机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

(报告出品方:申万宏源研究)

1. 电机行业概览:万亿级市场,细分领域众多

1.1 电机技术:技术原理共通,延展性较强

电机一般指电动机,亦称“马达”,可将电能转换为机械能,为用电器或各种机械提 供驱动力,在现代工业和生活中应用极为普遍。电机的基本原理为电磁感应定律电能 在线圈上产生旋转磁场,并推动转子转动。电机的基本构造包括:定子(铁芯、绕组和基 座)、转子(铁芯、绕组),此外不同类别电机可能配有电刷、传感器、驱动器、风扇等 配件。电机原理虽然简单,但高端设计十分复杂,牵涉设计、工艺和设备等环节,涵盖电 磁学、摩擦学、热、流体、振动、声学等自然科学和相关技术工程领域。

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电机技术种类非常多。法拉第 1921 年制成世界第一台电机,1831 年发现电磁感应定 律,经过 200 年技术更新迭代,电机品类已十分庞杂。

根据电源种类不同,分为直流电机和交流电机。直流电机响应快,启动转矩大, 调速性能好(转子受力由电流和磁场强度决定),调速范围宽,缺点是需要换向, 结 构更 复 杂 ,后 续 维 护不 便 利 ,且 限 制 了电 机 容 量和 速 度 , 功率 范围 0.01W-1000kW;交流电机不需要换向器,因此结构简单、制造方便,牢固,使 用寿命长,功率覆盖范围大(几 W-百万 kW)。

根据有无电刷,分为有刷电机和无刷电机。交流电机不需要电刷换向,因此有刷 无刷仅涉及直流电机。无刷电机的换向和调速工作由霍尔传感器、控制器、磁编 码器等电子元件完成,替代了电刷,同时赋予电机更多的控制性能,数字变频的 可控性更强。无刷电机解决了电刷运转产生的电火花问题,且运转时的摩擦减少, 噪音降低,寿命延长;缺点在于成本较高,技术难度较高,因此常用在控制要求 较高、转速较高的设备上。

根据转子定子是否同步,分为同步电机和异步电机,两者均属于交流电机。同步 电机较复杂,效率高,造价高,大多用于大型发电机场合和 2000KW 以上的电动 机上;异步电动机简单,成本低,易于安装,效率略低,应用更广泛。

根据用途不同,分为非控制电机和控制电机。非控制电机用于电动工具、家电和 其他通用小型设备中,侧重电机在启动和运行过程中的力能指标;控制电机可以 对电机的转速、位置和转矩进行精准控制,更侧重于高精度和快速响应,因此多 用于自动化设备中。常见的控制电机包括步进电机和伺服电机两种。步进电机利 用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移,也称脉冲电机; 伺服电机利用输入的电压信号转换成角位移或角速度输出,通过改变控制电压改 变电机的转速和转向。伺服电机在精度、可靠性、噪音、过载能力、能量转换效 率等方面性能优于步进电机,但是成本较高,因此两者呈互补关系。

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电机核心指标为转速、功率、扭矩等。电机参数指标是选择电机的重要参考,包括: 输入功率,输出功率,额定电流,堵转电流,额定转速,加速度,减速度,震动,噪音, 功率因素,效率,堵转转矩,额定转矩,最大转矩,转动惯量,相间绝缘电阻,相对地绝 缘电阻等。其中,重要参数以及含义分别为:1)额定功率:电机设计时的理想功率也是最 大功率;2)额定电压:该电机的建议工作电压,电压决定了转速和一系列参数,超过电压 可能会出现局部过热问题,不可以长期运行;3)额定转速:额定功率下电机的转速;4) 额定转矩:力矩=里×力臂,相当于电机的“力气”,在机器人领域,转矩一般用于使得机 器人移动或者使得机械臂完成各种动作;5)电机效率:电机输出的机械能与消耗的电能的 之比;6)噪音:电动机在空载稳态运行时的分贝数;7)物理参数:尺寸、重量、固定孔 的位置等;8)寿命;9)价格。

此外,控制电机还需考虑控制精度和响应时间等。1)响应时间:电机的转速从零开始 增长的过程。为了满足自动控制快速响应的要求,转速变化时间应尽可能短,即电机转速 变化应迅速跟上控制信号的要求。2)控制精度:电机运行的实际位置与控制器输出位置之 间的偏误程度。不同应用场景的侧重点不同,因此关注的核心指标也有差别。例如汽车电 机更侧重功率密度(单位体积对外输出密度),机器人电机更侧重控制精度,重型机械电 机更侧重扭矩等。

1.2 行业特征:市场容量万亿级,诞生细分领域龙头

电机的下游应用市场极为广泛,空间千亿美元。电机作为必不可少的关键基础机电部 件,广泛应用于家电、汽车、信息处理器、视听设备、工业自动化等领域。以家庭场景为 例,根据祥明智能招股说明书援引高工咨询的数据,发达国家微特电机的家庭平均拥有量 为 80-130 台,而中国大城市家庭平均拥有量大约在 20-40 台;汽车为最主要电机细分市 场,一辆商用车采用超过 40 个电动机,从低功率到高功率不等。根据 Grandview Research 的研究数据,2020 年全球电机市场规模为 1427 亿美元,预计 2021-2028 年全球电机市 场规模复合增长率将达到 6.40%。从下游细分市场来看,汽车占比最高,占 40.5%,其次 为工业机械、HVAC 设备(供热、通风与空气调节)、空调、运输、家电等。

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电机需求分散化和长尾化,选型考虑因素众多。电机的选择取决于终端产品设计,电 机选型贯穿于工程师设计和生产产品的全过程中,与产品特征和工程师设计理念紧密相关, 因此其需求表现出极强的分散和长尾特征。

参考 Maxon 的产品说明书,电机选型考虑因素众多:

首先,驱动需求必须明确:驱动负载需要多高的转速和多大的转矩?在不同的负 载状况下,运行持续时间是多少?对加速性能有什么要求?负载惯量是多少?驱 动参数还需考虑同步带、齿轮、丝杠等,全部折算到电机轴。

其次,电源供电的要求:对电机引线端施加的最大电压是多少?对电流有什么样 的限制?如果使用电池或太阳能电池供电,还需使用伺服放大器,放大器的最大 电流通常是一个重要的限制参数。

此外,其它重要信息也需考虑:被加速的物体 (类型、转动惯量)、运行模式 (连 续、间歇、正反向运行)、环境条件 (温度、湿度、介质)、电源、电池。

最后,还需考虑限制条件包括:驱动单元的最大长度是多少 (含齿轮箱和编码器 的直径)?电机的预期使用寿命是多少?使用哪种换向系统?稀有金属换向系统 适合于低电流连续运行工况、石墨换向系统适合于高电流连续运行工况以及频繁 出现电流峰值的场合 (启动/停止操作、正反向运行)。如果希望获得最高转速和最长使用寿命,则应采用电子换向系统。电机轴上的负载力是多少?必须使用滚珠 轴承还是可以使用经济的烧结合金轴承?

电机行业总量大、单品产量孝需求长尾化、定制属性强,导致电机行业不存在“赢 家通吃”的情况,大多表现为深耕细分领域的中小型公司,竞争格局高度分散。电机行业 涌现出的优秀公司主要有三类:1)聚焦于单品销量较大的下游行业,例如汽车电机、空调 电机、洗衣机电机等,公司产品具有性价比优势,国内上市公司如大洋电机、江苏雷利、 微光股份、方正电机、祥明智能等;2)电机平台型公司,电机 SKU 多+快速定制化能力强, 产品具有价格优势、快速响应客户需求,国内外上市公司如瑞士 Maxon、鸣志电器、兆威 机电等;3)电机产品与其他产品产生协同效应,作为核心竞争力为下游产品赋能,如安川 电机、汇川技术、金龙机电等。

2. 机器人行业的典型电机类型一览

2.1 伺服电机:控制精度高,广泛应用于工业自动化

伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。伺服来自英文 servo,指系统跟随外部 指令进行人们所期望的运动,实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机具 有响应速度快、精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点,且转速范围宽、高速性 能好、低速运行平稳,同时抗过载能力强,能承受 3 倍于额定转矩的负载,适用于对有瞬 间负载波动和要求快速起动的场合。

伺服系统一般由驱动器、电机、编码器构成。①伺服驱动器(指令装置)属于驱动层, 又称“伺服控制器”、“伺服放大器”,一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机 进行控制,实现高精度的传动系统定位;改变控制电压可以变更伺服电机的转速及转向。 ②伺服电机属于执行层,伺服电机在自动控制系统中作为执行元件,把输入的电压信号变 换成转轴的角位移或角速度输出。③编码器(反馈装置)通常内置在伺服电机末端,用来 测量电机的转角、转速和位置,对控制精度具有关键作用。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。

伺服电机分为直流和交流伺服电动机。1)直流伺服电机分为有刷和无刷电机:①有刷 电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换 碳刷),产生电磁干扰,对使用环境有要求(无尘、易爆环境不宜),通常用于对成本敏 感的普通工业和民用场合;②无刷电机体积小重量轻,出力大响应快,速度高惯量小,力 矩稳定转动平滑,控制复杂,智能化,电子换相方式灵活,可以实现方波或正弦波换相, 电机免维护,高效节能,电磁辐射小,温升低寿命长,适用于各种环境。2)交流伺服电动 机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。交流伺服电机优点在于速度控制特性良好, 在整个速度区内可实现平滑控制,几乎无振荡,90%以上的高效率,发热少,高速控制, 高精确度位置控制,额定运行区域内可实现恒力矩,惯量低,低噪音,无电刷磨损,免维 护。缺点在于控制较复杂,驱动器参数需要现场调整 PID 参数确定,需要更多的连线。高 性能的伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的 全数字位置伺服系统。

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伺服电机作为工业自动化的核心零部件,市场规模随产业自动化升级稳步增长。1)替 代需求:在机床、纺织机械、印刷机械和包装机械等领域,伺服电机相比步进电机具有精 度、扭矩、过载等性能方面的优势,渗透率不断提升;2)新增需求:工业机器人、电子智 造装备等行业对精度性能要求较高,其迅速增长为伺服电机市场贡献较大增量。根据 Grand View Research 与 MIR 数据统计,2020 年全球伺服电机市场规模 367 亿元,预计 2026 年有望达到 539 亿元。我国伺服电机起步较晚,尚处于成长阶段,2020 年我国伺服电机市 场规模约 149 亿元,预计 2026 年有望达到 225 亿元。

伺服电机的核心难度,即导致各国差距之处,主要在于电机的基础性研究、高精度伺 服驱动器和编码器。1)基础性技术研究:包括高端电机的结构设计、产业化制造技术、生 产工艺的突破、性能指标的实用性检验,导致高端伺服电机的性能、质量和稳定性的差异; 2)材料,特别是适应高温的材料;磁材和绝缘性材料等,国内的磁材总体性能差,伸缩长 度会发生变化;3)驱动系统:目前的伺服系统标准仍然依靠国外定义,包括共目线结构体 系,先进的控制算法,自适应振动抑制,自适应参数整定,齿槽转矩补偿,磁饱和控制,弱磁控制、安全控制等,需要时间和经验的积累、大量的数据逐步实现各项功能;4)编码 器:目前高精度编码器严重依赖进口,小型化仍待突破,而编码器对定位精度影响很大。

伺服电机行业 65%份额为外资品牌,高端市场基本被外资垄断。根据 MIR 数据,我国 伺服电机竞争格局中外资品牌占 65%,国产品牌占 35%。根据前瞻产业研究院报告,目前 主流品牌可分为欧系、日系和国产品牌等类别,其中欧系日系占据中高端市场,国产主要 集中在中低端市常①欧系品牌占比 20%:如西门子、伦茨、博世力士乐等,过载能力高、 动态响应好、驱动器开放性强,但价格昂贵、体积重量大;②日系品牌占比 45%:如安川、 三菱、松下等,品牌性能和价格相对低、体积孝重量轻、可靠性和稳定性强,但动态响 应能力较弱、开放性较差低,总体上性价比更高,最适合中端需求;③国产伺服占比 35%: 如台湾台达、汇川技术、华中数控等,产品基本成熟,精度和可靠性较差,中小功率居多, 中低端伺服系统已实现大规模量产,但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力。

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2.2 步进电机:经济性更高,适合低精度要求场景

步进电机也是一种控制电机。步进电机源于自英语单词“Step”,意为“走一步”, 是一种形象的翻译。步进电机能将电脉冲信号转换为角位移/直线位移,并且位移量与脉冲 数成正比,转速或线速度与脉冲频率成正比。通过调整电脉冲信号或脉冲频率就可以实现 对电机的运动控制。步进电机能根据控制脉冲的要求迅速启动、反转、制动和无极调速; 工作时能不失步,精度高,停止时能锁祝 步进电机包括 VR、PM、HB 三种。1)VR 步进电机,即反应式(Variable Reluctance), 由绕组、转子由软磁材料组成,结构简单,成本低,但动态性能差,效率低,发热大,已 逐步被欧美国家淘汰。2)PM 步进电机,即永磁式(Permanent Magnet),由永磁材料 制成,动态性能好,体积相对较小,但精度较差,输出力矩较小,是一种成本较为经济的 选择。3)HB 步进电机,即混合式(Hypid),综合了前两者的优点,可以实现精确的小 增量步距运动,转子和定子上有多个小齿以提高步矩精度,输出力矩大,动态性能好,步 距角小,但结构相对复杂,成本相对较高。

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步进电机控制方式类似于伺服电机,包括驱动器和编码器。驱动器在负载能力的范围 内,通过改变脉冲频率来调速;编码器信号检测转子位置,进行控制信号的反馈和电流调 节。作为开环的控制系统,由于过载能力较低、调速范围相对较孝低速运动有脉动、不 平衡等问题,一般应用于小型或简易型机器人中。 步进电机 VS 伺服系统,可靠性低,经济性高。步进电机相比伺服电机,不足之处在于: 精度略低;开环系统的低可靠性,低速存在共振区;运行噪音较高;无过载能力,易失步; 能量转化效率低,自身损耗及发热较高;动态响应慢,加减速低;优势在于:调试较为简 单,伺服驱动器涉及的参数多、使用手册长,且不同品牌的驱动器区别可能很大;成本更 低;精度方面,在大多数场合,步进的分辨率已远高于机械要求的精度,对于高要求场合, 通过细分驱动、添加闭环控制等方式,也可以达到很高的控制精度。因此,伺服电机更适 用于要求高效率、高速高响应、高可靠性的场合,步进电机用于要求不高、成本敏感的场 合,控制系统的设计须综合考虑控制要求、成本等因素,选择适当的控制电机。

2.3 空心杯电机:结构紧凑,能量转换效率高

空心杯电机属于直流、永磁、伺服电机。空心杯电机与传统电机的转子结构不同,采 用无铁芯转子,线圈通过连接板,和换向器、主轴链接到一起,共同组成转子。由于线圈 形状像个杯子,因此称为空心杯。无铁芯结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,能量转换效率提高,最高可达 90%+,同时降低电机重量和转动惯性,可达到更高的控制 和拖动特性。 空心杯电机分为有刷和无刷两种。1)空心杯有刷电机:采用电刷换向,转动过程中会 摩擦碳刷,造成损耗,需要定期更换碳刷,电机寿命有限,平均为几千小时;容易产生电 火花和电磁波,干扰电子设备;优势在于,有刷电机不存在涡流损耗,特别是在高速运转 下,相比无刷电机的损耗显著更低;结构更简单,成本更低;2)空心杯无刷电机:采用电 子换向,通过霍尔元件感知永磁体位置,电子线路切换线圈中电流的方向,进而改变磁力, 其优势在于消除了电刷的损耗和电火花对电子设备的干扰,寿命可达到数万小时,但无刷 电机存在涡轮损耗,涡轮功率损耗随速度的平方增加;另外添加了换向器和控制器等,增 加了系统的组件和成本。

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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,其最大效率一般在 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,温升较校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,一般空心杯电机最大 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,随着国内市场对空心杯电机认 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%。

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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、转动惯量孝响应速度块。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 惯量孝重量轻;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、电机控制器的最高频率限制、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 33Nm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、中国优必癣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 Digit Robot 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。

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3.4 机器人手部:侧重轻量化、高效率、低成本

关于灵巧手的研究最早可追溯至 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。目前最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 FLLEX Hand,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孝质量轻、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孝质量轻、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,最大扭矩 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:工控自动化国内标杆,伺服电机领军品牌

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。

机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

业绩稳健增长,抗周期能力显著。2021 年公司实现营业收入 179.43 亿元,同比增长 56%;归母净利润 35.73 亿元,同比增长 70%,其中通用自动化、电梯、新能源分别占比 50%、28%、20%。2021 年公司毛利率、净利率分别为 35.82%、20.51%。2022H1 公 司实现营业收入和归母净利润 103.97 亿元、19.75 亿元,分别同比增长 25.65%、26.36%, 在疫情和宏观环境不利影响下取得逆势增长,行业龙头地位进一步巩固。

作为工控自动化龙头,公司充分受益自动化大浪潮,产品条线持续扩张,业务多点开 花。1)变频器和伺服系统的市占率在内资品牌中稳居第一,市场竞争力强劲。公司掌握高 性能伺服控制技术、高性能伺服电机技术等核心技术,产品矩阵丰富,覆盖单轴/多轴伺服 系统、通用/专用伺服系统、新一代伺服系统、电液伺服系统、高精度伺服驱动系统等,广 泛应用于 3C 制造、机械手、LED、锂电、印刷包装、纺织、机床、注塑机等业务领域。2) 工业机器人业务高速增长,产品品类扩张。公司的工业机器人产品包括 SCARA 机器人、 六轴机器人、视觉系统、高精密丝杠、控制系统等整机及零部件。根据睿工业,2021 年公 司 SCARA 机器人的国内市场份额为 14%,名列第三,内资第一。目前公司工业机器人业 务已经实现盈利,未来有望高速成长。3)战略布局新能源车景气赛道,电控产品放量在即。 公司已进入理想、小鹏、威马等造车新势力及长城、广汽等传统车企供应链,2022H1 产 品迭代至第四代高压电驱总成、异步电机总成,新能源车业务可期。

4.2 埃斯顿:国内工业机器人龙头,全产业链发展快速崛起

埃斯顿是国内工业机器人龙头企业,立足自主研发,技术创新驱动进步。公司成立于 1993 年,2002 年研发金属成形机床数控系统,2006 年拓展金属成形机床电液伺服系统等 核心部件业务,2008 年推出交流伺服系统,2012 年布局工业机器人产品线,2019 年收购 德国 CLOOS,取得焊接机器人全球前沿技术,2021 年全面进军工业智能化和数字化制造 领域。公司形成工业自动化系列产品、工业机器人系列产品、工业数字化系列产品三大核 心业务;其中工业自动化系列产品线包括全系列交流伺服系统,变频器,PLC,触摸屏,视 觉产品和运动控制系统等。

市场份额持续扩张,盈利略有承压。2021 年公司实现营业收入 30.20 亿元,同比增长 20%;归母净利润 1.22 亿元,同比下降 5%;2022H1 公司实现营业收入和归母净利润分 别为 16.55 亿元、0.76 亿元,同比增长 6%、21.3%。公司重视自主研发,2017-2021 年 研发支出由 1.06 亿元上升至 2.82 亿元,研发费用率长期维持 10%的较高水平。2020 年 6 月福布斯发布 2020 中国最具创新能力榜单,埃斯顿荣登“2020 年中国最具创新力企业 榜”,成为工业机器人企业唯一登榜者。

机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

机器替人叠加国产替代,公司发展前景广阔。1)机器人销量快速增长,空间广阔。2021 年公司工业机器人出货量约 1.1 万台/套,国内市占率为 4.4%,在人力成本上升+劳动力短 缺+产业自动化升级+国产替代等多重驱动下,工业机器人有望持续渗透,公司作为龙头将 首先受益。2)股权激励彰显信心。2022 年 8 月公司发布长期激励计划和员工持股计划, 员工持股计划考核目标是 2022/2023 年公司收入分别不低于 38 亿元、52 亿元,同比分别 +25.83%、36.84%,彰显公司对于未来发展的信心。

4.3 鸣志电器:运动控制平台企业,空心杯电机国内龙头新锐

鸣志电器聚焦运动控制及智能电源领域关键部件制造,产品品类齐全。公司成立于 1994 年,1998 年鸣志电机工厂建成,HB 步进电机产品投产,2007 年与美国 AMP 公司 合资安浦鸣志,开展控制电机驱动系统业务,2008 年永磁式步进电机产品投产,2012 年 交流伺服电机产品、直流无刷电机产品投产,2014 年收购美国 AMP,2015 年收购美国 LIN ENGINEERING,与 PBC Linear 合资成立鸣志派博思,2018 年收购瑞士 Technosoft Motion AG,通过内生+外延双轮驱动实现快速发展。目前产品已覆盖混合步进电机、永 磁步进电机、线性电机、伺服电机、直流无刷电机、无刷无槽电机、电机驱动与集成、电 动滑台、智能 LED 调光、LED 智能控制与驱动、大型设备管理与故障诊断等多个领域。

机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

业绩持续高增,毛利率稳定在较高水平。2021 年公司实现营业收入 27.14 亿元,同比 增长 22.66%,2017-2022 复合增长率 13.6%;归母净利润 2.80 亿元,同比增长 39.27%; 其中控制电机及其驱动系统产品收入 20.98 亿元,占比 77%。2021 年毛利率、净利率分 别为 37.66%、10.37%。2022H1 实现营业收入和归母净利润分别 12.7 亿元、0.7 亿元, 分别同比-1.9%、-45,4%,主要因为公司及工厂位处上海,3 月以来受疫情影响较大,工 厂停工、物流受限、仓库封闭、原材料供应不稳定等情况对境内外业务造成多重不利影响, 6 月以来复工复产后公司经营情况已得到迅速恢复,预计下半年有望恢复高增态势。

产品品类齐全形成平台化运营,新兴高附加值占比持续提升,产能有序释放支撑公司 高增长。1)产品线不断完善,高附加值应用领域快速成长。公司产品线涵盖 25 个系列, 覆盖运动控制、智能电源、工业互联网等五大领域,形成平台化运营模式。2014 -2018 年 陆续收购美国 AMP、美国 LIN ENGINEERING、瑞士 Technosoft Motion AG 等外资高 端品牌,公司不断吸纳核心研发技术与客户群体,强化研发实力。2022H1,工业自动化、 生化医疗、服务机器人、半导体工厂等新兴高附加值领域收入增长 20%、21%、50%和 85%, 上述领域收入同比增加 1.04 亿元。2)深入布局空心杯电机,把握产业发展导向。在无刷 空心杯领域, 鸣志 EC 系列直流无刷无槽电机提供 13mm~30mm 多种规格,空载转 速达 15000rpm~50000rpm;在有刷空心杯领域,鸣志 DCU 系列直流有刷电机提供 8mm~24mm 多种规格,空载转速达 10000rpm~16000rpm,采用空心转子设计方 案,具有高加速度、低转动惯量、无齿槽效应、无铁损小巧轻便等特点。公司具备 AMP、 T Motion 两家公司在空心杯电机领域多年的核心技术优势,并广泛吸收了其客户资源,有 望在空心杯电机市场抢占先机。3)全球产能布局有序推进。公司上海工厂产能预计于 22Q4 迁移至太仓工厂,越南年产 400 万台 HB 步进电机项目预计 23Q1 开始试运行,公司生产 效率与产能规模将得到有效提升。

4.4 兆威机电:精密传动行业翘楚,布局蓝海前景广阔

兆威机电专注于微型驱动领域,产品包括微型传动系统、精密注塑件和精密模具三大 类。公司成立于 2001 年,制定了“精密微小超薄”的发展路线,2002-2004 年先后成为 三协、松下、三洋等企业供应商,2008 年成为德国博世 BOSCH 汽车的认证供应商,2014 年成功开发 3.4mm 直径微型减速齿轮箱,2021 年完成 C 款标准品齿轮箱的全系列升级, 启动正齿轮箱产品系列化的研发。目前,公司产品覆盖汽车电子、通讯、医疗器械、智能 家居、AI 机器人等领域,重点聚焦 5G 商用、智慧医疗、人工智能、IOT 等领域的开拓, 为客户的智能化驱动提供定制化服务。

疫情下消费市场承压,导致短期业绩扰动。2021 年公司实现营业收入 11.40 亿元,同 比下降 5%;归母净利润 1.48 亿元,同比下降 40%,其中微型传动系统、精密注塑件和精 密模具分别占比 65%、30%和 5%。2021 年毛利率、净利率分别为 29.73%、12.94%。 2022H1 公司实现收入和归母净利润 4.69 亿元、0.55 亿元,分别同比-12.44%、-37.86%, 主要受到智能家居、服务机器人、通讯业务板块的负面影响;汽车电子和医疗领域分别实 现 26.77%和 16.46%的正增长,为公司积极拓展的重点领域。

机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

重视基础性研究+加码高景气赛道,看好公司长期成长价值。1)重视微型驱动领域的 理论和技术研究,高研发锻造产品竞争力。2021 年公司研发投入 1.3 亿元,同比+77.98%, 研发费用率 11.65%,近五年研发投入持续提升;研发人员占比 23.14%,比重不断增加。 2021 年研发成果丰厚:平台化领域,C 款标准品齿轮箱全系列升级;工业装备领域,开发 线性升降机构等 6 款产品,实现齿轮箱与驱动控制的一体化集成设计;服务机器人领域全 面升级,积极提升批量化生产能力;通讯领域,开发大容量基站天线齿轮箱、RCU(远程 控制单元)模组,该模组可实现信号的最强发射;基础技术研究领域,完成高性能 PEEK 塑料齿轮的精密制造技术研究;粉末冶金部门在小模数粉末冶金齿轮高精度大批量制造技 术上,最优精度和技术水平达到国际前列。2)重点发力汽车电子领域等高景气领域,客户 拓展顺利。公司拓展比亚迪、长城、蔚小理等国内新能源汽车客户,参与智能屏、电动尾 翼、隐藏式门把手、PLG 等项目研发。此外积极拓展医疗、智能家居、AI 机器人、AR/VR、 5G 商用等战略新型产业,未来潜在增长空间大。

4.5 江苏雷利:微电机领先方案商,纵横拓展高景气赛道

江苏雷利深耕微电机行业 30 载,由家电延伸至多个细分领域。1993 年品牌初创,开 始生产步进电机,2006 年雷利电机科技成立,2017 年于科创板上市,2019 年收购鼎智机 电切入高端医疗器械领域,2021 年收购太仓凯斯汀,成立安徽凯斯廷江苏雷利艾德思, 布局汽车零部件业务。目前,公司已形成步进电机、同步电机、直流有刷电机、直流无刷 电机、水泵等多种电机产品为主导,配套相关精密结构、驱动控制设计和制造解决方案的 业务布局。

业绩稳步增长,新业务贡献增速。2021 年公司实现营业收入 29.19 亿元,同比增长 21%;归母净利润 2.44 亿元,同比下降 11%。2021 年公司毛利率、归母净利率分别为 25.57%、9.01%。按产品类别分,2021 年步进电机、泵、MA 电机及组件、直流电机、 PP-冲压件、排水电机分别占比 41%、16%、16%、8%、6%、6%;按下游分,空调、洗 衣机、工控、医疗、冰箱、汽车分别占比 28%、20%、10%、9%、9%、8%。2022 年实 现营业收入 14.65 亿元,同比增长 0.75%;归母净利润 1.55 亿元,同比下降 4.34%;其 中,汽车零部件、工控、小家电分别同比+65%、+27%、+23%,新兴领域实现快速增长。

机器人伺服电机行业研究:机器人关节动力源,看好国产厂商崛起

医疗+新能源车+储能+工控四大赛道并进,拥抱蓝海市场,国产化替代空间巨大。1) 医疗:子公司鼎智科技主要产品直流无刷电机、音圈电机、步进电机等已广泛应用于体外 诊断 IVD 行业、核酸检测仪、呼吸机、牙科影像仪等高端医疗设备,与迈瑞、万孚、天垄 凯格、优利特、帝迈、IDEXX 等国内外知名企业合作;2)新能源车:公司相关产品包括汽 车电子水泵、冲压件、铝压铸、电子油泵、激光雷达电机等,21 年 10 月发布公告称拟在 六安投资 5.5 亿元建设“新能源汽车核心零部件生产基地项目”,将生产驱动电机、电动 斡旋压缩机、精密铝压铸和冲压零部件等产品,25-26 年规划产能为 7 亿产值;3)储能: 公司的电子水泵用于储能液冷系统及电化学储能电池,直接或间接进入比亚迪、国轩高科、 英维克等头部厂商供应链,未来还将延伸至储能电机、冲压件、控制器等配套产品;4)工 控:公司 2020 年参股洛源智能加大对伺服系统和电机领域的布局,现有产品丝杆电机、伺 服电机、无刷空心杯电机等产品可广泛应用于机床、3C、印刷包装、机器人等多个行业, 该领域尚处于起步阶段,未来增长空间广阔。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。

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