人形機器人產業(yè)鏈分析——無框力矩電機

根據特斯拉 AI Day 2022，其人形機器人 Optimus 采用 14 個直線執(zhí)行器及 14 個旋轉執(zhí)行器，對應合計需要 28 個無框力矩電機。人形機器人產業(yè)剛剛興起，市場預估 2024 年有望實現初步量產，預測 2025 年全球人形機器人用無框力矩電機市場規(guī)模有望達到 60 億元，2030 年將有望達到 282 億元。

來源：特斯拉AI Day

一、無框力矩電機介紹

1.1、定義

無框力矩電機是力矩電機的一種變體，保留了傳統(tǒng)電機中用于產生扭矩和速度的部分，但沒有軸、軸承、外殼或端蓋。無框力矩電機一般只有兩個部件，即轉子和定子。轉子通常是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環(huán)組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，由齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組構成，以產生緊密攀附在機器殼體內的電磁力。

圖|無框力矩電機結構圖

來源：科爾摩根產品手冊

相較于有框電機，無框電機配置靈活，安裝方便，著眼于目前驅動系統(tǒng)的高度集成化趨勢，可以說無框電機更貼合工程師的目標期望；工程師無需像傳統(tǒng)設計那樣考慮電機接口，只需要在系統(tǒng)設計中給予電機相當小的空間位置預留即可，可以最大限度的縮小驅動系統(tǒng)中動力輸出單元的空間占用，以此來達到更高的系統(tǒng)集成。

1.2、特點

無框力矩電機具有以下符合人形機器人工作要求的特點：

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

高功率密度：無框電機消除了傳統(tǒng)電機的鐵芯，結構緊湊小巧，可實現更高的功率 密度。適用于需要高功率輸出的人形機器人關節(jié)部件。

高效率：無框電機采用了新型的電磁鐵和軸承結構，具有低能耗和低摩擦的特點。適用于工作強度大，承載需求高的人形機器人應用場景。

圖|不同控制電機對比

來源: 工博士，華創(chuàng)證券

1.3、行業(yè)應用

根據覓途咨詢，國內無框力矩電機目前主要應用于機器人領域（工業(yè)機器人及服務機器人），共占據行業(yè) 80%左右的市場份額。它主要用于機器人的關節(jié)和手臂，提供高扭矩和高精度的控制。典型應用包括協(xié)作機器人的關節(jié)，其中每臺機器人通常需要 6-7 個無框力矩電機。無框力矩電機的中空設計使其在協(xié)作機器人中占用空間較小，從而提高了效率。

圖|無框力矩電機在協(xié)作機器人應用

來源：步科股份

無框力矩電機可用于醫(yī)學成像、外科手術機器人等醫(yī)學領域。在醫(yī)學成像中主要用于平滑、精準的運動控制，實現圖像的高分辨率，減少不必要的移動。在外科手術機器人中主要針對于微創(chuàng)手術，可以在遠小于人手可處理的區(qū)域中以高精度執(zhí)行操作。

無框力矩電機可以在成型、磨削、鉆孔等機床中提高精度和可重復性。無框力矩電機直接嵌入機械設計，安裝簡單能夠提高性能以及延長使用壽命，能夠消除機器連接設備，降低機器的整體尺寸，同時零背隙的設計提供了更好的系統(tǒng)性能。

1.4、市場規(guī)模

現階段力矩電機行業(yè)市場空間較小，增長速度相對平穩(wěn)。根據 QYResearch 數據，2022 年全球無框力矩電機市場規(guī)模為 45 億元，隨著人形機器人逐漸放量并實現商業(yè)化，預計未來至 2030 年傳統(tǒng)領域市場空間約為 61 億元，人形機器人領域市場空間為 163 億元，總市場空間為 224 億元。人形機器人中無框力矩電機需求量級較為可觀，為生產制造廠商帶來發(fā)展新機遇。

圖|無框電機未來空間測算

來源：QYResearch，華創(chuàng)證券測算

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

二、國內主要無框力矩電機企業(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。國內廠商主要有步科股份、航天電器、昊志機電、微精電機等。 根據覓途咨詢數據顯示，2022 年國內無框力矩電機市場中，國內廠商步科股份的市場份額接近 50%。

2022 年中國無框力矩電機競爭格局

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，公司的自動化設備控制核心部件主要包括工業(yè)人機界面、伺服系統(tǒng)、步進系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、變頻器等，且廣泛應用于物流設備、機器人、包裝設備、食品設備、服裝設備、醫(yī)療設備、環(huán)保設備，軌道交通設備等自動化設備行業(yè)。

步科股份 2022 年新推出的第三代無框力矩電機首創(chuàng)無框灌封工藝，提供型號完備的低壓力矩電機解決方案，專為需求體積小、質量輕、慣量低、結構緊湊、功率高的應用場合而設計。

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

圖|FMC無框力矩電機

來源：步科股份官網

圖|步科股份產品型號

來源：步科股份官網

步科股份產品型號主要有無框力矩電機電壓VDC： 48V，

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

步科股份調研時表示，公司的無框力矩電機主要應用在協(xié)作機器人和仿生機器人領域，主要的銷售貢獻來源于協(xié)作機器人，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動控制領域的全球知名品牌和行業(yè)領軍企業(yè)。自1997年成立以來，聚焦于伺服電機驅動系統(tǒng)、步進電機驅動系統(tǒng)、運動控制卡、運動控制PLC等系列精品的研發(fā)、生產、銷售和服務。

由于雷賽產品兼具穩(wěn)定可靠和性能優(yōu)越的雙重優(yōu)勢，在電子、半導體、物流、新能源、機器人、機床、醫(yī)療等行業(yè)獲得上萬家優(yōu)秀設備廠家的長期使用，且遠銷美國、德國、印度等60多個國家。

圖|無框力矩電機產品構成

來源：雷賽智能

圖|各框架電機轉矩范圍概覽

來源：雷賽智能官網

圖|基本參數

來源：雷賽智能官網

產品針對協(xié)作和人形機器人等行業(yè)的應用場景和用戶痛點進行研發(fā)設計、提供 25/38/50/60/70/85/115mm等七個標準的框架尺寸，還可以根據客戶需求進行電機尺寸和電氣參數的優(yōu)化定制。

圖表|八大產品特點

來源：雷賽智能官網、與非研究院整理

同時，轉矩密度比一般同行高出15%，功率密度比一般同行高出20%。最小電機重量為50g，25mm極小尺寸。

據公司2023年12月7日最新交流紀要，近一年來公司已經成功研發(fā)微型伺服驅動器、中空型多圈絕對值編碼器、無框伺服電機等核心部件，此外公司還正在開發(fā)空心杯電機、智能關節(jié)模組、微型多軸驅控一體機等系列產品。

公司最新發(fā)布的FM1無框電機和微型驅動器主要針對人形機器人和協(xié)作機器人的關節(jié)部分，正在進入試產試銷階段。預計2023年12月份陸續(xù)為目標客戶提供樣機進行測試選型，24年1月份進入小批量生產，3月份進入大批量生產銷售。目前，已有行業(yè)多家人形機器人公司接洽并測試公司產品。

2.3、微精電機

成都微精電機股份公司始建于1958年，是國家“一五”期間156項重點工程之一，2005年完成企業(yè)改制，現位于成都市東三環(huán)路二段龍?zhí)缎陆洕a業(yè)功能區(qū)航天路12號。

主要從事微特電機及組件的研制、開發(fā)、生產及銷售業(yè)務，主要產品有力矩電機、旋轉變壓器、伺服電機、軸流風機、伺服驅動器、特種泵以及機電一體化裝備等，共19個大類、66個系列、2000多個品種。產品主要用于為航空、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，產品和技術達到了國內先進水平。

圖|永磁直流力矩電動機

來源：微精電機官網

公司生產的永磁直流力矩電動機有：1、 LY（國標）及ZL（廠標）鋁鎳鈷磁鋼系列，具有結構合理、工藝性好、技術經濟指標趨優(yōu)等特點；2、 LYX（LYR、ZLR）稀土磁鋼系列，其特點為過載能力特強、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無刷直流力矩電動機系列，具有結構緊湊、性能優(yōu)良、高可靠、長壽命等一系列特點，特別適合航天、航空等維護不便，環(huán)境惡劣的條件下工作。4、 LST正弦波驅動永磁交流力矩電動機系列，由于采用永磁體代替電勵磁，顯著的提高了功率因數；轉矩/慣量比高；結構簡化，可靠性高。

上述系列電機結構形式均以分裝式為主，由定子，電樞，刷架三大部件構成，亦可根據用戶需要生產組裝式電機。該系列電機具有結構簡單，噪音小，使用可靠，維護簡便等優(yōu)點。分裝式力矩電機安裝說明 第一步，定子；第二步，電樞（轉子）；第三步，電刷架；折卸為相反順序。

三、總結

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

無框力矩電機是人形機器人關節(jié)中較主流的驅動零部件。隨著技術的更新迭代，人形機器人市場逐步放量，成為無框力矩電機的新應用場景。