拓邦股份、鼎智科技、伟创电气、吴升电机也是重要的空心杯电机公司。

可以发现，海外公司成立年份较早，产品横向、纵向布局均较为完善，具备大量的驱动配置方案，且均为全球化企业。国外龙头企业小尺寸电机设计能力强，直径最小尺寸可至6mm，而国内企业少有12mm以下尺寸的空心杯电机产品，直径上限也比较高。国内成立较晚，研发及生产则是以点带面，逐步丰富能力，随着能力不断深化，未来有广阔的国产替代的空间。