探索：人形機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告之伺服電機(jī)再探討
（報(bào)告出品方/作者：國(guó)盛證券，張一鳴、劉高暢、歐陽(yáng)蕤）
一、電機(jī)技術(shù)日趨成熟，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是行業(yè)主流
1.1 歷經(jīng) 200 年技術(shù)更迭與產(chǎn)業(yè)磨礪，電機(jī)逐步走向成熟
“電機(jī)”廣義上來(lái)說(shuō)包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和原動(dòng)機(jī)等所有可實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的裝臵，但通常情況下所謂電機(jī)指的是電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)也稱馬達(dá)，它的作用是將電能轉(zhuǎn) 化為機(jī)械能，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，作為用電器和機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力源。電機(jī)發(fā)展至今已有 200 多年的歷史，其發(fā)展歷程可分為以下四個(gè)重要階段。
第一階段：基本理論建立，直流電機(jī)產(chǎn)生（1821-1870）。1821 年法拉第制成了世界上 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)電機(jī)的模型，并在 1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1832 年皮克西利用磁鐵和 線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，制成了一臺(tái)原始型旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是現(xiàn)在直流發(fā)電機(jī)的 雛形。1834-1870 年期間，發(fā)電機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生了三項(xiàng)重大發(fā)明和改進(jìn)，即永磁體轉(zhuǎn)變到電 流線圈、西門子兄弟從蓄電池他勵(lì)發(fā)展到發(fā)電機(jī)自勵(lì)、格拉姆提出環(huán)形繞組，此后發(fā)電 機(jī)與電動(dòng)機(jī)的可逆原理被廣泛接受，兩者同步發(fā)展。
第二階段：直流電機(jī)趨于成熟，交流電機(jī)開(kāi)始受到關(guān)注（1870-1880）。1873 年，海夫 納阿爾泰涅克發(fā)明了鼓形繞組，提高了導(dǎo)線的利用率。1880 年愛(ài)迪生提出采用疊片鐵芯， 進(jìn)一步降低了鐵芯損耗與繞組溫升。鼓形電樞繞組和有槽疊片鐵芯結(jié)構(gòu)一直沿用至今。 隨著直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用，其固有缺點(diǎn)也很快暴露出來(lái)，主要問(wèn)題在于遠(yuǎn)距離輸電、電 機(jī)換向存在困難，因此 19 世紀(jì) 80 年代后，人們注意力逐漸向交流電機(jī)方向轉(zhuǎn)移。
第三階段：交流電機(jī)誕生并不斷向前發(fā)展（1885-1890）。1885 年加利萊奧費(fèi)拉里斯提 出了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并研制出廠二相異步電動(dòng)機(jī)模型，1886 年移居尼古拉〃特斯拉也獨(dú) 立地研制出二相異步電動(dòng)機(jī)。1889 年多利沃多勃〃羅沃利斯基制成一臺(tái)三相交流單鼠籠 異步電動(dòng)機(jī)，與單相和兩相系統(tǒng)相比，三相系統(tǒng)效率高、用銅少，電機(jī)性價(jià)比、容量體 積比和材料利用率均有明顯改進(jìn)。交流電機(jī)的研制和發(fā)展，特別是三相交流電機(jī)的研制 成功為遠(yuǎn)距離輸電創(chuàng)造了條件，把電工技術(shù)提高到一個(gè)新的階段。
第四階段：電機(jī)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)逐步完善（20 世紀(jì)至 21 世紀(jì)）。進(jìn)入 20 世紀(jì)， 工業(yè)的高速發(fā)展不斷對(duì)電機(jī)提出新的要求，而自動(dòng)化方面的特殊需要?jiǎng)t使控制電機(jī)和特 種電機(jī)迅速發(fā)展。同時(shí)，這一時(shí)期電機(jī)理論不斷豐富，材料和冷卻技術(shù)不斷改進(jìn)，交、 直流電機(jī)的單機(jī)容量、功率密度與材料利用率都有顯著提高。
第五階段：永磁電機(jī)是 21 世紀(jì)電機(jī)發(fā)展方向（21 世紀(jì)至今）。進(jìn)入 21 世紀(jì)，專用性、 輕量化、高性能是電機(jī)行業(yè)發(fā)展方向。在專門化的基礎(chǔ)上，專用電機(jī)的節(jié)電潛能很大。 而永磁電機(jī)控制性能好，節(jié)能且體積小，可通過(guò)頻率的變化調(diào)速，又容易做成低速直接 驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療器械、視聽(tīng)產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)車輛、航空航天產(chǎn)品等 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)輕量化需求下，屬于永磁伺服電機(jī)中的小功率的空心杯電機(jī)等 微型電機(jī)開(kāi)始得到各個(gè)行業(yè)的重視。
1.2 人形機(jī)器人新增電機(jī)需求，伺服電機(jī)在眾多分類中脫穎而出
電機(jī)種類繁多，按用途可分為動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)兩大類，動(dòng)力電機(jī)功率較大，側(cè)重于 電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，側(cè)重于電機(jī)控制 精度和響應(yīng)速度等指標(biāo)。 動(dòng)力電機(jī)：按運(yùn)動(dòng)方式，可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)按電壓性質(zhì)分為直流電 機(jī)與交流電機(jī)，其中直流電機(jī)按內(nèi)部有無(wú)碳刷可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩種；交流電 機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為同步電機(jī)和異步電機(jī)，按相數(shù)不同可分為三相交流電機(jī)和單相交流電機(jī)。 交流電機(jī)按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，還可分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子型，其中籠型三相異步電動(dòng)機(jī)為 應(yīng)用最廣的動(dòng)力電機(jī)。 控制電機(jī)：根據(jù)控制方法與用途的不同，可分為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、力矩 電機(jī)（也叫直驅(qū)電機(jī)）等，其中步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或者線位移的 電動(dòng)機(jī)，每一個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)的有一個(gè)角度，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率有關(guān)。整體看，控制電 機(jī)相較于動(dòng)力電機(jī)，增加了控制電路，但電機(jī)部分與動(dòng)力電機(jī)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，仍可按動(dòng) 力電機(jī)的分類方式進(jìn)行劃分。
伺服和步進(jìn)電機(jī)是控制電機(jī)下的主要產(chǎn)品，其中伺服電機(jī)優(yōu)勢(shì)更加明顯。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖 頻率成正比。伺服電機(jī)則是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝臵，其可以控制速度，位臵精度非 常準(zhǔn)確，伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí) 無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。在數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)下，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。兩者在控制方式上相似（脈沖和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著差異。步進(jìn)電機(jī)通常為開(kāi)環(huán)控 制，易出現(xiàn)失速或與控制器失去同步的情況。伺服電機(jī)為閉環(huán)控制，通過(guò)實(shí)時(shí)的閉環(huán)信號(hào)反饋來(lái)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更精密的控制。綜合來(lái)講，伺服電機(jī)在控制精度、低頻特性、過(guò)載 能力、速度響應(yīng)等許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，更適用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域， 但步進(jìn)電機(jī)具備性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，在一些要求不高的場(chǎng)合仍可使用。
人形機(jī)器人新增更多電機(jī)需求，伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)均具備適配性。特斯拉預(yù)計(jì)在 9 月 30 日的特斯拉第二個(gè)人工智能日（AI Day）發(fā)布人形機(jī)器人產(chǎn)品，人形機(jī)器人有望催生 更大的電機(jī)用量需求。從電機(jī)用量來(lái)看，單臺(tái)人型機(jī)器人電機(jī)用量超 40 個(gè)，而對(duì)于所 使用的電機(jī)產(chǎn)品而言，具備更高控制精度并廣泛使用于工業(yè)機(jī)器人、通用自動(dòng)化領(lǐng)域的 伺服電機(jī)將是未來(lái)人形機(jī)器人的主要配臵。此外，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言，其在人形機(jī)器人的眼睛部位具備較好適配性，目前現(xiàn)有學(xué)術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在機(jī)器人仿生眼中使用 步進(jìn)電機(jī)是較為理想和可靠的選擇，因?yàn)榉律墼谛枰哂腥祟愐粯拥囊曈X(jué)功能，并且 體積較小，要求驅(qū)動(dòng)攝像頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具備小體積并能提供各自的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng) （180°），而步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)位臵傳感器的位臵控制，并保證平穩(wěn)運(yùn)行，因此在人 形機(jī)器人眼部安裝步進(jìn)電機(jī)具備較好適配性。
二、人形機(jī)器人大時(shí)代來(lái)臨，伺服電機(jī)需求有望爆發(fā)
2.1 伺服電機(jī)種類眾多，高效+輕量化+微型化產(chǎn)品是未來(lái)發(fā)展方向
伺服電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈層次明晰，稀土磁材是必備原材料。伺服電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈涉及稀土磁材、電 子原器件、伺服系統(tǒng)制造、機(jī)器人等，上游來(lái)看，伺服電機(jī)行業(yè)的上游主要是稀土磁材 和電子零部件等其他材料，稀土磁材是伺服電機(jī)制造過(guò)程中必需的重要原材料。中游來(lái)看，除伺服電機(jī)制造以外，伺服系統(tǒng)還包括伺服驅(qū)動(dòng)器制造以及數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)等環(huán)節(jié)。 下游來(lái)看，伺服電機(jī)可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、機(jī)器人制造、汽車制造和工業(yè)裝備制造 等領(lǐng)域，具備廣闊的應(yīng)用前景。
國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模近 200 億元，匯川技術(shù)引領(lǐng)國(guó)產(chǎn)替代浪潮。近看來(lái)，我國(guó)伺服電 機(jī)市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，根據(jù)工控網(wǎng)數(shù)據(jù)，2021 年我國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)約 169 億元， 2017-2021 年 CAGR 約為 10%，受到下游工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械、電子制造設(shè)備等產(chǎn)業(yè) 擴(kuò)張的影響，伺服電機(jī)在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用規(guī)模也不斷增加。從競(jìng)爭(zhēng)格局上看，匯川技術(shù)已 占領(lǐng)國(guó)內(nèi)龍頭地位，根據(jù) MIR DATABANK 的數(shù)據(jù)顯示，2021 年上半年，國(guó)產(chǎn)品牌中， 匯川技術(shù)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額首次排名第一，市占率達(dá) 15.9%，除匯川外，排名靠前的電機(jī) 廠商依然以日本和中國(guó)臺(tái)灣為主，包括日本安川（11.9%）、臺(tái)灣臺(tái)達(dá)（8.9%）、日本松下（8.8%） 和日本三菱（8.3%），行業(yè) CR5 為 53.8%，集中度較高。但從國(guó)內(nèi)其他廠商競(jìng)爭(zhēng)力角度 看，在匯川引領(lǐng)下，眾多國(guó)內(nèi)電機(jī)企業(yè)開(kāi)始奮起直追，包括禾川科技、江蘇雷利、鳴志 電器在內(nèi)的眾多國(guó)內(nèi)品牌都推出自己成熟的伺服電機(jī)產(chǎn)品，并開(kāi)始在市場(chǎng)上嶄露頭角。
從分類上看，普通伺服電機(jī)、舵機(jī)和空心杯電機(jī)是主要類型。普通的伺服電機(jī)主要分為 直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，其中直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其按勵(lì)磁方 式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì) 3 類，此外，對(duì)于直流電機(jī)而言，其還可以按照有無(wú)電刷（碳 刷）分為有刷直流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)。
碳刷：碳刷是用于電機(jī)的換向器或滑環(huán)上，作為導(dǎo)出導(dǎo)入電流的滑動(dòng)接觸體。其導(dǎo) 電，導(dǎo)熱以及潤(rùn)滑性能良好，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和換向性火花的本能，幾乎所 有的有刷電機(jī)都使用碳刷，它是有刷電機(jī)的重要組成部件。根據(jù)有無(wú)碳刷，直流伺 服電機(jī)分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，需要維 護(hù)，但由于維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，為了提高直流電機(jī)的使用壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及降低直流電機(jī)的噪聲和電磁干擾，無(wú)刷直流電機(jī)有逐步取代有刷電 機(jī)的趨勢(shì)。對(duì)于交流伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般不用恒磁場(chǎng)，所以用不著換向器，也就無(wú) 須電刷，故其也是無(wú)刷電機(jī)一種，分為同步和異步電機(jī)。
空心杯電機(jī)是直流電機(jī)的特殊形式。伺服電機(jī)中還存在一種直流永磁的伺服控制電 機(jī)，即空心杯電機(jī)，其體積較小且效率較高，屬于微特電機(jī)的一種?？招谋妱?dòng)機(jī) 由機(jī)殼、線圈、后蓋、磁體和換向器組成，線圈看起來(lái)像一個(gè)水杯，故稱空心杯， 其在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型 轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時(shí)其重量 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。此外，根據(jù)有無(wú)電刷， 空心杯電機(jī)亦可分為有刷空心杯電機(jī)和無(wú)刷空心杯電機(jī)。
以空心杯電機(jī)為代表的新型電機(jī)具備高效、輕量化、微型化等特點(diǎn)，其亦是伺服電機(jī)的 未來(lái)發(fā)展方向。在全世界節(jié)能環(huán)保理念廣泛普及的背景下，高效率環(huán)保節(jié)能電機(jī)變成全 世界電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的共識(shí)，空心杯電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、伺服電缸等電機(jī)均具備更 高功率密度，符合綠色環(huán)保和低碳理念，未來(lái)在耗電量大、使用頻率高的家電、機(jī)器人 等領(lǐng)域還將逐步滲透。此外，工業(yè)機(jī)器人、家用電器等設(shè)備越來(lái)越趨于高效節(jié)能化、小 型化及智能化，電機(jī)作為執(zhí)行元器件的重要組成部分，對(duì)輕量化、微型化和響應(yīng)速度的 要求也越來(lái)越高。以無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)為例，近來(lái)年無(wú)刷直流電機(jī)已越來(lái)越多地替代有刷直 流電機(jī)，尤其在高速和長(zhǎng)使用壽命的應(yīng)用場(chǎng)景中，而無(wú)刷直流電機(jī)的鐵芯為了安放電子 繞組，一般采用開(kāi)槽設(shè)計(jì)，而鐵芯的齒槽在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、振動(dòng)和嗓音，影響電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和精度。因此無(wú)槽設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流 電機(jī)逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)，與傳統(tǒng)有槽無(wú)刷電機(jī)相比，其具備體積更小、成本低、功率密度 更高、過(guò)載能力更強(qiáng)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。整體看，我們認(rèn)為，以空心杯電機(jī)、伺服電缸、無(wú)槽 無(wú)刷電機(jī)等為代表的新型電機(jī)在技術(shù)路徑上正逐步向高效率、輕量化、低成本的方向持續(xù)突破，這種技術(shù)導(dǎo)向有望成為一種產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，各類產(chǎn)品也將在在機(jī)器人、家電、 汽車等領(lǐng)域進(jìn)一步加速滲透。
2.2 仿真人形結(jié)構(gòu)帶動(dòng)伺服電機(jī)用量迎來(lái)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)
特斯拉 Bot 即將推出，人形機(jī)器人帶來(lái)更大想象空間。特斯拉預(yù)計(jì)在 9 月 30 日的特斯 拉第二個(gè)人工智能日（AI Day）發(fā)布人形機(jī)器人產(chǎn)品。這款機(jī)器人運(yùn)用了特斯拉最先進(jìn) 的 AI 技術(shù)，基于特斯拉在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的技術(shù)積累進(jìn)行開(kāi)發(fā)，被稱為是 2022 年最重要 的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，甚至可能比汽車業(yè)務(wù)更重要。從已公布的參數(shù)看，特斯拉人形機(jī)器人 主要配臵包括：1）身高 5 尺 8 寸（約 1.73 米）；2）頭部帶有顯示屏，用以展示信息； 3）采用 Autopilot 的攝像頭作為視覺(jué)感知傳感器，共八個(gè)攝像頭；4）采用 FSD Computer 作為計(jì)算核心；5）脖子、胳膊、手、腿、軀干累計(jì)搭載了 40 個(gè)機(jī)電傳動(dòng)器；6）搭載 多相機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)化、自動(dòng)標(biāo)記、算法訓(xùn)練等；7）以輕量材料打造， 最高時(shí)速達(dá) 5 英里/小時(shí)。
單臺(tái)人形機(jī)器人電機(jī)用量超 40 個(gè)，較傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)用量大幅增長(zhǎng)。從傳統(tǒng)工 業(yè)機(jī)器人看，其可以分為多關(guān)節(jié)、SCARA、delta、協(xié)作機(jī)器人幾大類，我們按照其各自 的自由度（關(guān)節(jié)數(shù)量）進(jìn)行細(xì)分，多關(guān)節(jié)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人多以六軸為主，單臺(tái)六軸 機(jī)器人的六個(gè)自由度對(duì)應(yīng) 6 臺(tái)電機(jī)需求，SCARA 機(jī)器人擁有三個(gè)互相平行的旋轉(zhuǎn)軸和一 個(gè)線性軸，故 4 個(gè)自由度對(duì)應(yīng) 4 臺(tái)電機(jī)，delta 機(jī)器人為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由三條從動(dòng)臂組成， 對(duì)應(yīng) 3 臺(tái)電機(jī)，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器位臵配備第四臺(tái)電機(jī)，目前新一代的 Delta 機(jī)器 人一般是用直驅(qū)力矩電機(jī)取代伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)，但數(shù)量上看單臺(tái)機(jī)器人電機(jī)用量仍為 4 個(gè)。而特斯拉 Optimus 將搭載約 40 個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頸部、手臂、手指、軀干、腿部等 部位的控制，電機(jī)數(shù)量較傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械人和服務(wù)機(jī)器人有大幅提升。
工業(yè)機(jī)器人：伺服電機(jī)用量需求保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。根據(jù) MIR 數(shù)據(jù)，2021 年我國(guó)工業(yè) 機(jī)器人銷量為 25.7 萬(wàn)臺(tái)，其中多關(guān)節(jié)/SCARA/delta/協(xié)作機(jī)器人占比分別為 61.9%/29.1%/6.0%/3.0%。假設(shè)各類機(jī)器人銷量占比保持基本穩(wěn)定，預(yù)計(jì) 2025 年 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷量有望突破 45 萬(wàn)臺(tái)。同時(shí)，我們做出如下假設(shè)：1）假設(shè)多關(guān)節(jié) 機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人均為六軸機(jī)器人；2）delta 機(jī)器人均采用伺服電機(jī)而非新一代 的力矩電機(jī)；3）按照多關(guān)節(jié)/SCARA/delta/協(xié)作機(jī)器人的單臺(tái)伺服電機(jī)用量 6/4/4/6 臺(tái)進(jìn)行計(jì)算。在此假設(shè)下，預(yù)計(jì) 2025 年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人電機(jī)用量有望超過(guò) 240 萬(wàn) 臺(tái)，整體需求保持穩(wěn)定向上增長(zhǎng)。
人形機(jī)器人：伺服電機(jī)需求量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)鏈迎來(lái)黃金時(shí)代。人形機(jī)器人關(guān) 節(jié)預(yù)計(jì)在 40 個(gè)以上，我們按照 40 個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)量計(jì)算，對(duì)應(yīng) 40 臺(tái)電機(jī)用量，包括頸 部、手臂、手指、軀干、腿部等各個(gè)部位，我們?cè)谌诵螜C(jī)器人銷量達(dá)到 100 萬(wàn)臺(tái)的 中性假設(shè)下，預(yù)計(jì)對(duì)應(yīng)人形機(jī)器人電機(jī)用量達(dá)到 4000 萬(wàn)臺(tái)，較傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人電 機(jī)需求量大幅增長(zhǎng)。考慮到不同部位配臵的電機(jī)功率、大小存在差異，其價(jià)格也存 在差異，我們假設(shè)單臺(tái)電機(jī)均價(jià) 1200 元，則單臺(tái)人形機(jī)器人電機(jī)價(jià)值量有望達(dá)到 4.8 萬(wàn)元，按 100 萬(wàn)臺(tái)銷量計(jì)算，人形機(jī)器人有望帶來(lái) 480 億的增量市場(chǎng)空間。
2.3 人形機(jī)器人手指關(guān)節(jié)自由度提升，空心杯電機(jī)具備較強(qiáng)契合度
更加靈活的應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)下人形機(jī)器人手指應(yīng)具備更高的自由度。人形機(jī)器人的重點(diǎn)在 于替代人的部分工作場(chǎng)景，同時(shí)進(jìn)行更好的交互以輔助人進(jìn)行工作，因此其會(huì)面臨更加 多樣化、更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，故賦予其手指關(guān)節(jié)更高自由度使得其具備抓取、傳遞等基本功能是關(guān)鍵?？紤]到人形機(jī)器人的仿真性，其手指關(guān)節(jié)處需要配備體積小且能輸出 較大力的電機(jī)。我們認(rèn)為，具備節(jié)能、靈敏且體積較小的空心杯電機(jī)和將伺服電機(jī)與絲杠集成的模塊化產(chǎn)品電缸，天然適配于人形機(jī)器人手指關(guān)節(jié)。
空心杯電機(jī)：優(yōu)點(diǎn)明顯，與人形機(jī)器人完美適配?？招谋妱?dòng)機(jī)屬于微型直流永磁 伺服電動(dòng)機(jī)，它可以利用永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)直流供電。與傳統(tǒng)電機(jī)的不同 之處在于，空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一是可以降低電 機(jī)質(zhì)量，二是可以降低電機(jī)的機(jī)械損耗，便于延長(zhǎng)電機(jī)壽命，從根本上杜絕了因鐵 芯而產(chǎn)生的鐵耗，提升效率?？招谋姍C(jī)可以分為無(wú)刷空心杯電機(jī)和有刷空心杯電 機(jī)，作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝臵，優(yōu)點(diǎn)明顯：1）節(jié)能性：能量轉(zhuǎn)換效率高，其最大 效率一般在 70%以上；2）控制特性：起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀 態(tài)下，可以方便地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)；3）運(yùn)行穩(wěn)定且十分可靠，轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小， 能夠容易的控制在 2%以內(nèi)；4）重量輕，體積?。嚎招谋妱?dòng)機(jī)的能量密度大幅度 提高，與同等功率的鐵芯電動(dòng)機(jī)相比，其重量、體積減輕超過(guò)三分之一。由于空心杯電動(dòng)機(jī)克服了有鐵芯電動(dòng)機(jī)不可逾越的技術(shù)障礙，其在軍事、各類工業(yè)產(chǎn)品、高 科技、民用電器等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而對(duì)工業(yè)機(jī)器人、仿生義肢等，空心杯電機(jī)憑 借其快速響應(yīng)的隨動(dòng)系統(tǒng)能夠很好發(fā)揮作用。對(duì)于人形機(jī)器人而言，空心杯電機(jī)除 快速響應(yīng)外，體積小、重量輕、節(jié)能等各種特點(diǎn)都符合人形機(jī)器人需要，隨著人形 機(jī)器人大時(shí)代來(lái)臨，空心杯電機(jī)有望迎來(lái)需求爆發(fā)。
海外品牌占據(jù)高端市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。由于空心杯電機(jī)屬于微特電機(jī) 的一種，而微特電機(jī)屬于技術(shù)密集行業(yè)，其興起于瑞士，發(fā)展于日本，而后隨技術(shù)擴(kuò)散逐步向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移，因此我國(guó)的空心杯電機(jī)產(chǎn)品較國(guó)外還存在一定差距。 從微特電機(jī)的下游看，信息處理、家用電器和武器、航空等領(lǐng)域占據(jù)主要份額，而 目前在 IT 微特電機(jī)領(lǐng)域，日本企業(yè)相對(duì)領(lǐng)先，其中硬盤主軸電機(jī)是技術(shù)含量較高 的微電機(jī)，Nidec（電產(chǎn)）、inebea（美蓓亞）都是代表廠商，手機(jī)用線性震動(dòng)電機(jī) 僅 SEMCO（三星電機(jī)）等少數(shù)企業(yè)可以供貨。在汽車微特電機(jī)領(lǐng)域，同樣是日本 企業(yè)主導(dǎo)市場(chǎng)，Nidec（電產(chǎn)）、ASMO（阿斯莫）、Mitsuba （三葉）、Denso（電裝） 占據(jù)主要市場(chǎng)份額，空心杯電機(jī)作為電機(jī)的新的發(fā)展方向，國(guó)外廠商也紛紛加強(qiáng)產(chǎn) 品布局，如 Maxon（瑞士）、Faulhaber（德國(guó)）等著名微電機(jī)廠商都已經(jīng)大量申請(qǐng) 空心杯電機(jī)相關(guān)的專利技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)廠商在微特電機(jī)，尤其是空心杯電機(jī)領(lǐng)域 開(kāi)始奮起直追，不斷加速國(guó)產(chǎn)替代，從價(jià)格上看，國(guó)內(nèi)廠商微特電機(jī)產(chǎn)品價(jià)格在幾 百元不等，且性能上開(kāi)始逐步收斂國(guó)外同類型產(chǎn)品，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)凸顯。
人形機(jī)器人有望帶動(dòng)空心杯電機(jī)用量大幅增長(zhǎng)?？紤]到空心杯電機(jī)體積較小，更易 于裝配在機(jī)器人小關(guān)節(jié)處，保守假設(shè)下，我們假設(shè)空心杯電機(jī)僅用在人形機(jī)器人手 指關(guān)節(jié)處，且僅考慮三根手指裝配空心杯電機(jī)（一只手臂），則單臺(tái)機(jī)器人所需空心 杯電機(jī)數(shù)量為 6 臺(tái)，中性假設(shè)人形機(jī)器人銷量達(dá)到 100 萬(wàn)臺(tái)，對(duì)應(yīng)空心杯電機(jī)需求 量為 600 萬(wàn)臺(tái)。
2.4 伺服電缸符合人形機(jī)器人降能耗目標(biāo)，產(chǎn)品需求有望持續(xù)推升
動(dòng)力問(wèn)題是機(jī)器人的核心問(wèn)題，波士頓動(dòng)力采用液壓執(zhí)行器進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)。波士頓動(dòng)力 早期機(jī)器人主要是電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)于沒(méi)有載荷要求的機(jī)器人而言足夠， 但 BigDog 這類以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力且需搭載較大負(fù)荷的機(jī)器人產(chǎn)品系統(tǒng)能耗高，能量的多 次轉(zhuǎn)換、多環(huán)節(jié)傳遞造成了大能量損失，原有設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足。為了提高機(jī)器人運(yùn)行的效率、減小功率消耗以及提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)健性，波士頓動(dòng)力通過(guò)判斷關(guān)節(jié)承受的載荷類型 和大小，以選擇適當(dāng)?shù)囊簤夯螂妱?dòng)制動(dòng)器，使得機(jī)器人的功率消耗最低。但從其動(dòng)力來(lái)源看，最主要依靠的驅(qū)動(dòng)方式仍為液壓驅(qū)動(dòng)，在腿部上肢和下肢的連接處采取的多以液 壓執(zhí)行器為主，相比于純電動(dòng)執(zhí)行器，在降功耗、提效率上仍存在一定不足。
伺服電缸：有望替代液壓執(zhí)行器，完美符合人形機(jī)器人產(chǎn)品需求導(dǎo)向。伺服電缸是 將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn) 動(dòng)。伺服電缸通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改造將伺服電機(jī)自身優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變成精確速度控制，精確位 臵控制和精確推力控制，從而實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)。從優(yōu)點(diǎn)上看，伺服電缸能夠快 速與 PLC 等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)具備噪音低，節(jié)能，干凈， 高剛性，抗沖擊力，超長(zhǎng)壽命，操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，并且可以適應(yīng)在惡劣環(huán)境下 的工作，廣泛適用于造紙行業(yè)，化工行業(yè)，汽車行業(yè)，電子行業(yè)，機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)， 焊接行業(yè)等各領(lǐng)域。對(duì)于人形機(jī)器人而言，伺服電缸的節(jié)能、輕量化特點(diǎn)相比于液 壓驅(qū)動(dòng)具備較好的優(yōu)勢(shì)，符合特斯拉本身的電動(dòng)化導(dǎo)向，也符合人形機(jī)器人產(chǎn)品未 來(lái)的要求。
伺服電缸契合人形機(jī)器人未來(lái)多方位的應(yīng)用場(chǎng)景，需求量有望隨之提升。伺服電缸 高精密運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)符合人形機(jī)器人的要求，同時(shí)低噪、節(jié)能、高剛性以及能夠 適應(yīng)惡劣環(huán)境工作的特點(diǎn)符合當(dāng)前用戶端對(duì)人形機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的期望。從產(chǎn)品適 配上看，伺服電缸主要針對(duì)人形機(jī)器人膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的連接處，起到輔 助驅(qū)動(dòng)的作用，使用伺服電缸相比于采用液壓執(zhí)行器，在控制成本的同時(shí)，也能夠 降低機(jī)器人的重量，降低耗電量。我們按照保守情況做出預(yù)測(cè)，假設(shè)伺服電缸僅用 在人形機(jī)器人膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)三處使用，則單臺(tái)機(jī)器人所需伺服電缸數(shù)量 為 6 臺(tái)，中性假設(shè)人形機(jī)器人銷量達(dá)到 100 萬(wàn)臺(tái)，對(duì)應(yīng)空心杯電機(jī)需求量為 600 萬(wàn) 臺(tái)。
三、重點(diǎn)公司分析
3.1 江蘇雷利：中高端微特電機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)
公司是全球家用微特電機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)，通過(guò)外延并購(gòu)切入醫(yī)療器械、新能源汽車零部件、 工控等高景氣賽道，打開(kāi)新的成長(zhǎng)空間。通過(guò)橫向拓展應(yīng)用領(lǐng)域，公司 2021 年實(shí)現(xiàn)收 入 29.2 億元，同比增長(zhǎng) 20.5%，收入增速邊際改善。公司經(jīng)過(guò)多年經(jīng)營(yíng)，已成為全球 知名的微特電機(jī)供應(yīng)商。公司借鑒海外龍頭經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)并購(gòu)等方式切入醫(yī)療器械、新能 源、工控等高端應(yīng)用場(chǎng)景。2021 年公司“多應(yīng)用領(lǐng)域”戰(zhàn)略成效顯著，實(shí)現(xiàn)了工控市場(chǎng) 的重大突破，同時(shí)新能源、醫(yī)療器械領(lǐng)域也取得快速增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入 29.2 億元，同 比增長(zhǎng) 20.5%，收入增速邊際改善。
家用電機(jī)為基本盤，工控、醫(yī)療、新能源等高毛利產(chǎn)品快速放量。公司基本盤為家用電 機(jī)及組件，包括空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等電機(jī)和組件，2021 年家用電機(jī)及組件（空調(diào)+冰 箱+洗衣機(jī)）收入為 16.4 億元，占總收入比重 64.0%。工控產(chǎn)品主要為絲桿電機(jī)、無(wú)刷 電機(jī)及組件，主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的閥門電機(jī)等，2021 年實(shí)現(xiàn)收入 2.95 億元，同比增 長(zhǎng) 60%。汽車零部件主要為汽車水泵、汽車電機(jī)及沖壓件，醫(yī)療及運(yùn)動(dòng)健康電機(jī)及組件 主要為絲桿電機(jī)、跑步機(jī)電機(jī)及組件。從毛利率來(lái)看，工控、醫(yī)療等產(chǎn)品相較于傳統(tǒng)家 電產(chǎn)品毛利率更高，有利于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
3.2 鳴志電器：混合式步進(jìn)電機(jī)龍頭，加碼無(wú)刷電機(jī)打造解決方案供應(yīng)商
公司是全球領(lǐng)先的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造商，在步入電機(jī)、伺服系統(tǒng)、無(wú)刷電機(jī)、空心杯 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了深入布局。其中混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品在全球市場(chǎng)一直享有 較高的市場(chǎng)地位，占據(jù)全球 10%以上市場(chǎng)份額，打破了日本企業(yè)對(duì)混合式步進(jìn)電機(jī)的壟 斷。從股權(quán)結(jié)構(gòu)看，公司實(shí)控人為常建鳴先生，持有鳴志投資 90%股權(quán)，目前公司已形 成了以控制電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為核心，貿(mào)易代理及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展的業(yè)務(wù) 架構(gòu)，其中鳴志國(guó)貿(mào)和鳴志美洲控股等核心子公司加速了公司全球范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)布局。
業(yè)績(jī)穩(wěn)定增長(zhǎng)，2021 年增長(zhǎng)提速。公司深耕運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域二十余年，業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)穩(wěn)健， 2017-2020 年?duì)I業(yè)收入 CAGR 為 10.8%，歸母凈利潤(rùn) CAGR 為 6.6%。2021 年公司布局的工廠自動(dòng)化、醫(yī)療器械、生化分析、移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人等新興、高附加值領(lǐng)域業(yè)務(wù)成效 顯著，通用自動(dòng)化、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)類業(yè)務(wù)也取得快速成長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入 27.1 億元，同 比增長(zhǎng) 22.7%；實(shí)現(xiàn)凈母凈利潤(rùn) 2.8 億元，同比增長(zhǎng) 39.3%。2022年以來(lái)受疫情影響， 業(yè)績(jī)?cè)鏊儆兴禄?/p>
加碼無(wú)刷電機(jī)，公司著力打造電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，優(yōu)勢(shì)明顯。2020 年，公司通過(guò)變更募集資金投資約 0.62 億元設(shè)立“無(wú)刷電機(jī)的新增產(chǎn)能項(xiàng)目”，項(xiàng)目達(dá) 產(chǎn)后將形成新增年產(chǎn) 227 萬(wàn)臺(tái)高標(biāo)準(zhǔn)無(wú)刷電機(jī)的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)將為公司新增營(yíng)業(yè)收入 約 2.5 億元/年。2021 年公司無(wú)刷電機(jī)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收 1.1 億元，同比增長(zhǎng) 81.5%，主要 源于產(chǎn)能的穩(wěn)步提升以及得益于在移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人、高端醫(yī)療儀器等應(yīng)用領(lǐng)域的增長(zhǎng)。 此外，公司自 2015 年開(kāi)始組建精密直線傳動(dòng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，專注于打造電機(jī)與絲杠一體化 設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，目前公司精密直線傳動(dòng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)聚焦重點(diǎn)行業(yè)，努力擴(kuò)大存量市場(chǎng) 份額，通過(guò)持續(xù)完善平臺(tái)化產(chǎn)品在增量市場(chǎng)上獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，2021 年公司精密直線傳動(dòng) 系統(tǒng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入 7310 萬(wàn)元，較上年同期增長(zhǎng) 73.6%。整體看，公司“運(yùn)動(dòng)控制 器+電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+控制電機(jī)+精密直線傳動(dòng)系統(tǒng)”的組合形成了完整的運(yùn)動(dòng)控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)， 標(biāo)志著公司在自動(dòng)化領(lǐng)域真正向解決方案級(jí)供應(yīng)商的目標(biāo)邁進(jìn)。
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