人形機器人之電機行業(yè)分析機械動能之源-萬變不離其宗

人形機器人之電機行業(yè)分析機械動能之源_萬變不離其宗（報告出品方/作者：廣發(fā)證券，代川、孫柏陽、姚佳）一、機器之“心臟”，緊湊型而高效率的藝術（一）電機產品種類多樣，性能特點各有不同電機品種繁多，廣為存兩種分類方式：按照掌控方式可以分為伺服電機、STM電機和力矩電機等；按照驅動方式分為直流電機和交流電機，其中交流電機按照轉子和定子轉動是否同步可以分為同步電機和異步電機（感應器電機）。伺服電機和步進電機：主要區(qū)別為控制方式、控制精度、速度響應和過載能力。伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動機，一般采用閉環(huán)/半閉環(huán)控制，編碼器和反饋機制保證高控制精度和高低速的流暢切換，廣泛應用于半導體、光伏、鋰電、工業(yè)機器人等精密控制環(huán)節(jié)。步進電機可以將脈沖信號直接轉化為角動量且步距角恒定，一般為開環(huán)控制，精度弱于伺服，但結構簡單成本低，廣泛應用于工業(yè)自動化、辦公自動化、家用電器等領域。直流無刷和有刷電機：無刷電機以電子換向器（霍爾元件等）替代電刷。直流電機相對于交流電機有良好的啟動和調速特征，且轉矩較大，在機器人等場景應用廣泛；其中無刷電機由于不采用機械電刷裝置優(yōu)勢更為明顯，包括無電刷火花，高效率、耗、低噪音、超長壽命、高可靠性等。交流同步和異步電機：依據定子和轉子磁場轉速是否同步而劃分。異步電機的工作原理是“電磁感應”，定子旋轉變化的磁場在轉子中感應出電流，此電流在磁場中受力，帶動轉子轉動，電機轉子與定子磁場存在轉速差，所以稱之為異步電機，異步電機結構簡單，維護方便，運行可靠價格便宜，應用于傳送帶等工業(yè)傳動場景較多。同步電機的轉子產生恒定磁場，而定子產生旋轉磁場，轉子磁場和定子磁場通過“互鎖”而同步運行，效率、精度更高且更易控制，廣泛應用于風扇等恒速負載領域。（二）電機選型仍須考量驅動模式、關節(jié)類型等1.證實驅動模式：電動、液壓或者氣動機器人的驅動方式包括電動、液壓和氣動。電動驅動能夠進行更為靈活、精準、方便的運動控制，但不易進行重負載活動，核心部件為電機，廣泛用于大部分機器人公司；液壓驅動更為高效且可以做到無極調節(jié)，驅動強勁，出力大但不靈活，適用于彈跳和重負載活動，核心部件為液壓缸、液壓閥等，代表企業(yè)為波士頓動力；氣動驅動使用壓縮空氣發(fā)揮作用，節(jié)能方便但精度低，適于在中、小負荷的機器人中，主要用于揀選、裝載等倉儲任務，核心部件為氣缸等，代表企業(yè)為費斯托。2.關節(jié)選型：剛性、柔性或者電子束驅型機器人關節(jié)驅動方式可以分為剛性驅動、彈性驅動和電子束驅型驅動等相同模式。（1）剛性驅動：起步于1971年，元件和功率剛性相連接，結構直觀、精準度高，曾在全球首臺三維雙足機器人應用領域；剛性關節(jié)就是最為傳統的雙足機器人關節(jié)，優(yōu)點就是往上制框架均衡、扭矩密度高，缺點就是輸出輸出功率低。（2）彈性驅動：起步于1995年，在驅動元件和功率之間增加了彈性單元回去模擬肌肉系統功能，并使關節(jié)整體整體表現出一定的柔性、安全和高能量效率特性，并增加容錯性；彈性關節(jié)的優(yōu)點就是可以抵抗外部沖擊、儲能節(jié)能環(huán)保，但因為機構繁瑣，掌控較難，應用領域較太太少。（3）電子束驅型驅動：起步于2016年，依靠驅動器電機開環(huán)力往上，不倚賴額外力或力矩傳感器,就可以本體心智機器人腳部和外界的可視化力，最理想的就是電機輕而易舉驅動,但受限于電機工藝和技術,電機直驅型驅動器的扭矩密度無法滿足用戶機器人應用領域的市場需求，因此，折中采用電機加低傳動比減速器的方案；電子束驅型關節(jié)通常由高扭矩密度電機、低傳動比減速器、編碼器和控制板等共同共同組成，具有功率密度高、力往上頻寬大、抗沖擊能力強、爆發(fā)力強等優(yōu)點，但掌控機制較為繁瑣，目前主要用做四肢機器人。電機的基本參數涵蓋轉動慣量、扭矩、功率等，細長、扁平電機功能特性相同。侍候量為剛性物體拖軸運動的慣性量度，相等于線性力學中的質量，同意電機的反應速度；扭矩提供更多更多角快速并使物體拖定軸轉動，相等于線性力學中的力；功率由扭矩、速度兩個維度同意。相同質量、定子/轉子橫截面厚度情況下，扭矩和轉子半徑正有關，因此細長電機半徑小、轉矩小、慣量小、積極響應快、輸出功率快，扁平電機半徑大、轉矩大、慣量大、積極響應慢、輸出功率小。關節(jié)架構影響電機挑選出，剛性驅動偏好高轉速的細長電機，而電子束驅型關節(jié)則偏好大扭矩的扁平電機。相同輸出功率下，剛性驅動搭配高轉速電機+高減速比減速器能實現較低的扭矩密度，輸出力矩大；電子束驅型驅動搭配大扭矩電機+低減速比減速器能實現更優(yōu)的功率密度，即為為較弱的爆發(fā)力。3.電機挑選出：直流電機占比最高，伺服電機增長速度最快電機的選型仍須重實效與機器人關節(jié)的充份內置，仍須綜合考量機器人關節(jié)的尺寸功率僅比、功率大小、精準性、可靠性、資源消耗等多維因素。機器人所用電機主要涵蓋交流、直流、控制器和STM電機。根據Skyquest數據，分電機類型看一看，全球機器人電機占比最高的為直流電機，憑借其緊湊型的尺寸和高效率高扭矩的能力廣為應用于工業(yè)、協作、服務機器人領域；增長速度最快的為伺服電機，主要系則數控機床、工業(yè)自動化等行業(yè)對高精度和高精度掌控的機器人系統的市場需求不斷增加所致。（三）人形機器人電機：傳統電機的變體，緊湊型而高效率的藝術1.緊湊型而高效率：人形機器人所用的微特電機為傳統電機之上的優(yōu)化變體人形機器人牽涉到的電機產品涵蓋并并無框力矩電機和空心杯電機等。力矩電機就是一種多級對、無機殼的直驅電機，扭矩進一步進一步增強且結構緊湊。相較于普通電機主要規(guī)格為功率，力矩電機的規(guī)格和選型主要依賴扭矩，力矩電機極對數多，在電機低速甚至萬薩縣時仍能持續(xù)運轉并提供更多更多均衡的力矩給功率；同時，力矩電機為直驅型電機，功率輕而易舉相連接轉子，不仍須任何傳動件，減少摩擦損耗，結構緊湊；除此之外，力矩電機為并并無框架式永磁電機，沒有機殼，只有定子和轉子兩個部件，中空孔大，便捷走線。目前，并并無框力矩電機主要用在協作機器人等領域?？招谋姍C就是微特電機的一種，并并無鐵芯轉子，體積小且效率高?？招谋姍C在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的就是并并無鐵芯轉子，也叫作空心杯型轉子。這種多樣的轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而引致的電能損耗。因為沒鐵損，所以它的效率必須比普通的微型直流電機必須高；同時，由于轉子重量大幅增加，所以轉動慣性減小，較之傳統鐵芯電機，大扭矩心急快速心急減速性能著重；另外，空心杯電機還具有體積小、可控性高、噪音小等優(yōu)點。因此，空心杯電機主要用在仍須快速響應（比如軍工、檢測）和對重量和能耗建議較低（比如無人機、機器人）等領域。2.并并無框力矩電機：訂做化設計，電機與關節(jié)高度內置并并無框力矩電機目前主要用在協作機器人等領域，電機本質為對機器人功能的內置。協作機器人的主要特點涵蓋具備人機交互能力，且工作空間更為繁瑣，空間適應性較弱，因此在緊湊型小型化、空間避障、輕量化等領域存較為明顯的特征?；诖?，協謝澤生機器人采用并并無控制柜、輕量化的設計方式，進而影響零部件選型，涵蓋采用緊湊型控制器驅動器&編碼器、中空走線、高輸出密度的控制器關節(jié)等。并并無框力矩電機之所以應用做協作機器人領域，本質就是對其緊湊型、大扭矩、中空走線的功能之同時同時實現。以UniversalRobots面世的UR5協作機器人為基準，電機與關節(jié)高度集成化，抱閘、驅型動器、編碼器、并并無框力矩電機、中空套筒，諧波減速器、輸入法蘭環(huán)環(huán)相扣，高精度融再分后。人形機器人可以看做協作機器人功能的進一步升級和外延。在人機交互方面，人形機器人被植入“大腦”，同時具備視覺、感官、觸覺等多種功能；在該空間適應能力方面也更加多樣化。因此人形機器人與協作機器人在關節(jié)設計中存相同的產品特征基礎，人形機器人采用并并無框力矩電機本質也就是對其大扭矩、高效率、輕量化、內置化后的功能同時同時實現。3.空心杯電機：高精尖產品邁入工業(yè)與民用，微型執(zhí)行器的關鍵共同共同組成空心杯電機從軍事、航空航天等領域逐漸步入大工業(yè)和民用?？招谋姍C被發(fā)明者于1950s，之后憑借其壽命長、快速積極響應、體積小、高精度等特征在軍工、航空航天等領域逐漸推廣，比如運用于導彈飛行器的快速調節(jié)、火星探測器、航天飛機等。隨著技術成熟度的增加，空心杯電機逐漸向工業(yè)自動化等民用領域推廣，比如機器人、微型泵等?？招谋姍C就是微型執(zhí)行器的關鍵共同共同組成，廣為應用于機器人機械手。以Orbray研發(fā)的K3Hand協作機器人為基準，其調侃人手部結構，總計3根手指8個自由度，其中拇指存4個自由度，其余手指各2個自由度，機器人可以把握住相同形狀、邊線和柔軟度的物品，應用于實驗等領域。K3Hand載有Orbray研發(fā)的微型控制器執(zhí)行器，涵蓋無刷空心杯電機（直徑10mm）、高精度傳動齒輪、離合器、電位器四部分，各部分緊湊型相符、高效率有效率，執(zhí)行器尺寸僅有12mm*24mm*14mm，重量僅12g，輸出扭矩可以少于147mNm，其中空心杯單機對執(zhí)行器的平衡運轉充分發(fā)揮了關鍵促進作用。特斯拉小巧手單手存6個主動自由度，其執(zhí)行器采用空心杯電機+微型齒輪的模式，可以重實效輕量且高效率。二、人形機器人風起至至，電機賽道加速（一）機器人電機快速增長速度慢于行業(yè)，東亞為主力市場電機就是工業(yè)社會中的基礎產品，全球市場空間強于千億美元。根據precedenceresearch數據，2020年全球電機市場規(guī)模約1630億美元，并預計以7%的CAGR脫胎換骨至2030年的3226億美元；分后下游看一看，電動汽車、工業(yè)設備、暖通空調為主要應用領域領域。機器人占到至電機整體市場比例沒有1%，但增長速度較快，東亞為主力市場。根據futuremarketinsights和skyquestt數據，22年機器人電機市場空間為11億美元，預計未來將以12%的CAGR脫胎換骨至2030年的28億美元，增長速度大幅慢于行業(yè)整體。分后區(qū)域看一看，東亞地區(qū)憑借高機器人數量和自動化水平在機器人電機細分領域占比更高：根據grandviewresearch數據，亞洲在全球電機占比僅為40%；而根據futuremarketinsights數據，22年東亞地區(qū)機器人電機市場規(guī)模占到至全球市場比重少于61%。（二）力矩、空心杯電機市場“小而精”，逐漸向工業(yè)、民用拓展力矩電機優(yōu)勢逐漸顯現出來，22年市場空間少于6億美元。力矩電機用做軍工、機器人（主必須為協作機器人，每個協作機器人仍須布局6-7個并并無側邊并并無框電機）、機床等多種場景，憑借難于內置、高動態(tài)性能和闊扭矩速度等優(yōu)點獲得市場青睞。根據technavio數據，2022年力矩電機市場規(guī)模約6.1億美元，并料以8.0%的CAGR快速增長至27年的9.0億美元；結構性看一看，直流電機占到至比較高；分后區(qū)域看一看，23-27年亞太地區(qū)對全球市場的減至長貢獻了48%，主要系則亞太地區(qū)制造業(yè)發(fā)展助推內置力矩電機的機床市場需求持續(xù)增加，同時工業(yè)機器人和自動化機械持續(xù)加速。本土企業(yè)躋身第二梯隊。根據QYResearch數據，力矩電機全球第一梯隊廠商主要有ParkerHannifin（派克漢尼汾）、Nidec（尼得科）、Aerotech（艾羅德克）和Kollmorgen（科爾摩根），第二梯隊廠商有綠的諧波、西門子、PranshuElectricals等?？招谋姍C起步于歐洲，推廣于中國，22年市場空間超7億美元。根據GII數據，22年空心杯電機全球市場規(guī)模約7.5億美元，并預計以8.0%的CAGR成長至2028年的11.9億美元，市場的增長主要歸因于空心杯電機在醫(yī)療設備、航空航天、軍工、機器人等領域的的使用增加，此外，對能夠以高速、低振動和低噪音運行的高性能電機的需求不斷增長，也是推動該市場增長的關鍵因素；產品結構看，有刷空心杯電機占比較高；分地區(qū)看，21年中國空心杯市場空間位列第一位，錄得2.4億美元，占比34.8%，歐洲市場占比25.9%。本土企業(yè)空心杯電機在工業(yè)領域已有較為廣泛應用，差距在縮小。全球空心杯電機主要制造商包括Faulhaber（馮哈伯）、Portescap、AlliedMotion（艾萊德摩新）、Maxon（馬克森）、鳴志電器、拓邦股份等，根據GII數據，前三大企業(yè)占有全球55.4%的市場。海外公司在高端產品較為領先，如馮哈伯的產品應用于手術機器人、呼吸機、兩棲飛機等，馬克森的產品應用于火星探測器，可良好的承受火星表面的地震及-120℃至+25℃的溫差變化。本土企業(yè)中，鳴志電器空心杯電機應用于人工智能、高端醫(yī)療器械及生化分析儀器、智能汽車電子、半導體制造、工控等領域，競爭實力也較強。綜合對比海內外公司，本土產品的主要差距在材料選用（如加工鍍膜工藝）、本體設計（如最小尺寸）、機電控制（定制化開發(fā)能力）。（三）預計人形機器人回調將助推電機市場加速評析特斯拉新能源汽車產業(yè)化進程，產業(yè)化將助推核心零部件大幅加速。新能源車第一個五年為0至1的過程，彌漫著新產品的研發(fā)、市場模式的積極探索以及政策補貼的干涉，特斯拉新能源汽車銷量由2012年的沒有1萬臺快速增長至2017年的10萬臺；第二個五年為產品規(guī)?；?至N的過程，彌漫著電池、電驅等產業(yè)鏈的培育，產業(yè)競爭格局的形成，以及規(guī)?；蟮漠a品降價等，特斯拉新能源汽車銷量于2022年突破百萬臺。若未來人形機器人若能達至消費品級別的體量，將助推機器人電機市場加速。目前人形機器人正處于產品研發(fā)和政策積極探索的0至1的過程，與新能源汽車產業(yè)化早期存一定相似性，該階段為零部件產品的導入檢驗階段。展望未來，預計人形機器人將憑借其性能優(yōu)勢在工業(yè)、生活等各領域高速蔓延，未來潛在市場空間少于上百億美元，若人形機器人產業(yè)化順利，力矩、空心杯電機作為其核心零部件需求量將持續(xù)快速增長。三、產品+平臺朝拜，本土電機企業(yè)蓄勢待發(fā)（一）產品基礎：本土企業(yè)在產品端的已準備充分，具備檢驗條件我們認為，海外科爾摩根、日本電產為代表的企業(yè)雖然在高端產品及營收規(guī)模上較為領先，但產品價格也較高，人形機器人不同于軍工、航天等高精尖產業(yè)，產業(yè)化進程更看重性價比和保供能力，中國企業(yè)已具備產品基礎。國內無框力矩電機主要玩家有步科股份、昊志機電。其中步科股份無框力矩電機產品形成完整的系列化的產品線，收入達到百萬級；昊志機電產品已經廣泛應用于協作機器人和輕型機器人領域，同時，昊志機電現有的產品包括諧波減速器、無框力矩電機、驅動器、編碼器、力矩傳感器等可應用于人形機器人?？招谋姍C主要玩家為鳴志電器、江蘇雷利、偉創(chuàng)電氣。其中鳴志電器為運動控制領域優(yōu)質的出口企業(yè)