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敬请参阅最后一页特别声明 1 投资逻辑：电 机 分 为哪 些类 型？电机是将电能转换为机械能的装置，按应用领域分为动力电机和 控制电机。动力电机输出功率大，驱动性能 好，常应用于汽车、家电等领域。控制电机控制精度高、响应速度快，常在控制系统中承担执行、检测和解算功 能。控制电机分为步进电机、伺服电机、力矩电机。步进电机结构简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设备、印刷 设备 等领 域。伺服 电机 增加 了编 码器 与反 馈机 制，控制精度高，适用 于半 导体、工业 自动 化、机器 人等领 域。空心 杯电 机 属于 特殊的伺服电机。力矩电机以扭矩为控制方向，在电动机低速时仍能持续运转，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快等优点，分为有框力矩电机和无框力矩电机。无 框 力 矩电 机：机器 人关 节电 机，国内 外厂 商性 能 仍有差距 为什么机器人关节 要用无框力矩电机？机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快。而无框力矩电机仅由转子和定子组成，体积小，同时具有较高的功率，低转速情况下能够输出更大扭矩，更符合人形机器人的需求。如何 看待 无 框力 矩电 机的 壁垒、竞 争格 局？（1）壁垒：磁路和工艺设计。海外厂商起步早，工艺技术拥有先发优势，例 如科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技 术，TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌 胶技术。国内 企业 起步 晚，工艺 水平 和国 外相 比存 在差 距。（2）格局：全球龙头为科尔摩根，国内外厂商 产品 性能 仍有差距。科尔 摩根 是全球无框力矩电机龙头，其 电机性能 在 全球 处于 第一梯队。国内目前进展较快的 公司包括步科股份、航天电器。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。空 心 杯 电机：灵 巧手 动力 之源，国 产替 代空 间广 阔 为什么机器人灵巧 手要用空心杯电机？灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机属于特殊的伺服电机，采用无铁芯转子结构，消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，具有体积小、控 制精度高、寿命长、转速快、能效高、能量密度大等优势，完美契合了灵巧手对驱动电机的轻量化和高精度要求。如 何 看 待空 心杯 电机 的壁 垒、竞争 格局？壁垒 1：线圈绕组设计。（1）线圈成型方式分为 卷绕 生产和一次成型生产，后者工艺简单、效率高。国内厂商 多采用 卷绕 式生产，生产 效率 低，废品 率高，线圈 直径 小。（2）线圈绕法分为直绕形、马鞍形 和 斜绕形，其中 斜绕形和马鞍形工艺简单，具有 输出力矩大、转动惯量小、时间常数小 等优势，国外厂商 工艺更加纯熟。壁垒 2：绕线 设备。海外 厂商 Meteor、田中 精机 等设 备先 进，基本 实现 了绕 线设 备的 自动 化、智能 化。国内 设备自动化程度低，尤其是 面对较大功率电机的粗线径线圈，在可靠性和绕制精度方面与 海外厂商 仍有较大差距。格局：海外厂商技术领先，国产替代空间广阔。空心杯电机 全球 头部企业包括瑞士 Maxon、瑞士 Portescap 和德国 Faulhaber 三家。国内 企业中，鸣志电器技术水平位居全球前列，拓邦股份空心杯电机已实现批量应用；江苏雷利处于小批量验证阶段；伟创电气处于产品内部测试阶段，其余企业技术相对薄弱，国产替代空间广阔。投资建议 考虑当前电机市场空间较大，同时国内厂商在无框力矩电机和空心杯电机技术领域仍有较大提升空间，在人形机 器人产业链发展催化下，国内厂商有望加速实现国产替代，建议重点关注无框力矩电机领域的步科股份，空心杯电机领域的鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利。风险提示 人形机器人发展不及预期，国产替代进展不及预期，行业竞争加剧。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 内容目录 1.电机分为哪些类型？.5 1.1 按照应用领域分为动力电机和控制电机.5 1.2 按照电源类型分为直流电机和交流电机.6 2.无框力矩电机：机器人关节电机，国内外厂商性能差距明显.8 2.1 为什么机器人关节要用无框力矩电机？.8 2.2 如何看待无框力矩电机的壁垒、竞争格局？.10 3.空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔.10 3.1 为什么机器人灵巧手要用空心杯电机？.10 3.2 如何看待空心杯电机的壁垒、竞争格局？.12 4.投资建议.15 4.1 步科股份：国内无框力矩电机龙头，盈利能力维持高位.15 4.2 鸣志电器：电机品类丰富，业务实现全球化布局.17 4.3 拓邦股份：智能控制系统领导者，布局新能源构建增长新引擎.18 4.4 江苏雷利：微特电机领域龙头，电机产品种类丰富.20 5.风险提示.21 图表目录 图表 1：电机按照应用领域分类.5 图表 2：电机按照电 源类型分类.5 图表 3：旋转电机和直线电机结构示意图.5 图表 4：步进电机结构图.6 图表 5：伺服电机结构图.6 图表 6：有框力矩电机图.6 图表 7：无框力矩电机图.6 图表 8：直流有刷电机结构图.7 图表 9：直流无刷电机结构图.7 图表 10：单相电机的转子受力图.7 图表 11：三相电机的转子受力图.7 图表 12：异步电机图.7 图表 13：同步电机图.7 图表 14：机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快.8 图表 15：无框力矩电机工作原理图.8 1ZEVwPnQmPoPqOtQnQoRoP8OcMaQmOpPnPtQfQqQoRiNtQoP8OpOrPNZmNwPMYoMmQ行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 3 图表 16：无框力矩电机外观图.8 图表 17：科尔摩根的无框力 矩电机实现更高扭矩.9 图表 18：科尔摩根的无框力矩电机实现更小尺寸.9 图表 19：特斯拉擎天柱关节执行器分为旋转和线性两类.9 图表 20：特斯拉擎天柱关节执行器结构图.9 图表 21：优必选仿人服务机器人 Walker 采用无框力矩电机.9 图表 22：海外厂商无框力矩电机及设计工艺.10 图表 23：国内外无框力矩电机厂商对比.10 图表 24：普通铁芯电机与空心杯电机对比.11 图表 25：空心杯电机机械时间常数小、控制精度高（ms）.12 图表 26：空心杯电机转速更快（rpm）.12 图表 27：机器人灵巧手是空心杯电机的应用方向之一.12 图表 28：因时机器人灵巧手内置空心杯电机.12 图表 29：一次成型生产技术工艺相对简单、效率更高.13 图表 30：空心杯电机线圈绕制形式.13 图表 31：绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本.13 图表 32：瑞士 Meteor 和日本日特机械绕线机.14 图表 33：中特科技和勤联科技绕线机.14 图表 34：国内外空心杯电机厂商对比.14 图表 35：国内产品价格优势明显.15 图表 36：重点公司估值 表.15 图表 37：18-22 年步科股份收入 CAGR 达 14%.16 图表 38：18-22 年步科股份归母净利润 CAGR 达 26%.16 图表 39：步科股份毛利率保持在 40%左右.16 图表 40：步科股份第三代无框力矩电机性能优越.17 图表 41：鸣志电器多种产品可运用于人形机器人.17 图表 42：17-22 年鸣志电器收入 CAGR 为 12.7%.17 图表 43：17-22 年鸣志电器归母净利润 CAGR 为 8.27%.17 图表 44：鸣志电器收入以控制电机及其驱动系列产品为主.18 图表 45：鸣志电器已实现全球布局.18 图表 46：拓邦股份业务布局.19 图表 47：17-22 年拓邦股份收入 CAGR 为 27.03%.19 图表 48：17-22 年拓邦股份归母净利润 CAGR 为 22.66%.19 图表 49：工具、家电业务为基本盘，22 年占比超 70%.19 图表 50：新能源业务增长迅速.19 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 4 图表 51：拓邦股份电机产品一览.20 图表 52：江苏雷利布局家电、工业控制、汽车、运动健康四大领域.20 图表 53：18-22 年江苏雷利收入 CAGR 为 6.56%.21 图表 54：18-22 年江苏雷利归母净利润 CAGR 为 6.68%.21 图表 55：江苏雷利毛利率近年来呈增长态势.21 图表 56：江苏雷利空心杯电机系列.21 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 5 1.电机分为哪些类型？电机是依据电磁感应定律将电能转换为机械能的装置，主要由定子、转子及其他附件组成。其利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，从而为多种机械提供动力。电机有多种分类方式，按照应用领域分为动力电机和控制电机；按照电源类型分为直流电机和交流电机。图表1：电机 按 照应 用领 域分类 图表2：电机按照 电源类型分类 来源：机械工程文萃，国金证券研究所 来源：机械工程文萃，国金证券研究所 1.1 按 照 应用 领 域分 为动 力电 机和 控制 电机 动力电机输出功率较大，注重电机的驱动、运行及制动性能，主要应用于汽车、家电、小型机 床等 领域。控制 电机 侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定 性、线性 度等 指标，精度 高、响应 速度 快，主要 在自 动控 制系 统中 承担 执行、检测和解算功能。（1）动 力 电机：按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转电机 展平 而得，其定 子叫 初级、转子 叫次 级，其 优势在于可以直接将电能转换为直线运动的机 械能，而无 需再 借助 中间 转换 装置。常见 的直 线电 机可 分为 U 型槽 式、平板 式和 管式。其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱动电机，例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。图表3：旋 转 电 机和 直线 电机 结构示意图 来源：浅谈直线电机在轨道交通车辆车门上的应用，国金证券研究所（2）控制电机：按照控制方式进一步分为 步进电机、伺服电机、力矩电机。步进电机是一种把电脉冲 信号转换成角 位移的电 动机，每输 入一 个脉 冲信 号，步进 电机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低，多用于 办公自动化、通信设备、印刷设备 等领域。伺服电机相较于步进电机 增加了编码器与反馈机制，使得驱动器可以根据目标值与编码器的反馈信号之间的差异来调整 转子转动的角度，从而可实现更精密的控制，主要适用 于半 导体、光伏、锂电、工业 自动 化、机器 人等 对于 控制 精度、速度 响应、过载行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 6 能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机 是一种 特殊的伺服电机，采用无铁芯转子，呈 空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用开环控制。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时 加大 输出 转矩，当负 载转 矩为 一定 值时 改变 电机 端电 压便 可调 速。在电动机低 速甚 至堵 转（转 子无 法转 动）时仍 能持 续运 转，不会 造成 电动 机的 损坏，并 提供稳定的力矩给负载，具有 低转 速、大扭 矩、过载 能力 强、响应 快、特性 线性 度好 等优点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。图表4：步 进 电 机结 构图 图表5：伺 服 电 机结 构图 来源：鸣志电器官网，国金证券研究所 来源：鸣志电器官网，国金证券研究所 图表6：有 框 力 矩电 机图 图表7：无 框 力 矩电 机图 来源：杰瑞特 官网，国金证券研究所 来源：科尔摩根微信公众号，国金证券研究所 1.2 按照 电源 类 型 分为直流电机和交流电机 直流电机 由 直流电源 驱动，交流 电机 由交流电源 驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大，适用于在重负载下 启动或 需要 均匀调节转速的机械。交流电机 效率 高、噪音 低，常用 于家用电器中。（1）直流 电机：按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机，为使转子转动需 要不断改变电流方向。有刷电机采用机械换向，内部的电枢和换向器一起旋转，而外部的磁极和电刷都不动。通过换向器与电刷的交替接触，电机运行时电流的方向就会不断改变，从而改变电机的运 动方 向。其优 势在 于启 动快 速、制动 及时、调速 平稳，并且 启动 电流 大、在低 速时扭 矩大，因而 能带 很重 的负 荷，常用 在电 钻等 日常 电动 工具 中。但由 于换 向器 与电刷之间存在摩擦，因而电刷易损耗、寿命短，并且效率较低。无刷电机采用电气换向，以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置，其线圈不动而磁 极旋 转。其原 理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，从而 适时切换线圈中电流的方向，以产生正确方向的磁力 来 驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用寿命长、运行时间和电压比较稳定。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 7 图表8：直 流 有 刷电 机结 构图 图表9：直 流 无 刷电 机结 构图 来源：智能建筑电气技术杂志，国金证券研究所 来源：智能建筑电气技术杂志，国金证券研究所（2）交流电机 交流电机 按照 电源 类型 分为 单相 电机 与三 相电 机。单相电机采用单相交流电源供电，定子仅含 一个 绕组，需借 助启 动线 圈或 运行 电容 器等 以产 生旋 转磁 场。特点是结构简单、维修方便，多应 用于 小型 家用 电器 等生 活场 景。三相电机采用三相交流电源供电，定子绕组分为三 组，通入 互差 120的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性和精度高，多用于水泵、机床等工业领域。图表10：单 相 电 机的 转子 受力 图 图表11：三 相 电 机的 转子 受力 图 来源：电子发烧友，国金证券研究所 来源：电子发烧友，国金证券研究所 交流 电机 按照 转子 转速 与定 子旋 转 磁场 的转 速是 否相 同，交流 电机 分为 同 步电 机与 异步电机。同步电机的转速恒定，而异步电机的转速可以随着负载的变化而调节。常见的电力拖动机械大多由异步电机驱动，如空气压缩机、鼓风机、大型起重设备等。而同步电机主要适用于要求转速恒定的大功率生产机械，如连续式轧钢机、球磨机等，由于其造价昂贵、维修困难而应用较少。图表12：异 步 电 机图 图表13：同 步 电 机图 来源：Electrical Technology，国金证券研究所 来源：Electrical Technology，国金证券研究所 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 8 2.无框力矩电机：机器人关节电机，国内外 厂商性能差距明显 2.1 为 什 么机 器 人关 节要 用无 框力 矩电 机？机器人关节要求电 机体积小、扭矩大、响应快。机器人关节是机器人各个零部件之间发生相对运动的机构，是机器人结构中重要的组成部分，其重量、结构、尺寸的选择对机器人性能 影响 较大。电机 是机 器人 关节 结构 的主 要部 件，因此，机器人对关节电机的要求 较高，主要包括：1）快速 响应：电机 从获 得指 令信 号到 完成 指令 所要 求的 工作 状态 的时 间应 短。2）起动转矩惯量比大：在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起 动转矩大，转动惯量小。3）体积 小、质量 小、轴向 尺寸 短。4）控制 特性 的连 续性 和直 线性：随着 控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号近似成正比。图表14：机 器 人 关节 要求 电机 体积 小、扭矩 大、响应 快 来源：广西大学电机课堂，国金证券研究所 无框力矩电机 原理：无框力矩电机 是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机，由驱动器供电，驱动器控制 U/V/W 三相电形成电磁场，永磁体的转子在磁场的作用下转动。无框力矩电机 外观：无框力矩电机 没有 轴、轴承、外壳 或端 盖，只有转子和定子两个部件。转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，包含有齿钢叠片，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主体内。图表15：无 框 力 矩电 机工 作原 理 图 图表16：无 框 力 矩电 机 外观图 来源：研一机械 官网，国金证券研究所 来源：研一机械 官网，国金证券研究所 相对 于普 通电 机，无框 力矩 电机 具 有体 积小、扭 矩高、极 端环 境性 能稳 定 等优 势，更符合人 形机 器 人的 需求。1）体积小：无框电机中空式 设计，最大限度减小电机所占空间，更方便走线布置；2）扭矩高：无框力矩电机具有较高的 功 率，在低转速的情 况下，能够输出更大扭矩；3）性能稳定：无框电机的电机组件直接整合到机器元件内，不会受到外界高压、高温环境、辐射的影响。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 9 图表17：科 尔 摩 根的 无框 力矩 电机 实现 更高 扭矩 图表18：科 尔 摩 根的 无框 力矩 电机 实现 更小 尺寸 来源：科尔摩根 微信公众号，国金证券研究所 来源：科尔摩根 微信公众号，国金证券研究所 使用无框力矩电机的机器人案例包括特斯拉 擎天柱 Optimus 以及优必选 仿人 服务机器人Walker。特斯拉 2022 年推出的机器人 Optimus 躯干包括 28 个关 节执 行器，分为 旋转 与线 性两大类，每类包含 3 种执行器。其中旋转执行器解决方案预估为无框力矩电机+谐波减速器+传感器+轴承，用来 实现 类似 人体 关节 的旋 转运 动；直线 执行 器解 决方 案预 估为无框力矩电机+滚柱丝杠+传感器+轴承，用来实现类似人体肌肉的拉伸运动。优必选仿人服务机器人 Walker 在全身关节部位安装了 36 个自研的高性能伺服舵机，该 伺服舵机 是一体化驱动单元，主要 由无框力矩电机、精密谐波减速、驱动控制器及双编码器组成。机器人 拥有从 2.5Nm 到 160Nm 的系列伺服舵机作为 驱动 单元，速度 可以达到 60 转/分钟，支持位置模式、速度模式和力矩模式三种控制方式。图表19：特 斯 拉 擎天 柱关 节执 行器 分为 旋转 和线 性两 类 图表20：特 斯 拉 擎天 柱 关节 执 行器 结构图 来源：特斯拉 AI Day，国金证券研究所 来源：特斯拉 AI Day，国金证券研究所 图表21：优 必 选 仿人 服务 机器 人 Walker 采用无框力矩电机 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 10 来源：优必选微信公众号，国金证券研究所 2.2 如 何 看待 无 框力 矩 电机 的壁垒、竞争格局？壁垒：磁路 和工艺设计。电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标，而 无框力矩电机 要在低压供电的环境下输出 较大的 功率，因此 在磁路和工艺设计方面 存在 一定的技术能力要求。海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势，例如 韩国 TM TECH 转子采用整 体 充磁 磁环 技 术，美国 科尔 摩根 采 用分 布式 的分 数 槽及 碳纤 维绑 扎 技术，德 国 TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内 企业 起步 晚，转矩 密度 和国 外高 端无框力矩电机相比 存在 差距。图表22：海 外 厂 商无 框力 矩电机 及设计工艺 来源：基于辐向环充磁的高转矩密度永磁力矩电机设计与分析，国金证券研究所 格局：全球 龙 头为 科尔 摩根，国 内外 厂商 产品 性能 仍有差距。美国科尔摩根 是全球无框力矩电机龙头，拥有超 70 年的运动控制研发经验，电机性能在全球 处于第一梯队。国内目前进展较快的公司 包括 步科 股份、航天 电器。相比 海外 龙头，国产 无框 力矩 电机 输出扭矩 较小，在产品 性能 方面 仍有差距。图表23：国内外 无框力矩 电机 厂商 对比 公司 主 要 产 品 无 框 力 矩 电机 进 展 22 年营收 科尔摩根（美国）运 动控 制 器、电 机、驱 动器、电 机 和 驱 动 器附 件 等 全 球 领 先 的 运动 控 制系 统 和配 件 供应 商，无 框 力矩 电 机全 球 龙 头，性能 远 超竞 争 对手，实现 轻 重量、高扭 矩，更 符 合 人 形 机器 人 需求 步科股份 人 机界 面、伺 服 系统、步进 系统等 国 内 无 框 力 矩电 机 头部 企 业，目前 无框 电机 产 品 主要 应用 在 协 作 机 器人 5.4 亿元 航天电器 电 机、连 接器、光电 器 件和 广电 设 备、智 能制 造 等 子 公 司 贵 州 航天 林 泉电 机 在 机器 人高 动 态感 知 驱动 功 能部 件 方 面 实 现突 破，技 术 已经 应 用于 惯 导领 域、转 台 领域 及 无 框 力 矩电 机 领域，并产 生 收入 60.2 亿元 来源：各公司官网，各公司公告，国金证券研究所 3.空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔 3.1 为 什 么机 器 人灵 巧手 要用 空心 杯电 机？空心杯电机属于伺服电机，被誉 为“电机皇冠上的明珠”。不同于普通铁芯电 机将 电机绕组固定 在铁芯之上，空心 杯电 机绕 组不 依靠 铁芯 支撑，而是 利用 特殊 工艺 将电 机绕 组做 成可以独立支撑的杯状。由于 采用无铁芯转子 结构，空心杯电机 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，减少了转子自身的机械能损耗，大幅提高了电机的运转性能。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 11 图表24：普 通 铁 芯电 机与 空心 杯电 机对 比 来源：Maxon 官网，空心杯线圈绕线机控制系统设计，国金证券研究所 空心 杯电 机性 能优 越，具有 控制 精 度高、寿 命长、转 速快、能 效高、体 积 小、能量 密度大 等 优 势。控制精度高、寿命长。空心杯电机的 机械时间常数小，一般在 28 毫秒以内，而 铁芯电机 一般在 100 毫秒 以上，因此 空心 杯电 机 响应 时间 极快。由于 电机 特性 为线 性，因而具有理想的控制性能，转 子转速范围宽，便于对转速进行高精度控制操作。此外，空心杯电机换向片数量多，换向时电流波动小，加之电机电感量较小，换向系统在换向时受到的腐蚀小，从而寿命更长，可达 1000-3000 小时，约是 普通 有刷 直流 电机 的4-6 倍。转速 快、能效 高。空心杯电机 由于 采用 无铁芯转子结构，基本 没有 涡流 损耗、磁滞 损耗，所以 最高 转速 设计 可达 10000rpm，最高 能效 多位 于 65%-85%。普 通有刷直流电机由于涡流损耗与转速的平方成正比，故其连续力矩会随转速上升而快速下降，最高转速一般在 5000rpm 以下。此外，由于 铁损 耗与 机械 损耗 的存 在，普通 有刷 直流 电机 的能量转化效率一般在 50%左右。体积小、能量密度大、拖动特性优。与同等功率的普通有刷直流电机相比，空心杯电机体积更小、质量 更轻，因而 能量 密度 更大。此外，其输出转矩较高、转矩脉动更小，加之其换向片数量很多，因而操作更加平稳、可靠，转速波动小且容易控制，具有理想的拖动性能。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 12 图表25：空心杯电机机械时 间常数小、控制精度高（ms）图表26：空 心 杯 电机 转速更 快（rpm）来源：空心杯微型电机及线圈的研究进展，国金证券研究所 来源：空心杯电机定制化管理的应用研究，国金证券研究所 空心 杯电 动机 应用 广泛，与 灵巧 手轻 量化、高 精度 需求 完美 契合。空心杯 电机 凭借性能优越，广泛应用 于工 厂自 动化、机器 人、医疗 技术、航空 航天 等领 域。在机 器人 领域，灵巧手 空间 狭小，需要配备小型化 且控制精度高 的电机。空心 杯电 机尺 寸较 小，直径 一般 不超过 40mm，同时还具有转速高、响应快、精度高等优势，完美契合了灵巧手 对驱动电机的轻量化和高精度要求。例如，因时 机器 人在 灵巧 手中 内置 微型 驱动 器，该驱 动器 为小 型一体化直线伺服系统，内部集成了空心杯电机、精密行星减速器、传感器等部件。图表27：机 器 人 灵巧 手是 空心 杯电 机的 应用 方向 之一 图表28：因 时 机 器人 灵巧 手内 置空 心杯 电机 来源：鸣志电器官网，国金证券研究所 来源：因时机器人，国金证券研究所 3.2 如 何 看待 空 心杯电机 的壁垒、竞争格局？壁垒 1：线圈绕组设计：国内以 卷绕 生产为主，生产效率低 空心杯电机 线 圈绕 制 技术按成型方式分为 卷绕 生产 和 一次成型生产。1）卷绕 生产 工艺 较 为复 杂，先将 铜 线绕 制 成几 何形 状 的空 心 线圈，进而 将线 圈 挤扁，制成 扁平 的铜 线 板，最后 将 线板 绕成 圆柱 状 的线 圈。2）一次成型 技术通过 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 工序。两种 技术 相比，后者 工艺 简单，绕制 效率高。目前我国 生产 空 心杯 电 机多 采 用卷绕 式生 产 技术，生产 效 率较 低，废品 率高，生产 出 来的 线 圈直 径 较小，生 产 高 性能 大 尺寸 的 线圈 技 术有 待 提升。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 13 图表29：一 次 成 型生 产 技术 工 艺相 对简 单、效率 更高 来源：马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究，国金证券研究所 空心杯电机 线 圈绕 制 技术按 线圈绕法 分为 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 的绕制工艺简单，具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，是国 外先 进空 心杯 电机 厂商 常用 的两 种线 圈形 式。例如，德国 Faulhaber 电机采用斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形 线圈，因而 电机 性能更加优越。图表30：空 心 杯 电机 线圈 绕制 形式 来源：马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究，国金证券研究所 壁垒2：绕 线 设备：绕线 机 技术 海 外领 先，国 内 企业 自 动化 程度 低 绕 线机 全 球头 部 厂商 集中 在 欧美 和 日本，包括 瑞士 Meteor、日本 田中 精机、日本 日 特机 械 等企 业。海外 厂商 设 备先 进，基本 实现 了 绕线 设 备的 自 动化、智 能化、网 络化，绕 线设 备质 量 可靠,生 产 效 率高。图表31：绕 线 机 全球 头部 厂商 集中 在欧 美和 日本 绕 线 机 工 艺水 平 代 表 产 品 瑞士Meteor 技 术 先 进，研制 出 诸多 类 型的 线 圈绕 制 设备，全球 占 有率 高 M21、M21S、M22 型 绕线 机 日本田中精机“世界 绕 线机 生 产的 鼻 祖”，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 CNC 可翻 转的 多 轴绕 线 设备 NW7503 绕线机 日本日特机械 全 球 大 型 绕 线机 专 业生 产 商，绕 线机 种 类多 且 性能 可 靠、通 用性 强 BAS 系列、BHS 系列 日本萨比克 专 门设 计 制造 线 圈绕 线 机，在 无骨 架、空 心杯 线 圈绕 线 机领 域 具有 代 表性，绕 线 机 性 能 可靠、经济 性 好，畅 销世 界 各地 PNS-61FA 空 心杯 线 圈绕 线机 来源：空心杯线圈绕线机控制系统设计，马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究，国金证券研究所 例 如：（1）瑞士Meteor 专 业从 事 绕线 机 制造，是 瑞士 MAXON 等 知名 空 心杯 电 机企 业 绕线机供应 商。其M21 系列 绕 线机通过 伺服 电机 实 现线 圈 的精 密 排线，系统 采用CNC 数控 技术 精 准控 制，确 保了 绕 线机 在 高速 运 转状 态下 的 绕制 精 度。（2）日本 日 特机 械 是全 球大 型 绕线 机 专业 生 产行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 14 商，绕 线机 种 类多 且 性能 可靠、通用 性强。其 BAS 系列 是绕 制 各种 空 心线 圈，能够 实 现一 次 成型 的设 备。该绕 线机 采 用高 刚 性的 排 线导 轨，使得 其在 无 槽夹 具 的情 况 下，同 样能 实 现高 质 量的排线绕制。图表32：瑞士 Meteor 和 日本日特机械 绕线机 来源：空心杯线圈绕线机控制系统设计，马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究，国金证券研究所 国 内绕 线 设备 自 动化 程 度低，技 术与 海 外存 在 差距。我国绕线机研发起步晚，线圈设计 以卷绕 式为 主，工序较为 繁琐。部分 绕线 机可 实现 一次成型 绕制，但面 对较 大功 率电 机的 粗线径线圈，国产设备在可靠性和绕制精度方面 相比世界先进水平仍 有 较大差距。国 内绕 线机 厂商 包括 中特 科 技、勤联 科技、台 立电 子 等公 司。以 中 特科 技 为例，其 全自动双轴空心杯绕线机绕制原理 依旧 属于 卷绕 式 生产，工序 相对复杂。勤联科技 的 空心杯绕线机采用一次性绕制成型技术，但 主要适用于 尺寸 较小、线径 较细 的线 圈，对于 大功率空心杯电机 的 线圈绕制 存在一定难度。图表33：中特科技 和勤联科技 绕线机 来源：各公司官网，国金证券研究所 格 局：海外 厂商 技术 领先，国产替代空间广阔。空心杯电机 起源 于德 国、瑞士 等欧 美国 家，全球头部企业包括德国Faulhaber、瑞士 Maxon和 瑞士 Portescap。海外 龙头 在 空心 杯 电机 领 域布 局较 早，技术 经验 积 累深 厚，是全 球空 心 杯电 机的 主 要供 应 商。国内 起步 较 晚，有业 务 布局 的 企业 包 括鸣 志 电器、拓 邦股 份、江 苏雷 利 和伟 创电 气。根据 上述 各 公司 公 告，鸣 志电 器 空心 杯 电机 技 术水 平 位居 全 球前 列；拓邦 股份 空 心杯 电机 已 经实 现 批量 应 用；江 苏雷 利 子公 司 鼎智 科 技的 空 心杯 电 机 已实 现量 产，目前 处于 小 批量 验证 阶 段；伟 创电 气 处于 产 品 内部 测试 阶 段，其余 企业 技术 相对 薄 弱，国 产替 代 空间 广 阔。图表34：国 内 外 空心 杯电 机厂 商对 比 公司 主 要 产 品 空 心 杯 电 机进 展 22 年营收 瑞士 Maxon 机 电驱 动 系统、直流 有 刷电 机、齿轮 箱、传 感 器等 全 球空 心 杯电 机 龙头，ECX、EC-max、EC-4pole 等系列 空 心 杯 电 机远 销 海内 外 58 亿元 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 15 德国 Faulhaber 直流伺服电机 等 空 心 杯 电 机 拥有 BX、CXR、CR 和 CT 四大 系 列产 品 鸣志电器 步 进电 机、无齿 槽&空心 杯 电机 等、LED 驱 动 及 智 能照 明 产品 等 提供8mm-24mm 多 种外 径 及机 身 长度 规 格型 号 的有 刷 空 心 杯 电机，技术 水 平位 居 全球 前 列 30 亿元 拓邦股份 智 能控 制 器、锂 电池、高效 电 机、工控产品等 已 批量应用 于 智能 制造 的 电动 来 爪、医 疗健 康 的骨科 动 力 工 具、智 能 跟随 的 高尔 夫 球包 车 等领 域 89 亿元 江苏雷利 PM 步进 电机、永磁 步进 减 速电 机、同步电机等 子 公 司 鼎 智 科技 的 空心 杯 电机实现 量产，目 前 处于小批量验证 阶段 29 亿元 伟创电气 变 频 器、伺 服系 统、控 制 系统 等 空心杯电机 目前 处 于 内部 测试阶段 9 亿元 来源：各公司官网，各公司公告，国金证券研究所 注释：22 年瑞士 Maxon 销售额 7.08 亿瑞士法郎，采用 23 年7 月29 日汇率，对应人民币58 亿元 相比海外龙头，国内企业具备 价格 优势。选取 瑞士 MAXON 和鸣志电器机座尺寸同为 16mm的机 型相 比，瑞士 MAXON 在 转矩、转速、响应 速度、工作 效率 等指 标 上表 现更 佳，而国 产机型价格更低，具有价格 优势。未来随着 人形机器人应用对空心杯电机市场规 模的拉动，国内 核心供应商有望充分受益。图表35：国内产品 价格 优势 明 显 瑞士MAXON 鸣 志 电 器 产品 ECX SPEED16 空 心杯 电机 ECU16036H18 系列 空 心杯 电 机 机座尺寸（mm)16 16 额定转矩（mNm)15.5 堵转转矩（mNm)366 61.5 空载转速（rpm)61200 17100 最大效率 92%81%最 大 绕 组 温 度（）155 155 机械时间（ms)2.1 1.72 零 售 价 格（元）2510 1057 来源：瑞士 MAXON 官网，鸣志电器官网，国金证券研究所 4.投资建议 考虑当前 电机 市场空间 较大，同时国内厂商在无框力矩电机和空心杯电机技术领域仍有较大提升空间，在 人形机器人产业链 发展催化下，国内厂商有望加速实现国产替代，建议重点关注 无框力矩电机领域的步科股份，空心杯电机领域的鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利。图表36：重点 公 司估 值表 领域 代码 公司 市值（亿元）归 母 净 利润（亿元）PE 2022 2023E 2024E 2025E 2022 2023E 2024E 2025E 无框力矩电机 688160.SH 步科股份 48.05 0.91 1.11 1.39 1.76 52.77 43.21 34.65 27.31 空心杯电机 603728.SH 鸣志电器 252.04 2.47 4.02 6.13 8.55 101.94 62.64 41.12 29.47 002139.SZ 拓邦股份 144.60 5.83 8.16 11.21 14.05 24.82 17.72 12.90 10.29 300660.SZ 江苏雷利 93.52 2.59 3.48 4.61 5.58 36.15 26.84 20.29 16.75 来源：Wind，国金证券研究所（估值日期为 2023 年 7 月 28 日）4.1 步 科 股份：国内无框力矩电机龙头，盈利能力维持 高位 步科股份主营工业自动化设备控制核心部件与数字化工厂软硬件。（1）工业 自动 化设 备控行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 16 制核心部件包括工业人机界面、伺服系统、步进系统等，广泛应用于物流设备、工业机器人等领域。其中工业人机界面产品 19 年市占率国内第八，国产品牌中排名第二。（2）数字化工厂产品包括产线智能终端、智能网关、数据采集器、智能电子看板等，主要应用于制造设备的联网与上云、数字化工厂建设与改造，中小企业产销协同制造等领域。收入、利润增长稳健，盈利能力保持稳定。18-22 年，步科股份收入从 3.19 增长至 5.39亿元，CAGR 达 14.01%；归母 净利 润从 0.36 增长至 0.91 亿元，CAGR 达 26.09%。公司 毛利率相对稳定，18-1Q23 维持在 40%左右。图表37：18-22 年步科股份收入 CAGR 达14%图表38：18-22 年步科股份 归母净利润 CAGR 达26%来源：步科股份 公告，国金证券研究所 来源：步科股份 公告，国金证券研究所 图表39：步 科 股 份毛 利率保持 在 40%左右 来源：步科股份 公告，国金证券研究所 推出第三代无框力矩电机，产品性能 持续提升。步科 股份 于 16 年推出首代无框力矩电机，其后公司持续进行产品研发和技术迭代，并在第二代无框力矩电机中采用多槽分瓣式结构，极大提高了槽满率，降低了温升。22 年步科推出第三代无框力矩电机 FMC 系列，产品 优化 了电磁方案，转矩密度 进一步提升。目前有 52mm-132mm 10 种框架 尺寸，覆盖 3-25kg负载需求，相同转矩下，尺寸 更小，温升更 低。3.49%8.24%25.71%23.78%0.37%4.35%-5%0%5%10%15%20%25%30%01234562018 20
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