電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)分析

電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)分析一、控制電機(jī)是機(jī)器人“動(dòng)力核心”1.1電機(jī)構(gòu)成與原理介紹電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。大多數(shù)電機(jī)通過(guò)電流在導(dǎo)線繞組中與磁場(chǎng)的相互作用來(lái)產(chǎn)生扭矩，作用在電機(jī)軸上形成力。電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上的繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子則通過(guò)與磁場(chǎng)相互作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。主要組成部分可以分為：1）外殼：外殼由一個(gè)框架（或軸心）和兩個(gè)端蓋（或軸承座）組成。電機(jī)的外殼不僅可以將電機(jī)的組件保持在一起，還可以保護(hù)內(nèi)部組件免受濕氣和污染物的影響。此外，外殼類型還會(huì)影響電機(jī)的冷卻，外殼可以分為開(kāi)放式外殼，完全封閉式外殼。2）定子：定子承載磁場(chǎng)繞組和極。定子與轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成機(jī)器的磁路或核心。3）轉(zhuǎn)子：承載電樞繞組。電樞是承載負(fù)載的部分。4）繞組：通電后，會(huì)產(chǎn)生電磁力。電機(jī)種類多，可以按照不同方式進(jìn)行分類：1）從運(yùn)行方式來(lái)分，有旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（含連續(xù)旋轉(zhuǎn)、斷續(xù)旋轉(zhuǎn)和步進(jìn)旋轉(zhuǎn)三大類）、直線電動(dòng)機(jī)、平面電動(dòng)機(jī)等；2）從所用電源來(lái)分，有交流電動(dòng)機(jī)（含單相和三相、同步和異步、工頻和中頻等多種分類）和直流電動(dòng)機(jī)兩大類；3）還可從電壓高低、結(jié)構(gòu)形式、體積或功率大小、用途、適用環(huán)境等多方面進(jìn)行分類。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景眾多，在消費(fèi)市場(chǎng)、工業(yè)、車載等都有應(yīng)用。本文以機(jī)器人為切入點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注在工控、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域、人形機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用的控制電機(jī)。1.2電機(jī)原材料：釹鐵硼滲透率有望提升，編碼器國(guó)產(chǎn)化步入快車道電機(jī)的上游主要是磁性材料、編碼器、芯片和軸承等其他零部件，中游是電機(jī)制造，下游是工控、工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)應(yīng)用。磁性材料是電機(jī)主要原料之一，對(duì)電機(jī)性能影響較大。電機(jī)一般使用磁性較強(qiáng)的材料，強(qiáng)磁性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經(jīng)磁化，很難退磁，而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁，而軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無(wú)法向外磁路提供能量（但磁體內(nèi)部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為Oe或A/m。簡(jiǎn)單一點(diǎn)理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁：1）永磁材料的目標(biāo)是不斷追求更高的矯頑力，強(qiáng)化不退磁能力，在永磁電機(jī)中應(yīng)用較多；2）軟磁通過(guò)降低矯頑力，追求更高的磁導(dǎo)率，可以起到電能參數(shù)變換，提高磁性元件效率并節(jié)省空間的作用，目前作為各類電機(jī)、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應(yīng)用在新能源汽車、機(jī)器人、光伏等諸多領(lǐng)域。釹鐵硼性能較好，滲透率有望提升。釹鐵硼材料在矯頑力上的表現(xiàn)較優(yōu)異，同時(shí)在磁能積上也優(yōu)于其他材料。磁能積較好也意味著單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節(jié)省電機(jī)空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于60），能大大減小電機(jī)體積，減輕電機(jī)質(zhì)量，縮小電機(jī)能量損耗并提高整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)效率。唯一的劣勢(shì)在于溫度穩(wěn)定性比較差，需要通過(guò)添加鈷等其他元素來(lái)改善溫度性能，價(jià)格相對(duì)較高。編碼器的分辨率和精度與電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制性能有著密切的聯(lián)系。編碼器是將信號(hào)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸?shù)男盘?hào)形式的設(shè)備，如為伺服電機(jī)的閉環(huán)控制產(chǎn)生速度或位置的實(shí)際測(cè)量值。編碼器種類繁多，按照讀出方式可分為接觸式和非接觸式兩種；按照檢測(cè)工作原理，伺服電機(jī)編碼器可主要分為光電編碼器、磁性編碼器、電感式編碼器和電容式編碼器。其中，基于光電轉(zhuǎn)換原理的光編碼器和基于磁敏感元件感應(yīng)磁場(chǎng)變化原理的磁編碼器的應(yīng)用較為廣泛。1）光電編碼器由LED光源（通常是紅外光源）和光電探測(cè)器組成，二者分別位于編碼器碼盤(pán)兩側(cè)。碼盤(pán)由塑料或玻璃制成，上面間隔排列著一系列透光和不透光的線或槽。碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，LED光路被碼盤(pán)上間隔排列的線或槽阻斷，從而產(chǎn)生兩路典型的方波A和B正交脈沖，可用于確定軸的旋轉(zhuǎn)和速度。2）磁電式編碼器的原理是采用磁阻或者霍爾元件對(duì)變化的磁性材料的角度或者位移值進(jìn)行測(cè)量。磁性材料角度或者位移的變化會(huì)引起一定電阻或者電壓的變化，通過(guò)放大電路對(duì)變化量進(jìn)行放大，通過(guò)單片機(jī)處理后輸出脈沖信號(hào)或者模擬量信號(hào)，達(dá)到測(cè)量的目的。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的磁極數(shù)、磁阻傳感器的數(shù)量及信號(hào)處理的方式?jīng)Q定了磁性編碼器的分辨率，使磁場(chǎng)信號(hào)不會(huì)受到灰塵、濕氣、高溫及振動(dòng)的影響。光編碼器一般精度較高，成本較高，對(duì)工業(yè)環(huán)境有一定要求，粉塵、水汽等可能會(huì)影響編碼器精度；磁編碼器成本較為簡(jiǎn)單，價(jià)格優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。編碼器國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行時(shí)，看好國(guó)內(nèi)企業(yè)突破高端編碼器。當(dāng)前，編碼器中的一些芯片、碼盤(pán)及磁頭等重要元器件仍然依賴于進(jìn)口，這是國(guó)內(nèi)編碼器廠商下階段的主要突破目標(biāo)。以碼盤(pán)為例，碼盤(pán)的碼道數(shù)越多，其最外道被分割的區(qū)域就越多，即編碼器的最小分辨率越高。碼盤(pán)的生產(chǎn)要求每個(gè)碼道刻劃精準(zhǔn)，并且要求彼此對(duì)準(zhǔn)，給編碼器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程造成了極大阻礙。除碼盤(pán)之外，光電編碼器的芯片屬于光敏器件，光電結(jié)合緊密且工藝特殊，對(duì)參數(shù)控制要求較高，需要在高溫條件下持續(xù)工作，還要保證信號(hào)形態(tài)正常，且電流輸出能力較大，有特殊的封裝工藝要求，是國(guó)產(chǎn)化的壁壘。二、人形機(jī)器人時(shí)代將至，看好國(guó)內(nèi)廠商切入高端電機(jī)市場(chǎng)2.1風(fēng)起人形機(jī)器人，機(jī)器人電機(jī)市場(chǎng)蓄勢(shì)待發(fā)電機(jī)是機(jī)器人的關(guān)鍵組成部件之一，電機(jī)的扭矩、功率密度和轉(zhuǎn)速等指標(biāo)決定了機(jī)器人的性能。機(jī)器人相關(guān)的電機(jī)可以分為伺服電機(jī)、直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，參考Skyquest數(shù)據(jù)，目前直流電機(jī)占比較高，而伺服電機(jī)增長(zhǎng)較快，主要應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人、CNC系統(tǒng)對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合。我們認(rèn)為機(jī)器人需要根據(jù)不同場(chǎng)景去使用對(duì)應(yīng)的電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，會(huì)選擇不同電機(jī)。本文主要以工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人為例，分析對(duì)應(yīng)電機(jī)情況。2.1.1工業(yè)機(jī)器人：伺服電機(jī)系統(tǒng)是機(jī)器人“心臟”工業(yè)機(jī)器人指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，主要包括焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、包裝機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、切割機(jī)器人和凈室機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計(jì)算機(jī)控制。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等工業(yè)領(lǐng)域。按照機(jī)械機(jī)構(gòu)分類，工業(yè)機(jī)器人可以分為線性機(jī)器人（又叫直角坐標(biāo)機(jī)器人）、多自由度機(jī)器人（又叫多關(guān)節(jié)機(jī)器人）、并聯(lián)機(jī)器人（又叫deltaΔ機(jī)器人）和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（又叫scara機(jī)器人）等。工業(yè)機(jī)器人對(duì)精度要求較高，一般使用伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)成本在機(jī)器人中的占比為25%。伺服系統(tǒng)作為工業(yè)機(jī)器人核心零部件，可以將控制層指令準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)妥地傳送到執(zhí)行層。2.1.2協(xié)作機(jī)器人：輕量化設(shè)計(jì)背景下，無(wú)框電機(jī)成首選協(xié)作機(jī)器人追求輕量化、人機(jī)相互。協(xié)作機(jī)器人是在SCARA機(jī)器人以及垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人等機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上衍生出的新類型。協(xié)作機(jī)器人除在外觀形態(tài)上與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有些差別外，在產(chǎn)品特性上也區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人追求的“剛度”，協(xié)作機(jī)器人更多追求輕量化、柔性和安全協(xié)作性。此外在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、交互方式、部署成本以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人也存在一定的差距。協(xié)作機(jī)器人具有緊湊小型化、輕量化特性，因此選擇更加緊湊、高效率的電機(jī)方案。協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在構(gòu)造上有一定差異，協(xié)作機(jī)器人通常采用整體式的無(wú)框電機(jī)，采用關(guān)節(jié)一體化技術(shù)。無(wú)框電機(jī)只由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成，相較于傳統(tǒng)電機(jī)，去除了軸、軸承和外殼，使其體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊，易于維護(hù)，并便于被高度集成到協(xié)作機(jī)器人本體的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而提高其機(jī)械性能。除了伺服電機(jī)外，協(xié)作機(jī)器人通常還使用體積小、重量輕的諧波減速機(jī)。我們認(rèn)為隨著未來(lái)機(jī)器人小型化的發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)中狹窄的安裝空間和末端力矩的要求顯著增高，對(duì)無(wú)框電機(jī)本身性能的挑戰(zhàn)也不斷提升。2.1.3人形機(jī)器人：全新市場(chǎng)帶來(lái)新增量人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)器，目前驅(qū)動(dòng)器方案可以分為剛性驅(qū)動(dòng)、彈性驅(qū)動(dòng)和準(zhǔn)直驅(qū)。雙足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和人類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)類似，運(yùn)動(dòng)速度較快、機(jī)動(dòng)性較好，因此相比其他驅(qū)動(dòng)器，人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。參考丁宏鈺等的《國(guó)內(nèi)外雙足人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器研究綜述》，目前人形機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器方案可以分為三類：1）剛性驅(qū)動(dòng)：1983年，早稻田大學(xué)研究的WL－10R機(jī)器人使用剛性驅(qū)動(dòng)器TSA。自此雙足人形機(jī)器人開(kāi)始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動(dòng)器為關(guān)節(jié)動(dòng)力源。剛性驅(qū)動(dòng)器主要由電機(jī)、高傳動(dòng)比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成（力矩傳感器是可選擇項(xiàng)）。相比其他方案，剛性驅(qū)動(dòng)較為成熟，但能量效率相對(duì)較低一些。2）彈性驅(qū)動(dòng)：1995年，麻省理工學(xué)院的Pratt等提出了彈性驅(qū)動(dòng)器SEA(serieselasticactuator)的概念。美國(guó)宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人WalkMan都使用了彈性驅(qū)動(dòng)器。彈性驅(qū)動(dòng)器通過(guò)增加彈性單元來(lái)模擬肌肉系統(tǒng)功能，可以緩沖外部沖擊和儲(chǔ)能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。但由于彈性元件引入，系統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此運(yùn)動(dòng)控制精度較低。3）準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)：2016提出了準(zhǔn)直驅(qū)方案，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器含義是依靠驅(qū)動(dòng)器電機(jī)開(kāi)環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機(jī)器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動(dòng)器。一般方案是采用電機(jī)加低傳動(dòng)比減速器的方案，同時(shí)要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能地小，這樣可以實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器主要由高扭矩密度電機(jī)、低傳動(dòng)比減速器、編碼器和控制板等組成。相比其他方案，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。我們認(rèn)為特斯拉人形機(jī)器人在方案方面偏好剛性驅(qū)動(dòng)方案，其一體化關(guān)節(jié)（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）類似協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)，無(wú)框力矩電機(jī)是核心，利用高轉(zhuǎn)速電機(jī)+高減速比減速器實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。以協(xié)作機(jī)器人為例，一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)主要由扭矩傳感器、諧波減速機(jī)、力矩電機(jī)、制動(dòng)器、增量編碼器、絕對(duì)值編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器組成。根據(jù)金力等《驅(qū)控一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的研制及應(yīng)用》，一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)采用無(wú)框力矩電機(jī)，電機(jī)定子與關(guān)節(jié)殼體之間一般通過(guò)耐高溫樹(shù)脂膠粘接或過(guò)盈配合連接。電機(jī)轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸之間一般通過(guò)樹(shù)脂膠粘接。無(wú)框力矩電機(jī)的大直徑長(zhǎng)度比和多磁極對(duì)保證了電機(jī)的大扭矩輸出性能和低轉(zhuǎn)速特性，其轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu)，方便關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線。人形機(jī)器人需要完成復(fù)雜的工作，對(duì)手部“靈巧性”提出需求。根據(jù)來(lái)淼等的《腱驅(qū)動(dòng)仿人型五指靈巧手的設(shè)計(jì)》，目前靈巧手的傳動(dòng)方式有很多，常見(jiàn)的有齒輪傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)和腱傳動(dòng)等多種方案。腱傳動(dòng)使用鋼絲繩模仿人手的肌腱部位，將驅(qū)動(dòng)器外置于手掌或者手臂處，用腱繩實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，精簡(jiǎn)了手指處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相對(duì)齒輪和連桿，鋼絲繩的重量和摩擦更小，我們推測(cè)特斯拉人形機(jī)器人采用的是經(jīng)典的六電機(jī)+金屬腱繩方案。人形機(jī)器人采用集成化方案，對(duì)輕量化、緊湊結(jié)構(gòu)追求較高，手部采用輕量高效的空心杯電機(jī)，身體部位采用無(wú)框電機(jī)等構(gòu)成的一體化關(guān)節(jié)。特斯拉Optimus共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器：其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用電機(jī)+傳感器+諧波減速器的方案；而線性關(guān)節(jié)采用電機(jī)+絲杠+傳感器（從形態(tài)上，我們推測(cè)是無(wú)框電機(jī)）；特斯拉機(jī)器人靈巧手采取了折中的方案，使用較為經(jīng)典的六電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，拇指采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)彎曲和側(cè)擺，其它四指各用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)采用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。從數(shù)量來(lái)看，共12個(gè)驅(qū)動(dòng)，手指部分我們推測(cè)是空心杯電機(jī)+驅(qū)動(dòng)裝置+傳動(dòng)裝置構(gòu)成。機(jī)器人電機(jī)市場(chǎng)占電機(jī)市場(chǎng)約1%，增速相對(duì)較快。Skyquest預(yù)計(jì)2021年全球機(jī)器人相關(guān)電機(jī)規(guī)模為11億美元，2030年有望達(dá)到28億美元，復(fù)合增速達(dá)13.4%。根據(jù)FortuneBusinessInsights公布的數(shù)據(jù)，2021年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為1139億美元，機(jī)器人相關(guān)電機(jī)市場(chǎng)份額約1%，但增速相對(duì)較快。我們認(rèn)為人形機(jī)器人有望復(fù)制特斯拉新能源車成長(zhǎng)道路，較快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。特斯拉新能源汽車第一個(gè)五年突破10萬(wàn)銷量，第二個(gè)五年達(dá)到百萬(wàn)銷量，展示了特斯拉較強(qiáng)的量產(chǎn)能力。我們認(rèn)為有望人形機(jī)器人復(fù)制特斯拉新能源汽車0-1的過(guò)程，有望在初步量產(chǎn)后快速上量。目前方案下人形機(jī)器人身體擁有28個(gè)無(wú)框電機(jī)，手部對(duì)應(yīng)12個(gè)空心杯電機(jī)，假設(shè)人形機(jī)器人量產(chǎn)后，無(wú)框電機(jī)價(jià)值量為800元/個(gè)，空心杯電機(jī)1000元/個(gè)，則100萬(wàn)人形機(jī)器人對(duì)應(yīng)電機(jī)市場(chǎng)空間約為344億元。國(guó)內(nèi)企業(yè)加速推進(jìn)人形機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目+落地場(chǎng)景逐漸清晰，看好人形機(jī)器人加速落地。1）國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛入局機(jī)器人項(xiàng)目，近期傅利葉智能發(fā)布了最新研發(fā)的通用人形機(jī)器人GR-1，GR-1是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的自主研發(fā)、可商業(yè)化落地的人形機(jī)器人產(chǎn)品，展示了機(jī)器人直腿行走、敏捷避障等功能，國(guó)內(nèi)人形機(jī)器人推進(jìn)迅速。此外，華為、字節(jié)跳動(dòng)也入局機(jī)器人業(yè)務(wù)；騰訊RoboticsX實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了靈巧操作研究成果，并推出自研機(jī)器人靈巧手“TRX-Hand”和機(jī)械臂“TRX-Arm”。我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)多家企業(yè)入局機(jī)器人相關(guān)環(huán)節(jié)，有望加速人形機(jī)器人落地。2）人形機(jī)器人有望在工廠場(chǎng)景落地。2023年二季度業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上，特斯拉CEO埃隆·馬斯克公布了備受關(guān)注的特斯拉人形機(jī)器人Optimus的最新進(jìn)展。馬斯克表示，特斯拉已經(jīng)生產(chǎn)了10臺(tái)人形機(jī)器人。預(yù)計(jì)在今年11月份進(jìn)行行走測(cè)試，計(jì)劃明年在特斯拉工廠進(jìn)行實(shí)用性測(cè)試。2.2復(fù)盤(pán)海外高端電機(jī)廠商，人形機(jī)器人有望加速國(guó)內(nèi)高端電機(jī)突破之路復(fù)盤(pán)海外高端電機(jī)廠商MAXON發(fā)展歷程，我們認(rèn)為，率先布局高壁壘/新興領(lǐng)域+掌握一體化技術(shù)，掌握先發(fā)優(yōu)勢(shì)是維持電機(jī)企業(yè)高利潤(rùn)的關(guān)鍵。我們認(rèn)為MAXON的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：1）發(fā)展初期（1961-1996）：MAXON1961年成立，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)DC迷你型電機(jī)，并通過(guò)收購(gòu)美國(guó)分銷商，逐步打通美國(guó)市場(chǎng)，我們認(rèn)為這一時(shí)期是公司發(fā)展初期，主要是“量增”；2）快速發(fā)展期（1996-2012）：公司1996-1999年參與NASA“探路者”計(jì)劃，確定了公司高端電機(jī)定位，為公司拓展高端領(lǐng)域客戶打下了基礎(chǔ)，同時(shí)航空航天相關(guān)設(shè)計(jì)需求也可以復(fù)用到其他高端電機(jī)場(chǎng)合，我們認(rèn)為這一時(shí)期公司完善了公司產(chǎn)品高端定位，是公司產(chǎn)品和品牌“質(zhì)”飛躍；3）產(chǎn)業(yè)鏈布局完善期（2012-2020）：2015年開(kāi)發(fā)電驅(qū)系統(tǒng)，2017年收購(gòu)瑞士公司ZUBmachinecontrolAG，增加了公司在控制器領(lǐng)域的布局，到2020年公司逐漸從元器件供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)供應(yīng)商。國(guó)內(nèi)電機(jī)企業(yè)電機(jī)處于“量增”到“提質(zhì)”的過(guò)渡期。目前電機(jī)的主要應(yīng)用市場(chǎng)可以分為消費(fèi)級(jí)、車端市場(chǎng)、工業(yè)（工控等）、尖端市場(chǎng)等：1）消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)進(jìn)入門(mén)檻較低，國(guó)產(chǎn)化率較高；2）車端市場(chǎng)對(duì)電機(jī)企業(yè)資金壁壘要求較高，但整體盈利相對(duì)一般；3）工業(yè)尤其是自動(dòng)化控制相關(guān)電機(jī)盈利水平相對(duì)較高，在中高端領(lǐng)域國(guó)內(nèi)企業(yè)待突破，相關(guān)電機(jī)需有精密控制、復(fù)雜工業(yè)環(huán)境適應(yīng)等能力，可以用于機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域；在航空航天、軍工、精密醫(yī)療器械，包括部分探索性領(lǐng)域（探索新應(yīng)用、新產(chǎn)品）等領(lǐng)域，對(duì)電機(jī)企業(yè)要求較高，客戶壁壘高，需要電機(jī)企業(yè)具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)能力，毛利率相對(duì)較高，以MAXON等為代表的海外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。我們認(rèn)為，從整體市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)內(nèi)企業(yè)在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)、車端、工業(yè)領(lǐng)域都有所布局，中低端電機(jī)市占率較高，但在中高端市場(chǎng)依然待突破；而從企業(yè)角度來(lái)看，以匯川技術(shù)、鳴志電器為代表國(guó)內(nèi)企業(yè)，技術(shù)積累豐富，擁有研發(fā)能力+高端客戶資源，有望突破高端電機(jī)市場(chǎng)。以鳴志電器為例，國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)通過(guò)收并購(gòu)逐漸擁有高端電機(jī)定制化設(shè)計(jì)+核心零部件自產(chǎn)+觸達(dá)高端客戶的能力。鳴志電器通過(guò)收購(gòu)AMP、LinEngineerin等企業(yè)擁有了高端步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)，獲得了觸達(dá)北美核心客戶群的機(jī)會(huì)，另外通過(guò)收購(gòu)TechnosoftMotionAG公司幫助公司完善無(wú)齒槽和空心杯電機(jī)+驅(qū)動(dòng)控制器的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)產(chǎn)品。此外，公司擁有行星齒輪箱、編碼器等零部件的積累，有望在高端電機(jī)領(lǐng)域市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)突破。我們認(rèn)為以人形機(jī)器人為代表的高成長(zhǎng)賽道或?qū)⒔o國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)軍高端電機(jī)帶來(lái)突破性機(jī)會(huì)，：1）相比如精密醫(yī)療器械、航天等領(lǐng)域，人形機(jī)器人潛在空間較大，帶來(lái)的成長(zhǎng)空間大；2）人形機(jī)器人電機(jī)對(duì)精度要求沒(méi)有航空等領(lǐng)域高，但需要電機(jī)廠商具有設(shè)計(jì)、調(diào)整工藝和大規(guī)模制造降本能力，國(guó)內(nèi)企業(yè)擅長(zhǎng)降本，這將給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來(lái)與頭部企業(yè)合作設(shè)計(jì)/調(diào)整相關(guān)電機(jī)方案的機(jī)會(huì)；3）以空心杯電機(jī)為代表的微特精密電機(jī)，性能優(yōu)異，可以應(yīng)用于航空航天、光學(xué)、國(guó)防等領(lǐng)域，整體市場(chǎng)較小，但毛利率高，人形機(jī)器人有望帶動(dòng)相關(guān)市場(chǎng)擴(kuò)容，促進(jìn)國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研發(fā)和布局。三、國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)，看好國(guó)產(chǎn)企業(yè)突破高端電機(jī)壁壘3.1伺服電機(jī)：進(jìn)軍中高端市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)伺服電機(jī)系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備主要的動(dòng)力來(lái)源之一，伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器組成，編碼器通常嵌入于伺服電機(jī)。伺服系統(tǒng)可通過(guò)閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)精確、快速、穩(wěn)定的位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，主要應(yīng)用于對(duì)定位精度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求較高的工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。從原理來(lái)看，伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器再對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正。整個(gè)工作過(guò)程通過(guò)閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。從成本構(gòu)成上看，驅(qū)動(dòng)器成本占比42%；電機(jī)占比約35%；編碼器由碼盤(pán)、光源和接收器組成，成本占比約為11%。從分類來(lái)看，伺服電機(jī)系統(tǒng)可以分為通用伺服系統(tǒng)和專用伺服系統(tǒng)，兩種伺服電機(jī)系統(tǒng)在產(chǎn)品技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面存在差異。通用伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用廣泛，包括電子及半導(dǎo)體、機(jī)床、機(jī)器人、包裝、紡織、塑料、紙巾等。專用伺服系統(tǒng)根據(jù)不同行業(yè)需求定制化開(kāi)發(fā)，提供專業(yè)化產(chǎn)品，主要為交流電伺服以外的其他品類伺服，其市場(chǎng)規(guī)模較小。其下游應(yīng)用領(lǐng)域包括風(fēng)力發(fā)電、礦山機(jī)械、纜車索道、電梯等。伺服電機(jī)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)行時(shí)。從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，2022年前三季度通用伺服市場(chǎng)規(guī)模為173.3億元，同比下滑3.45%，主要受到2022年傳統(tǒng)制造業(yè)景氣度較弱以及國(guó)內(nèi)疫情影響。從國(guó)產(chǎn)化率來(lái)看，國(guó)內(nèi)伺服廠商以較短的貨期和充足的備貨擴(kuò)大自身競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)份額均實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。近年來(lái)通用伺服國(guó)產(chǎn)化率逐年攀升，2021年行業(yè)國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到23.57%，2022年前三季度提升至30.51%。3.2空心杯電機(jī)：繞線是核心壁壘，看好國(guó)內(nèi)企業(yè)突破繞線壁壘空心杯電動(dòng)機(jī)屬于直流永磁的伺服、控制電動(dòng)機(jī)，也可以將其歸類為微特電機(jī)。空心杯電機(jī)主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)軸、墊圈、滑動(dòng)軸承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環(huán)組成。定子由永磁體、殼體、法蘭組成。外殼提供了恒定的磁場(chǎng)，使電機(jī)無(wú)鐵損耗。沒(méi)有軟磁性牙齒。所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是均勻的，即使在低速情況下也能運(yùn)行平穩(wěn)。在較高的速度下，電機(jī)能減少振動(dòng)，減少噪音。分類方面，空心杯電機(jī)可以分為有刷和無(wú)刷兩種，有刷空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，無(wú)刷空心杯電機(jī)定子無(wú)鐵芯：1）有刷空心杯電機(jī)：空心杯直流有刷微電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是通過(guò)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來(lái)完成的。在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷。碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會(huì)發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁波，干擾電子設(shè)備。2）無(wú)刷空心杯電機(jī)：無(wú)刷空心杯直流電機(jī)采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷空心杯直流電機(jī)，是使用一套電子設(shè)備，通過(guò)霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因?yàn)槭亲钥厥竭\(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。相比普通電機(jī)，空心杯電機(jī)不含鐵芯，提升了電機(jī)的性能?？招谋姍C(jī)具有能量轉(zhuǎn)換效率較高，起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)較快和運(yùn)行穩(wěn)定性可靠，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)較小等優(yōu)勢(shì)，因此適合需要快速響應(yīng)的系統(tǒng)，如導(dǎo)彈飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動(dòng)控制，快速自動(dòng)調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測(cè)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，仿生義肢等。在特斯拉人形機(jī)器人中，空心杯電機(jī)可以運(yùn)用在手部，從而滿足手部運(yùn)動(dòng)的快速響應(yīng)需求。由于空心杯電動(dòng)機(jī)避開(kāi)了有鐵芯電動(dòng)機(jī)多種技術(shù)弊端，，使其具備了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的伺服特性不斷提出更高的期望和要求，使空心杯電動(dòng)機(jī)在很多應(yīng)用場(chǎng)合擁有不可替代的地位?？招谋姍C(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景包括：1）需要快速響應(yīng)的隨動(dòng)系統(tǒng)。如導(dǎo)彈的飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動(dòng)控制，快速自動(dòng)調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測(cè)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，仿生義肢等，空心杯電動(dòng)機(jī)能很好地滿足其技術(shù)要求。2）對(duì)驅(qū)動(dòng)元件要求平穩(wěn)持久拖動(dòng)的產(chǎn)品。如各類便攜式的儀器儀表，個(gè)人隨身裝備，野外作業(yè)的儀器設(shè)備等，同樣一組電源，供電時(shí)間可以延長(zhǎng)一倍以上。3）另外還有光學(xué)儀器、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人等，細(xì)分應(yīng)用有牙科設(shè)備、微型泵、紅外鏡頭、移液模塊、電動(dòng)夾爪、機(jī)器人手、點(diǎn)膠閥、手術(shù)工具等?？招谋姍C(jī)常用的線繞組電樞有直繞組、斜繞組、菱形繞組三種，核心壁壘是繞線。參考謝春輝的《馬鞍形空心杯電機(jī)線圈繞制設(shè)備研究》，空心杯電機(jī)常用的線圈繞法有直繞形、馬鞍形、斜繞形三種形式。其中，直繞形繞制方法工藝較為復(fù)雜，多用于較長(zhǎng)繞組結(jié)構(gòu)，常為多次繞制而成。斜繞形和馬鞍形在繞制工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外繞線機(jī)多采用這兩種方式。歐洲著名品牌Faulhaber電機(jī)采用的是斜繞形線圈，瑞士Maxon電機(jī)采用馬鞍形繞制方法，有著較為優(yōu)越的性能。生產(chǎn)空心杯電機(jī)的關(guān)鍵在于線圈的繞制。需要將自粘漆包線緊密排列，最終繞成一個(gè)規(guī)則的杯狀結(jié)構(gòu)。參考王鵬飛的《空心杯線圈繞線機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制》，空心杯電機(jī)的繞制方法分為三種，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)門(mén)檻較高：1）人工繞線，通過(guò)復(fù)雜的工藝，包括插針、手動(dòng)卷線、手動(dòng)排線等步驟進(jìn)行生產(chǎn)；2）半自動(dòng)化生產(chǎn)，卷繞式生產(chǎn)技術(shù)是半自動(dòng)化生產(chǎn)，首先將漆包線順序繞到橫截面為菱形的主軸上，達(dá)到需要的長(zhǎng)度后將其取下，然后壓扁成線板，最后將線板卷繞成杯狀的線圈，此生產(chǎn)方式工藝比較繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，廢品率高；3）一次成型自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備將一根漆包線按規(guī)律繞到一主軸上，線圈卷繞成杯狀后取下，完成一個(gè)線圈的繞制。海外廠商占據(jù)繞線機(jī)主導(dǎo)地位。參考王鵬飛的《空心杯線圈繞線機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制》，在繞線機(jī)廠商上，瑞士的Meteor公司是世界上有著較高占有率的繞線機(jī)供應(yīng)商，伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈的精密排線+CNC數(shù)控技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，確保了繞線機(jī)繞線精度；而日本田中精機(jī)株氏協(xié)會(huì)，第一個(gè)將計(jì)算機(jī)控制用于全自動(dòng)繞線機(jī)上，發(fā)明了磁鐵無(wú)摩擦張力器，研發(fā)出CNC可翻轉(zhuǎn)的多軸繞線設(shè)備。國(guó)內(nèi)廠商有望突破繞線機(jī)壁壘：1）根據(jù)田中精機(jī)招股說(shuō)明書(shū)，田中精機(jī)全資子公司田中日本無(wú)償受讓日本田中精機(jī)株氏與繞線機(jī)相關(guān)的專利與商標(biāo)，擁有繞線相關(guān)技術(shù)，有望在空心杯繞線機(jī)上實(shí)現(xiàn)突破；2）江蘇雷利及控股子公司鼎智科技圍繞“編碼器+控制器+空心杯電機(jī)+精密齒輪箱”產(chǎn)品，不斷加大研發(fā)投入，研發(fā)繞線機(jī)相關(guān)產(chǎn)品。海外廠商如瑞士的MAXON、德國(guó)Faulhaber等企業(yè)深耕行業(yè)多年，行業(yè)地位較高。國(guó)內(nèi)企業(yè)相較海外廠商仍存在一定的技術(shù)差距，未來(lái)潛在發(fā)展空間大，主要原因是：1）相比普通電機(jī)，空心杯電機(jī)由于少了鐵芯支撐，對(duì)線圈要求較高；2）國(guó)內(nèi)廠商更注重成本控制，缺乏對(duì)高端技術(shù)的投入，導(dǎo)致技術(shù)水平相對(duì)滯后，同時(shí)在減速器等機(jī)械件上依然在追趕海外企業(yè)。我們認(rèn)為，在高端微型電機(jī)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)與海外依然存在差距，但以鳴志電器、江蘇雷利為主的國(guó)內(nèi)企業(yè)也在不斷進(jìn)步，依托國(guó)產(chǎn)企業(yè)降本能力，有望在這塊市場(chǎng)取得相應(yīng)進(jìn)展。國(guó)內(nèi)企業(yè)持續(xù)布局，有望打開(kāi)高端空心杯市場(chǎng)。以鳴志電器和鼎智科技產(chǎn)品為例，國(guó)內(nèi)企業(yè)空心杯產(chǎn)品已經(jīng)可以應(yīng)用在軍工、醫(yī)療、半導(dǎo)體等高端領(lǐng)域，且可以定制不同規(guī)格產(chǎn)品，并可以以“編碼器+控制器+空心杯電機(jī)+精密齒輪箱”方案形式提供產(chǎn)品。工控領(lǐng)域頭部企業(yè)偉創(chuàng)電氣也切入機(jī)器人板塊，布局空心杯電機(jī)、無(wú)框電機(jī)等產(chǎn)品，其他微傳動(dòng)頭部企業(yè)兆威機(jī)電也有相應(yīng)積淀。我們認(rèn)為，疊加國(guó)產(chǎn)繞線機(jī)器持續(xù)突破，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)加速突破空心杯電機(jī)壁壘，有望打開(kāi)高端空心杯電機(jī)市場(chǎng)。3.3無(wú)框電機(jī)：國(guó)產(chǎn)企業(yè)有望憑借性價(jià)比優(yōu)勢(shì)加速突破無(wú)框電機(jī)可以將定轉(zhuǎn)子部件直接裝配在機(jī)器中，便于終端產(chǎn)品的高度集成化，縮小體積。無(wú)框架電機(jī)是傳統(tǒng)電機(jī)中用于產(chǎn)生扭矩和速度的部分，但沒(méi)有軸、軸承、外殼或端蓋。無(wú)框電機(jī)只有兩個(gè)部件：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。無(wú)框電機(jī)通常安裝在先進(jìn)的機(jī)器中，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，可以提升機(jī)器性能。無(wú)框電機(jī)可以運(yùn)用在多種機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域，包括機(jī)器人、醫(yī)藥、機(jī)床、包裝、印刷、加工和通用自動(dòng)化。在人形機(jī)器人領(lǐng)域，無(wú)框電機(jī)也有望發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)緊湊、性能較高的優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器人四肢等領(lǐng)域應(yīng)用。機(jī)器人需