人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——無框力矩電機(jī)

根據(jù)特斯拉 AI Day 2022，其人形機(jī)器人 Optimus 采用 14 個(gè)直線執(zhí)行器及 14 個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，對應(yīng)合計(jì)需要 28 個(gè)無框力矩電機(jī)。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛興起，市場預(yù)估 2024 年有望實(shí)現(xiàn)初步量產(chǎn)，預(yù)測 2025 年全球人形機(jī)器人用無框力矩電機(jī)市場規(guī)模有望達(dá)到 60 億元，2030 年將有望達(dá)到 282 億元。

來源：特斯拉AI Day

一、無框力矩電機(jī)介紹

1.1、定義

無框力矩電機(jī)是力矩電機(jī)的一種變體，保留了傳統(tǒng)電機(jī)中用于產(chǎn)生扭矩和速度的部分，但沒有軸、軸承、外殼或端蓋。無框力矩電機(jī)一般只有兩個(gè)部件，即轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上。定子是外部部件，由齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組構(gòu)成，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。

圖|無框力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

來源：科爾摩根產(chǎn)品手冊

相較于有框電機(jī)，無框電機(jī)配置靈活，安裝方便，著眼于目前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度集成化趨勢，可以說無框電機(jī)更貼合工程師的目標(biāo)期望；工程師無需像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)那樣考慮電機(jī)接口，只需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中給予電機(jī)相當(dāng)小的空間位置預(yù)留即可，可以最大限度的縮小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力輸出單元的空間占用，以此來達(dá)到更高的系統(tǒng)集成。

1.2、特點(diǎn)

無框力矩電機(jī)具有以下符合人形機(jī)器人工作要求的特點(diǎn)：

高靈敏度：無框電機(jī)部件慣性較低，轉(zhuǎn)速較高，從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)所需時(shí)間短。適用于需要頻繁啟停、靈敏響應(yīng)的人形機(jī)器人領(lǐng)域。

高功率密度：無框電機(jī)消除了傳統(tǒng)電機(jī)的鐵芯，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，可實(shí)現(xiàn)更高的功率 密度。適用于需要高功率輸出的人形機(jī)器人關(guān)節(jié)部件。

高效率：無框電機(jī)采用了新型的電磁鐵和軸承結(jié)構(gòu)，具有低能耗和低摩擦的特點(diǎn)。適用于工作強(qiáng)度大，承載需求高的人形機(jī)器人應(yīng)用場景。

圖|不同控制電機(jī)對比

來源: 工博士，華創(chuàng)證券

1.3、行業(yè)應(yīng)用

根據(jù)覓途咨詢，國內(nèi)無框力矩電機(jī)目前主要應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域（工業(yè)機(jī)器人及服務(wù)機(jī)器人），共占據(jù)行業(yè) 80%左右的市場份額。它主要用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)和手臂，提供高扭矩和高精度的控制。典型應(yīng)用包括協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，其中每臺機(jī)器人通常需要 6-7 個(gè)無框力矩電機(jī)。無框力矩電機(jī)的中空設(shè)計(jì)使其在協(xié)作機(jī)器人中占用空間較小，從而提高了效率。

圖|無框力矩電機(jī)在協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用

來源：步科股份

無框力矩電機(jī)可用于醫(yī)學(xué)成像、外科手術(shù)機(jī)器人等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)成像中主要用于平滑、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)圖像的高分辨率，減少不必要的移動(dòng)。在外科手術(shù)機(jī)器人中主要針對于微創(chuàng)手術(shù)，可以在遠(yuǎn)小于人手可處理的區(qū)域中以高精度執(zhí)行操作。

無框力矩電機(jī)可以在成型、磨削、鉆孔等機(jī)床中提高精度和可重復(fù)性。無框力矩電機(jī)直接嵌入機(jī)械設(shè)計(jì)，安裝簡單能夠提高性能以及延長使用壽命，能夠消除機(jī)器連接設(shè)備，降低機(jī)器的整體尺寸，同時(shí)零背隙的設(shè)計(jì)提供了更好的系統(tǒng)性能。

1.4、市場規(guī)模

現(xiàn)階段力矩電機(jī)行業(yè)市場空間較小，增長速度相對平穩(wěn)。根據(jù) QYResearch 數(shù)據(jù)，2022 年全球無框力矩電機(jī)市場規(guī)模為 45 億元，隨著人形機(jī)器人逐漸放量并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，預(yù)計(jì)未來至 2030 年傳統(tǒng)領(lǐng)域市場空間約為 61 億元，人形機(jī)器人領(lǐng)域市場空間為 163 億元，總市場空間為 224 億元。人形機(jī)器人中無框力矩電機(jī)需求量級較為可觀，為生產(chǎn)制造廠商帶來發(fā)展新機(jī)遇。

圖|無框電機(jī)未來空間測算

來源：QYResearch，華創(chuàng)證券測算

據(jù)覓途咨詢，2022 年中國無框力矩電機(jī)市場規(guī)模超 5 億元，2020-2022 年行業(yè)平均增速超過 50%。預(yù)計(jì)未來隨著協(xié)作機(jī)器人以及智能化需求的快速增長，無框力矩電機(jī)市場 規(guī)模將保持較高速的發(fā)展

二、國內(nèi)主要無框力矩電機(jī)企業(yè)

海外龍頭公司包括 TQ Robodrive（德國）、Kollmorgen（美國）、Allied motion（美國）、Aerotech（美國）、Parker（美國）等。國內(nèi)廠商主要有步科股份、航天電器、昊志機(jī)電、微精電機(jī)等。 根據(jù)覓途咨詢數(shù)據(jù)顯示，2022 年國內(nèi)無框力矩電機(jī)市場中，國內(nèi)廠商步科股份的市場份額接近 50%。

2022 年中國無框力矩電機(jī)競爭格局

來源：M2 覓途咨詢，浙商證券研究所

2.1、步科股份

步科股份成立2008年，公司的自動(dòng)化設(shè)備控制核心部件主要包括工業(yè)人機(jī)界面、伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、變頻器等，且廣泛應(yīng)用于物流設(shè)備、機(jī)器人、包裝設(shè)備、食品設(shè)備、服裝設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)保設(shè)備，軌道交通設(shè)備等自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)。

步科股份 2022 年新推出的第三代無框力矩電機(jī)首創(chuàng)無框灌封工藝，提供型號完備的低壓力矩電機(jī)解決方案，專為需求體積小、質(zhì)量輕、慣量低、結(jié)構(gòu)緊湊、功率高的應(yīng)用場合而設(shè)計(jì)。

步科協(xié)作機(jī)器人無框電機(jī)解決方案具有穩(wěn)定高效、高功率密度、低齒槽力矩、高空間利用率的特點(diǎn)，助力協(xié)作機(jī)器人廠商制造出有競爭力的、適配性強(qiáng)的產(chǎn)品,同時(shí)幫助協(xié)作機(jī)器人廠商降低生產(chǎn)成本。

圖|FMC無框力矩電機(jī)

來源：步科股份官網(wǎng)

圖|步科股份產(chǎn)品型號

來源：步科股份官網(wǎng)

步科股份產(chǎn)品型號主要有無框力矩電機(jī)電壓VDC： 48V，

無框力矩電機(jī)外徑：52mm/57mm/60mm/76mm/77mm/85mm/91mm/104mm/132mm。

步科股份調(diào)研時(shí)表示，公司的無框力矩電機(jī)主要應(yīng)用在協(xié)作機(jī)器人和仿生機(jī)器人領(lǐng)域，主要的銷售貢獻(xiàn)來源于協(xié)作機(jī)器人，2023年銷售突破1萬臺，是公司銷售增長最快的單品之一。

2.2、雷賽智能

深圳市雷賽智能控制股份有限公司是智能裝備運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的全球知名品牌和行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。自1997年成立以來，聚焦于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制PLC等系列精品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)。

由于雷賽產(chǎn)品兼具穩(wěn)定可靠和性能優(yōu)越的雙重優(yōu)勢，在電子、半導(dǎo)體、物流、新能源、機(jī)器人、機(jī)床、醫(yī)療等行業(yè)獲得上萬家優(yōu)秀設(shè)備廠家的長期使用，且遠(yuǎn)銷美國、德國、印度等60多個(gè)國家。

圖|無框力矩電機(jī)產(chǎn)品構(gòu)成

來源：雷賽智能

圖|各框架電機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍概覽

來源：雷賽智能官網(wǎng)

圖|基本參數(shù)

來源：雷賽智能官網(wǎng)

產(chǎn)品針對協(xié)作和人形機(jī)器人等行業(yè)的應(yīng)用場景和用戶痛點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)、提供 25/38/50/60/70/85/115mm等七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架尺寸，還可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行電機(jī)尺寸和電氣參數(shù)的優(yōu)化定制。

圖表|八大產(chǎn)品特點(diǎn)

來源：雷賽智能官網(wǎng)、與非研究院整理

同時(shí)，轉(zhuǎn)矩密度比一般同行高出15%，功率密度比一般同行高出20%。最小電機(jī)重量為50g，25mm極小尺寸。

據(jù)公司2023年12月7日最新交流紀(jì)要，近一年來公司已經(jīng)成功研發(fā)微型伺服驅(qū)動(dòng)器、中空型多圈絕對值編碼器、無框伺服電機(jī)等核心部件，此外公司還正在開發(fā)空心杯電機(jī)、智能關(guān)節(jié)模組、微型多軸驅(qū)控一體機(jī)等系列產(chǎn)品。

公司最新發(fā)布的FM1無框電機(jī)和微型驅(qū)動(dòng)器主要針對人形機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分，正在進(jìn)入試產(chǎn)試銷階段。預(yù)計(jì)2023年12月份陸續(xù)為目標(biāo)客戶提供樣機(jī)進(jìn)行測試選型，24年1月份進(jìn)入小批量生產(chǎn)，3月份進(jìn)入大批量生產(chǎn)銷售。目前，已有行業(yè)多家人形機(jī)器人公司接洽并測試公司產(chǎn)品。

2.3、微精電機(jī)

成都微精電機(jī)股份公司始建于1958年，是國家“一五”期間156項(xiàng)重點(diǎn)工程之一，2005年完成企業(yè)改制，現(xiàn)位于成都市東三環(huán)路二段龍?zhí)缎陆?jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)功能區(qū)航天路12號。

主要從事微特電機(jī)及組件的研制、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售業(yè)務(wù)，主要產(chǎn)品有力矩電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服電機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、特種泵以及機(jī)電一體化裝備等，共19個(gè)大類、66個(gè)系列、2000多個(gè)品種。產(chǎn)品主要用于為航空、航天、船舶重工、兵器、核工業(yè)、電子系統(tǒng)等配套，作為系統(tǒng)的執(zhí)行或反饋元件，產(chǎn)品和技術(shù)達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

圖|永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)

來源：微精電機(jī)官網(wǎng)

公司生產(chǎn)的永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)有：1、 LY（國標(biāo)）及ZL（廠標(biāo)）鋁鎳鈷磁鋼系列，具有結(jié)構(gòu)合理、工藝性好、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)趨優(yōu)等特點(diǎn)；2、 LYX（LYR、ZLR）稀土磁鋼系列，其特點(diǎn)為過載能力特強(qiáng)、加速力矩特大、體積小，特別適用各種高可靠要求及惡劣環(huán)境使用。3、 LWX無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)系列，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、高可靠、長壽命等一系列特點(diǎn)，特別適合航天、航空等維護(hù)不便，環(huán)境惡劣的條件下工作。4、 LST正弦波驅(qū)動(dòng)永磁交流力矩電動(dòng)機(jī)系列，由于采用永磁體代替電勵(lì)磁，顯著的提高了功率因數(shù)；轉(zhuǎn)矩/慣量比高；結(jié)構(gòu)簡化，可靠性高。

上述系列電機(jī)結(jié)構(gòu)形式均以分裝式為主，由定子，電樞，刷架三大部件構(gòu)成，亦可根據(jù)用戶需要生產(chǎn)組裝式電機(jī)。該系列電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，噪音小，使用可靠，維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。分裝式力矩電機(jī)安裝說明 第一步，定子；第二步，電樞（轉(zhuǎn)子）；第三步，電刷架；折卸為相反順序。

三、總結(jié)

國內(nèi)企業(yè)中布局較早的步科股份、微精電機(jī)產(chǎn)品種類較為豐富。航天電器和昊志機(jī)電無太多相關(guān)產(chǎn)品展示，暫時(shí)不清楚產(chǎn)品尺寸等信息。新進(jìn)入者雷賽智能厚積薄發(fā)，產(chǎn)品尺寸更細(xì)小，針對人形和機(jī)器狗市場。未來幾家公司都將為國產(chǎn)無框力矩電機(jī)爭取更多市場空間。

無框力矩電機(jī)是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)中較主流的驅(qū)動(dòng)零部件。隨著技術(shù)的更新迭代，人形機(jī)器人市場逐步放量，成為無框力矩電機(jī)的新應(yīng)用場景。