电机驱动是机器人发展趋势

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。

电机驱动为机器人主要驱动方式，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，其中液压驱动和电机驱动较为常见。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。

电机是根据电磁感应原理将电能转化为机械能的部件，可分为直流电机、交流电机和特种电机；机器人用电机需具备快速响应、起动转矩惯量比大、运动控制精度高等特性。

电机上游为原材料与零部件，稀土磁钢和硅钢片占主要成本;中游为电机的制造，高端产品以国际厂商为主;下游为电机在机器人中的应用，人形机器人采用无框力矩电机和空心杯电机，其快速发展将为电机市场带来增量。

电机的上游是原材料与零部件。以永磁同步电机为例，原材料成本中，稀土磁钢和硅钢片占比最高，合计超50%。原材料对电机的性能具有重要影响，其中编码器影响电机运动控制功能，高端产品主依赖进口重要元件芯片、码盘的制作工艺难度较大，是国产化的主要壁垒。磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内京矫顽力和磁能积，二者数值越大，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内磁性材料是电机的关键原材料之一、对电机的性能有着重要影响。评估永磁材料磁性能的关键参数主要是内禀矫顽力和磁能积，二者数值越大，磁体越不容易退磁、体积越小。对比常见的几种永磁材料的内禀矫顽力、磁能积、剩磁强度和工作温度参数，可见烧结钕铁硼内矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一矫顽力和磁能积数值远高于其余几种材料具有极强的性能。钕铁硼为第三代稀土永磁产品，性能与一、二代产品相比有极大的突破，且价格低廉.以储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐、被称为“磁王”、是目前机器人、新能源汽车、风力发电等领域的关键材料之一。

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，一毅使用伺服电机，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。

力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。力矩电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。

力矩电机的特点是具有软的机械特性，可以堵转。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，但转速的调整率不好。因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器，利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。

无框力矩电机只提供两个单独的组件，定子和转子，不包括输出轴，轴承和端盖，无框电机可以通过支撑负载和电机本身的同一个轴承与负载进行直接耦合，这种结构消除了轴，轴承，端盖，联轴器，降低了电机的体积，重量和复杂性，而且也使得伺服刚性和快速响应进一步改善。无框电机可以添加包括构成整个电机所需要的霍尔传感器以及额外的位置反馈装置，譬如编码器或者旋转变压器等单独的组件。

无框力矩电机的结构特点使其能够直接嵌入机构中，中空设计便于布线，实现高度集成化，从而缩小终端产品体积。此外，无框力矩电机具有高扭矩、性能稳定和高精度等优点。

无框力矩电机，机器人的不可或缺之一：无框力矩电机在人形机器人中具有广泛的应用潜力。它可以用于模仿关节的活动，也可用于模拟肌肉的拉伸。特斯拉的人形机器人Optimus就在14个线性执行器和14个旋转执行器中使用了无框力矩电机，以实现精准控制并节省空间。

我国无框电机行业集中度较高，龙头企业占据市场主导地位。我国无框电机市场主要参与者包括步科股份、昊志机电、江南奕帆等。步科股份为我国无框电机龙头企业，专注于机器人用无框电机以及空心杯电机的研发、生产及销售，目前公司已成功推出具有温度控制稳定、尺寸小、功率密度高等优势第三代无框电机，产品在高端人形机器人领域拥有广阔应用前景。据步科股份企业年报显示，2023年公司实现营收5.06亿元，同比减少6.09%。

空心杯电机全球市场发展增速强劲。2022年全球空心杯电机市场规模为51亿人民币，预计2028年市场规模将达到83亿人民币，期间复合年均增长率约8.5%。

分地区产量：2022年中国空心杯电机产量占比为56%，成为全球最大的空心杯电机产地，欧洲和北美地区产量占比分别为15%和11%。

2022年全球空心杯电机市场规模7.48亿美元，同比增长10.55%，增速高于微特电机2022年的同比增速。其中，有刷空心杯电机市场规模4.92亿美元，占比65.8%；无刷空心杯电机市场规模2.56亿美元，占比34.2%。随着空心杯电机技术的持续成熟，无刷空心杯电机占比预计持续提升，2028年预计达到42.2%。

图表：2021-2028年全球有刷、无刷空心杯电机市场规模（单位：亿美元）

数据来源：中研普华产业研究院

空心杯电机与微特电机产业链相似。空心杯电机归属于微特电机，其上游原材料与微特电机相似，包括铜、钢材、磁钢、轴承、塑料等。最初，空心杯电机主要应用于航空、航天、军事等高科技领域，近年来其应用领域逐渐扩展至民用行业，包括医疗设备、消费电子产品、电动工具、工业自动化等各个领域。