你認識的南京伺服電機幾個廠家的國產崛起之路還有多遠？
1. 電機行業(yè)概覽：萬億級市場，細分領域眾多
1.1 電機技術：技術原理共通，延展性較強
電機一般指電動機，亦稱“馬達”，可將電能轉換為機械能，為用電器或各種機械提 供驅動力，在現代工業(yè)和生活中應用極為普遍。電機的基本原理為電磁感應定律——電能 在線圈上產生旋轉磁場，并推動轉子轉動。電機的基本構造包括：定子（鐵芯、繞組和基 座）、轉子（鐵芯、繞組），此外不同類別電機可能配有電刷、傳感器、驅動器、風扇等 配件。電機原理雖然簡單，但高端設計十分復雜，牽涉設計、工藝和設備等環(huán)節(jié)，涵蓋電 磁學、摩擦學、熱、流體、振動、聲學等自然科學和相關技術工程領域。
電機技術種類非常多。法拉第 1921 年制成世界第一臺電機，1831 年發(fā)現電磁感應定 律，經過 200 年技術更新迭代，電機品類已十分龐雜。
根據電源種類不同，分為直流電機和交流電機。直流電機響應快，啟動轉矩大， 調速性能好（轉子受力由電流和磁場強度決定），調速范圍寬，缺點是需要換向， 結 構更 復 雜 ，后 續(xù) 維 護不 便 利 ，且 限 制 了電 機 容 量和 速 度 ， 功率 范圍 0.01W-1000kW；交流電機不需要換向器，因此結構簡單、制造方便，牢固，使 用壽命長，功率覆蓋范圍大（幾 W-百萬 kW）。
根據有無電刷，分為有刷電機和無刷電機。交流電機不需要電刷換向，因此有刷 無刷僅涉及直流電機。無刷電機的換向和調速工作由霍爾傳感器、控制器、磁編 碼器等電子元件完成，替代了電刷，同時賦予電機更多的控制性能，數字變頻的 可控性更強。無刷電機解決了電刷運轉產生的電火花問題，且運轉時的摩擦減少， 噪音降低，壽命延長；缺點在于成本較高，技術難度較高，因此常用在控制要求 較高、轉速較高的設備上。
根據轉子定子是否同步，分為同步電機和異步電機，兩者均屬于交流電機。同步 電機較復雜，效率高，造價高，大多用于大型發(fā)電機場合和 2000KW 以上的電動 機上；異步電動機簡單，成本低，易于安裝，效率略低，應用更廣泛。
根據用途不同，分為非控制電機和控制電機。非控制電機用于電動工具、家電和 其他通用小型設備中，側重電機在啟動和運行過程中的力能指標；控制電機可以 對電機的轉速、位置和轉矩進行精準控制，更側重于高精度和快速響應，因此多 用于自動化設備中。常見的控制電機包括步進電機和伺服電機兩種。步進電機利 用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移，也稱脈沖電機；伺服電機利用輸入的電壓信號轉換成角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓改 變電機的轉速和轉向。伺服電機在精度、可靠性、噪音、過載能力、能量轉換效 率等方面性能優(yōu)于步進電機，但是成本較高，因此兩者呈互補關系。
電機核心指標為轉速、功率、扭矩等。電機參數指標是選擇電機的重要參考，包括：輸入功率，輸出功率，額定電流，堵轉電流，額定轉速，加速度，減速度，震動，噪音， 功率因素，效率，堵轉轉矩，額定轉矩，最大轉矩，轉動慣量，相間絕緣電阻，相對地絕 緣電阻等。其中，重要參數以及含義分別為：1）額定功率：電機設計時的理想功率也是最 大功率；2）額定電壓：該電機的建議工作電壓，電壓決定了轉速和一系列參數，超過電壓 可能會出現局部過熱問題，不可以長期運行；3）額定轉速：額定功率下電機的轉速；4） 額定轉矩：力矩=里×力臂，相當于電機的“力氣”，在機器人領域，轉矩一般用于使得機 器人移動或者使得機械臂完成各種動作；5）電機效率：電機輸出的機械能與消耗的電能的 之比；6）噪音：電動機在空載穩(wěn)態(tài)運行時的分貝數；7）物理參數：尺寸、重量、固定孔 的位置等；8）壽命；9）價格。
此外，控制電機還需考慮控制精度和響應時間等。1）響應時間：電機的轉速從零開始 增長的過程。為了滿足自動控制快速響應的要求，轉速變化時間應盡可能短，即電機轉速 變化應迅速跟上控制信號的要求。2）控制精度：電機運行的實際位置與控制器輸出位置之 間的偏誤程度。不同應用場景的側重點不同，因此關注的核心指標也有差別。例如汽車電 機更側重功率密度（單位體積對外輸出密度），機器人電機更側重控制精度，重型機械電 機更側重扭矩等。
1.2 行業(yè)特征：市場容量萬億級，誕生細分領域龍頭
電機的下游應用市場極為廣泛，空間千億美元。電機作為必不可少的關鍵基礎機電部 件，廣泛應用于家電、汽車、信息處理器、視聽設備、工業(yè)自動化等領域。以家庭場景為 例，根據祥明智能招股說明書援引高工咨詢的數據，發(fā)達國家微特電機的家庭平均擁有量 為 80-130 臺，而中國大城市家庭平均擁有量大約在 20-40 臺；汽車為最主要電機細分市 場，一輛商用車采用超過 40 個電動機，從低功率到高功率不等。根據 Grandview Research 的研究數據，2020 年全球電機市場規(guī)模為 1427 億美元，預計 2021-2028 年全球電機市 場規(guī)模復合增長率將達到 6.40%。從下游細分市場來看，汽車占比最高，占 40.5%，其次 為工業(yè)機械、HVAC 設備（供熱、通風與空氣調節(jié)）、空調、運輸、家電等。
電機需求分散化和長尾化，選型考慮因素眾多。電機的選擇取決于終端產品設計，電 機選型貫穿于工程師設計和生產產品的全過程中，與產品特征和工程師設計理念緊密相關， 因此其需求表現出極強的分散和長尾特征。
參考 Maxon 的產品說明書，電機選型考慮因素眾多：
首先，驅動需求必須明確：驅動負載需要多高的轉速和多大的轉矩？在不同的負 載狀況下，運行持續(xù)時間是多少？對加速性能有什么要求？負載慣量是多少？驅 動參數還需考慮同步帶、齒輪、絲杠等，全部折算到電機軸。
其次，電源供電的要求：對電機引線端施加的最大電壓是多少？對電流有什么樣 的限制？如果使用電池或太陽能電池供電，還需使用伺服放大器，放大器的最大 電流通常是一個重要的限制參數。
此外，其它重要信息也需考慮：被加速的物體 (類型、轉動慣量)、運行模式 (連 續(xù)、間歇、正反向運行)、環(huán)境條件 (溫度、濕度、介質)、電源、電池。
最后，還需考慮限制條件包括：驅動單元的最大長度是多少 (含齒輪箱和編碼器 的直徑)？電機的預期使用壽命是多少？使用哪種換向系統(tǒng)？稀有金屬換向系統(tǒng) 適合于低電流連續(xù)運行工況、石墨換向系統(tǒng)適合于高電流連續(xù)運行工況以及頻繁 出現電流峰值的場合 (啟動/停止操作、正反向運行)。如果希望獲得最高轉速和最長使用壽命，則應采用電子換向系統(tǒng)。電機軸上的負載力是多少？必須使用滾珠 軸承還是可以使用經濟的燒結合金軸承？
電機行業(yè)總量大、單品產量小、需求長尾化、定制屬性強，導致電機行業(yè)不存在“贏 家通吃”的情況，大多表現為深耕細分領域的中小型公司，競爭格局高度分散。電機行業(yè) 涌現出的優(yōu)秀公司主要有三類：1）聚焦于單品銷量較大的下游行業(yè)，例如汽車電機、空調 電機、洗衣機電機等，公司產品具有性價比優(yōu)勢，國內上市公司如大洋電機、江蘇雷利、 微光股份、方正電機、祥明智能等；2）電機平臺型公司，電機 SKU 多+快速定制化能力強， 產品具有價格優(yōu)勢、快速響應客戶需求，國內外上市公司如瑞士 Maxon、鳴志電器、兆威 機電等；3）電機產品與其他產品產生協(xié)同效應，作為核心競爭力為下游產品賦能，如安川 電機、匯川技術、金龍機電等。
2. 機器人行業(yè)的典型電機類型一覽
2.1 伺服電機：控制精度高，廣泛應用于工業(yè)自動化
伺服電機是工業(yè)自動化行業(yè)中應用最廣的電機。伺服來自英文 servo，指系統(tǒng)跟隨外部 指令進行人們所期望的運動，實現對位置、速度、加速度和力矩的精準控制。伺服電機具 有響應速度快、精度高、加減速度快、速度不受負載影響等優(yōu)點，且轉速范圍寬、高速性 能好、低速運行平穩(wěn)，同時抗過載能力強，能承受 3 倍于額定轉矩的負載，適用于對有瞬 間負載波動和要求快速起動的場合。
伺服系統(tǒng)一般由驅動器、電機、編碼器構成。①伺服驅動器（指令裝置）屬于驅動層， 又稱“伺服控制器”、“伺服放大器”，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機 進行控制，實現高精度的傳動系統(tǒng)定位；改變控制電壓可以變更伺服電機的轉速及轉向。②伺服電機屬于執(zhí)行層，伺服電機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號變 換成轉軸的角位移或角速度輸出。③編碼器（反饋裝置）通常內置在伺服電機末端，用來 測量電機的轉角、轉速和位置，對控制精度具有關鍵作用。驅動器根據反饋值與目標值進 行比較，調整轉子轉動的角度，達到伺服控制的目的。
伺服電機分為直流和交流伺服電動機。1）直流伺服電機分為有刷和無刷電機：①有刷 電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換 碳刷），產生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求（無塵、易爆環(huán)境不宜），通常用于對成本敏 感的普通工業(yè)和民用場合；②無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力 矩穩(wěn)定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以實現方波或正弦波換相， 電機免維護，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。2）交流伺服電動 機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。交流伺服電機優(yōu)點在于速度控制特性良好， 在整個速度區(qū)內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制， 高精確度位置控制，額定運行區(qū)域內可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維 護。缺點在于控制較復雜，驅動器參數需要現場調整 PID 參數確定，需要更多的連線。高 性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的 全數字位置伺服系統(tǒng)。
伺服電機作為工業(yè)自動化的核心零部件，市場規(guī)模隨產業(yè)自動化升級穩(wěn)步增長。1）替 代需求：在機床、紡織機械、印刷機械和包裝機械等領域，伺服電機相比步進電機具有精 度、扭矩、過載等性能方面的優(yōu)勢，滲透率不斷提升；2）新增需求：工業(yè)機器人、電子智 造裝備等行業(yè)對精度性能要求較高，其迅速增長為伺服電機市場貢獻較大增量。根據 Grand View Research 與 MIR 數據統(tǒng)計，2020 年全球伺服電機市場規(guī)模 367 億元，預計 2026 年有望達到 539 億元。我國伺服電機起步較晚，尚處于成長階段，2020 年我國伺服電機市 場規(guī)模約 149 億元，預計 2026 年有望達到 225 億元。
伺服電機的核心難度，即導致各國差距之處，主要在于電機的基礎性研究、高精度伺 服驅動器和編碼器。1）基礎性技術研究：包括高端電機的結構設計、產業(yè)化制造技術、生 產工藝的突破、性能指標的實用性檢驗，導致高端伺服電機的性能、質量和穩(wěn)定性的差異；2）材料，特別是適應高溫的材料；磁材和絕緣性材料等，國內的磁材總體性能差，伸縮長 度會發(fā)生變化；3）驅動系統(tǒng)：目前的伺服系統(tǒng)標準仍然依靠國外定義，包括共目線結構體 系，先進的控制算法，自適應振動抑制，自適應參數整定，齒槽轉矩補償，磁飽和控制，弱磁控制、安全控制等，需要時間和經驗的積累、大量的數據逐步實現各項功能；4）編碼 器：目前高精度編碼器嚴重依賴進口，小型化仍待突破，而編碼器對定位精度影響很大。
伺服電機行業(yè) 65%份額為外資品牌，高端市場基本被外資壟斷。根據 MIR 數據，我國 伺服電機競爭格局中外資品牌占 65%，國產品牌占 35%。根據前瞻產業(yè)研究院報告，目前 主流品牌可分為歐系、日系和國產品牌等類別，其中歐系日系占據中高端市場，國產主要 集中在中低端市場。①歐系品牌占比 20%：如西門子、倫茨、博世力士樂等，過載能力高、 動態(tài)響應好、驅動器開放性強，但價格昂貴、體積重量大；②日系品牌占比 45%：如安川、 三菱、松下等，品牌性能和價格相對低、體積小、重量輕、可靠性和穩(wěn)定性強，但動態(tài)響 應能力較弱、開放性較差低，總體上性價比更高，最適合中端需求；③國產伺服占比 35%：如臺灣臺達、匯川技術、華中數控等，產品基本成熟，精度和可靠性較差，中小功率居多， 中低端伺服系統(tǒng)已實現大規(guī)模量產，但高端伺服系統(tǒng)尚未形成商品化和批量生產能力。
2.2 步進電機：經濟性更高，適合低精度要求場景
步進電機也是一種控制電機。步進電機源于自英語單詞“Step”，意為“走一步”， 是一種形象的翻譯。步進電機能將電脈沖信號轉換為角位移/直線位移，并且位移量與脈沖 數成正比，轉速或線速度與脈沖頻率成正比。通過調整電脈沖信號或脈沖頻率就可以實現 對電機的運動控制。步進電機能根據控制脈沖的要求迅速啟動、反轉、制動和無極調速；工作時能不失步，精度高，停止時能鎖住。步進電機包括 VR、PM、HB 三種。1）VR 步進電機，即反應式（Variable Reluctance）， 由繞組、轉子由軟磁材料組成，結構簡單，成本低，但動態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱大，已 逐步被歐美國家淘汰。2）PM 步進電機，即永磁式（Permanent Magnet），由永磁材料 制成，動態(tài)性能好，體積相對較小，但精度較差，輸出力矩較小，是一種成本較為經濟的 選擇。3）HB 步進電機，即混合式（Hybrid），綜合了前兩者的優(yōu)點，可以實現精確的小 增量步距運動，轉子和定子上有多個小齒以提高步矩精度，輸出力矩大，動態(tài)性能好，步 距角小，但結構相對復雜，成本相對較高。
步進電機控制方式類似于伺服電機，包括驅動器和編碼器。驅動器在負載能力的范圍 內，通過改變脈沖頻率來調速；編碼器信號檢測轉子位置，進行控制信號的反饋和電流調 節(jié)。作為開環(huán)的控制系統(tǒng)，由于過載能力較低、調速范圍相對較小、低速運動有脈動、不 平衡等問題，一般應用于小型或簡易型機器人中。步進電機 VS 伺服系統(tǒng)，可靠性低，經濟性高。步進電機相比伺服電機，不足之處在于：精度略低；開環(huán)系統(tǒng)的低可靠性，低速存在共振區(qū)；運行噪音較高；無過載能力，易失步；能量轉化效率低，自身損耗及發(fā)熱較高；動態(tài)響應慢，加減速低；優(yōu)勢在于：調試較為簡 單，伺服驅動器涉及的參數多、使用手冊長，且不同品牌的驅動器區(qū)別可能很大；成本更 低；精度方面，在大多數場合，步進的分辨率已遠高于機械要求的精度，對于高要求場合， 通過細分驅動、添加閉環(huán)控制等方式，也可以達到很高的控制精度。因此，伺服電機更適 用于要求高效率、高速高響應、高可靠性的場合，步進電機用于要求不高、成本敏感的場 合，控制系統(tǒng)的設計須綜合考慮控制要求、成本等因素，選擇適當的控制電機。
2.3 空心杯電機：結構緊湊，能量轉換效率高
空心杯電機屬于直流、永磁、伺服電機?？招谋姍C與傳統(tǒng)電機的轉子結構不同，采 用無鐵芯轉子，線圈通過連接板，和換向器、主軸鏈接到一起，共同組成轉子。由于線圈 形狀像個杯子，因此稱為空心杯。無鐵芯結構消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，能量轉換效率提高，最高可達 90%+，同時降低電機重量和轉動慣性，可達到更高的控制 和拖動特性。空心杯電機分為有刷和無刷兩種。1）空心杯有刷電機：采用電刷換向，轉動過程中會 摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷，電機壽命有限，平均為幾千小時；容易產生電 火花和電磁波，干擾電子設備；優(yōu)勢在于，有刷電機不存在渦流損耗，特別是在高速運轉 下，相比無刷電機的損耗顯著更低；結構更簡單，成本更低；2）空心杯無刷電機：采用電 子換向，通過霍爾元件感知永磁體位置，電子線路切換線圈中電流的方向，進而改變磁力， 其優(yōu)勢在于消除了電刷的損耗和電火花對電子設備的干擾，壽命可達到數萬小時，但無刷 電機存在渦輪損耗，渦輪功率損耗隨速度的平方增加；另外添加了換向器和控制器等，增 加了系統(tǒng)的組件和成本。
空心杯電機具有節(jié)能、控制性能好、能量密度高等優(yōu)點，但功率較低。空心杯電機的 優(yōu)點在于：1）節(jié)能：能量轉換效率很高，其最大效率一般在 70%以上，部分產品可達到 90%以上（鐵芯電動機一般在 70%）；2）控制性能好：起動、制動迅速，響應極快，機 械時間常數小于 28 毫秒，部分產品可以達到 10 毫秒以內（鐵芯電動機一般在 100 毫秒以 上）；在推薦運行區(qū)域內的高速運轉狀態(tài)下，可以方便地對轉速進行靈敏的調節(jié)；3）拖動 性能好：運行穩(wěn)定性十分可靠，轉速波動能控制在 2%以內；4）能量密度高：與同等功率 的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕 1/3-1/2；5）散熱效果好：銅板線圈內外表面都有 空氣流動，溫升較小。但缺點在于功率上限低：由于沒有牢固的鐵芯支撐，線圈厚度較薄， 且線圈和輸出軸的連接強度有限，因此體積、功率等無法做到很大，一般空心杯電機最大 功率僅幾百瓦，屬于一種微特電機。空心杯電機在高精度、高速響應、緊湊高效場景得到廣泛應用。1）需要快速響應的系 統(tǒng)：軍用領域導彈方向的快速調節(jié)、高靈敏度的記錄和檢測設備、工業(yè)機器人、仿生義肢；2）對重量和能耗要求的飛行器，包括無人機、航模等；3）其他家電、工業(yè)產品，可以替 代傳統(tǒng)電機，提高產品性能。根據國際咨詢機構 QY Research 統(tǒng)計數據，預計 2022 年全 球空心杯直流電機市場規(guī)模為 7.5 億美元，2022-2028 年復合增速 8%，至 2028 年增加至 11.9 億美元；2021 年中國、歐洲市場份額分別為 35%、26%。
空心杯市場長期被外資壟斷，蘊藏大量國產替代機遇。空心杯電機的產品制造和量產 的難度高，繞線和自動化工藝復雜，對繞線工人的技能水平要求高，難以實現大規(guī)模量產。目前空心杯市場被德國 FAULHABER 與瑞士 Maxon 主導，隨著國內市場對空心杯電機認 知程度不斷提高，國產廠商的量產工藝水平不斷突破，未來有望實現國產替代?！?/p>
3. 解析不同機器人對電機的差異化需求
3.1 工業(yè)機器人：工業(yè)場景要求響應速度和控制精度
工業(yè)機器人（多關節(jié)機器人）通常有 6 個關節(jié)，對應 6 個電機。控制器、伺服電機和 減速器被稱為工業(yè)機器人的三大零部件：1）控制器是機器人的“大腦”，通過硬軟件結合 來控制機器人的運動位置、姿態(tài)和軌跡；2）伺服電機是機器人的“驅動力“，根據控制器 發(fā)出的命令輸出力矩，動態(tài)控制機器人的速度和位置；3）減速器用于降速增矩：伺服電機 一般輸出的轉速高、力矩小，不能滿足機器人本體的運動需求，需要通過減速器來降低轉 速、增加力矩。根據高工機器人數據，伺服電機在工業(yè)機器人總成本中占比 20%。
工業(yè)機器人對電機性能要求較高：高功率密度、高扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量 和較寬廣且平滑的調速范圍。1）高功率密度：工業(yè)機器人的體積和負載要求電機重量輕、 體積??；2）高扭矩慣量：代表更高加減速性能，更快響應速度；3）高啟動轉矩：啟動轉 矩越大，電動機加速越快，啟動過程越短，也越能帶重負載起動；4）低慣量：慣量越低， 精度和響應速度越好；5）寬廣平滑的調速范圍：隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連 續(xù)變化，調速范圍 1:1000～10000，功率范圍一般為 0.1～10kW。
3.2 四足機器人：側重高功率密度、高扭矩密度
四足機器人是學術界產業(yè)界積極研發(fā)的、具有發(fā)展前景的一類機器人。相比輪式和履 帶式機器人，具有良好的環(huán)境適應能力，在復雜的地理地形環(huán)境下，不平整地面上，保證 機器人運動的靈活性、穩(wěn)定性和人際協(xié)調性，因此可以協(xié)助人類完成危險性高、工作環(huán)境 惡劣的任務，如搶險救災、高位巡檢、安全偵查、地形勘測、太空探索等。高動態(tài)特性， 參考獵豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速調整步態(tài)和運動方式。四足機器人通常采用 12 個伺服電機，每條腿三個關節(jié)：外展關節(jié)、髖關節(jié)和膝關節(jié)。為了避免膝關節(jié)電機外置易造成損壞，將膝關節(jié)電機置于髖關節(jié)處上，采用連桿機構驅動 膝蓋關節(jié)自由度，這種設計可以減少腿部的傳動慣量，有利于機器人高速奔跑。此外，踝 關節(jié)擁有類似于髖關節(jié)的 2 個自由度，但由于踝關節(jié)主要作用是調節(jié)足端和地面的接觸， 基本不提供動力，因此一般設計為被動的彈性關節(jié)，如橡膠、海綿等。
四足機器人電機更側重高扭矩密度、高功率密度、轉動慣量小、響應速度塊。1）四足 機器人在行走、奔跑、跳躍時步態(tài)都不相同，電機一直處于正反轉交替狀態(tài)，轉矩輸出并 不是處于額定值，而是一個隨著運動狀態(tài)不斷變化的量，因此電機轉矩在較短時間內達到 峰值；2）電機不停運行在正轉和反轉的狀態(tài)下，需要有較高的響應速度，要求電機的轉動 慣量小、重量輕；3）四足機器人采用 12 個電機，每個電機安裝空間有限，直徑和長度要 短，扁平化結構；4）其他約束條件：電機的散熱和溫升、電機控制器的最高頻率限制、激 勵電流的有效值等。5）另外，為了使機器人的關節(jié)輸出足夠的扭矩，需要增加減速器，將 高速低扭矩的電機輸出轉化為低速大扭矩的關節(jié)輸出。
四足機器人電機的商業(yè)化程度較低。由于四足機器人商業(yè)化應用較少，因此還未形成 標準化產品。電機廠商主要由四足機器人公司自主設計，或者找伺服電機廠商定制化生產。四足機器人電機的進入壁壘不高，但是能做到高扭矩密度、響應速度快、輕量化小型設計 等綜合性能的難度很高，全球各高校和科研機構也在不斷尋求技術突破，從而突破四足機 器人的性能優(yōu)化，例如 MIT 自主研發(fā)的獵豹系列的電機，可以達到 33Ｎ·ｍ的扭矩而質量 僅 1kg。
3.3 人形機器人：要求高效率、高動態(tài)、高功率密度
人形機器人的自由度決定電機數量，機器人靈活性越高，電機越多。當前全球人形機 器人玩家較少，已實現推出原型機/產品的公司包括日本本田、美國波士頓動力、美國敏捷 機器人、中國優(yōu)必選、中國小米和美國特斯拉等。其中，本田 ASIMO 有 34 個自由度，均 為旋轉執(zhí)行器，采用伺服電機+諧波減速器方案，優(yōu)必選 Walker 有 40 個自由度，采用相 似架構；敏捷機器人 Digit Robot 有 20 個自由度，采取伺服電機+諧波減速器/擺線減速 器方案，小米 CyberOne 有 21 個自由度，采取相似架構；波士頓動力 Atlas 有 28 個自由 度，采用液壓驅動方案；特斯拉 Optimus 有 28 個自由度，采用 6 種執(zhí)行器，旋轉執(zhí)行器 為電機+諧波減速器，線性執(zhí)行器為電機+滾柱絲杠。
人形機器人電機有三個關鍵點：高效率、高動態(tài)和高功率密度。①高效率：低能耗和 低摩擦損失很重要，因為機器人通常由電池供電，能經受得起苛刻的運行條件，可進行十 分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。②高動態(tài)：整個驅動器（電機、 機構、接線、傳感器和控制器）的慣性應盡可能低，電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。③高功率密度：機器人應用需要高速、高扭矩電機，這些電 機還需要小巧，緊湊，輕巧。
3.4 機器人手部：側重輕量化、高效率、低成本
關于靈巧手的研究最早可追溯至 1960s，21 世紀以來研究進程加快，但目前仍處于實 驗室階段，少數實現商用。在應用端，靈巧手可以代替人手完成多種抓取和操作任務，具 有極大的應用價值，例如，家用領域可以完成家務、陪護、康養(yǎng)等任務，工業(yè)領域可以完 成裝配等精細化作業(yè)任務，特種領域可以在太空、深海、核電站等代替人手實現精準操作；在技術端，靈巧手在靈活性、適應性、可控性、敏銳感知、小型化等方面仍有挑戰(zhàn)。靈巧 手有多種驅動技術方案，柔性驅動包括氣動型、液壓驅動型、肌腱驅動型等；剛性驅動包 括齒輪連桿驅動型、連桿驅動型、關節(jié)電機驅動型等。目前最常見的靈巧手均為電機驅動， 具有能耗低、控制系統(tǒng)簡單、電路設計方便等優(yōu)點。
不同靈巧手方案的電機數量不等。2002 年日本岐阜大學合作開發(fā) Gifu-III 靈巧手，合 計 20 個關節(jié)和 16 個自由度，采用 Maxon 公司直流伺服電機；英國 Shadow 公司的靈巧 手已投入商業(yè)化應用，合計 24 個自由度，其中 20 個電機驅動，4 個欠驅動，每個手指都 集成了力、位置和觸覺傳感器，可以抓取柔軟或易碎的物體；韓國 IRIM 實驗室研制了線驅 動靈巧手 FLLEX Hand，合計 15 個自由度；清華大學機械系 PESA 手具有 20 個關節(jié)，15 個自由度，15 個電機驅動；特斯拉 Optimus 單手有 11 個自由度，采用 6 個執(zhí)行器，采 用空心杯電機+蝸輪蝸桿+金屬肌腱驅動的方案。靈巧手電機大多采用微特電機，結構緊湊，效率高。靈巧手需要滿足質量輕、結構緊 湊和抓取力強的要求，因此采用的電機應該具有尺寸小、質量輕、精度高、扭矩大的特點， 多采用微特電機+行星減速器的方式?？招谋姍C具有尺寸小、質量輕、精度高、控制性能 好、能量密度高等特點，能夠滿足手指高度緊湊的結構要求和驅動性能要求以 Maxon 的空心杯電機為例：德國航空航天中心（DRL）與哈爾濱工業(yè)大學（HIT）合作研發(fā)的 DLR-HIT Hand 采用 15 個帶霍爾傳感器的無刷主流電機，長度 10.4 mm、外徑為 21.2 mm，重量 15g，安裝諧波驅動齒輪，最大扭矩 8.04mNm，結構緊湊、功率密度高、價格低廉。
4. 國內相關公司梳理
4.1上海企業(yè)技術：工控自動化國內標桿，伺服電機領軍品牌
匯川技術是國內工業(yè)自動化控制龍頭。公司成立于 2003 年，2004 年生產出第一批機 器，2008 年推出 PLC、伺服產品，2009 年“匯川永磁同步電機驅動控制軟件”榮獲中國 國際軟件博覽會金獎， 2010 年上市，2010-2019 年歷經三次組織變革，取得遠超行業(yè)平 均的持續(xù)增長，2021 年年產 1100 萬臺伺服電機項目進一步擴大產能，2022 年收購大連 智鼎科技，完善大功率變頻電機布局。目前，公司產品覆蓋通用自動化、電梯電氣大配套、 新能源汽車、工業(yè)機器人、軌道交通五大類，其中通用自動化包括變頻器、伺服系統(tǒng)、控 制系統(tǒng)、工業(yè)視覺系統(tǒng)、傳感器、高性能電機等核心部件，產品線齊全。
業(yè)績穩(wěn)健增長，抗周期能力顯著。2021 年公司實現營業(yè)收入 179.43 億元，同比增長 56%；歸母凈利潤 35.73 億元，同比增長 70%，其中通用自動化、電梯、新能源分別占比 50%、28%、20%。2021 年公司毛利率、凈利率分別為 35.82%、20.51%。2022H1 公 司實現營業(yè)收入和歸母凈利潤 103.97 億元、19.75 億元，分別同比增長 25.65%、26.36%， 在疫情和宏觀環(huán)境不利影響下取得逆勢增長，行業(yè)龍頭地位進一步鞏固。
作為工控自動化龍頭，公司充分受益自動化大浪潮，產品條線持續(xù)擴張，業(yè)務多點開 花。1）變頻器和伺服系統(tǒng)的市占率在內資品牌中穩(wěn)居第一，市場競爭力強勁。公司掌握高 性能伺服控制技術、高性能伺服電機技術等核心技術，產品矩陣豐富，覆蓋單軸/多軸伺服 系統(tǒng)、通用/專用伺服系統(tǒng)、新一代伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、高精度伺服驅動系統(tǒng)等，廣 泛應用于 3C 制造、機械手、LED、鋰電、印刷包裝、紡織、機床、注塑機等業(yè)務領域。2） 工業(yè)機器人業(yè)務高速增長，產品品類擴張。公司的工業(yè)機器人產品包括 SCARA 機器人、 六軸機器人、視覺系統(tǒng)、高精密絲杠、控制系統(tǒng)等整機及零部件。根據睿工業(yè)，2021 年公 司 SCARA 機器人的國內市場份額為 14%，名列第三，內資第一。目前公司工業(yè)機器人業(yè) 務已經實現盈利，未來有望高速成長。3）戰(zhàn)略布局新能源車景氣賽道，電控產品放量在即。公司已進入理想、小鵬、威馬等造車新勢力及長城、廣汽等傳統(tǒng)車企供應鏈，2022H1 產 品迭代至第四代高壓電驅總成、異步電機總成，新能源車業(yè)務可期。
4.2 埃斯頓：國內工業(yè)機器人龍頭，全產業(yè)鏈發(fā)展快速崛起
埃斯頓是國內工業(yè)機器人龍頭企業(yè)，立足自主研發(fā)，技術創(chuàng)新驅動進步。公司成立于 1993 年，2002 年研發(fā)金屬成形機床數控系統(tǒng)，2006 年拓展金屬成形機床電液伺服系統(tǒng)等 核心部件業(yè)務，2008 年推出交流伺服系統(tǒng)，2012 年布局工業(yè)機器人產品線，2019 年收購 德國 CLOOS，取得焊接機器人全球前沿技術，2021 年全面進軍工業(yè)智能化和數字化制造 領域。公司形成工業(yè)自動化系列產品、工業(yè)機器人系列產品、工業(yè)數字化系列產品三大核 心業(yè)務；其中工業(yè)自動化系列產品線包括全系列交流伺服系統(tǒng)，變頻器，PLC，觸摸屏，視 覺產品和運動控制系統(tǒng)等。
市場份額持續(xù)擴張，盈利略有承壓。2021 年公司實現營業(yè)收入 30.20 億元，同比增長 20%；歸母凈利潤 1.22 億元，同比下降 5%；2022H1 公司實現營業(yè)收入和歸母凈利潤分 別為 16.55 億元、0.76 億元，同比增長 6%、21.3%。公司重視自主研發(fā)，2017-2021 年 研發(fā)支出由 1.06 億元上升至 2.82 億元，研發(fā)費用率長期維持 10%的較高水平。2020 年 6 月福布斯發(fā)布 2020 中國最具創(chuàng)新能力榜單，埃斯頓榮登“2020 年中國最具創(chuàng)新力企業(yè) 榜”，成為工業(yè)機器人企業(yè)唯一登榜者。
機器替人疊加國產替代，公司發(fā)展前景廣闊。1）機器人銷量快速增長，空間廣闊。2021 年公司工業(yè)機器人出貨量約 1.1 萬臺/套，國內市占率為 4.4%，在人力成本上升+勞動力短 缺+產業(yè)自動化升級+國產替代等多重驅動下，工業(yè)機器人有望持續(xù)滲透，公司作為龍頭將 首先受益。2）股權激勵彰顯信心。2022 年 8 月公司發(fā)布長期激勵計劃和員工持股計劃， 員工持股計劃考核目標是 2022/2023 年公司收入分別不低于 38 億元、52 億元，同比分別 +25.83%、36.84%，彰顯公司對于未來發(fā)展的信心。
4.3 鳴志電器：運動控制平臺企業(yè)，空心杯電機國內龍頭新銳
鳴志電器聚焦運動控制及智能電源領域關鍵部件制造，產品品類齊全。公司成立于 1994 年，1998 年鳴志電機工廠建成，HB 步進電機產品投產，2007 年與美國 AMP 公司 合資安浦鳴志，開展控制電機驅動系統(tǒng)業(yè)務，2008 年永磁式步進電機產品投產，2012 年 交流伺服電機產品、直流無刷電機產品投產，2014 年收購美國 AMP，2015 年收購美國 LIN ENGINEERING，與 PBC Linear 合資成立鳴志派博思，2018 年收購瑞士 Technosoft Motion AG，通過內生+外延雙輪驅動實現快速發(fā)展。目前產品已覆蓋混合步進電機、永 磁步進電機、線性電機、伺服電機、直流無刷電機、無刷無槽電機、電機驅動與集成、電 動滑臺、智能 LED 調光、LED 智能控制與驅動、大型設備管理與故障診斷等多個領域。
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業(yè)績持續(xù)高增，毛利率穩(wěn)定在較高水平。2021 年公司實現營業(yè)收入 27.14 億元，同比 增長 22.66%，2017-2022 復合增長率 13.6%；歸母凈利潤 2.80 億元，同比增長 39.27%；其中控制電機及其驅動系統(tǒng)產品收入 20.98 億元，占比 77%。2021 年毛利率、凈利率分 別為 37.66%、10.37%。2022H1 實現營業(yè)收入和歸母凈利潤分別 12.7 億元、0.7 億元， 分別同比-1.9%、-45,4%，主要因為公司及工廠位處上海，3 月以來受疫情影響較大，工 廠停工、物流受限、倉庫封閉、原材料供應不穩(wěn)定等情況對境內外業(yè)務造成多重不利影響， 6 月以來復工復產后公司經營情況已得到迅速恢復，預計下半年有望恢復高增態(tài)勢。
產品品類齊全形成平臺化運營，新興高附加值占比持續(xù)提升，產能有序釋放支撐公司 高增長。1）產品線不斷完善，高附加值應用領域快速成長。公司產品線涵蓋 25 個系列， 覆蓋運動控制、智能電源、工業(yè)互聯網等五大領域，形成平臺化運營模式。2014 -2018 年 陸續(xù)收購美國 AMP、美國 LIN ENGINEERING、瑞士 Technosoft Motion AG 等外資高 端品牌，公司不斷吸納核心研發(fā)技術與客戶群體，強化研發(fā)實力。2022H1，工業(yè)自動化、 生化醫(yī)療、服務機器人、半導體工廠等新興高附加值領域收入增長 20%、21%、50%和 85%， 上述領域收入同比增加 1.04 億元。2）深入布局空心杯電機，把握產業(yè)發(fā)展導向。在無刷 空心杯領域， 鳴志 EC 系列直流無刷無槽電機提供 ?13mm~?30mm 多種規(guī)格，空載轉 速達 15000rpm~50000rpm；在有刷空心杯領域，鳴志 DCU 系列直流有刷電機提供 ?8mm~?24mm 多種規(guī)格，空載轉速達 10000rpm~16000rpm，采用空心轉子設計方 案，具有高加速度、低轉動慣量、無齒槽效應、無鐵損小巧輕便等特點。公司具備 AMP、 T Motion 兩家公司在空心杯電機領域多年的核心技術優(yōu)勢，并廣泛吸收了其客戶資源，有 望在空心杯電機市場搶占先機。3）全球產能布局有序推進。公司上海工廠產能預計于 22Q4 遷移至太倉工廠，越南年產 400 萬臺 HB 步進電機項目預計 23Q1 開始試運行，公司生產 效率與產能規(guī)模將得到有效提升。
4.4 兆威機電：精密傳動行業(yè)翹楚，布局藍海前景廣闊
兆威機電專注于微型驅動領域，產品包括微型傳動系統(tǒng)、精密注塑件和精密模具三大 類。公司成立于 2001 年，制定了“精密微小超薄”的發(fā)展路線，2002-2004 年先后成為 三協(xié)、松下、三洋等企業(yè)供應商，2008 年成為德國博世 BOSCH 汽車的認證供應商，2014 年成功開發(fā) 3.4mm 直徑微型減速齒輪箱，2021 年完成 C 款標準品齒輪箱的全系列升級， 啟動正齒輪箱產品系列化的研發(fā)。目前，公司產品覆蓋汽車電子、通訊、醫(yī)療器械、智能 家居、AI 機器人等領域，重點聚焦 5G 商用、智慧醫(yī)療、人工智能、IOT 等領域的開拓， 為客戶的智能化驅動提供定制化服務。
疫情下消費市場承壓，導致短期業(yè)績擾動。2021 年公司實現營業(yè)收入 11.40 億元，同 比下降 5%；歸母凈利潤 1.48 億元，同比下降 40%，其中微型傳動系統(tǒng)、精密注塑件和精 密模具分別占比 65%、30%和 5%。2021 年毛利率、凈利率分別為 29.73%、12.94%。2022H1 公司實現收入和歸母凈利潤 4.69 億元、0.55 億元，分別同比-12.44%、-37.86%， 主要受到智能家居、服務機器人、通訊業(yè)務板塊的負面影響；汽車電子和醫(yī)療領域分別實 現 26.77%和 16.46%的正增長，為公司積極拓展的重點領域。
重視基礎性研究+加碼高景氣賽道，看好公司長期成長價值。1）重視微型驅動領域的 理論和技術研究，高研發(fā)鍛造產品競爭力。2021 年公司研發(fā)投入 1.3 億元，同比+77.98%， 研發(fā)費用率 11.65%，近五年研發(fā)投入持續(xù)提升；研發(fā)人員占比 23.14%，比重不斷增加。2021 年研發(fā)成果豐厚：平臺化領域，C 款標準品齒輪箱全系列升級；工業(yè)裝備領域，開發(fā) 線性升降機構等 6 款產品，實現齒輪箱與驅動控制的一體化集成設計；服務機器人領域全 面升級，積極提升批量化生產能力；通訊領域，開發(fā)大容量基站天線齒輪箱、RCU（遠程 控制單元）模組，該模組可實現信號的最強發(fā)射；基礎技術研究領域，完成高性能 PEEK 塑料齒輪的精密制造技術研究；粉末冶金部門在小模數粉末冶金齒輪高精度大批量制造技 術上，最優(yōu)精度和技術水平達到國際前列。2）重點發(fā)力汽車電子領域等高景氣領域，客戶 拓展順利。公司拓展比亞迪、長城、蔚小理等國內新能源汽車客戶，參與智能屏、電動尾 翼、隱藏式門把手、PLG 等項目研發(fā)。此外積極拓展醫(yī)療、智能家居、AI 機器人、AR/VR、 5G 商用等戰(zhàn)略新型產業(yè)，未來潛在增長空間大。
4.5 江蘇雷利：微電機領先方案商，縱橫拓展高景氣賽道
江蘇雷利深耕微電機行業(yè) 30 載，由家電延伸至多個細分領域。1993 年品牌初創(chuàng)，開 始生產步進電機，2006 年雷利電機科技成立，2017 年于科創(chuàng)板上市，2019 年收購鼎智機 電切入高端醫(yī)療器械領域，2021 年收購太倉凱斯汀，成立安徽凱斯汀、江蘇雷利艾德思， 布局汽車零部件業(yè)務。目前，公司已形成步進電機、同步電機、直流有刷電機、直流無刷 電機、水泵等多種電機產品為主導，配套相關精密結構、驅動控制設計和制造解決方案的 業(yè)務布局。
業(yè)績穩(wěn)步增長，新業(yè)務貢獻增速。2021 年公司實現營業(yè)收入 29.19 億元，同比增長 21%；歸母凈利潤 2.44 億元，同比下降 11%。2021 年公司毛利率、歸母凈利率分別為 25.57%、9.01%。按產品類別分，2021 年步進電機、泵、MA 電機及組件、直流電機、 PP-沖壓件、排水電機分別占比 41%、16%、16%、8%、6%、6%；按下游分，空調、洗 衣機、工控、醫(yī)療、冰箱、汽車分別占比 28%、20%、10%、9%、9%、8%。2022 年實 現營業(yè)收入 14.65 億元，同比增長 0.75%；歸母凈利潤 1.55 億元，同比下降 4.34%；其 中，汽車零部件、工控、小家電分別同比+65%、+27%、+23%，新興領域實現快速增長。
醫(yī)療+新能源車+儲能+工控四大賽道并進，擁抱藍海市場，國產化替代空間巨大。1） 醫(yī)療：子公司鼎智科技主要產品直流無刷電機、音圈電機、步進電機等已廣泛應用于體外 診斷 IVD 行業(yè)、核酸檢測儀、呼吸機、牙科影像儀等高端醫(yī)療設備，與邁瑞、萬孚、天隆、 凱格、優(yōu)利特、帝邁、IDEXX 等國內外知名企業(yè)合作；2）新能源車：公司相關產品包括汽 車電子水泵、沖壓件、鋁壓鑄、電子油泵、激光雷達電機等，21 年 10 月發(fā)布公告稱擬在 六安投資 5.5 億元建設“新能源汽車核心零部件生產基地項目”，將生產驅動電機、電動 斡旋壓縮機、精密鋁壓鑄和沖壓零部件等產品，25-26 年規(guī)劃產能為 7 億產值；3）儲能：公司的電子水泵用于儲能液冷系統(tǒng)及電化學儲能電池，直接或間接進入比亞迪、國軒高科、 英維克等頭部廠商供應鏈，未來還將延伸至儲能電機、沖壓件、控制器等配套產品；4）工 控：公司 2020 年參股洛源智能加大對伺服系統(tǒng)和電機領域的布局，現有產品絲桿電機、伺 服電機、無刷空心杯電機等產品可廣泛應用于機床、3C、印刷包裝、機器人等多個行業(yè)， 該領域尚處于起步階段，未來增長空間廣闊。
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