空心杯電機(jī) VS 傳統(tǒng)直流電機(jī)的區(qū)別是什么

（報(bào)告出品方/作者：華創(chuàng)證券，黃麟、何家金）

（一）空心杯電機(jī)：人形機(jī)器人靈巧手的核心零部件

靈巧手是人形機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作的最終零件，十分重要且復(fù)雜，對(duì)電機(jī)性能要求較高。靈 巧手作為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)操作的終端工具，十分重要，其設(shè)計(jì)高度仿人手，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 面臨的最大難題是空間極小而驅(qū)動(dòng)自由度極多，需要配備功率密度高，體積小且控制精 度高的電機(jī)。 空心杯電機(jī)與靈巧手關(guān)節(jié)適配性高，特斯拉 Optimus 選用其作為動(dòng)力源。空心杯電機(jī)具 有功率密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，與靈巧手的需求高度適配。 特斯拉機(jī)器人“靈巧手”使用較為經(jīng)典的六電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，和人手一樣同樣使用 5 個(gè)手 指，擁有 11 個(gè)自由度，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)的目的與腿部直線伺服如出一轍，采用機(jī)構(gòu)自鎖降低能耗。為追 求形態(tài)美觀及自適應(yīng)性，手指采用拉線的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，擁有負(fù)重 20 磅（9KG）和自適應(yīng)抓 取（能夠抓取不同形狀、尺寸的物體）的能力，可完成搬運(yùn)、澆花等動(dòng)作。

（二）結(jié)構(gòu)與性能：無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)打破常規(guī)，電機(jī)性能全方位提升。

電機(jī)種類繁多，空心杯電機(jī)憑借性能優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。電機(jī)自從被發(fā)明出以來逐漸進(jìn)入 我們生活的方方面面，是日常生活中應(yīng)用最廣泛的用電設(shè)備之一。電機(jī)按工作電源種類 可分為采用直流電源的直流電機(jī)和采用交流電源的交流電機(jī)，按用途分類可分為驅(qū)動(dòng)電 機(jī)和控制電機(jī)，其中控制電機(jī)又可以分為開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)和可以實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制 的伺服電機(jī)?？招谋姍C(jī)是一種采用永磁鐵提供磁場(chǎng)，直流電源供電的微型伺服電機(jī)， 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)電設(shè)備對(duì)于能更好適應(yīng)各種需求對(duì)伺服電機(jī)的技術(shù)要求越 來越高，而空心杯電機(jī)也因其節(jié)能效果好、伺服特性好等性能優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。

空心杯電機(jī)本體“小巧”，性能“精悍”，是電機(jī)領(lǐng)域“皇冠上的明珠”。從結(jié)構(gòu)上看，以 有刷空心杯電機(jī)為例，其主要由空心杯繞組、永磁體、電刷、換向器等部件組成，采用了 無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，各部件組合緊密，通常尺寸比較小，直徑不超過 40mm。從性能上看， 無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)的性能得到了極大的改善，使其具有卓越的節(jié)能，高效，高靈敏 度，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

空心杯電機(jī) VS 傳統(tǒng)直流電機(jī)：無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)打破常規(guī)，電機(jī)性能全方位提升。 空心杯電機(jī)采用無鐵芯空心杯繞組，是與傳統(tǒng)直流電機(jī)區(qū)分的核心差異。繞組是電機(jī)的 主要部件，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及通過繞組的電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的 轉(zhuǎn)化以及電磁功率的傳遞。傳統(tǒng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由鐵芯及繞組構(gòu)成，而空心杯電機(jī)的 繞組是由纏繞成杯子狀的導(dǎo)線構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的差異使二者性能大有不同。

獨(dú)特的空心杯形線圈結(jié)構(gòu)使電機(jī)性能得到極大改善。這種新式結(jié)構(gòu)由于沒有沖片齒槽結(jié) 構(gòu)和鐵芯，減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁阻力矩，從而降低輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?？招谋姍C(jī)從根本 上消除了鐵芯渦流效應(yīng)帶來的損耗，進(jìn)而減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的能量損耗，同時(shí)減輕了電 機(jī)的重量，性能得到了極大的改善。 空心杯電機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)直流電機(jī)具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)等 特點(diǎn)。

（1）無鐵損與輕質(zhì)量使空心杯電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率較高，節(jié)能效果良好。 無鐵損：鐵損指的是永磁直流電機(jī)中的鐵芯，因磁體受變動(dòng)磁場(chǎng)影響，微電機(jī)鐵芯中損 耗的部分能量，損耗能量會(huì)以熱能的方式散失或以噪音的方式散失，主要包括內(nèi)部磁場(chǎng) 變化感應(yīng)出循環(huán)電流所導(dǎo)致的渦流損耗、磁疇膨脹收縮導(dǎo)致的磁滯損耗和異常損耗（渦 流損耗和磁滯損耗之外的損耗）三種類型。 空心杯電機(jī)采用無鐵芯結(jié)構(gòu)，幾乎完全消除了渦流效應(yīng)和磁滯效應(yīng)帶來的能量損耗。同時(shí)，由于因此，空心杯電機(jī)相比傳統(tǒng)直流電機(jī)擁有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。 輕質(zhì)量：空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重量都明顯低于普通電機(jī)，因此在電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn) 子自身的機(jī)械能損耗也會(huì)有所降低。

由新和電機(jī)統(tǒng)計(jì)，空心杯電能量轉(zhuǎn)化機(jī)效率一般在 70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到 90%以上， 而普通鐵芯電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率只能達(dá)到 15%-50%。

（2）高效率與輕質(zhì)量使空心杯電機(jī)具有較高的功率密度。 輕質(zhì)量：功率密度是輸出功率與重量或體積的比率。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，空心杯電機(jī)省去 了鐵芯，使得自身重量與體積變小，與同等功率的一般鐵芯電機(jī)相比，空心杯電機(jī)重量 減輕 1/3-1/2，體積減小 1/3-1/2。 高能量轉(zhuǎn)化效率：與傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈相比，銅板線圈的重量更輕。由于繞制線圈時(shí)既不 需要卷線，也不用添加有槽硅鋼片，因此空心杯電機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生這方面的渦 流損耗和磁滯損耗。雖然銅板線圈也會(huì)帶來一定的渦流，但是這種損耗很小且易控制， 確保了較高的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。 總體看來，空心杯電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩比同規(guī)格普通電機(jī)高，加上重量或體積小， 故功率密度高，一般達(dá) 30mW/cm3。

（3）更小的轉(zhuǎn)子慣量使空心杯電機(jī)具有更快的響應(yīng)速度。 機(jī)械時(shí)間常數(shù)：指的是電機(jī)空載加階躍額定電壓時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的 63.2%時(shí)所 需的時(shí)間，是反應(yīng)其動(dòng)態(tài)性能好壞的主要技術(shù)指標(biāo)之一。 與相同尺寸的普通有刷直流電機(jī)相比，空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量更小，因而擁有更高的響 應(yīng)速度，其機(jī)械時(shí)間常數(shù)通常在 28ms 以內(nèi)，部分產(chǎn)品機(jī)械時(shí)間常數(shù)甚至小于 10ms，而 有鐵芯電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)一般在 100ms 以上。

（4）無齒槽效應(yīng)使空心杯電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。 齒槽效應(yīng)：齒槽效應(yīng)是由于電磁場(chǎng)的分布不均勻，導(dǎo)致磁力線的密度在不同位置上發(fā)生 變化，當(dāng)磁力線密度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間內(nèi)的電流脈沖，雖然不會(huì)減少或增加電 動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，但是會(huì)引起噪音、電機(jī)振動(dòng)、速度波動(dòng)等，對(duì)電機(jī)定位的伺服性能和 精度造成了比較大的影響，特別是在低速時(shí)產(chǎn)生的影響更大。 空心杯電機(jī)去除了鐵芯，采用無齒槽結(jié)構(gòu)，減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁阻力矩，從而降低了 輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

（三）分類：無刷空心杯電機(jī)是未來發(fā)展的方向

空心杯電機(jī)按照其換向方式可以分為有刷空心杯電機(jī)和無刷空心杯電機(jī)兩種。 有刷空心杯電機(jī)：采用機(jī)械電刷換向，一般由機(jī)殼、軟磁材料內(nèi)定子、永磁體外定子、 空心杯型轉(zhuǎn)子電樞組成；另外一種是無刷空心杯電機(jī)，采用電子換向的方式，由機(jī)殼， 軟磁材料、絕緣材料和空心杯電樞構(gòu)成的定子及永磁鋼轉(zhuǎn)子等組成。當(dāng)空心杯有刷電機(jī) 通電時(shí)，繞組有電流通過，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到特定角度，電刷利用機(jī) 械換向器的方式改變電流方向，使輸出轉(zhuǎn)矩方向不變，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于空心杯有刷 電機(jī)采用電刷換向，電機(jī)運(yùn)行過程中存在著一定的相對(duì)摩擦，這就會(huì)產(chǎn)生噪聲電火花， 降低了電機(jī)使用壽命。 無刷空心杯電機(jī)：通過控制電子元件的通斷使不同繞組接入電路，達(dá)到換向的效果，這 種電子換向方式使空心杯無刷電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、使用壽命高、結(jié)構(gòu)精巧、 維護(hù)方便、易保養(yǎng)等特點(diǎn)。

無刷空心杯電機(jī)性能更好，壽命更長(zhǎng)，是未來的發(fā)展方向。壽命方面，無刷空心杯電機(jī) 壽命受限于軸承，有刷空心杯電機(jī)壽命受限于電刷，電刷壽命比軸承短得多，空心杯電 機(jī)通常隨電刷的報(bào)廢而報(bào)廢。有刷空心杯電機(jī)換向時(shí)會(huì)有電火花，電火花會(huì)有電磁干擾， 無刷空心杯電機(jī)通過霍爾元件換向，幾乎沒有電磁干擾的影響。 此外，無刷空心杯電機(jī)還有轉(zhuǎn)速快，效率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然有刷空心杯電機(jī)價(jià)格更低，控 制方式更加簡(jiǎn)單，但隨著人形機(jī)器人靈巧手對(duì)于空心杯電機(jī)性能和壽命的更高追求，預(yù) 計(jì)無刷空心杯電機(jī)會(huì)有更大的發(fā)展空間。

二、行業(yè)分析：人形機(jī)器人帶來全新機(jī)遇，降本需求助推國(guó)內(nèi)企業(yè)打破原有 格局

（一）下游應(yīng)用：優(yōu)異的性能帶來廣闊的下游應(yīng)用領(lǐng)域

空心杯電機(jī)性能優(yōu)勢(shì)突出，使其具備廣闊的下游應(yīng)用領(lǐng)域?？招谋妱?dòng)機(jī)避開了有鐵芯 電動(dòng)機(jī)多種技術(shù)弊端，而且其突出的特點(diǎn)集中在電動(dòng)機(jī)的主要性能方面，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。根據(jù) QY research 在 《Global Coreless DC Motors Market Research Report 2022》中的測(cè)算，除人形機(jī)器人靈巧 手方面的應(yīng)用，預(yù)計(jì) 2022 年全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為 50 億元。

空心杯電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，從軍事、高科技領(lǐng)域進(jìn)入大工業(yè)和民用領(lǐng)域后，十多年來得到迅 速的發(fā)展，尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)涉及到大部分行業(yè)和許多產(chǎn)品： 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。 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，電動(dòng)車、玩具車、電動(dòng)牙刷等，同樣一組電源，供電時(shí)間可 以延長(zhǎng)一倍以上。 各種飛行器，包括航空、航天、航模等。利用空心杯電動(dòng)機(jī)重量輕，體積小，能耗 低的優(yōu)點(diǎn)，可以很大程度地減輕飛行器的重量。 各種各樣的民用電器、工業(yè)產(chǎn)品。采用空心杯電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。

醫(yī)療設(shè)備：在轉(zhuǎn)運(yùn)患者時(shí)，需要用到功能強(qiáng)大、高效的便攜式呼吸機(jī)。無刷空心杯直流 電機(jī)在保證提供更高壓力和流量的條件下減小了電機(jī)-鼓風(fēng)機(jī)組件的尺寸，能夠作出更快 的響應(yīng)，且更為安靜、可靠、高效，能夠在夜間、轉(zhuǎn)院途中、急救車或洲際飛行期間通過 電池供電，高效地驅(qū)動(dòng)呼吸機(jī)鼓風(fēng)機(jī)。 牙科醫(yī)生需要使用重量輕、功率大且高效的手持式牙科手機(jī)成功完成牙科手術(shù)。無刷空 心杯直流電機(jī)是牙科治療的理想選擇?？招谋姍C(jī)具有緊湊的設(shè)計(jì)，可在較小的封裝中提供最大化的扭矩和功率，在治療過程中實(shí)現(xiàn)精確而集中的工作，同時(shí)可消除對(duì)牙醫(yī)和 患者造成的任何不愉快的噪音。

工業(yè)自動(dòng)化：電動(dòng)夾爪是自動(dòng)化工業(yè)中一種重要的裝置，在自動(dòng)化高速發(fā)展的今天，電 動(dòng)夾爪能幫助人們完成復(fù)雜系數(shù)較高的事情。需要電機(jī)具有可靠性高、精準(zhǔn)度高、反應(yīng) 速度快等優(yōu)點(diǎn)?？招谋姍C(jī)很好地適配電動(dòng)夾爪的需求，兆威機(jī)電基于驅(qū)動(dòng)齒輪箱設(shè)計(jì)、 仿真分析、噪音分析等多項(xiàng)技術(shù)手段，提出了電動(dòng)夾爪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的解決方案，通過優(yōu)化 驅(qū)動(dòng)控制方式、增大抓持力的輸出功率，有效的解決了電動(dòng)夾爪使用時(shí)的復(fù)雜程度、噪 音大等問題，使其得到廣泛應(yīng)用。 精密點(diǎn)膠機(jī)作為一種專門用于汽車電子、智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療器械等行業(yè)的高 精度設(shè)備，其作用是為產(chǎn)品進(jìn)行極致的精細(xì)化點(diǎn)膠。目前市面上某些點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行精細(xì)化 點(diǎn)膠的過程中，由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度及力矩欠佳，在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，點(diǎn)膠機(jī)容易出 現(xiàn)吐膠量不穩(wěn)定的情況，造成點(diǎn)膠錯(cuò)誤。通過使用無刷高性能電機(jī)配合精密齒輪箱，以 電機(jī)帶動(dòng)螺桿在定子型腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)定量輸送功能，可形成穩(wěn)定吐膠效果，進(jìn)而提高點(diǎn) 膠機(jī)性能。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

航空航天：無人機(jī)也稱為 UAV（無人駕駛飛行器），其用途廣泛，可用于國(guó)防和監(jiān)控、 農(nóng)業(yè)和物流等各種應(yīng)用。無人機(jī)需具備極度靈活的導(dǎo)航功能，并且必須極其耐用，因?yàn)?它們經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中作業(yè)。這些 UAV 應(yīng)用需要有效的推進(jìn)力來提高可操作性（即延長(zhǎng)電池使用時(shí)間）、降低噪音和熱特性，以確保不被發(fā)現(xiàn)，并精確控制相機(jī)云臺(tái)和 其他輔助應(yīng)用。無刷空心杯電機(jī)可滿足無人機(jī)對(duì)響應(yīng)性、可靠性和運(yùn)動(dòng)精度的要求，在 緊湊、輕量化的外殼中提供最佳的扭矩和效率，并且完全能夠在惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行。 駕駛艙飛行控制元件也稱為艙內(nèi)控制元件，能夠幫助飛行員控制飛機(jī)飛行的方向。這些 裝置將飛行員的指令傳輸?shù)焦潭ㄒ盹w機(jī)或旋翼飛機(jī)的操縱面，同時(shí)，向飛行員提供主動(dòng) 力反饋；由此，飛行員能夠看到并感覺到飛行控制元件的運(yùn)動(dòng)，類似于轉(zhuǎn)彎時(shí)車輛方向 盤上的阻力。主動(dòng)力反饋設(shè)備包括側(cè)置操縱桿裝置 (SSU)、方向舵踏板/方向舵制動(dòng)踏板 裝置 (RBPU)、油門控制組件 (TCA)/油門控制拉索 (TCQ) 以及自動(dòng)駕駛/自動(dòng)油門和智 能執(zhí)行器。駕駛艙飛行控制元件的關(guān)鍵特性要求小型電機(jī)必須可靠、精確，空間和重量 限制需要緊湊、輕量化和高功率密度 (SWaP) 的解決方案?？招谋瓱o刷電機(jī)不僅具有出 色的性能，同時(shí)具有較小的尺寸和重量，高度適配駕駛艙飛行控制元件對(duì)電機(jī)的要求。

（二）競(jìng)爭(zhēng)格局：海外頭部企業(yè)主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)企業(yè)正加速追趕

海外頭部企業(yè)主導(dǎo)，市場(chǎng)集中度較高?？招谋姍C(jī)技術(shù)是從德國(guó) Dr.F.Faulhaber 在 1958 年研制出斜繞組線圈繞制技術(shù)開始，起步較早，隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)外的空心杯 線圈生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。國(guó)外大部分采用一次成型技術(shù)，其生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度高、 人為干擾少，這樣在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)也提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu) 勢(shì)明顯，因此占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。據(jù) QY research 在《Global Coreless DC Motors Market Research Report 2022》中統(tǒng)計(jì)，2021 年全球空心杯電機(jī)三大龍頭企業(yè)占據(jù)了 55.43%的市 場(chǎng)份額，競(jìng)爭(zhēng)格局高度集中。

國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)過近幾年的追趕，產(chǎn)品性能差距不斷縮小。以前國(guó)內(nèi)沒有充分意識(shí)到空心杯 電機(jī)的發(fā)展前景。近幾年，我國(guó)空心杯發(fā)展速度較快，已經(jīng)有越來越多的生產(chǎn)商開始從 事空心杯電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，國(guó)內(nèi)龍頭鳴志電器現(xiàn)在已經(jīng)可以生產(chǎn)基座尺寸 8mm，額定 電壓 6V，空載轉(zhuǎn)速 13500rpm，機(jī)械常數(shù) 6.6ms，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩 0.60mNm 的有刷空心杯 電機(jī)。對(duì)比全球空心杯龍頭之一 Faulhaber 的同等基座尺寸和額定電壓的有刷空心杯電機(jī) 產(chǎn)品，性能參數(shù)僅有微小差異，海內(nèi)外龍頭技術(shù)差距不斷縮小。

（三）國(guó)產(chǎn)替代：人形機(jī)器人降本需求迫切，國(guó)產(chǎn)替代迎來新機(jī)遇

人形機(jī)器人普及的關(guān)鍵在于降本。馬斯克在 2022 AI Day 上預(yù)計(jì) Optimus 最終量產(chǎn)時(shí)，價(jià) 格要在 2 萬美元以下。從投資回報(bào)的角度看，人形機(jī)器人只有實(shí)現(xiàn)在家政、康復(fù)、工業(yè) 場(chǎng)景的普遍應(yīng)用，且成本更低時(shí)，才會(huì)對(duì)客戶有更強(qiáng)的吸引力，因此人形機(jī)器人降本需 求迫切。 國(guó)內(nèi)空心杯電機(jī)性價(jià)比較高，降本需求帶來國(guó)產(chǎn)替代新機(jī)遇。將海外廠商 Maxon、與國(guó) 內(nèi)廠商鳴志電器的性能接近、大小相似的空心杯電機(jī)價(jià)格進(jìn)行比對(duì)，Maxon 產(chǎn)品雖然在 功率密度和最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩上有微小優(yōu)勢(shì)，但其價(jià)格大約是鳴志電器產(chǎn)品的 2 倍，鳴志電 器產(chǎn)品性價(jià)比較高。在降本需求的推動(dòng)下，將會(huì)有越來越多的國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)入空心杯行業(yè)， 有望復(fù)刻已經(jīng)驗(yàn)證過的汽車零部件降本的路線，加快推動(dòng)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化落地。

三、空心杯線圈設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

（一）線圈設(shè)計(jì)：三大主流設(shè)計(jì)各有千秋

空心杯電機(jī)線圈常用到三種設(shè)計(jì)—直繞組、斜繞組、菱形繞組。

菱形繞組設(shè)計(jì)最為省材，功耗也最小。劉明豪在《永磁直流有刷空心杯電機(jī)設(shè)計(jì)》中對(duì) 比分析了不同線圈設(shè)計(jì)的空心杯電機(jī)在 Maxwell 3D 中的銅損。當(dāng)銅損達(dá)到穩(wěn)定后，菱 形繞組的銅耗最小，斜繞組次之，直繞組銅耗最大。從根源上分析，繞組銅線的銅耗來 源于導(dǎo)線中的電阻。在材料相同的情況下，繞組跨距都為 180°，由于直繞組的軸向邊距 離較長(zhǎng)，所需的銅線尺寸最長(zhǎng)，因此銅耗最大。而斜繞組在拐角處距離略長(zhǎng)于菱形繞組， 長(zhǎng)度接近但銅耗略大于菱形繞組，因此菱形繞組最為省材料，功耗也最小。

繞制工藝方面，斜繞組更適合手動(dòng)繞制而成，直繞組難度次之，菱形繞組手動(dòng)繞制較難， 一般需要借助特定的繞線機(jī)工藝設(shè)備完成。手動(dòng)繞制過程中人為誤差較大，且進(jìn)行多邊 形繞制與固定時(shí)更易精度不夠、產(chǎn)生形變，會(huì)降低繞組的空間密度、形狀規(guī)范，從而會(huì) 影響到繞組發(fā)揮電磁轉(zhuǎn)換的作用。世界知名企業(yè)的空心杯電機(jī)多采用機(jī)械進(jìn)行菱形繞制 方式。前人設(shè)計(jì)中，直繞組內(nèi)的氣隙區(qū)域較大，空心杯軸向較長(zhǎng)或者且額定功率較大的 電機(jī)中多采用此設(shè)計(jì)。

（二）線圈繞制工藝：“繞卷式”雖易，“一次成型”更佳

生產(chǎn)空心杯電機(jī)的關(guān)鍵在于空心杯線圈的繞制方式，目前主要有繞卷式生產(chǎn)和一次性繞 制成型兩種生產(chǎn)方式。

1、繞卷式生產(chǎn)工藝

繞卷式生產(chǎn)主要由送線、坯線圈繞制、板坯成型、卷制成型四大步驟組成，下面以劉青 星在《基于小樣本學(xué)習(xí)的空心杯線圈質(zhì)量控制研究》中的貴州某企業(yè)的高精度空心杯線 圈智能制造生產(chǎn)線為例，介紹繞卷式生產(chǎn)的工藝流程。

送線：坯線圈繞制過程中，漆包線所受的張力將影響坯線成型松散程度，對(duì)后續(xù)的板坯 壓制、卷制成型過程均有不同程度的影響。因此，采用伺服磁阻尼張力器進(jìn)行漆包線張 力控制，磁阻尼張力器以永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)為媒介，傳遞恒定扭矩進(jìn)行張力控制。 坯線圈繞制：經(jīng)過張力控制器的張力調(diào)節(jié)，空心杯線圈繞線機(jī)將漆包線繞制成一定匝數(shù) 和引線腳數(shù)的坯線圈。棱形卷制柱將漆包線繞制到恒定匝數(shù)時(shí)，便停止旋轉(zhuǎn)，左右兩邊 的壓平板對(duì)棱形卷制柱上的線圈進(jìn)行搓平，同時(shí)鉤針上升鉤下漆包線并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成 一根引線。重復(fù)上述過程，當(dāng)坯線圈的匝數(shù)與引線數(shù)達(dá)到設(shè)置值時(shí)，坯線圈成型。

板坯成型：坯線圈形成后，空心杯線圈壓扁裝置從棱形卷制柱上夾取坯線圈，通過夾具 上的涂膠加熱以及夾具的壓力定型，將坯線圈壓制為板坯并將坯線板放置在線圈成型裝 置上，進(jìn)行卷制成型。

卷制成形：工裝夾具沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，將壓制好的板坯送至線圈卷圓裝置中，由四個(gè)模具及 中間的卷制圓柱對(duì)板坯進(jìn)行加熱、加壓定型，進(jìn)而將板坯卷制成線圈。通過設(shè)定四個(gè)模 具定型時(shí)的壓力、定型溫度、定型時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，保證線圈的成型質(zhì)量。線圈卷 制完成后，取料夾具將空心杯線圈從卷制圓柱上取下，并放置在圖片采集平臺(tái)上，以便 對(duì)其進(jìn)行外觀缺陷檢測(cè)。

2、一次成型生產(chǎn)工藝

一次成型技術(shù)為全自動(dòng)化生產(chǎn)，繞線機(jī)為核心設(shè)備。一次成型生產(chǎn)技術(shù)利用空心杯線圈 繞制設(shè)備一次繞制成型，繞線機(jī)降銅線按照既定的規(guī)則纏繞在主軸上，一次成型，全程 依靠繞線機(jī)工作，屬于全自動(dòng)化生產(chǎn)。 一次成型技術(shù)主要分為加工準(zhǔn)備、繞線、抽頭三步，由繞線機(jī)的六大模塊相互配合完成。 通過分析線圈的結(jié)構(gòu)可以將繞線機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為六個(gè)模塊：主運(yùn)動(dòng)模塊、排線模塊、 擺線模塊、加熱模塊、抽頭模塊、剪斷模塊。其中加工準(zhǔn)備主要由加熱模塊完成，繞線主 要由主運(yùn)動(dòng)模塊、排線模塊和擺線模塊相互協(xié)調(diào)完成，抽頭主要由抽頭模塊和剪斷模塊 完成。

加熱模塊負(fù)責(zé)加熱自粘線導(dǎo)線以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線間的粘結(jié)?？招谋€圈繞線機(jī)采用自粘線導(dǎo)線作為生產(chǎn)原材料。采用自粘線導(dǎo)線生產(chǎn)線圈時(shí)需要設(shè)計(jì)加熱裝置，裴新平在《空心杯線 圈繞線機(jī)設(shè)計(jì)》中采用熱風(fēng)加熱。將加熱模塊設(shè)計(jì)成伸縮結(jié)構(gòu)。需要加熱時(shí)將熱風(fēng)口伸 出至指定位置，實(shí)現(xiàn)加熱。

主運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)芯軸的旋轉(zhuǎn)。以一個(gè)芯軸按照一定規(guī)律的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為空心杯線圈 繞線機(jī)的主運(yùn)動(dòng)；芯軸充當(dāng)纏繞線圈時(shí)的載體，芯軸的外徑?jīng)Q定了空心杯線圈的內(nèi)徑。 排線模塊負(fù)責(zé)控制導(dǎo)線按一定的規(guī)律排列?？招谋€圈是由緊密排列的導(dǎo)線構(gòu)成的。所 以空心杯線圈成型過程中需要導(dǎo)線按照一定的規(guī)律排列。而單獨(dú)靠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的芯軸并 不能完成排線功能，因此繞線機(jī)需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的排線單元。通過仔細(xì)觀察線圈可知空心 杯線圈是由重復(fù)的導(dǎo)線回路構(gòu)成的，各個(gè)回路的形狀理論上是一致的，也就意味著排線 過程中主軸旋轉(zhuǎn)一周排線機(jī)構(gòu)與主軸在主軸圓柱表面的交點(diǎn)沿圓柱周向移動(dòng)一個(gè)固定值 （該值由所要加工的線圈匝數(shù)和線圈內(nèi)徑?jīng)Q定），即排線機(jī)構(gòu)與主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在固定的相 位差，該相位差根據(jù)所加工的線圈匝數(shù)、內(nèi)徑的不同而不同；繞線機(jī)的主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，所以排線機(jī)構(gòu)也設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

擺線模塊負(fù)責(zé)控制線嘴的運(yùn)動(dòng)，與主運(yùn)動(dòng)模塊一起決定了導(dǎo)線的纏繞方式?？招谋€圈 的導(dǎo)線軸線可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)空間正交的直線和圓柱體在圓柱體表面的交點(diǎn)的軌跡，主運(yùn)動(dòng)的芯軸即為該圓柱體，擺線結(jié)構(gòu)的線嘴的軸線即為該直線。擺線機(jī)構(gòu)帶動(dòng)線嘴機(jī)構(gòu)往 復(fù)擺動(dòng)，線圈的長(zhǎng)度即為線嘴部分的擺動(dòng)范圍。擺線機(jī)構(gòu)與主軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律共同決定了 空心杯線圈導(dǎo)線的纏繞方式。

抽頭模塊負(fù)責(zé)在指定位置留出抽頭。抽頭模塊主要由伸縮機(jī)構(gòu)、勾頭、抽頭電機(jī)組成， 空心杯線圈需要在指定位置留出抽頭。在加工過程中，可以通過在指定位置暫停主運(yùn)動(dòng) 和擺線運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)線拉出一定長(zhǎng)度的方式實(shí)現(xiàn)在指定位置留有抽頭的目的。為此設(shè)計(jì)抽 頭模塊，為避免運(yùn)動(dòng)干涉同樣將抽頭模塊設(shè)計(jì)成伸縮形式。

剪斷模塊負(fù)責(zé)在抽頭和加工完成后剪斷導(dǎo)線?？招谋€圈繞線機(jī)所采用的原材料導(dǎo)線為 成捆的整根導(dǎo)線。因此在抽頭和加工完成后均需要剪斷導(dǎo)線，方便撥叉將線圈推出，為 提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，將剪斷模塊也設(shè)計(jì)成自動(dòng)化模塊。

（三）技術(shù)壁壘：繞線工藝與設(shè)備

繞卷式生產(chǎn)工藝大多為手工或半自動(dòng)化模式，生產(chǎn)設(shè)備要求較低但批量生產(chǎn)能力較差 成品一致性差：傳統(tǒng)的線圈繞線工藝采用手工布線，線圈在布線模中的定位是通過肉眼 來判斷是否均勻，線圈的均勻定位誤差較大；而且由于手工繞制線圈，各個(gè)線圈之間存 在誤差。這種誤差的存在，使得線圈重量、寬度均不一致，由此造成繞組成型后分布不 均勻，成品一致性差。 生產(chǎn)效率低：采用該方法加工的空心杯電樞繞組貼成圓形后，后期還需要用刮板手工整 形、對(duì)線圈進(jìn)行手工整理，繞組兩端手工整形，整理、固定浮線，操作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效 率低。 無法繞制大功率電機(jī)線圈：繞卷式工藝只能生產(chǎn)線徑為 0.2 以下的線圈，而較大功率電 機(jī)線徑較粗，該工藝無法生產(chǎn)。

一次繞制成型工藝生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量高，但對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求較高。日本、瑞士、德 國(guó)等國(guó)研制空心杯電機(jī)的時(shí)間較早，現(xiàn)在都已具有高效而優(yōu)良的生產(chǎn)設(shè)備，有能力進(jìn)行 自動(dòng)化程度更高、人為干擾因素更少的一次繞制成型生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)提高了 線圈的生產(chǎn)質(zhì)量。

（四）總結(jié)

線圈設(shè)計(jì)：空心杯電機(jī)線圈常用到三種設(shè)計(jì)—直繞組、斜繞組、菱形繞組。菱形繞組設(shè)計(jì)最為省材，功耗也最小。繞制工藝方面，斜繞組更適合手動(dòng)繞制而成，直繞組難度次 之，菱形繞組手動(dòng)繞制較難，一般需要借助特定的繞線機(jī)工藝設(shè)備完成。 生產(chǎn)工藝：生產(chǎn)空心杯電機(jī)的關(guān)鍵在于空心杯線圈的繞制方式，目前主要有繞卷式生產(chǎn) 和一次性繞制成型兩種生產(chǎn)方式。繞卷式生產(chǎn)主要由送線、坯線圈繞制、板坯成型、卷 制成型四大步驟組成。一次成型技術(shù)為全自動(dòng)化生產(chǎn)，繞線機(jī)為核心設(shè)備。一次成型技 術(shù)主要分為加工準(zhǔn)備、繞線、抽頭三步，由繞線機(jī)的六大模塊相互配合完成。 壁壘在于繞線設(shè)備：繞卷式生產(chǎn)工藝雖然對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求較低，但其生產(chǎn)效率低、一致 性較差且不能繞制大功率線圈，不適合大批量自動(dòng)生產(chǎn)。一次繞制成型工藝生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)品質(zhì)量高，根本原因在于其擁有先進(jìn)的線圈生產(chǎn)設(shè)備。

四、重點(diǎn)公司分析

（一）鳴志電器

鳴志電器是全球運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品龍頭企業(yè)，長(zhǎng)期秉持對(duì)專業(yè)應(yīng)用技術(shù)和國(guó)際化科學(xué)管理手 段的追求。公司運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主營(yíng)產(chǎn)品包括步進(jìn)電機(jī)、空心杯電機(jī)、伺服電機(jī)等控制 電機(jī)以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。公司專注于智能電機(jī)技術(shù)研究以及生產(chǎn)制造的自動(dòng)化提升，以成 為信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域的綜合性提供商為目標(biāo)，打造精密控制電機(jī)加直線傳動(dòng)、加減速 機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模組化產(chǎn)品。近五年收入結(jié)構(gòu)以控制電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品、貿(mào)易 代理業(yè)務(wù)以及LED控制與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品為主。2022年公司總營(yíng)收29.6億元，同比增長(zhǎng)9.05%， 實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 2.47 億元，同比下降 11.58%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn) 2.34 億元，同比下 降 9.36%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計(jì)公司 23/24/25 年?duì)I收同比增長(zhǎng) 13.36%/26.96%/28.07% 至 33.55/42.60/54.56 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤(rùn) 同 比 增 長(zhǎng) 7.50%/55.12%/44.93%至 2.66/4.12/5.98 億元，對(duì)應(yīng)當(dāng)前 PE 為 101.48/65.42/45.14 倍。

（二）鼎智科技

自 2008 年成立以來，鼎智形成了以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)的精密運(yùn)動(dòng)控制系列產(chǎn)品。產(chǎn)品廣泛 使用于醫(yī)療診斷設(shè)備、生命科學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、機(jī)器人、流體控制、半導(dǎo)體及精密電子生產(chǎn)設(shè)備，各類工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。公司研發(fā)的線性傳動(dòng)組件、空心杯電機(jī)、精密齒 輪箱等產(chǎn)品處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，可應(yīng)用于人形機(jī)器人。2022 年公司總營(yíng)收 3.18 億元，同 比增長(zhǎng) 63.99%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 1.01 億元，同比增長(zhǎng) 103.39%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn) 1.01 億元，同比增長(zhǎng) 79.76%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計(jì)公司 23/24/25 年?duì)I收同比增長(zhǎng) 28.86%/34.31%/30.44%至 4.10/5.51/7.19 億元，歸母凈利潤(rùn)同比增長(zhǎng) 23.22%/35.90%/29.11% 至 1.24/1.69/2.18 億元，對(duì)應(yīng)當(dāng)前 PE 為 31.11/22.89/17.73 倍。

（三）偉創(chuàng)電氣

偉創(chuàng)電氣自成立以來始終專注于電氣傳動(dòng)和工業(yè)控制領(lǐng)域，是一家從事工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品 研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司的產(chǎn)品種類豐富，包括 0.4kW 至 5,600kW 的變頻器、50W 至 200kW 的伺服系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、PLC 和 HMI 等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于 起重、礦用設(shè)備、軌道交通、機(jī)床、壓縮機(jī)、塑膠、光伏揚(yáng)水、建材、機(jī)器人/機(jī)械手、 印刷包裝、紡織化纖、冶金、市政、石油、化工等多種行業(yè)。公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)空心杯電 動(dòng)機(jī)，產(chǎn)品目前在內(nèi)部測(cè)試階段，主要面向機(jī)器人、醫(yī)療等行業(yè)，該產(chǎn)品具有高轉(zhuǎn)速、 高扭矩、低噪音振動(dòng)的特點(diǎn)。2022 年公司總營(yíng)收 9.06 億元，同比增長(zhǎng) 10.64%，實(shí)現(xiàn)歸母 凈利潤(rùn) 1.40 億元，同比增長(zhǎng) 10.37%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn) 1.14 億元，同比增長(zhǎng) 0.28%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計(jì)公司 23/24/25 年?duì)I收同比增長(zhǎng) 42.53%/35.93%/32.49% 至 12.91/17.55/23.26 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤(rùn) 同 比 增 長(zhǎng) 48.32%/39.25%/31.72%至 2.08/2.89/3.81 億元，對(duì)應(yīng)當(dāng)前 PE 為 29.92/21.49/16.31 倍。

（四）拓邦股份

拓邦股份 1996 年成立于有中國(guó)科技“硅谷”之稱的深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)。2007 年在深 圳證券交易所成功上市（股票代碼 002139），成為國(guó)內(nèi)智能控制領(lǐng)域首家上市公司。經(jīng)過 二十余年的高速發(fā)展, 公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為智能控制系統(tǒng)解決方案的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，即以 電控、電機(jī)、電池、電源、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的“四電一網(wǎng)”技術(shù)為核心，面向家電、工具、新 能源、工業(yè)和智能解決方案等行業(yè)提供各種定制化解決方案。公司空心杯電機(jī)已經(jīng)在智 能制造的電動(dòng)夾爪、醫(yī)療健康的骨科動(dòng)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。 2022 年公司總營(yíng)收 88.75 億元，同比增長(zhǎng) 14.27%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 5.83 億元，同比增長(zhǎng) 3.13%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn) 4.84 億元，同比增長(zhǎng) 11.96%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計(jì)公司 23/24/25 年?duì)I收同比增長(zhǎng) 15.40%/23.12%/23.26% 至 102.42/126.10/155.44 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤(rùn) 同 比 增 長(zhǎng) 25.69%/32.59%/26.32%至 7.32/9.71/12.27 億元，對(duì)應(yīng)當(dāng)前 PE 為 18.36/13.85/10.96 倍。

（五）兆威機(jī)電

深圳市兆威機(jī)電股份有限公司成立于 2001 年，是一家集設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造于一體的微型 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案解決商。兆威產(chǎn)品體系包括定制化微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及全系列微型行星齒 輪箱、正傳動(dòng)齒輪箱系列、直角電機(jī)齒輪箱，以及滾筒電機(jī)系列等產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的微 型傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可廣泛用于汽車電子、智能家居、移動(dòng)通信、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子、工 業(yè)裝備等領(lǐng)域。2022 年公司總營(yíng)收 11.52 億元，同比增長(zhǎng) 1.09%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 1.50 億元，同比增長(zhǎng) 2.00%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn) 1.28 億元，同比增長(zhǎng) 3.42%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計(jì)公司 23/24/25 年?duì)I收同比增長(zhǎng) 23.26%/32.35%/76.57% 至 14.20/18.80/33.19 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤(rùn) 同 比 增 長(zhǎng) 33.66%/42.41%/94.28%至 2.01/2.86/5.57 億元，對(duì)應(yīng)當(dāng)前 PE 為 59.82/42.00/21.62 倍。

編輯：黃飛

?