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作者：慧博智能投研

电机是一种将电能转换为机械能的装置。大多数电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作用来产生扭矩，作用在电机轴上形成力。电机应用场景众多，在消费市场、工业、车载等都有应用。

下面我们首先通过复盘海外高端电机厂商的发展历程，了解率先布局高壁垒/新兴领域+掌握一体化技术、掌握先发优势是维持电机企业高利润的关键。当前电机行业竞争激烈，人形机器人蓄势待发，驱动电机厂商抓住技术更新迭代的机遇，及时布局伺服电机、空心杯电机、无框电机等，真正实现国产替代冲出重围，在下一阶段竞争中抢占先机。

01

电机行业概述

1.电机定义及组成

电机是一种利用电与磁相互作用从而实现能量转换与传递的机械电磁装置。广义的电机包括电动机、发电机和特种电机。电动机从电系统吸收电能，向机械系统输出机械能，各类型的电机广泛应用于我国经济生产各部门以及家用电器中，主要作为驱动各种机械设备的动力；发电机从机械系统吸收机械能，向电系统输出电能，发电机和相关设备的技术进步，使人们能够利用热能、水能、核能以及风能、太阳能、生物质能等能源发电，向国民经济各部门和广大城乡居民提供所需电能；特种电机主要是指使用环境、生产工艺、技术标准等比较特殊而区别于普通电机的电机。

从结构上来看，不同类型电机结构虽然不同，但一般都是由三大部分组成，即固定部分、转动部分和辅助部分。固定部分主要由定子机座、机架、定子铁心、定子绕组、端盖及底板等导磁、导电和支撑固定等结构部件组合；电机的转动部分包括转轴、转子铁心、转子支架、转子绕组、集电环、换向器和风扇等部件；辅助部分包括轴承、电刷和冷却器等。

2.电机分类

电机有多种分类方式，按照应用领域分为动力电机和控制电机；按照电源类型分为直流电机和交流电机。

（1）按照应用领域分为动力电机和控制电机

动力电机输出功率较大，注重电机的驱动、运行及制动性能，主要应用于汽车、家电、小型机床等领域。控制电机侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标，精度高、响应速度快，主要在自动控制系统中承担执行、检测和解算功能。

1）动力电机

按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转电机展平而得，其定子叫初级、转子叫次级，其优势在于可以直接将电能转换为直线运动的机械能，而无需再借助中间转换装置。常见的直线电机可分为U型槽式、平板式和管式。其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱动电机，例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。

2）控制电机

按照控制方式进一步分为步进电机、伺服电机、力矩电机。

步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电动机，每输入一个脉冲信号，步进电机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。

伺服电机相较于步进电机增加了编码器与反馈机制，使得驱动器可以根据目标值与编码器的反馈信号之间的差异来调整转子转动的角度，从而可实现更精密的控制，主要适用于半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等对于控制精度、速度响应、过载能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机是一种特殊的伺服电机，采用无铁芯转子，呈空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。

力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用开环控制。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩，当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。在电动机低速甚至堵转（转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好等优点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。

（2）按照电源类型分为直流电机和交流电机

直流电机由直流电源驱动，交流电机由交流电源驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大，适用于在重负载下启动或需要均匀调节转速的机械。交流电机效率高、噪音低，常用于家用电器中。

1）直流电机

按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机，为使转子转动需要不断改变电流方向。

有刷电机采用机械换向，内部的电枢和换向器一起旋转，而外部的磁极和电刷都不动。通过换向器与电刷的交替接触，电机运行时电流的方向就会不断改变，从而改变电机的运动方向。其优势在于启动快速、制动及时、调速平稳，并且启动电流大、在低速时扭矩大，因而能带很重的负荷，常用在电钻等日常电动工具中。但由于换向器与电刷之间存在摩擦，因而电刷易损耗、寿命短，并且效率较低。

无刷电机采用电气换向，以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置，其线圈不动而磁极旋转。其原理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，从而适时切换线圈中电流的方向，以产生正确方向的磁力来驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用寿命长、运行时间和电压比较稳定。

2）交流电机

交流电机按照电源类型分为单相电机与三相电机。单相电机采用单相交流电源供电，定子仅含一个绕组，需借助启动线圈或运行电容器等以产生旋转磁场。特点是结构简单、维修方便，多应用于小型家用电器等生活场景。三相电机采用三相交流电源供电，定子绕组分为三组，通入互差120°的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性和精度高，多用于水泵、机床等工业领域。

交流电机按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同，交流电机分为同步电机与异步电机。同步电机的转速恒定，而异步电机的转速可以随着负载的变化而调节。常见的电力拖动机械大多由异步电机驱动，如空气压缩机、鼓风机、大型起重设备等。而同步电机主要适用于要求转速恒定的大功率生产机械，如连续式轧钢机、球磨机等，由于其造价昂贵、维修困难而应用较少。

02

海外电机厂商复盘及我国电机行业发展现状

Maxon motor（简称“maxon”）是一家全球范围内高精密电机和驱动系统的产品供应商。在500W以内的高精密电机和驱动系统中，maxon处于全球领先地位。该公司在全球范围内约有2500名员工，并在瑞士、德国和匈牙利设有制造工厂，销售公司遍及全球40多个国家，2018年营业额达到5.26亿瑞士法郎。

1.MAXON的发展可以分为三个阶段

1）发展初期（1961-1996）：MAXON1961年成立，开发设计DC迷你型电机，并通过收购美国分销商，逐步打通美国市场，这一时期是公司发展初期，主要是“量增”。

2）快速发展期（1996-2012）：公司1996-1999年参与NASA“探路者”计划，确定了公司高端电机定位，为公司拓展高端领域客户打下了基础，同时航空航天相关设计需求也可以复用到其他高端电机场合，这一时期公司完善了公司产品高端定位，是公司产品和品牌“质”飞跃。

3）产业链布局完善期（2012-2020）：2015年开发电驱系统，2017年收购瑞士公司ZUB machine control AG，增加了公司在控制器领域的布局，到2020年公司逐渐从元器件供应商转变为系统供应商。

2.国内电机行业现状

国内电机企业电机处于“量增”到“提质”的过渡期。目前电机的主要应用市场可以分为消费级、车端市场、工业（工控等）、尖端市场等：1）消费级市场进入门槛较低，国产化率较高；2）车端市场对电机企业资金壁垒要求较高，但整体盈利相对一般；3）工业尤其是自动化控制相关电机盈利水平相对较高，在中高端领域国内企业待突破，相关电机需有精密控制、复杂工业环境适应等能力，可以用于机床、机器人等领域；在航空航天、军工、精密医疗器械，包括部分探索性领域（探索新应用、新产品）等领域，对电机企业要求较高，客户壁垒高，需要电机企业具有较强的设计能力和生产能力，毛利率相对较高，以MAXON等为代表的海外企业占据主导地位。

从整体市场来看，国内企业在消费级市场、车端、工业领域都有所布局，中低端电机市占率较高，但在中高端市场依然待突破；而从企业角度来看，以汇川技术、鸣志电器为代表国内企业，技术积累丰富，拥有研发能力+高端客户资源，有望突破高端电机市场。

以鸣志电器为例，国内头部企业通过收并购逐渐拥有高端电机定制化设计+核心零部件自产+触达高端客户的能力。鸣志电器通过收购AMP、Lin Engineer ing等企业拥有了高端步进电机的技术，获得了触达北美核心客户群的机会，另外通过收购Techno soft Motion AG公司帮助公司完善无齿槽和空心杯电机+驱动控制器的系统级平台产品。此外，公司拥有行星齿轮箱、编码器等零部件的积累，有望在高端电机领域市场实现突破。

复盘海外高端电机厂商MAXON发展历程，对比我国头部电机企业认为，率先布局高壁垒/新兴领域+掌握一体化技术，掌握先发优势是维持电机企业高利润的关键。

以人形机器人为代表的高成长赛道或将给国内企业进军高端电机带来突破性机会：1）相比如精密医疗器械、航天等领域，人形机器人潜在空间较大，带来的成长空间大；2）人形机器人电机对精度要求没有航空等领域高，但需要电机厂商具有设计、调整工艺和大规模制造降本能力，国内企业擅长降本，这将给国内企业带来与头部企业合作设计/调整相关电机方案的机会；3）以空心杯电机为代表的微特精密电机，性能优异，可以应用于航空航天、光学、国防等领域，整体市场较小，但毛利率高，人形机器人有望带动相关市场扩容，促进国内企业对相关领域研发和布局。

03

电机行业产业链

1.电机行业产业链梳理

我国电机的上游主要为磁性材料、编码器、芯片和轴承等原材料；中游为电机制造；下游为电机应用领域，包括水务设备、电力设备、风电设备、火电设备和家电设备、工业机器人等。

上游行业中的原材料价格变动与电机企业的产品定价政策、成本水平、销售业绩有较大影响，关联度较高。目前，电机产品主要原材料是电解铜、硅钢、碳结钢等，这些行业的技术工艺成熟、市场竞争充分、产品供应充足，能够较好的满足电机行业的生产经营需求，为电机行业的可持续发展提供了重要保障。下游电机产品广泛应用于国民经济的各个领域，特别是大中型电机，广泛应用于冶金、水利、石化、建材、风电等行业。相关产业的快速发展，为电机行业提供了广阔的市场空间，促进了整个电机行业的有序发展。

根据中国企业数据库企查猫，目前中国电机企业主要分布在江苏省和山东省。截至2023年2月，江苏省共有相关工业电机企业超过3700家，山东省工业电机企业约为3400家。从中国工业电机供给主体区域分布来看，江苏省和山东省电机企业数量相对较高。

2.磁性材料是电机主要原料之一，对电机性能影响较大

（1）电机一般使用磁性较强的材料，强磁性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料

永磁的特性在于一经磁化，很难退磁，而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，而软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁材料的最不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量（但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为Oe或A/m。

（2）矫顽力越高，材料越不容易退磁

1）永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，在永磁电机中应用较多；2）软磁通过降低矫顽力，追求更高的磁导率，可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。

（3）钕铁硼性能较好，渗透率有望提升

钕铁硼材料在矫顽力上的表现较优异，同时在磁能积上也优于其他材料。磁能积较好也意味着单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于60），能大大减小电机体积，减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。唯一的劣势在于温度稳定性比较差，需要通过添加钴等其他元素来改善温度性能，价格相对较高。

（4）国内驱动电机原材料具有明显优势

从原材料看，钕铁硼永磁材料属于我国优势资源，硅钢也基本可以用国产产品替代，作为我国传统制造业，定转子生产厂商众多，总体来看国内驱动电机原材料具有明显优势。

3.编码器

（1）编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的联系

编码器是将信号进行编制、转换为可用以通讯、传输的信号形式的设备，如为伺服电机的闭环控制产生速度或位置的实际测量值。

（2）编码器分类

编码器种类繁多，按照读出方式可分为接触式和非接触式两种；按照检测工作原理，伺服电机编码器可主要分为光电编码器、磁性编码器、电感式编码器和电容式编码器。其中，基于光电转换原理的光编码器和基于磁敏感元件感应磁场变化原理的磁编码器的应用较为广泛。

1）光电编码器由LED光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，LED光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波A和B正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。

2）磁电式编码器的原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。磁性转盘的磁极数、磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁性编码器的分辨率，使磁场信号不会受到灰尘、湿气、高温及振动的影响。

光编码器一般精度较高，成本较高，对工业环境有一定要求，粉尘、水汽等可能会影响编码器精度；磁编码器成本较为简单，价格优势相对明显。

（3）编码器国产化进行时，看好国内企业突破高端编码器

当前，编码器中的一些芯片、码盘及磁头等重要元器件仍然依赖于进口，这是国内编码器厂商下阶段的主要突破目标。以码盘为例，码盘的码道数越多，其最外道被分割的区域就越多，即编码器的最小分辨率越高。码盘的生产要求每个码道刻划精准，并且要求彼此对准，给编码器的国产化进程造成了极大阻碍。除码盘之外，光电编码器的芯片属于光敏器件，光电结合紧密且工艺特殊，对参数控制要求较高，需要在高温条件下持续工作，还要保证信号形态正常，且电流输出能力较大，有特殊的封装工艺要求，是国产化的壁垒。

04

机器人行业蓄势待发，国内厂商相关机遇

电机是机器人的关键组成部件之一，电机的扭矩、功率密度和转速等指标决定了机器人的性能。机器人相关的电机可以分为伺服电机、直流电机、交流电机和步进电机，参考Skyquest数据，目前直流电机占比较高，而伺服电机增长较快，主要应用在工业机器人、CNC系统对精度要求较高的场合。

机器人需要根据不同场景去使用对应的电机，工业机器人、服务机器人、协作机器人等机器人根据应用场景不同，会选择不同电机。下面主要以工业机器人、协作机器人和人形机器人为例，分析对应电机情况。

1.工业机器人：伺服电机系统是机器人“心脏”

工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和净室机器人。工业机器人在机械结构上有类似人类的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由计算机控制。工业机器人广泛应用于电子、物流、化工等工业领域。按照机械机构分类，工业机器人可以分为线性机器人（又叫直角坐标机器人）、多自由度机器人（又叫多关节机器人）、并联机器人（又叫delta机器人）和水平多关节机器人（又叫scara机器人）等。

工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，伺服系统成本在机器人中的占比为25%。伺服系统作为工业机器人核心零部件，可以将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层。

2.协作机器人：轻量化设计背景下，无框电机成首选

协作机器人追求轻量化、人机相互。协作机器人是在SCARA机器人以及垂直多关节机器人等机械结构基础上衍生出的新类型。协作机器人除在外观形态上与传统工业机器人有些差别外，在产品特性上也区别于传统工业机器人追求的“刚度”，协作机器人更多追求轻量化、柔性和安全协作性。此外在结构特点、交互方式、部署成本以及应用场景等方面与传统工业机器人也存在一定的差距。

协作机器人具有紧凑小型化、轻量化特性，因此选择更加紧凑、高效率的电机方案。协作机器人与传统工业机器人在构造上有一定差异，协作机器人通常采用整体式的无框电机，采用关节一体化技术。无框电机只由定子和转子两个部分组成，相较于传统电机，去除了轴、轴承和外壳，使其体积更小、结构更紧凑，易于维护，并便于被高度集成到协作机器人本体的中空结构内，从而提高其机械性能。除了伺服电机外，协作机器人通常还使用体积小、重量轻的谐波减速机。

随着未来机器人小型化的发展，协作机器人关节中狭窄的安装空间和末端力矩的要求显著增高，对无框电机本身性能的挑战也不断提升。

3.人形机器人：全新市场带来新增量

人形机器人运动离不开驱动器，目前驱动器方案可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱。双足人形机器人关节运动特点和人类关节运动类似，运动速度较快、机动性较好，因此相比其他驱动器，人形机器人驱动器需要具有高功率密度、高响应性、高能量利用效率和耐冲击性等特性。

目前人形机器人电动驱动器方案可以分为三类：

1）刚性驱动：1983年，早稻田大学研究的WL－10R机器人使用刚性驱动器TSA。自此双足人形机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。刚性驱动器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成（力矩传感器是可选择项）。相比其他方案，刚性驱动较为成熟，但能量效率相对较低一些

2）弹性驱动：1995年，麻省理工学院的Pratt等提出了弹性驱动器SEA(serieselasticactuator)的概念。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人WalkMan都使用了弹性驱动器。弹性驱动器通过增加弹性单元来模拟肌肉系统功能，可以缓冲外部冲击和储能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。但由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，因此运动控制精度较低。

3）准直驱驱动：2016提出了准直驱方案，准直驱驱动器含义是依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，也被称为本体驱动器。一般方案是采用电机加低传动比减速器的方案，同时要求负载质量和转动惯量尽可能地小，这样可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。准直驱驱动器主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。相比其他方案，运动控制系统较为复杂。

特斯拉人形机器人在方案方面偏好刚性驱动方案，其一体化关节（旋转关节）类似协作机器人设计，无框力矩电机是核心，利用高转速电机+高减速比减速器实现快速响应。以协作机器人为例，一体化机器人关节主要由扭矩传感器、谐波减速机、力矩电机、制动器、增量编码器、绝对值编码器和伺服驱动器组成。一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机的大直径长度比和多磁极对保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内部走线。

人形机器人需要完成复杂的工作，对手部“灵巧性”提出需求。目前灵巧手的传动方式有很多，常见的有齿轮传动、连杆传动和腱传动等多种方案。腱传动使用钢丝绳模仿人手的肌腱部位，将驱动器外置于手掌或者手臂处，用腱绳实现远距离传动，精简了手指处的结构设计，相对齿轮和连杆，钢丝绳的重量和摩擦更小，推测特斯拉人形机器人采用的是经典的六电机+金属腱绳方案。

人形机器人采用集成化方案，对轻量化、紧凑结构追求较高，手部采用轻量高效的空心杯电机，身体部位采用无框电机等构成的一体化关节。特斯拉Optimus共有28个运动关节，包括三种旋转执行器和三种线性执行器：其中旋转关节采用电机+传感器+谐波减速器的方案；而线性关节采用电机+丝杠+传感器（从形态上，我们推测是无框电机）；特斯拉机器人灵巧手采取了折中的方案，使用较为经典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，电机采用蜗杆传动机构。从数量来看，共12个驱动，手指部分我们推测是空心杯电机+驱动装置+传动装置构成。

机器人电机市场占电机市场约1%，增速相对较快。Skyquest预计2021年全球机器人相关电机规模为11亿美元，2030年有望达到28亿美元，复合增速达13.4%。根据Fortune Business Insights公布的数据，2021年全球电机市场规模约为1139亿美元，机器人相关电机市场份额约1%，但增速相对较快。

人形机器人有望复制特斯拉新能源车成长道路，较快实现大规模量产。

特斯拉新能源汽车第一个五年突破10万销量，第二个五年达到百万销量，展示了特斯拉较强的量产能力。我们认为有望人形机器人复制特斯拉新能源汽车0-1的过程，有望在初步量产后快速上量。目前方案下人形机器人身体拥有28个无框电机，手部对应12个空心杯电机，假设人形机器人量产后，无框电机价值量为800元/个，空心杯电机1000元/个，则100万人形机器人对应电机市场空间约为344亿元。

国内企业加速推进人形机器人相关项目+落地场景逐渐清晰，看好人形机器人加速落地：

1）国内企业纷纷入局机器人项目，近期傅利叶智能发布了最新研发的通用人形机器人GR-1，GR-1是国内领先的自主研发、可商业化落地的人形机器人产品，展示了机器人直腿行走、敏捷避障等功能，国内人形机器人推进迅速。此外，华为、字节跳动也入局机器人业务；腾讯RoboticsX实验室发布了灵巧操作研究成果，并推出自研机器人灵巧手“TRX-Hand”和机械臂“TRX-Arm”。我们认为国内多家企业入局机器人相关环节，有望加速人形机器人落地。

2）人形机器人有望在工厂场景落地。2023年二季度业绩说明会上，特斯拉CEO埃隆•马斯克公布了备受关注的特斯拉人形机器人Optimus的最新进展。马斯克表示，特斯拉已经生产了10台人形机器人。预计在今年11月份进行行走测试，计划明年在特斯拉工厂进行实用性测试。

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