SIEMENS西门子四川省绵阳市（授权）伺服电机一级代理商——西门子西南总代理

空心杯电机具有节能、控制性能好、能量密度高等优点，但功率较低。空心杯电机的 优点在于：1）节能：能量转换效率很高，其Zui大效率一般在70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 70%）；2）控制性能好：起动、制动迅速，响应极快，机 械时间常数小于 28毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）拖动 性能好：运行稳定性十分可靠，转速波动能控制在2%以内；4）能量密度高：与同等功率 的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2；5）散热效果好：铜板线圈内外表面都有空气流动，温升较小。但缺点在于功率上限低：由于没有牢固的铁芯支撑，线圈厚度较薄，且线圈和输出轴的连接强度有限，因此体积、功率等无法做到很大，一般空心杯电机Zui大功率仅几百瓦，属于一种微特电机。空心杯电机在高精度、高速响应、紧凑高效场景得到广泛应用。1）需要快速响应的系统：军用领域导弹方向的快速调节、高灵敏度的记录和检测设备、工业机器人、仿生义肢；2）对重量和能耗要求的飞行器，包括无人机、航模等；3）其他家电、工业产品，可以替代传统电机，提高产品性能。根据国际咨询机构 QY Research 统计数据，预计 2022 年全 球空心杯直流电机市场规模为 7.5亿美元，2022-2028 年复合增速 8%，至 2028 年增加至 11.9 亿美元；2021 年中国、欧洲市场份额分别为35%、26%。

空心杯市场长期被外资垄断，蕴藏大量国产替代机遇。空心杯电机的产品制造和量产的难度高，绕线和自动化工艺复杂，对绕线工人的技能水平要求高，难以实现大规模量产。目前空心杯市场被德国 FAULHABER 与瑞士Maxon 主导，随着guoneishichang对空心杯电机认知程度不断提高，国产厂商的量产工艺水平不断突破，未来有望实现国产替代。

3. 解析不同机器人对电机的差异化需求

3.1 工业机器人：工业场景要求响应速度和控制精度工业机器人（多关节机器人）通常有 6 个关节，对应 6 个电机。控制器、伺服电机和减速器被称为工业机器人的三大零部件：1）控制器是机器人的“大脑”，通过硬软件结合来控制机器人的运动位置、姿态和轨迹；2）伺服电机是机器人的“驱动力“，根据控制器发出的命令输出力矩，动态控制机器人的速度和位置；3）减速器用于降速增矩：伺服电机一般输出的转速高、力矩小，不能满足机器人本体的运动需求，需要通过减速器来降低转速、增加力矩。根据高工机器人数据，伺服电机在工业机器人总成本中占比 20%。\工业机器人对电机性能要求较高：高功率密度、高扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。1）高功率密度：工业机器人的体积和负载要求电机重量轻、体积小；2）高扭矩惯量：代表更高加减速性能，更快响应速度；3）高启动转矩：启动转矩越大，电动机加速越快，启动过程越短，也越能带重负载起动；4）低惯量：惯量越低，精度和响应速度越好；5）宽广平滑的调速范围：随着控制信号的变化，电动机的转速能连 续变化，调速范围1:1000～10000，功率范围一般为 0.1～10kW。3.2 四足机器人：侧重高功率密度、高扭矩密度四足机器人是学术界产业界积极研发的、具有发展前景的一类机器人。相比轮式和履带式机器人，具有良好的环境适应能力，在复杂的地理地形环境下，不平整地面上，保证机器人运动的灵活性、稳定性和人际协调性，因此可以协助人类完成危险性高、工作环境恶劣的任务，如抢险救灾、高位巡检、安全侦查、地形勘测、太空探索等。高动态特性，参考猎豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速调整步态和运动方式。四足机器人通常采用 12个伺服电机，每条腿三个关节：外展关节、髋关节和膝关节。为了避免膝关节电机外置易造成损坏，将膝关节电机置于髋关节处上，采用连杆机构驱动膝盖关节自由度，这种设计可以减少腿部的传动惯量，有利于机器人高速奔跑。此外，踝 关节拥有类似于髋关节的 2个自由度，但由于踝关节主要作用是调节足端和地面的接触，基本不提供动力，因此一般设计为被动的弹性关节，如橡胶、海绵等。四足机器人电机更侧重高扭矩密度、高功率密度、转动惯量小、响应速度块。1）四足机器人在行走、奔跑、跳跃时步态都不相同，电机一直处于正反转交替状态，转矩输出并不是处于额定值，而是一个随着运动状态不断变化的量，因此电机转矩在较短时间内达到峰值；2）电机不停运行在正转和反转的状态下，需要有较高的响应速度，要求电机的转动 惯量小、重量轻；3）四足机器人采用 12个电机，每个电机安装空间有限，直径和长度要 短，扁平化结构；4）其他约束条件：电机的散热和温升、电机控制器的Zui高频率限制、激励电流的有效值等。5）另外，为了使机器人的关节输出足够的扭矩，需要增加减速器，将高速低扭矩的电机输出转化为低速大扭矩的关节输出。四足机器人电机的商业化程度较低。由于四足机器人商业化应用较少，因此还未形成标准化产品。电机厂商主要由四足机器人公司自主设计，或者找伺服电机厂商定制化生产。四足机器人电机的进入壁垒不高，但是能做到高扭矩密度、响应速度快、轻量化小型设计等综合性能的难度很高，全球各高校和科研机构也在不断寻求技术突破，从而突破四足机 器人的性能优化，例如 MIT自主研发的猎豹系列的电机，可以达到 33N·m的扭矩而质量 仅 1kg。3.3 人形机器人：要求高效率、高动态、高功率密度人形机器人的自由度决定电机数量，机器人灵活性越高，电机越多。当前全球人形机器人玩家较少，已实现推出原型机/产品的公司包括日本本田、美国波士顿动力、美国敏捷机器人、中国优必选、中国小米和美国特斯拉等。其中，本田 ASIMO 有 34 个自由度，均为旋转执行器，采用伺服电机+谐波减速器方案，优必选 Walker 有 40 个自由度，采用相 似架构；敏捷机器人 DigitRobot 有 20 个自由度，采取伺服电机+谐波减速器/摆线减速 器方案，小米 CyberOne 有 21个自由度，采取相似架构；波士顿动力 Atlas 有 28 个自由 度，采用液压驱动方案；特斯拉 Optimus 有 28个自由度，采用 6 种执行器，旋转执行器 为电机+谐波减速器，线性执行器为电机+滚柱丝杠。人形机器人电机有三个关键点：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器（电机、机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，这些电机还需要小巧，紧凑，轻巧。3.4 机器人手部：侧重轻量化、高效率、低成本关于灵巧手的研究Zui早可追溯至 1960s，21 世纪以来研究进程加快，但目前仍处于实验室阶段，少数实现商用。在应用端，灵巧手可以代替人手完成多种抓取和操作任务，具有极大的应用价值，例如，家用领域可以完成家务、陪护、康养等任务，工业领域可以完成装配等精细化作业任务，特种领域可以在太空、深海、核电站等代替人手实现精准操作；在技术端，灵巧手在灵活性、适应性、可控性、敏锐感知、小型化等方面仍有挑战。灵巧手有多种驱动技术方案，柔性驱动包括气动型、液压驱动型、肌腱驱动型等；刚性驱动包括齿轮连杆驱动型、连杆驱动型、关节电机驱动型等。目前Zui常见的灵巧手均为电机驱动，具有能耗低、控制系统简单、电路设计方便等优点。不同灵巧手方案的电机数量不等。2002 年日本岐阜大学合作开发 Gifu-III 灵巧手，合 计 20 个关节和 16 个自由度，采用Maxon 公司直流伺服电机；英国 Shadow 公司的灵巧 手已投入商业化应用，合计 24 个自由度，其中 20 个电机驱动，4个欠驱动，每个手指都 集成了力、位置和触觉传感器，可以抓取柔软或易碎的物体；韩国 IRIM 实验室研制了线驱 动灵巧手 FLLEXHand，合计 15 个自由度；清华大学机械系 PESA 手具有 20 个关节，15 个自由度，15 个电机驱动；特斯拉Optimus 单手有 11 个自由度，采用 6 个执行器，采用空心杯电机+蜗轮蜗杆+金属肌腱驱动的方案。灵巧手电机大多采用微特电机，结构紧凑，效率高。灵巧手需要满足质量轻、结构紧凑和抓取力强的要求，因此采用的电机应该具有尺寸小、质量轻、精度高、扭矩大的特点，多采用微特电机+行星减速器的方式。空心杯电机具有尺寸小、质量轻、精度高、控制性能好、能量密度高等特点，能够满足手指高度紧凑的结构要求和驱动性能要求以 Maxon的空心杯电机为例：德国航空航天中心（DRL）与哈尔滨工业大学（HIT）合作研发的 DLR-HIT Hand 采用 15个带霍尔传感器的无刷主流电机，长度 10.4 mm、外径为 21.2 mm，重量 15g，安装谐波驱动齿轮，Zui大扭矩8.04mNm，结构紧凑、功率密度高、价格低廉。

4. 国内相关公司梳理

4.1 汇川技术：工控自动化国内biaogan，伺服电机领junpin牌汇川技术是国内工业自动化控制龙头。公司成立于 2003 年，2004 年生产出第一批机 器，2008 年推出PLC、伺服产品，2009年“汇川永磁同步电机驱动控制软件”荣获中国 国际软件博览会金奖， 2010 年上市，2010-2019年历经三次组织变革，取得远超行业平 均的持续增长，2021 年年产 1100 万台伺服电机项目进一步扩大产能，2022 年收购大连智鼎科技，完善大功率变频电机布局。目前，公司产品覆盖通用自动化、电梯电气大配套、新能源汽车、工业机器人、轨道交通五大类，其中通用自动化包括变频器、伺服系统、控制系统、工业视觉系统、传感器、高性能电机等核心部件，产品线齐全。