中金：空心杯电机的一二三

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特斯拉人形机器人Optimus应用蓝图开启，从最早期2021年AI day上首次发布Tesla bot计划，经过快速发展，2023年5月股东大会上的Optimus已经具有明显的运控能力的改进。我们认为特斯拉在前期新能源汽车领域的核心技术积累以及工程化能力有助于赋能Optimus的持续落地。

摘要

特斯拉Optimus的核心运动控制模组主要为三部分，其中手部环节的精密运控要求更高。从此前公布的Optimus基本参数来看，全身共有28个执行器（14个旋转执行器+14个线性执行器），另外还有手部模组。从技术路线来看，灵巧手的方案主要由腱绳式和连杆式两种，因时、SVH等多采用连杆，Shadow则采用腱绳式。从构成上来看，Optimus的手部模组采用较为经典的六电机+金属腱绳的模式，主要由“编码器+空心杯电机+微型精密齿轮箱+微型丝杆”构成，其中空心杯是其中的核心环节。

空心杯电机被誉为电机领域“皇冠上的明珠”，充分适配灵巧手的应用场景。空心杯取消铁芯的结构设计从本质上解决了铁芯结构带来的种种问题，因此除小尺寸下带来的高功率密度优势之外，空心杯电机还具有效率高、转速快、响应快等特点，分别对应良好的节能效果、动力性能、控制性能等。因此空心杯充分适配灵巧手在实际场景中进行灵活抓握等需求。

空心杯电机份额仍然集中在海外厂商，国产厂商持续推进国产替代。海外厂商起步较早，拥有性能优异的设备和稳定成熟的工艺。国产厂商奋起直追凭借更快的迭代以及性价比和配套服务优势持续追赶。

人形机器人带动空心杯电机及模组以及相关绕线机设备的起量。单台人形机器人对应12个空心杯电机。我们认为随着人形机器人的商业化落地和持续量产推进，空心杯电机有望迎来需求增量。此外我们预计绕线机作为核心的设备也有望大幅受益于空心杯电机需求起量。

风险

人形机器人商业化进度不及预期，新技术应用不及预期，技术路线变动。

正文

空心杯电机是电机领域“皇冠上的明珠”

空心杯因特殊的绕组结构而得名，其转子形似杯子，也因其优异性能被誉为电机领域“皇冠上的明珠”。空心杯电机是一种微型伺服电机，通常来讲尺寸一般较小通常不超过40mm。与传统电机对比来看，一般的直流有刷电机的转子是固定在金属叠片（俗称铁芯）上的线圈，而空心杯电机最大的不同在于其电机绕组取消了铁芯结构设计，转子仅由线圈按照一定的排列绕制而成，转子因形似杯子被形象地称为空心杯电机。1958年Dr. F. Faulhaber博士研发出斜绕组线圈技术并在1965年获得空心杯电机的相关专利，标志着空心杯电机的问世，其创造性的结构设计使得电机可以兼具较小体积和较大效率，也一度使得Faulhaber成为空心杯电机的代名词。

图表1：空心杯电机爆炸图

资料来源：鼎智科技官网，中金公司研究部

图表2：空心杯电机内部则不包括铁芯转子

资料来源：Faulhaber.，中金公司研究部

图表3：传统有刷直流电机结构包含铁芯

资料来源：[1]陈安. 空心杯电机定制化管理的应用研究[D].上海交通大学,2018.DOI:10.27307/d.cnki.gsjtu.2018.000836.，中金公司研究部

从结构上来看，与传统的直流有刷电机相对比，取消铁芯的结构设计从本质上解决了铁芯结构带来的种种问题，进而大幅提升电机性能。除其本身小尺寸下带来的高功率密度优势之外，整体来看空心杯电机具有效率高、转速快、响应快等特点，也分别对应着其良好的节能效果、动力性能、控制性能等优良特点。

► 效率高，带来优良的节能效果：铁芯的存在会使得电机在转动的过程中产生感应电动势和感应电流，进而造成涡损（铁耗的主要部分）。而由于无铁芯电枢设计，空心杯电机在高转速下也基本没有磁损和涡损，且由于重量较轻附加损耗也大幅减少，因此根据Bertotti铁芯损耗分离模型来看，空心杯电机的铁耗较传统铁芯电机而言有显著的优势。根据《空心杯直流电机的特点及其应用》，传统铁芯电机的最大效率约为40-60%，而空心杯电机的最大效率一般都在65-85%以上，且部分产品的最大效率可达90%以上。

图表4：Bertotti铁芯损耗分离模型

资料来源：[1]毕紫莉. 基于Bertotti模型的铁磁材料磁滞及损耗特性研究[D].河北工业大学,2022.DOI:10.27105/d.cnki.ghbgu.2022.000285.，中金公司研究部（f为磁场交变频率、B为磁密幅值，Kh为磁滞损耗系数、Ke为涡流损耗系数，Kex为附加损耗系数）

► 转速高，带来优良的动力性能：根据Bertotti分离模型，铁芯电机铁损中的涡流损耗与电机转速成二次正相关，因此在转速快速提升的情况下连续力矩也会快速下降。因此传统的伺服电机、步进电机大多数都被设计为5,000rpm以下。而空心杯电机由于特殊的空心转子设计，一般而言转速可达10,000-20,000rpm，此外根据鸣志电器官网其EC系列最高转速可达27,200rpm，ECH系列最高空载转速可达45,900rpm，根据鸣志电器招股书其独特的无齿槽空心杯无刷电机最高转速可达100,000rpm。

► 响应快，带来较好的控制性能：传统电机由于铁芯的存在使得转动惯量相对较大，而空心杯电机体积紧凑，且转子是杯状的自支撑线圈，因此重量较轻，其更小的转动惯量也使得空心杯电机具有灵敏的启停调整特性。根据《空心杯微型电机及线圈的研究进展》，一般铁芯电机的机械时间常数约为100ms，而空心杯电机的机械时间常数小于28ms，部分产品甚至小于10ms。

图表5：铁芯电机与空心杯电机的转速对比

资料来源：[1]陈安. 空心杯电机定制化管理的应用研究[D].上海交通大学,2018.DOI:10.27307/d.cnki.gsjtu.2018.000836.，鸣志电器，中金公司研究部

图表6：铁芯电机与空心杯电机的响应性能对比

资料来源：[1]张建,张黎明,朱廷友等.空心杯微型电机及线圈的研究进展[J].内江科技,2019,40(03):92-93.，中金公司研究部

空心杯电机也因其优异的性能价格远超其他铁芯电机，国产售价仍较海外厂商便宜。对比来看，常见的中低功率伺服电机售价约为400-500元/台，步进电机售价约为几十元到小几百元元/只。根据鸣志电器官网，其基座尺寸为10mm、额定电压为6V的空心杯电机+精密减速器售价约为1100~1200元，而Maxon仅单只空心杯电机售价就约为1200元左右。

空心杯电机也因其优异的性能被广泛使用。空心杯下游应用领域广阔，既可以应用在部分对于转速、性能要求等相对较低的场景诸如电动牙刷、洗脸仪、传送带等，也可以用在对抗干扰能力要求较高的航空航天、以及对精度、转速、控制性能要求较高的光学、测量、国防等领域。此外在医疗领域空心杯电机在假肢、外骨骼等领域已经有较为成熟的应用。

图表7：空心杯电机应用场景

资料来源：Faulhaber，Maxoon，中金公司研究部

空心杯电机市场仍以外资为主，核心的壁垒在于绕线

空心杯电机市场仍以老牌海外厂商为主，市场份额仍然集中在头部厂商。空心杯电机发源于瑞士、德国、日本、欧洲等厂商研制较早，具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺。因此市场的主要份额也基本集中在MAXOON和Faulhaber等国际头部空心杯厂商。根据Maxoon官网，2021年全球头部厂商Maxoon的出货量约为500万台，品类超过12000个，销售额约为6.26亿瑞士法郎（合计约为50亿元人民币）。2016年Faulhaber的销售额就超过2亿欧元（合计约16亿人民币）。

► Maxoon：公司成立于1961年，全球约有3200个员工，销售网络遍布全球40多个国家。公司产品系列丰富，包括有刷、无刷空心杯电机，行星齿轮箱、传感器、编码器等。下游市场横跨医疗、工控、安防、汽车、航空航天等。根据公司官网，其空心杯产品直径包括4-90mm，功率从0.3-650w，产品系列丰富。

► Faulhaber：公司历史可以追溯至1947年，最早于1958年由Faulhaber博士设计斜线绕组方式的空心杯电机产品。作为空心杯电机的发明企业，Faulhaber一度成为空心杯你电机的代名词，其产品最小直径甚至可以达到1.9mm，其产品的最大连续扭矩则可以达到200N·m。

空心杯电机生产的关键是线圈的生产，因此其核心壁垒主要在于线圈设计、绕线工艺以及绕线设备。空心杯电机的发展趋势始终是更小的体积、更快的转速、更高的功率密度和更高的良率，而这些性能最直接的影响因素在于线圈绕制。导线的线径、匝数、线性等都直接影响电机的各项核心参数。线圈绕制的核心壁垒直接体现在线圈设计，因为不同的绕线类型在自动化率、铜耗等各有差异；另一方面也体现在绕线设备和绕线方式上，不同的绕线机械绕制的空心杯槽满率有所差异，进而导致稀疏有别，直接影响电机损耗、散热、功率等。而先进的空心杯绕线工艺和设计一直被海外厂商掌控，且海外设备价格昂贵。

壁垒1：线圈设计各有不同，体现厂商对于电机的理解。

直绕式绕线的槽满率相对较高，中部壁薄，由于走线有所堆叠排线容易不整齐，因此往往用于线圈匝数要求较少的绕制；而斜绕式和马鞍式是当前国际厂商主流的线型设计，对比来看马鞍式更省材，且功率更小。根据《马鞍形空心杯电机线圈绕制设备研究》Faulhaber 采用的是斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形绕制方法。

图表8：三种空心杯电机线圈绕制模型和实物图

资料来源：[1]张忠强. 永磁无刷空心杯电机及控制器研究[D].哈尔滨工程大学,2015.，中金公司研究部

壁垒2：绕卷式相对简单但步骤多人工参与率高，一次成型大幅提升效率

绕卷式：绕卷式工艺步骤繁多，人工参与率较高，且难以满足较小尺寸的空心杯线圈绕制。绕卷式的工艺主要分为两步，一步绕线，一步卷筒。首先需要在绕线机上绕制线圈坯，然后在线坯上粘接胶带随后展平，最后将扁平线坯进行卷筒，并在接点处浸锡焊接，最后使得首尾相接，形成空心杯线圈。根据《绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备》绕卷式工艺下一台绕线机配置4名工人即可达到年产3万台的产量，但绕卷式的局限性在于其更适用于20-30mm的空心杯直径，难以绕制抽头间距小于7mm的较小尺寸线圈，即直径小于10~12mm。

图表9：绕卷式空心杯的示意图

资料来源：赵秉生,苏克科,邱鹤年.绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备[J].微特电机,1985(04):33-35.，中金公司研究部

图表10：绕卷式空心杯电机的工艺流程

资料来源：赵秉生,苏克科,邱鹤年.绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备[J].微特电机,1985(04):33-35.，中金公司研究部

一次成型生产技术：一次成型技术有利于缩减生产过程并提高效率。一次成型技术是绕线机在卷筒上使得线圈直接缠绕在轴心处，进而高效进行自动化生产。

图表11：一次成型绕制过程示意图

资料来源：[1]张忠强. 永磁无刷空心杯电机及控制器研究[D].哈尔滨工程大学,2015.，中金公司研究部

壁垒3：绕线机是空心杯线圈的核心制造设备

设备水平决定工艺水平，绕线机的难点在于超细导线的张力控制和不同线型设计下的绕制。绕线机主要有机架、主轴结构、排线结构、张力控制结构、模具等组成。由于导线较细，一般直径约为0.02~0.25mm，因此需要配置高精度的PLC、伺服以及传动器件等；此外在导线进给的过程中，如果张力较大则拉扯容易使得导线电阻增加，如果张力过小则容易使得排线疏松绕线品质下降。而从线型的角度来看，斜绕线圈技术相对成熟，菱形一次成型技术则相对较少，大多数仍以绕卷式为主。

人形机器人打开空心杯市场空间

特斯拉人形机器人灵巧手打开空心杯市场空间。空心杯电机原本是一款定位于细分市场的中高端微特电机，市场规模相对有限，全球最大的Maxon公司2021年营业收入合计约50亿元人民币。但随着2022年特斯拉人形机器人Optimus的问世以来，灵巧手再度打开空心杯电机的想象空间。人形机器人在实际应用场景中需要进行灵活、细致的抓握等动作，因此灵巧手需要在仿生人类手掌大小的基础上还需具备较大的输出力矩，也对相关运控部件的功率密度有较高要求。而空心杯电机具有高传动效率、高响应速度的优势，将其与微型齿轮箱、精密丝杠等集成为微型模组，天然适用于人形机器人的手指环节。

特斯拉人形机器人产业大幕拉开，越来越多的厂商逐步加入灵巧手项目的开发，我们看到国内外不同公司贡献差异化的解决方案，并持续探索更高效、更灵活、更具性价比的灵巧手，持续带动产业化落地。2023年腾讯RoboticsX实验室发布自研灵巧手TRX-hand以及TRX-arm，拥有三根手指和8个独立控制关节；此前因时也发布了自己的RH56BFX系列和RH56DFX系列产品，整体具有6个自由度和12个运动关节。

图表12：已有灵巧手的参数对比

资料来源：公司官网，中金公司研究部

当前已有诸多灵巧手方案，但整体技术路线聚焦在腱绳式和连杆式两种。对比来看，腱绳式的方案可以实现长距离传动，电机配置位置更灵活提升灵巧手设计的自由度；而连杆式的承重能力相对较高，对比来看采用腱绳式的Shadow在4.3kg自重的情况下负载5kg，而IH2在0.64kg的自重夏也同样可以负载5kg。

► 连杆式：此处以ILDA的连杆式灵巧手为例，其拥有15个自由度和34N的指尖力。其单根手指内部具有三个微型电机模组（如图d1、d2、d3），每个微型电机前端连有丝杆，当d1、d2、d3以不同的垂直方向运动时则会对应如图b-f的手指运动模式，而不同的手指运动组合出手指运动方式。

► 腱绳式：Shadow的灵巧手有24g额关节和20个自由度，且通过40根气动肌肉利用腱式传动，如下图xx所示一个自由度需要由两组腱在动力装置的驱动下共同完成。

图表13：连杆式运控手指结构

资料来源：[1]Kim Uikyum, et al.”Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand.” Nature Communications 12.1(2021). doi:10.1038/S41467-021-27261-0.，中金公司研究部

图表14：腱式运控手指结构

资料来源：[1]靳果,邱兵涛,韩枫.Shadow仿人灵巧手动力学研究[J].电子设计工程,2016,24(24):102-104.DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2016.24.029.，中金公司研究部

特斯拉的Optimus灵巧手采用经典的六电机+金属腱绳方案。其中大拇指外的每节手指对应一个空心杯电机模组，大拇指环节同时完成伸缩和翻转两个动作配备两个空心杯电机模组。具体来看，空心杯电机模组方案为编码器+空心杯电机+精密齿轮箱+丝杆（如下图15），其中空心杯电机负责输出高转速，齿轮箱负责提升力输出，丝杆则将旋转运动转化为直线运动，而金属肌腱连接终端丝杆，在电机旋转之下最终模拟手指的抓取功能。

图表15：特斯拉Optimus的灵巧手

资料来源：特斯拉发布会，中金公司研究部

图表16：空心杯电机模组示意图（编码器+空心杯+微型精密齿轮箱+微型螺杆）

资料来源：Faulhaber，中金公司研究部

特斯拉人形机器人有望带动空心杯电机及相关绕线设备的需求放量。

空心杯及电机模组：特斯拉当前方案的灵巧手对应单手掌配备6个空心杯电机，单台机器人对应12个空心杯电机。当前来看，空心杯电机的价格相对较高，但考虑在规模化量产的情况下，我们预计单个空心杯电机或降至600元左右的单价，结合微型精密齿轮箱、编码器、微型丝杆等配套为空心杯电机模组的价值量或降至1000-1200元。随着未来人形机器人的商业化落地和持续量产推进，空心杯电机需求也有望迎来持续放量。

空心杯绕线机：以当前市场较为常见的绕卷式工艺为例，根据1985年上海微电机所的《绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备》，绕制速度约为12-15分钟/只，当前来看随着工艺水平的提升，绕制速度已经提升至3分钟/只左右。当前来看绕卷式的单轴绕线机单价多为不超过20万元的水平，多轴绕线机售价则根据产品复杂程度售价不一。

投资建议

我们建议关注在空心杯电机领域具有产品化能力的头部厂商和核心设备厂商。

文章来源

本文摘自：2023年6月23日已经发布的《空心杯电机的一二三》

曾韬 分析员 SAC 执证编号：S00 SFC CE Ref：BRQ196

江鹏 联系人 SAC 执证编号：S00

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