空心杯电机本体“小巧”性能“精悍”，人形机器人产业链中的不可或缺。灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件，空间极小而驱动自由度极多，需要配备功率密度高，体积小且控制精度高的电机来充当动力源，通过驱动手指中采用拉线方案的传动机构，完成手部的执行动作。空心杯电机具有功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳等特点，与灵巧手的需求高度适配。
　　空心杯电机是电机领域“皇冠上的明珠”。空心杯电机区分于传统电机的核心差异是其采用了无铁芯转子结构，使其机体轻巧，电机性能全方位提升—功率密度高、能量转化效率高、响应快，运行平稳。空心杯电机下游应用广阔，包括工业自动化、医疗、航空航天等领域，据QY research在《Global Coreless DCMotors Market Research Report 2022》中的测算，除人形机器人灵巧手方面的应用，2022年全球空心杯电机市场规模为50亿元左右，未来人形机器人若顺利放量，空心杯电机市场有较大增长潜力。
　　线圈是空心杯电机核心，三大主流设计各有千秋。空心杯电机线圈常用到三种设计—直绕组、斜绕组、菱形绕组。菱形绕组设计最为省材，功耗也最小；绕制工艺方面，斜绕组更适合手动绕制而成，直绕组难度次之，菱形绕组手动绕制较难，一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成。
　　绕线工艺与设备构成核心壁垒，“绕卷式”虽易，“一次成型”更佳。绕卷式生产工艺其主要由送线、坯线圈绕制、板坯成型、卷制成型四大步骤组成，属于手工/半自动生产，虽然生产设备要求较低，但成品一致性差、生产效率低且无法绕制大功率电机线圈，因此不适合大批量生产。一次绕制成型工艺，主要分为加工准备、绕线、抽头三步，由绕线机的六大模块相互配合完成，绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，属于全自动化生产，生产效率更高、产品质量更高，是未来空心杯线圈绕制技术的发展方向。
　　海外巨头占据主导，国产化替代正当时。空心杯电机主要市场份额集中于海外三大龙头企业Maxon Motor、Faulhaber和Portescap。国内企业经过近几年的追赶，产品性能差距已经大大缩小，如我们比较鸣志电器和海外龙头Faulhaber的8mm产品，二者连续转矩、转速和响应速度均在同一水准，技术差距已十分接近。同时，国内企业仍在持续研发，提升产能水平，空心杯电机的国产化率有望持续提升。
　　相关标的：空心杯电机国产替代趋势明确，建议关注【鸣志电器】、【鼎智科技】、【伟创电气】、【拓邦股份】、【兆威机电】。
　　风险提示：人工智能监管风险、人形机器人发展不及预期、人形机器人灵巧手技术路线变化风险、技术更新迭代风险、国产替代进程不及预期。
　　

研究报告全文：行业研究证券研究报告电力设备及新能源2023年09月21日电力设备及新能源行业深度研究报告人形机器人系列之三妙用于灵巧手空心推荐维持杯电机迎广阔空间空心杯电机本体小巧性能精悍人形机器人产业链中的不可或缺灵华创证券研究所巧手是人形机器人执行动作的最终零件空间极小而驱动自由度极多需要配备功率密度高体积小且控制精度高的电机来充当动力源通过驱动手指中采证券分析师黄麟用拉线方案的传动机构完成手部的执行动作空心杯电机具有功率密度高能量转化效率高响应快运行平稳等特点与灵巧手的需求高度适配邮箱huanglin1hcyjscom执业编号S0360522080001空心杯电机是电机领域皇冠上的明珠空心杯电机区分于传统电机的核心差异是其采用了无铁芯转子结构使其机体轻巧电机性能全方位提升功率证券分析师何家金密度高能量转化效率高响应快运行平稳空心杯电机下游应用广阔包邮箱hejiajinhcyjscom括工业自动化医疗航空航天等领域据QYresearch在GlobalCorelessDC执业编号S0360523010001中的测算除人形机器人灵巧手方面的MotorsMarketResearchReport2022应用2022年全球空心杯电机市场规模为50亿元左右未来人形机器人若顺行业基本数据利放量空心杯电机市场有较大增长潜力占比线圈是空心杯电机核心三大主流设计各有千秋空心杯电机线圈常用到三种股票家数只296004设计直绕组斜绕组菱形绕组菱形绕组设计最为省材功耗也最小绕总市值亿元5086745565制工艺方面斜绕组更适合手动绕制而成直绕组难度次之菱形绕组手动绕流通市值亿元4195771605制较难一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成绕线工艺与设备构成核心壁垒绕卷式虽易一次成型更佳绕卷式生相对指数表现产工艺其主要由送线坯线圈绕制板坯成型卷制成型四大步骤组成属于1M6M12M手工半自动生产虽然生产设备要求较低但成品一致性差生产效率低且无绝对表现-84-159-235法绕制大功率电机线圈因此不适合大批量生产一次绕制成型工艺主要分相对表现-63-99-178为加工准备绕线抽头三步由绕线机的六大模块相互配合完成绕线机将2022-09-202023-09-20铜线按照既定的规则缠绕在主轴上一次成型属于全自动化生产生产效率7更高产品质量更高是未来空心杯线圈绕制技术的发展方向-3海外巨头占据主导国产化替代正当时空心杯电机主要市场份额集中于海外-13三大龙头企业MaxonMotorFaulhaber和Portescap国内企业经过近几年的220922122302230423072309追赶产品性能差距已经大大缩小如我们比较鸣志电器和海外龙头Faulhaber-24的8mm产品二者连续转矩转速和响应速度均在同一水准技术差距已十分接近同时国内企业仍在持续研发提升产能水平空心杯电机的国产化电力设备及新能源沪深300率有望持续提升相关研究报告相关标的空心杯电机国产替代趋势明确建议关注鸣志电器鼎智科技伟创电气拓邦股份兆威机电人形机器人技术奇点时刻新一次工业革命的开始风险提示人工智能监管风险人形机器人发展不及预期人形机器人灵巧手2023-07-17技术路线变化风险技术更新迭代风险国产替代进程不及预期人形机器人系列之二奇点时刻丝杠崛起2023-09-21证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号电力设备及新能源行业深度研究报告投资主题报告亮点相较于市场上的其他报告我们在参考了众多学术论文的基础上更加细致地拆分了空心杯电机的两大生产工艺流程并通过解说加工准备绕线抽头三步与绕线机的六大模块之间的紧密配合展现了一次绕线成型工艺绕线机的复杂与精巧同时受益于生产工艺的细致拆分我们更加清晰地分析了两大生产工艺的特点与技术壁垒我们从工艺细节的角度对比了两种工艺路线细致地论述绕卷式生产技术相对一次成型生产技术虽然生产设备要求较低但有操作步骤较多中间损耗多加工周期长等固有缺陷规模化生产能力较弱投资逻辑从需求端看空心杯电机本体小巧性能精悍下游应用场景广阔且有望随人形机器人放量迎广阔蓝海空心杯电机因其独特的无铁芯设计而具有功率密度高能量转化效率高响应快运行平稳等特点下游应用场景广阔包括工业自动化医疗航空航天等领域预计2022年全球空心杯电机市场规模为50亿元左右同时较高的功率密度与人形机器人灵巧手的需求高度适配有望随着人形机器人的放量迎来广阔蓝海从供给端看市场份额集中于海外巨头国内企业正加速追赶有望以高性价比优势推动空心杯电机国产替代空心杯电机行业的市场集中度较高50以上的市场份额集中于海外三大龙头企业MaxonMotorFaulhaber和Portescap国内企业经过近几年的追赶产品性能差距已经大大缩小将国内龙头鸣志电器和海外龙头Faulhaber的基座尺寸8mm的产品进行对比二者仅在最大连续转矩方面有微小差距转速和响应速度均在同一水准但在产品价格方面国内产品有明显优势在人形机器人迫切的降本需求下有望复刻特斯拉汽车零部件国产化降本的路线国内空心杯相关企业可快速切入推动人形机器人产业化落地证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号电力设备及新能源行业深度研究报告目录一空心杯电机本体小巧性能精悍是电机领域皇冠上的明珠6一空心杯电机人形机器人灵巧手的核心零部件6二结构与性能无铁芯转子结构打破常规电机性能全方位提升6三分类无刷空心杯电机是未来发展的方向11二行业分析人形机器人带来全新机遇降本需求助推国内企业打破原有格局12一下游应用优异的性能带来广阔的下游应用领域12二竞争格局海外头部企业主导国内企业正加速追赶14三国产替代人形机器人降本需求迫切国产替代迎来新机遇15三空心杯线圈设计与生产16一线圈设计三大主流设计各有千秋16二线圈绕制工艺绕卷式虽易一次成型更佳171绕卷式生产工艺172一次成型生产工艺19三技术壁垒绕线工艺与设备22四总结23四相关标的24一鸣志电器603728SH24二鼎智科技873593BJ24三伟创电气688698SH25四拓邦股份002139SZ26五兆威机电003021SZ27五风险提示27证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号3电力设备及新能源行业深度研究报告图表目录图表1特斯拉Optimus灵巧手实现浇花动作6图表2特斯拉Optimus灵巧手空心杯电机位置6图表3电机分类图7图表4空心杯电机实物图7图表5直流无刷空心杯电机结构图7图表6传统直流电机转子有铁芯结构8图表7空心杯电机转子无铁芯结构8图表8空心杯电机四大优势8图表9涡流损耗示意图9图表10磁滞损耗示意图9图表11空心杯电机与有铁芯电机能量转化效率对比图9图表12空心杯电机与有铁芯电机功率密度对比图单位mWcm310图表13无刷有齿槽电机结构图10图表14齿槽转矩产生原理10图表15直流有刷空心杯电机与直流无刷空心杯电机结构图11图表16无刷空心杯电机与有刷空心杯电机性能比较11图表17空心杯电机下游应用12图表18空心杯电机应用于呼吸机案例13图表19空心杯电机应用于牙科手机案例13图表20空心杯电机应用于电动夹爪案例13图表21空心杯电机应用于工业点胶机螺杆阀案例13图表22空心杯电机应用于无人机案例14图表23空心杯电机应用于飞机驾驶舱控制元件案例14图表242021年全球空心杯电机行业市场集中度15图表25国内外空心杯厂商产品性能对比15图表26不同厂商无刷空心杯电机价格对比16图表27空心杯线圈三种常用线圈设计16图表28三种不同设计的空心杯线圈在相同条件下的铜损比较16图表29空心杯线圈绕卷式生产工艺流程17图表30送线时使用的自动绕线张力控制装置18图表31坯线圈绕制18图表32板坯压制18图表33卷制成型19证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号4电力设备及新能源行业深度研究报告图表34一次成型工艺步骤与绕线机的机械结构19图表35加热模块示意图20图表36主运动模块结构示意图20图表37排线装置结构图与实物图20图表38摆线模块结构图21图表39摆线模块实物图21图表40抽头模块结构图21图表41抽头模块实物图21图表42剪断模块结构图22图表43空心杯线圈绕线机中六大模块相对位置22图表44手工绕制空心杯线圈实拍图23图表45海内外空心杯线圈绕线机产品23图表462018-2022年鸣志电器收入结构24图表47鸣志电器空心杯电机产品24图表482018-2022年鼎智科技收入结构25图表49鼎智科技空心杯电机产品25图表502018-2022年伟创电气收入结构26图表51伟创电气机器人相关产品26图表522018-2022年拓邦股份收入结构26图表53拓邦股份可应用于人形机器人的空心杯电机26图表542018-2022年兆威机电收入结构27图表55兆威机电6mm空心杯减速电机27证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号5电力设备及新能源行业深度研究报告一空心杯电机本体小巧性能精悍是电机领域皇冠上的明珠一空心杯电机人形机器人灵巧手的核心零部件灵巧手是人形机器人执行动作的最终零件十分重要且复杂对电机性能要求较高灵巧手作为机器人实现操作的终端工具十分重要其设计高度仿人手结构比较复杂面临的最大难题是空间极小而驱动自由度极多需要配备功率密度高体积小且控制精度高的电机空心杯电机与灵巧手关节适配性高特斯拉Optimus选用其作为动力源空心杯电机具有功率密度高能量转化效率高响应快运行平稳等特点与灵巧手的需求高度适配特斯拉机器人灵巧手使用较为经典的六电机驱动方式和人手一样同样使用5个手指拥有11个自由度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的目的与腿部直线伺服如出一辙采用机构自锁降低能耗为追求形态美观及自适应性手指采用拉线的传动机构拥有负重20磅9KG和自适应抓取能够抓取不同形状尺寸的物体的能力可完成搬运浇花等动作图表1特斯拉Optimus灵巧手实现浇花动作图表2特斯拉Optimus灵巧手空心杯电机位置资料来源任赜宇Tesla人形机器人Optimus各伺服关节技术拆资料来源特斯拉AIDay2022解二结构与性能无铁芯转子结构打破常规电机性能全方位提升电机种类繁多空心杯电机凭借性能优势而备受关注电机自从被发明出以来逐渐进入我们生活的方方面面是日常生活中应用最广泛的用电设备之一电机按工作电源种类可分为采用直流电源的直流电机和采用交流电源的交流电机按用途分类可分为驱动电机和控制电机其中控制电机又可以分为开环控制的步进电机和可以实现精确闭环控制的伺服电机空心杯电机是一种采用永磁铁提供磁场直流电源供电的微型伺服电机随着工业技术的不断进步机电设备对于能更好适应各种需求对伺服电机的技术要求越来越高而空心杯电机也因其节能效果好伺服特性好等性能优势而备受关注证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号6电力设备及新能源行业深度研究报告图表3电机分类图资料来源嵌入式艺术芯旺微电子华创证券整理空心杯电机本体小巧性能精悍是电机领域皇冠上的明珠从结构上看以有刷空心杯电机为例其主要由空心杯绕组永磁体电刷换向器等部件组成采用了无铁芯转子结构各部件组合紧密通常尺寸比较小直径不超过40mm从性能上看无铁芯转子结构使电机的性能得到了极大的改善使其具有卓越的节能高效高灵敏度运行稳定等特点图表4空心杯电机实物图图表5直流无刷空心杯电机结构图资料来源华创证券资料来源鸣志电器官网空心杯电机VS传统直流电机无铁芯转子结构打破常规电机性能全方位提升空心杯电机采用无铁芯空心杯绕组是与传统直流电机区分的核心差异绕组是电机的主要部件绕组中的感应电动势以及通过绕组的电流产生的电磁转矩实现了机电能量的转化以及电磁功率的传递传统直流电机的转子是由铁芯及绕组构成而空心杯电机的绕组是由缠绕成杯子状的导线构成结构的差异使二者性能大有不同证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号7电力设备及新能源行业深度研究报告图表6传统直流电机转子有铁芯结构图表7空心杯电机转子无铁芯结构资料来源陈安空心杯电机定制化管理的应用研究宁波龙资料来源黄海涛基于MCD的空心杯线圈成型装置设计研辰电器有限公司华创证券整理究陈安空心杯电机定制化管理的应用研究华创证券整理独特的空心杯形线圈结构使电机性能得到极大改善这种新式结构由于没有冲片齿槽结构和铁芯减少了电机运行时的磁阻力矩从而降低输出转矩波动空心杯电机从根本上消除了铁芯涡流效应带来的损耗进而减少了电机运行时的能量损耗同时减轻了电机的重量性能得到了极大的改善空心杯电机相对传统直流电机具有功率密度高能量转化效率高响应快运行平稳等特点图表8空心杯电机四大优势资料来源陈安空心杯电机定制化管理的应用研究王鹏飞空心杯线圈绕线机机构设计及控制华创证券1无铁损与轻质量使空心杯电机能量转化效率较高节能效果良好无铁损铁损指的是永磁直流电机中的铁芯因磁体受变动磁场影响微电机铁芯中损耗的部分能量损耗能量会以热能的方式散失或以噪音的方式散失主要包括内部磁场变化感应出循环电流所导致的涡流损耗磁畴膨胀收缩导致的磁滞损耗和异常损耗涡流损耗和磁滞损耗之外的损耗三种类型空心杯电机采用无铁芯结构几乎完全消除了涡流效应和磁滞效应带来的能量损耗同证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号8电力设备及新能源行业深度研究报告时由于因此空心杯电机相比传统直流电机拥有更高的能量转化效率轻质量空心杯电机的转动惯量和重量都明显低于普通电机因此在电机运行过程中转子自身的机械能损耗也会有所降低图表9涡流损耗示意图图表10磁滞损耗示意图资料来源果欧电子科技公司官网资料来源罗罗日记公众号由新和电机统计空心杯电能量转化机效率一般在70以上部分产品可达到90以上而普通铁芯电机能量转化效率只能达到15-50图表11空心杯电机与有铁芯电机能量转化效率对比图资料来源新和电机华创证券2高效率与轻质量使空心杯电机具有较高的功率密度轻质量功率密度是输出功率与重量或体积的比率从内部结构来看空心杯电机省去了铁芯使得自身重量与体积变小与同等功率的一般铁芯电机相比空心杯电机重量减轻13-12体积减小13-12高能量转化效率与传统的感应线圈相比铜板线圈的重量更轻由于绕制线圈时既不需要卷线也不用添加有槽硅钢片因此空心杯电机在运行过程中不会产生这方面的涡流损耗和磁滞损耗虽然铜板线圈也会带来一定的涡流但是这种损耗很小且易控制确保了较高的输出功率和输出转矩总体看来空心杯电机的输出功率和输出转矩比同规格普通电机高加上重量或体积小故功率密度高一般达30mWcm3证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号9电力设备及新能源行业深度研究报告图表12空心杯电机与有铁芯电机功率密度对比图单位mWcm3资料来源张忠强永磁无刷空心杯电机及其控制器研究华创证券3更小的转子惯量使空心杯电机具有更快的响应速度机械时间常数指的是电机空载加阶跃额定电压时当转速达到空载转速的632时所需的时间是反应其动态性能好坏的主要技术指标之一与相同尺寸的普通有刷直流电机相比空心杯电机的转子惯量更小因而拥有更高的响应速度其机械时间常数通常在28ms以内部分产品机械时间常数甚至小于10ms而有铁芯电机的机械时间常数一般在100ms以上4无齿槽效应使空心杯电机运行更加平稳齿槽效应齿槽效应是由于电磁场的分布不均匀导致磁力线的密度在不同位置上发生变化当磁力线密度发生变化时会产生短时间内的电流脉冲虽然不会减少或增加电动机的平均转矩但是会引起噪音电机振动速度波动等对电机定位的伺服性能和精度造成了比较大的影响特别是在低速时产生的影响更大空心杯电机去除了铁芯采用无齿槽结构减少了电机运行时的磁阻力矩从而降低了输出转矩波动使电机运行更加平稳图表13无刷有齿槽电机结构图图表14齿槽转矩产生原理资料来源控制工程网资料来源贺建忠永磁同步电机齿槽转矩分析及削弱措施证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号10电力设备及新能源行业深度研究报告三分类无刷空心杯电机是未来发展的方向空心杯电机按照其换向方式可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种有刷空心杯电机采用机械电刷换向一般由机壳软磁材料内定子永磁体外定子空心杯型转子电枢组成另外一种是无刷空心杯电机采用电子换向的方式由机壳软磁材料绝缘材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等组成当空心杯有刷电机通电时绕组有电流通过产生转矩转子开始旋转若转子转到特定角度电刷利用机械换向器的方式改变电流方向使输出转矩方向不变转子继续旋转由于空心杯有刷电机采用电刷换向电机运行过程中存在着一定的相对摩擦这就会产生噪声电火花降低了电机使用寿命无刷空心杯电机通过控制电子元件的通断使不同绕组接入电路达到换向的效果这种电子换向方式使空心杯无刷电机具有效率高转矩波动小使用寿命高结构精巧维护方便易保养等特点图表15直流有刷空心杯电机与直流无刷空心杯电机结构图资料来源天孚电机官网无刷空心杯电机性能更好寿命更长是未来的发展方向寿命方面无刷空心杯电机寿命受限于轴承有刷空心杯电机寿命受限于电刷电刷寿命比轴承短得多空心杯电机通常随电刷的报废而报废有刷空心杯电机换向时会有电火花电火花会有电磁干扰无刷空心杯电机通过霍尔元件换向几乎没有电磁干扰的影响此外无刷空心杯电机还有转速快效率高等优点虽然有刷空心杯电机价格更低控制方式更加简单但随着人形机器人灵巧手对于空心杯电机性能和寿命的更高追求预计无刷空心杯电机会有更大的发展空间图表16无刷空心杯电机与有刷空心杯电机性能比较无刷空心杯电机有刷空心杯电机寿命长寿命10000h电机寿命受限1000-3000h转速高转速电机转速受限控制需要驱动控制控制简单效率较高一般电磁干扰电磁干扰可忽略电火花会带来电磁干扰资料来源鸣志电器官网华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号11电力设备及新能源行业深度研究报告二行业分析人形机器人带来全新机遇降本需求助推国内企业打破原有格局一下游应用优异的性能带来广阔的下游应用领域空心杯电机性能优势突出使其具备广阔的下游应用领域空心杯电动机避开了有铁芯电动机多种技术弊端而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面使其具备了广阔的应用领域尤其是随着工业技术的飞速发展对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位根据QYresearch在GlobalCorelessDCMotorsMarketResearchReport2022中的测算除人形机器人灵巧手方面的应用预计2022年全球空心杯电机市场规模约为50亿元空心杯电动机的应用从军事高科技领域进入大工业和民用领域后十多年来得到迅速的发展尤其是在工业发达国家已经涉及到大部分行业和许多产品需要快速响应的随动系统如导弹的飞行方向快速调节高倍率光驱的随动控制快速自动调焦高灵敏的记录和检测设备工业机器人仿生义肢等空心杯电动机能很好地满足其技术要求对驱动元件要求平稳持久拖动的产品如各类便携式的仪器仪表个人随身装备野外作业的仪器设备电动车玩具车电动牙刷等同样一组电源供电时间可以延长一倍以上各种飞行器包括航空航天航模等利用空心杯电动机重量轻体积小能耗低的优点可以很大程度地减轻飞行器的重量各种各样的民用电器工业产品采用空心杯电动机作为执行元件图表17空心杯电机下游应用资料来源鸣志电器官网医疗设备在转运患者时需要用到功能强大高效的便携式呼吸机无刷空心杯直流电机在保证提供更高压力和流量的条件下减小了电机-鼓风机组件的尺寸能够作出更快的响应且更为安静可靠高效能够在夜间转院途中急救车或洲际飞行期间通过电池供电高效地驱动呼吸机鼓风机牙科医生需要使用重量轻功率大且高效的手持式牙科手机成功完成牙科手术无刷空心杯直流电机是牙科治疗的理想选择空心杯电机具有紧凑的设计可在较小的封装中证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号12电力设备及新能源行业深度研究报告提供最大化的扭矩和功率在治疗过程中实现精确而集中的工作同时可消除对牙医和患者造成的任何不愉快的噪音图表18空心杯电机应用于呼吸机案例图表19空心杯电机应用于牙科手机案例资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研资料来源鸣志电器官网究工业自动化电动夹爪是自动化工业中一种重要的装置在自动化高速发展的今天电动夹爪能帮助人们完成复杂系数较高的事情需要电机具有可靠性高精准度高反应速度快等优点空心杯电机很好地适配电动夹爪的需求兆威机电基于驱动齿轮箱设计仿真分析噪音分析等多项技术手段提出了电动夹爪驱动系统的解决方案通过优化驱动控制方式增大抓持力的输出功率有效的解决了电动夹爪使用时的复杂程度噪音大等问题使其得到广泛应用精密点胶机作为一种专门用于汽车电子智能家居工业自动化医疗器械等行业的高精度设备其作用是为产品进行极致的精细化点胶目前市面上某些点胶机进行精细化点胶的过程中由于驱动系统的精度及力矩欠佳在长时间使用过程中点胶机容易出现吐胶量不稳定的情况造成点胶错误通过使用无刷高性能电机配合精密齿轮箱以电机带动螺杆在定子型腔内旋转实现定量输送功能可形成稳定吐胶效果进而提高点胶机性能具有结构简单操作方便使用寿命长等特点图表20空心杯电机应用于电动夹爪案例图表21空心杯电机应用于工业点胶机螺杆阀案例资料来源兆威机电官网资料来源兆威机电官网航空航天无人机也称为UAV无人驾驶飞行器其用途广泛可用于国防和监控农业和物流等各种应用无人机需具备极度灵活的导航功能并且必须极其耐用因为它们经常需要在恶劣的环境中作业这些UAV应用需要有效的推进力来提高可操作性证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号13电力设备及新能源行业深度研究报告即延长电池使用时间降低噪音和热特性以确保不被发现并精确控制相机云台和其他辅助应用无刷空心杯电机可满足无人机对响应性可靠性和运动精度的要求在紧凑轻量化的外壳中提供最佳的扭矩和效率并且完全能够在恶劣的环境条件下运行驾驶舱飞行控制元件也称为舱内控制元件能够帮助飞行员控制飞机飞行的方向这些装置将飞行员的指令传输到固定翼飞机或旋翼飞机的操纵面同时向飞行员提供主动力反馈由此飞行员能够看到并感觉到飞行控制元件的运动类似于转弯时车辆方向盘上的阻力主动力反馈设备包括侧置操纵杆装置SSU方向舵踏板方向舵制动踏板装置RBPU油门控制组件TCA油门控制拉索TCQ以及自动驾驶自动油门和智能执行器驾驶舱飞行控制元件的关键特性要求小型电机必须可靠精确空间和重量限制需要紧凑轻量化和高功率密度SWaP的解决方案空心杯无刷电机不仅具有出色的性能同时具有较小的尺寸和重量高度适配驾驶舱飞行控制元件对电机的要求图表22空心杯电机应用于无人机案例图表23空心杯电机应用于飞机驾驶舱控制元件案例资料来源Portescap官网资料来源航空知识公众号二竞争格局海外头部企业主导国内企业正加速追赶海外头部企业主导市场集中度较高空心杯电机技术是从德国DrFFaulhaber在1958年研制出斜绕组线圈绕制技术开始起步较早随着生产技术不断发展国外的空心杯线圈生产技术已经十分成熟国外大部分采用一次成型技术其生产过程自动化程度高人为干扰少这样在提高生产效率的同时也提高了产品质量降低了生产成本竞争优势明显因此占据了较大的市场份额据QYresearch在GlobalCorelessDCMotorsMarketResearchReport2022中统计2021年全球空心杯电机三大龙头企业占据了5543的市场份额竞争格局高度集中证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号14电力设备及新能源行业深度研究报告图表242021年全球空心杯电机行业市场集中度资料来源QYresearchGlobalCorelessDCMotorsMarketResearchReport2022华创证券国内企业经过近几年的追赶产品性能差距不断缩小以前国内没有充分意识到空心杯电机的发展前景近几年我国空心杯发展速度较快已经有越来越多的生产商开始从事空心杯电机的设计和制造国内龙头鸣志电器现在已经可以生产基座尺寸8mm额定电压6V空载转速13500rpm机械常数66ms最大连续转矩060mNm的有刷空心杯电机对比全球空心杯龙头之一Faulhaber的同等基座尺寸和额定电压的有刷空心杯电机产品性能参数仅有微小差异海内外龙头技术差距不断缩小图表25国内外空心杯厂商产品性能对比鸣志电器FaulhaberDCU08017P06-S002PG08C-00160816K006SR基座尺寸mm88额定电压V66空载转速rpm1350013500机械时间常数ms6665最大连续转矩mNm060069资料来源鸣志电器官网Faulhaber官网华创证券三国产替代人形机器人降本需求迫切国产替代迎来新机遇人形机器人普及的关键在于降本马斯克在2022AIDay上预计Optimus最终量产时价格要在2万美元以下从投资回报的角度看人形机器人只有实现在家政康复工业场景的普遍应用且成本更低时才会对客户有更强的吸引力因此人形机器人降本需求迫切国内空心杯电机性价比较高降本需求带来国产替代新机遇将海外厂商Maxon与国内厂商鸣志电器的性能接近大小相似的空心杯电机价格进行比对Maxon产品虽然在功率密度和最大连续转矩上有微小优势但其价格大约是鸣志电器产品的2倍鸣志电器产品性价比较高在降本需求的推动下将会有越来越多的国内厂商进入空心杯行业有望复刻已经验证过的汽车零部件降本的路线加快推动人形机器人产业化落地证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号15电力设备及新能源行业深度研究报告图表26不同厂商无刷空心杯电机价格对比Maxon鸣志电器型号ECXSPEED16LECH16056H36-S001电压V3636直径mm1616功率W8075最大连续转矩mNm154143价格元25101358资料来源Maxon官网鸣志电器官网华创证券三空心杯线圈设计与生产一线圈设计三大主流设计各有千秋空心杯电机线圈常用到三种设计直绕组斜绕组菱形绕组图表27空心杯线圈三种常用线圈设计资料来源谢春辉马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究菱形绕组设计最为省材功耗也最小刘明豪在永磁直流有刷空心杯电机设计中对比分析了不同线圈设计的空心杯电机在Maxwell3D中的铜损当铜损达到稳定后菱形绕组的铜耗最小斜绕组次之直绕组铜耗最大从根源上分析绕组铜线的铜耗来源于导线中的电阻在材料相同的情况下绕组跨距都为180由于直绕组的轴向边距离较长所需的铜线尺寸最长因此铜耗最大而斜绕组在拐角处距离略长于菱形绕组长度接近但铜耗略大于菱形绕组因此菱形绕组最为省材料功耗也最小图表28三种不同设计的空心杯线圈在相同条件下的铜损比较资料来源刘明豪永磁直流有刷空心杯电机设计证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号16电力设备及新能源行业深度研究报告绕制工艺方面斜绕组更适合手动绕制而成直绕组难度次之菱形绕组手动绕制较难一般需要借助特定的绕线机工艺设备完成手动绕制过程中人为误差较大且进行多边形绕制与固定时更易精度不够产生形变会降低绕组的空间密度形状规范从而会影响到绕组发挥电磁转换的作用世界知名企业的空心杯电机多采用机械进行菱形绕制方式前人设计中直绕组内的气隙区域较大空心杯轴向较长或者且额定功率较大的电机中多采用此设计二线圈绕制工艺绕卷式虽易一次成型更佳生产空心杯电机的关键在于空心杯线圈的绕制方式目前主要有绕卷式生产和一次性绕制成型两种生产方式1绕卷式生产工艺绕卷式生产主要由送线坯线圈绕制板坯成型卷制成型四大步骤组成下面以刘青星在基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究中的贵州某企业的高精度空心杯线圈智能制造生产线为例介绍绕卷式生产的工艺流程图表29空心杯线圈绕卷式生产工艺流程资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究王鹏飞空心杯线圈绕线机机构设计及控制华创证券整理送线坯线圈绕制过程中漆包线所受的张力将影响坯线成型松散程度对后续的板坯压制卷制成型过程均有不同程度的影响因此采用伺服磁阻尼张力器进行漆包线张力控制磁阻尼张力器以永磁体产生的磁场为媒介传递恒定扭矩进行张力控制坯线圈绕制经过张力控制器的张力调节空心杯线圈绕线机将漆包线绕制成一定匝数和引线脚数的坯线圈棱形卷制柱将漆包线绕制到恒定匝数时便停止旋转左右两边的压平板对棱形卷制柱上的线圈进行搓平同时钩针上升钩下漆包线并进行旋转形成一根引线重复上述过程当坯线圈的匝数与引线数达到设置值时坯线圈成型证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号17电力设备及新能源行业深度研究报告图表30送线时使用的自动绕线张力控制装置图表31坯线圈绕制资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究究板坯成型坯线圈形成后空心杯线圈压扁装置从棱形卷制柱上夹取坯线圈通过夹具上的涂胶加热以及夹具的压力定型将坯线圈压制为板坯并将坯线板放置在线圈成型装置上进行卷制成型图表32板坯压制资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究卷制成形工装夹具沿导轨运动将压制好的板坯送至线圈卷圆装置中由四个模具及中间的卷制圆柱对板坯进行加热加压定型进而将板坯卷制成线圈通过设定四个模具定型时的压力定型温度定型时间等关键工艺参数保证线圈的成型质量线圈卷制完成后取料夹具将空心杯线圈从卷制圆柱上取下并放置在图片采集平台上以便对其进行外观缺陷检测证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号18电力设备及新能源行业深度研究报告图表33卷制成型资料来源刘青星基于小样本学习的空心杯线圈质量控制研究2一次成型生产工艺一次成型技术为全自动化生产绕线机为核心设备一次成型生产技术利用空心杯线圈绕制设备一次绕制成型绕线机降铜线按照既定的规则缠绕在主轴上一次成型全程依靠绕线机工作属于全自动化生产一次成型技术主要分为加工准备绕线抽头三步由绕线机的六大模块相互配合完成通过分析线圈的结构可以将绕线机的机械结构分为六个模块主运动模块排线模块摆线模块加热模块抽头模块剪断模块其中加工准备主要由加热模块完成绕线主要由主运动模块排线模块和摆线模块相互协调完成抽头主要由抽头模块和剪断模块完成图表34一次成型工艺步骤与绕线机的机械结构资料来源裴新平空心杯线圈绕线机设计华创证券加热模块负责加热自粘线导线以实现导线间的粘结空心杯线圈绕线机采用自粘线导线证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号19电力设备及新能源行业深度研究报告作为生产原材料采用自粘线导线生产线圈时需要设计加热装置裴新平在空心杯线圈绕线机设计中采用热风加热将加热模块设计成伸缩结构需要加热时将热风口伸出至指定位置实现加热图表35加热模块示意图资料来源裴新平空心杯线圈绕线机设计主运动模块负责实现芯轴的旋转以一个芯轴按照一定规律的旋转运动作为空心杯线圈绕线机的主运动芯轴充当缠绕线圈时的载体芯轴的外径决定了空心杯线圈的内径排线模块负责控制导线按一定的规律排列空心杯线圈是由紧密排列的导线构成的所以空心杯线圈成型过程中需要导线按照一定的规律排列而单独靠做旋转运动的芯轴并不能完成排线功能因此绕线机需要设计单独的排线单元通过仔细观察线圈可知空心杯线圈是由重复的导线回路构成的各个回路的形状理论上是一致的也就意味着排线过程中主轴旋转一周排线机构与主轴在主轴圆柱表面的交点沿圆柱周向移动一个固定值该值由所要加工的线圈匝数和线圈内径决定即排线机构与主运动机构存在固定的相位差该相位差根据所加工的线圈匝数内径的不同而不同绕线机的主运动为回转运动所以排线机构也设计为回转运动图表36主运动模块结构示意图图表37排线装置结构图与实物图资料来源裴新平空心杯线圈绕线机设计王鹏飞空心杯资料来源王鹏飞空心杯线圈绕线机机构设计及控制线圈绕线机机构设计及控制摆线模块负责控制线嘴的运动与主运动模块一起决定了导线的缠绕方式空心杯线圈的导线轴线可以简化为两个空间正交的直线和圆柱体在圆柱体表面的交点的轨迹主运证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号20