首页-万泰娱乐娱乐平台！机器人驱动方式可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。电机种类众多，根据不同方式可以划分为不同种类。随着人形机器人放量，行业均有更广阔的发展空间。目前海外电机公司技术水平、产品能力均较强，国产公司正不断深化自身能力，提升产品水平，为未来国产替代打下坚实基础。

　　本文以机器人为视角，着重探讨应用于机器人等领域的控制电机。我们将详细分析电机的结构、工作原理以及电机的分类。同时，将简要梳理整个产业链的概况。接着，我们将详细介绍在机器人领域具有广泛应用前景的几种电机，并对其市场规模、竞争格局以及行业壁垒等方面进行深入分析。最后，我们将列举一些业内知名公司，以期通过这些内容，增进大家对机器人电机的认识和理解。

　　电机是一种将电能转换为机械能的装置。大多数电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作用来产生扭矩，作用在电机轴上形成力。电机主要由定子和转子组成，定子上的绕组通电产生磁场，而转子则通过与磁场相互作用而转动。

　　主要组成部分可以分为：1）外壳：外壳由一个框架（或轴心）和两个端盖（或轴承座）组成。电机的外壳不仅可以将电机的组件保持在一起，还可以保护内部组件免受湿气和污染物的影响。此外，外壳类型还会影响电机的冷却，外壳可以分为开放式外壳，完全封闭式外壳。2）定子：定子承载磁场绕组和极。定子与转子一起构成机器的磁路或核心。3）转子：承载电枢绕组。电枢是承载负载的部分。4）绕组：通电后，会产生电磁力。

　　驱动系统是使机器人发出动作的机构，是机器人的关键部件，按照动力来源可分为液压驱动、气体驱动和电机驱动三种方式，其中电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应等优势，更适合如今机器人发展趋势。

　　美国波士顿动力公司在其Atlas机器人中使用液压驱动方式因其驱动强劲、爆发力强适用于弹跳、负重等活动，适用于注重运动能力的Atlas机器人。其余的大部分机器人公司采用电机驱动，如特斯拉人形机器人Optimus更注重智能化，采用高扭矩密度电机伺服技术。电机驱动在动作的精准控制方面与其他驱动方式相比更胜一筹，配合处理器编码器可获得实时运动状态反馈，更适合如今注重智能化、多功能的机器人发展趋势。

　　从广义上，电机可分为旋转电机和静止电机，旋转电机又有多种分类方法。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，又称变压器。旋转电机按照用途可分为驱动电机和控制电机，按照电源类型可分为直流电机与交流电机。

　　按照用途：可分为驱动电机和控制电机。控制电机又可分为步进电机、伺服电机以及力矩电机。随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经从过去简单的传动向复杂的控制转移，特别是对电机速度、位置、转矩的精密控制。

　　按照电源：可分为直流电机与交流电机。直流电机按照电刷的有无可分为有刷电机与无刷电机。交流电机按照电源类型又可分为单相交流电机与三相交流电机；按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同，可分为同步电机与异步电机。相比交流电机，直流电机具有更好的启动特性与调速特性、使用更为环保，但结构也更为复杂、造价更为昂贵。

　　其他分类方法：按照转子结构可分为笼型异步电动机和绕线转子感应电机；按照工作速度可分为高速、低速、恒速、调速电机等。

　　电机的上游主要是磁性材料、编码器、芯片和轴承等其他零部件，中游是电机制造，下游是机器人等行业应用。

　　磁性材料是电机主要原料之一，对电机性能影响较大。电机一般使用磁性较强的材料，强磁性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一经磁化，很难退磁，而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，而软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁材料的最不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量（但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为Oe或A/m。简单一点理解就是矫顽力越高，材料越不容易退磁：

　　1）永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，在永磁电机中应用较多；

　　2）软磁通过降低矫顽力，追求更高的磁导率，可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。

　　钕铁硼性能较好，渗透率有望提升。钕铁硼材料在矫顽力上的表现较优异，同时在磁能积上也优于其他材料。磁能积较好也意味着单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于60），能大大减小电机体积，减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。唯一的劣势在于温度稳定性比较差，需要通过添加钴等其他元素来改善温度性能，价格相对较高。

　　编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的联系。编码器是将信号进行编制、转换为可用以通讯、传输的信号形式的设备，如为伺服电机的闭环控制产生速度或位置的实际测量值。编码器种类繁多，按照读出方式可分为接触式和非接触式两种；按照检测工作原理，分为磁性编码器、光学编码器、电容编码器。磁性和光学编码器目前应用较为广泛，而CUI Device的电容编码器则可以应用在工业、自动化、机器人和可再生能源领域，未来高精度、环保型控制场景有望推动电容式编码器的提升。

　　1）磁性编码器：使用磁性码盘，磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转，任何转动都会检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。通常采用：霍尔元件、磁敏二极管、磁敏电阻器或专用集成电路等；价格相对便宜、优势在于更耐用、抗振和抗冲击、适合恶劣环境应用，但会受到电磁干扰，分辨率和精度相对较低。

　　2）光学编码器：转子上装有遮光板，LED光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇产生脉冲信号。分辨率更高，价格相对磁性编码器较贵，在工业应用等多尘且肮脏的环境中，污染物会堆积在码盘上，从而阻碍LED光透射到光学传感器、导致方波不连续或完全丢失。

　　3）电容式编码器：使用条状或线状纹路，一极位于固定元件上，另一极位于活动元件上，以构成可变电容器，并配置成一对接收器/发射器；转子上蚀刻了正弦波纹路，随着电机轴的转动，这种纹路可产生特殊但可预测的信号，由板载ASIC转换，以计算轴的位置和旋转方向。可提供更高的精度和分辨率，耐受各种环境污染物、承受振动和极端温度、坚固耐用有更长的使用寿命、更小的占地面积和更低的电流消耗，不受磁干扰和电噪声的影响。

　　编码器国产化进行时，看好国内企业突破高端编码器。当前，编码器中的一些芯片、码盘及磁头等重要元器件仍然依赖于进口，这是国内编码器厂商下阶段的主要突破目标。以码盘为例，码盘的码道数越多，其最外道被分割的区域就越多，即编码器的最小分辨率越高。码盘的生产要求每个码道刻划精准，并且要求彼此对准，给编码器的国产化进程造成了极大阻碍。除码盘之外，光电编码器的芯片属于光敏器件，光电结合紧密且工艺特殊，对参数控制要求较高，需要在高温条件下持续工作，还要保证信号形态正常，且电流输出能力较大，有特殊的封装工艺要求，是国产化的壁垒。

　　中游为电机的制造，中国电机产业超步较晚、目前中低端产品已实现国产替代、高端产品以国际厂商为主。人形机器人的高成长赛道将为中国企业突破高端电机带来机会。

　　不同的应用场景使用不同种类的电机。工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，协作机器人具有小型、轻量化特性，主要使用无框电机，人形机器人注重轻量化、灵巧性、结构紧凑，因此较多采用无框力矩电机和空心杯电机。

　　伺服电机（Servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运动的发动机，它可把所收到的脉冲信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。与步进电机相比，它多了一个与电动机相连的传感器，用于位置反馈，这意味着伺服电机每收到1个脉冲，就会发出对应数量的脉冲，与接收的脉冲形成呼应，或者叫闭环，如此一来，就能实现对角速度或线的位置，速度和加速度的精确控制。

　　就内部结构而言，伺服电机主要由定子和转子构成。定子上有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。转子是永磁铁或感应线圈等导磁材料。转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。同时伺服电机装配有编码器，工作时驱动器实时接受到编码器的反馈信号，再根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。

　　对比控制精度、变频特性、过载能力、响应速度等性能，可以看到伺服电机控制精度更高；低频时运转平稳、高频时能恒力矩输出；闭环控制使得过载保护能力更强；开机时响应速度更快。就产品特性而言，伺服电机更适配机器人高精度要求、多变环境的应用需求。

　　根据控制电源的不同，可以分为直流伺服电机和交流伺服电机。其中直流伺服电机根据是否具有电刷，又可以分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机。对比三种类型电机，可以看到直流伺服电机具有控制精准，转矩特性、线性调节特性较好，使用方便且价格便宜等优势。无刷直流伺服电机以电子转向器取代机械转向器，减少摩擦和噪音、延长寿命且安全性，但是一定程度增加了成本。根据《永磁无刷直流电机技术》一文，目前在航空航天和军事装备、工业自动化等领域，有刷直流伺服电机正在逐步被无刷直流伺服电机所取代。

　　工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和净室机器人。工业机器人在机械结构上有类似人类的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由计算机控制。工业机器人广泛应用于电子、物流、化工等工业领域。按照机械机构分类，工业机器人可以分为线性机器人（又叫直角坐标机器人）、多自由度机器人（又叫多关节机器人）、并联机器人（又叫deltaΔ机器人）和水平多关节机器人（又叫scara机器人）等。

　　工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，伺服系统成本在机器人中的占比为25%。伺服系统作为工业机器人核心零部件，可以将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层。

　　受益于需求扩张，我国伺服电机市场保持稳健增长。近年来，受到下游工业机器人、电子制造设备等产业扩张的影响，中国伺服电机市场规模一直保持增长趋势。与此同时，伺服电机在新兴产业应用规模也不断增长。根据中商产业研究院发布的《2023-2028年中国伺服电机行业分析及发展预测报告》，2024年我国伺服电机市场规模将超200亿元。

　　目前国内伺服电机市场仍由外资主导，外资品牌占比达65%。国产品牌汇川技术市场份额占比排名第一，市占率达15.9%。安川、台达、松下及三菱，占比分别为11.9%、8.9%、8.8%及8.3%，国产化替代进行时。

　　空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机。空心杯电机（又称无铁芯电机、无齿槽电机）通常尺寸较小，是一种无铁芯转子的直流伺服电机。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机在搭配不同速比的减速机和不同分辨率的编码器后，也可以作为力矩电机以及位置反馈的装置使用。空心杯电机通常应用于便携式空气采样泵、仿人机器人、仿生手、手持电动工具等场景。

　　空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。没有软磁性牙齿。所产生的转矩是均匀的，即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。有绕组和换向器的转子。绕组通过所谓的换向板连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙中运动。换向系统使用一对贵金属刷减少了电刷火花。减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

　　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。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机（又称无刷无齿槽电机）定子无铁芯。

　　有刷电机：空心杯直流有刷微电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是通过随电机转动的换向器和电刷来完成的。在转动的过程中会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷。碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁波，干扰电子设备。

　　无刷电机：无刷空心杯直流电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯直流电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。因为是自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。无刷电机具有噪音小、寿命长、易维护等特点，或是未来发展趋势。

　　空心杯电机是机器人灵活手的关键零件。以特斯拉2023年开始生产的擎天柱Optimus的人形机器人为例，空心杯电机占单台机器人成本的4.43%，属于占比较高的零部件环节。特斯拉Optimus单手有11个自由度，采用6个执行器，采用空心杯电机+蜗轮蜗杆+金属肌腱驱动的方案，空心杯电机占手部执行器成本的54.5%。

　　在原材料中，空心杯电机的永磁材料以高端钕铁硼(第三代稀土永磁)为主，2022年钕铁硼永磁材料中高端型占比43%。不同永碰体的特点和性能存在差异，在保证产生的磁场稳定的同时，需根据应用场县对工作温度、环垃的要求，合理的配置永磁材料，达到电机的性能和成本效应最大化。

　　目前稀土产量受限于企业的冶炼分离能力，中国头部企业产能利用率约为85%，钕铁硼永磁材料应用领城不断扩大。包括风电领域、变频空调、工业机器人等多方面对稀土需求形成有力支撑。

　　空心杯制作的难点在于如何实现自动化。空心杯电机由于体积小，大多使用螺旋管微型线圈。螺线管微型线圈是一个三维线圈，由多匝导线缠绕而成，缠绕内部空心，电流流入缠绕导线，并产生均匀磁场。传统螺旋管微型线圈制作方法以手工缠绕为主，第一步绕线和粘胶带；第二步压扁；第三步切线头，第四步浸锡；第五步取胶带；第六步卷圆；第七步浸酒精，第八步整形打圆。手工生产空心杯电枢线圈劳动生产率低，人工成本高，而且工作环境使用酒精，对工人的适应性有一定阻碍且增加了材料成本，已不能适应现代化大规模精细生产要求。因此，空心杯制作的难点在于大批量生产及较难的装配，手工制作方式在生产效率、产品稳定性方面无法满足客户需求。

　　空心杯电机的核心技术在于电机绕组。导线粗细、绕组匝数的不同，使得绕组电阻值，启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。电机绕组是电机的重要组成部分，绕组的质量决定了空心杯电机的质量，直接影响到电机可靠性和运行性能。随着科学技术的进步，电机绕组的生产方式不断地发生改变。发展历程经历了最初的完全手工绕线，半自动绕线机，直至现在的自动线圈绕制设备，电机绕组的生产过程趋于自动化，绕制质量和效率也在不断地提高。

　　空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单，国内外绕线机多采用这两种方式。欧洲著名品牌Faulhaber电机采用的是斜绕形线圈，瑞士Maxon电机采用马鞍形绕制方法，电机有着较为优越的性能。

　　目前，空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为两类：1）绕卷生产技术。卷绕生产技术工艺较为复杂，首先将铜线绕制成一定几何形状的空心线圈，多为菱形和四边形，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后再将线板绕成圆柱状的线）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。绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序。

　　绕线设备国外领先，国内企业起步较晚。作为电机制造行业鲜明的代表，瑞士的Meteor公司是全球占有率较高的绕线机供应商。Meteor在该行业具有较为先进的技术和强大的研发实力，研制出诸多类型的线圈绕制设备，攻克了较多技术上的难题，在多个方面有着独特的解决方案。另外，作为世界绕线机生产的鼻祖，日本田中精机株氏协会，第一个将计算机控制用于全自动绕线机上，发明了磁铁无摩擦张力器，研发出CNC可翻转的多轴绕线设备。受到空心杯电机关键技术和工艺的制约，其中核心技术即线圈的设计、绕制工艺以及绕制设备，先进的技术和工艺设备一直被德国、瑞士等少数发达国家所垄断，同时国外的高质量设备价格昂贵，我国对空心杯电动机制造设备的研发愈发重视，如中特科技、台立电子、勤联科技、昆山库克自动化等均有绕线设备产品。但是现有线圈绕制设备问题，包括一次成型的自动化绕制设备较少，马鞍形线圈多为卷绕式的成型方式，现有自动化的绕制线圈的类型多为斜绕形，且在线圈两端的质量较差等一系列问题。

　　产品矩阵和客户背书是空心杯电机的重要壁垒。以Maxon和Faulhaber两家公司为例进行分析，两者均具有完善的产品矩阵和优秀的客户背书，这也是其能够成为全球领先的空心杯电机制造商的重要影响因素。

　　1）Maxon：拥有完善的纵向一体化电机产品矩阵。公司产品包括有刷和无刷直流电机、无刷盘式电机；行星齿轮箱、正齿轮箱、特殊齿轮箱；传感器；运动控制器、电机控制器、位置控制器；客户定制驱动方案等。多年来为高精尖领域提供创新解决方案，具有优秀的客户背书。公司产品应用于工业自动化、医疗技术、安全技术、仪器仪表、通讯技术、日用消费等领域。美国国家航空航天局火星探测车的驱动力来源就是Maxon电机；医疗、机器人、精密工业设备等领域也有Maxon电机的应用。以上领域均为高精尖领域，Maxon具有优秀的客户背书以及较强的客户粘性。

　　2）Faulhaber：产品矩阵完善。公司产品包括直流电机、直流无刷电机、线性电机、步进电机等，以及减速箱、线性致动器、编码器、电子控件等，每种驱动系统都致力于在实现最小尺寸和最轻质量设计的同时达到最大性能。产品应用于高精尖领域，产品背书优秀。公司为医疗设备、航天航空、高精密光学仪器、机器人和自动化等高标准应用领域提供定制产品以及技术方案。

　　2022年空心杯电机全球市场规模超50亿元人民币。根据QY Research数据：全球空心杯电机市场规模在2022年约为7.48亿美元，折合人民币约53.56亿元（以美元/人民币=7.16的汇率进行折算），预计到2028年将达到11.86亿美元，2022-2028年复合年增长率为7.98%；若进一步区分有刷和无刷，2021年全球有刷空心杯电机市场规模占全球空心杯电机市场规模比例（按金额）为67.33%，并预计到2028年有刷空心杯电机全球市场规模将达到6.86亿美元，2022-2028年复合增长率为5.68%。

　　当人形机器人年产量分别为5/10/50/100万台时，假设空心杯电机平均价格分别为1000/800/600/500元/个，则对应市场空间分别为6/9.6/36/60亿元；若进一步假设中国企业市占率分别为30%/40%/50%/60%，则中国企业可获得市场空间分别为1.8/3.8/18/36亿元。

　　可以发现，海外公司成立年份较早，产品横向、纵向布局均较为完善，具备大量的驱动配置方案，且均为全球化企业。国外龙头企业小尺寸电机设计能力强，直径最小尺寸可至6mm，而国内企业少有12mm以下尺寸的空心杯电机产品，直径上限也比较高。国内成立较晚，研发及生产则是以点带面，逐步丰富能力，随着能力不断深化，未来有广阔的国产替代的空间。

　　我们另以8mm有刷空心杯电机、16mm无刷空心杯电机相似口径，将国内外空心杯电机产品性能作比较。需要指出的是，无刷小尺寸直径空心杯电机国内尚无可比产品。对于8mm直径有刷空心杯电机：海外公司的产品效率更优，最大连续转矩也更优，而在转速方面差异不大，价格方面国内产品则更低；对于16mm无刷空心杯电机，国内产品效率、转速、连续最大转矩更优，价格也更便宜，说明国内产品的部分产品策略、产品性能是较为成功的。