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空心杯电机:人形机器人灵巧手关键零部件 市场迎百亿
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-04-18 08:32:42 浏览:8

  一直以来应用医疗器械、航空航天等高端领域的空心杯电机,在人形机器人带来巨大增量空间的当下,投资逻辑已经发生变化。

  传统直流电机被广泛应用于工业生产、家用电器、交通运输等领域,由定子和转子两大核心部分组成,空心杯电机是一种特殊的直流电机。空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式,采用的是无铁芯转子,其电枢绕组为空心杯线圈,形状类似水杯,因此被称为“空心杯电机”。

  与传统直流电机相比,空心杯电机首先具备节能特性,由于无铁芯设计彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,能量转换效率很高,其最大效率一般在70%以上,部分产品可达到90%以上(铁芯电动机一般在70%)。

  同时具备控制特性,其起动、制动迅速,响应极快,机械时间常数小于28毫秒,部分产品可以达到10毫秒以内(铁芯电动机一般在100毫秒以上);在推荐运行区域内的高速运转状态下,可以方便地对转速进行灵敏的调节。

  此外还有拖动特性,即运行稳定性十分可靠,转速的波动很小,作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内;以及轻量化特性,与同等功率的铁芯电动机相比,其重量、体积减轻1/3-1/2,能量密度大幅度提高。

  空心杯电机可以说是高端的直流、永磁、伺服微特电机,上游原材料与微特电机原材料类似,包括铜、钢材、磁钢、轴承、塑料等。空心杯电机最初被应用于航空、航天、军事等尖端行业,近年来其应用领域逐步扩展至民用行业,如医疗装置、消费类电子产品、电动工具、工业自动化等场景。

  空心杯电机属于微特电机的一个细分领域,原本市场规模并不大,但是人形机器人的发展,给其带来了广阔的增量空间。

  据SKYQUEST数据,2022年全球微特电机市场规模为406.5亿美元,2030年预计达到560.7亿美元,2022-2030年CAGR为4.1%,其中2022年全球空心杯电机市场规模同比增长10.55%至7.48亿美元,增速、体量都很一般。

  但得益于以ChatGPT为代表的大模型使得通用人工智能得到质的飞跃,有望从语言能力、视觉能力、运动控制和降低成本等几个方面推动人形机器人的落地,加上特斯拉作为行业标杆,5月在TeslaAIDay发布的Optimus最新进展超预期,量产预期提前,人形机器人热度陡然飙升。

  资料显示,灵巧手作为机器人的末端执行器,从3指的Stanford/Jpl手到DIST手、UB手、NASA手、Shadow手等,在学术上已经进行了大量研究。对于人形机器人而言,其灵巧手应该具备体积小、美观、捏紧力大、负载力强等特点,因此对于灵巧手的动力源有较高的要求,目前特斯拉为代表的着力于人形机器人量产化的企业主要采用了空心杯电机方案。

  据安信证券研究中心测算,以Optimus为例,在大规模量产价格600的假设下,空心杯电机单台机器人价值量为7,200元,占总成本4.43%,属于占比较高的零部件环节。手部关节除空心杯电机外,还需要搭配行星齿轮箱、滚珠丝杠、传感器和编码器,组成模组使用,空心杯电机占手部执行器成本的54.5%。

  以此假设为前提,在人形机器人销量分别为10、50、100万台时,空心杯电机市场规模分别为12、48、72亿元,相对于2022年市场规模的弹性分别为23.2%、93.0%、139.5%。

  申万宏源观点认为,若仅考虑特斯拉人形机器人:根据马斯克在22年AIDAY的演讲,公司将在3-5年面向消费者销售,前期将在工厂中使用,机器人销量的趋势参考其电动车,产品成熟后销量将呈指数级增长。中期阶段,针对特定场景的机器人量产,人形机器人产量在乐观、中观、悲观的假设下分别为10万、5万、1万台;远期阶段,面向大众的人形机器人产品规模化量产,产量在乐观、中观、悲观的假设下分别为100万、50万、10万台。

  参考目前的硬件架构,单台机器人的空心杯电机使用数量为12个。参考公司官网的产品报价,假设中期空心杯电机单价1000元,远期降至800元。测算得到,中期空心杯电机的增量空间在乐观、中观、悲观的假设下分别为12亿、6亿、1.2亿元;远期分别为96亿、48亿、9.6亿元。

  若考虑后续全球其他品牌机器人陆续推出:其他假设不变,假设远期特斯拉在人形机器人中占比20%,则空心杯电机的增量空间在乐观、中观、悲观的假设下分别为480亿、240亿、48亿元;假设远期特斯拉在人形机器人中占比50%,则空心杯电机的增量空间在乐观、中观、悲观的假设下分别为192亿、96亿、19亿元,同样有着巨大增幅。

  根据立鼎产业研究网信息,全球空心杯电机市场的主要制造商包括Maxon、Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technolgies等公司,目前这四家制造商占据了市场份额的65%以上。海外厂商如德国Faulhaber和瑞士的Maxon等企业深耕行业多年,行业地位较高,且掌握了大批量生产的核心工艺,国内大多数厂商主要受制于此项工艺。

  无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成,这是一根绝缘铜线,外面有一层漆。在制造过程中,通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔化在一起。适当的粘合(胶带或玻璃纤维)可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性,这一点在高电流负载下尤为重要。

  海外绕线工艺发展早,自动化程度高于国内。国内主要采用绕卷式生产,工艺比较繁琐,工人劳动强度大,无法完成线径较粗的线圈,废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术,自动化程度较高,生产效率高,线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密,电机种类多、性能好。

  以Maxon、Faulhaber、Portescap为代表的海外企业成立超60年,技术起步早、工艺积累深,海外有刷/无刷空心杯电机最小尺寸可做到6mm/3mm量级,而国内仅能做到8mm/12mm,在功率、效率等部分性能参数方面仍有差距。

  不过降本需求和政策驱动下,国产替代会持续加速。目前人形机器人落地的难点之一在于其高昂的成本,降本需求迫切。与海外企业相比,我国企业具备价格低廉、交付周期短、响应迅速等优势。鸣志电器产品大部分性能已对标国际产品,可满足人形机器人对空心杯电机的要求。

  加上《基础电子元器件产业发展行动计划(2021—2023年)》中提出重点产品高端行动,包括“小型化、集成化、高精密、高效节能微特电机”,随着国产厂商陆续切入空心杯电机领域,在技术上实现追赶超越,国内企业份额预计会稳步提升。

  首先是HB步进电机份额全球第四的鸣志电器,其在空心杯电机领域同样具备领先优势,公司有刷空心杯电机外径可做到8mm。其空心杯电机领域相关专利可追溯至2015年,2019年收购瑞士Technosoft Motion AG,进一步加强其在空心杯电机领域的优势。

  截至2022年底,公司共取得专利546项,数量较2018年增长一倍以上,其中发明专利55项。具体到空心杯电机,根据国家知识产权局查询结果,检索关键词“空心杯”,鸣志电器共检索到12项有效专利,包括3项发明专利和9项实用新型专利,在2015年已具备自主知识产权。

  其次是微特电机隐形冠军鼎智科技,其空心杯电机属于无刷电机,根据产品构思、结构设计,确定绕线原理,攻克了绕线工艺、绕线成型、线包固化等多项技术难点,相关专利正处于申请过程中。目前公司已实现空心杯电机全自动量产,并能针对客户的不同需求提供定制化产品和组件。当前多款样品处在测试阶段。

  并且,鼎智科技和母公司江苏雷利同样专注于微特电机领域,可形成协同效应,在渠道扩展、客户开发、提供一体化解决方案等方面具备优势。

  拓邦股份则是智能龙头,电机业务从2007年开始布局,2008年门槛成为国内第一家空心杯电机制造企业,2010年空心杯电机率先应用于医疗产品并得到市场认可,2014年成为德语区空心杯电机核心供应商。公司电机产品包括空心杯电机、直流无刷电机及伺服、步进系统,目前公司有刷空心杯电机产品尺寸为16-40mm,无刷空心杯电机尺寸为12-40mm。

  2020年公司募投项目“拓邦惠州第二工业园项目”达产后将形成年产1.3GWh的锂电池产品以及年产860万件高效电机产品的生产能力,高效电机以直流无刷电机为主,也包括一部分空心杯电机产品。截至目前,公司空心杯电机已经在智能制造的电动夹爪、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实现批量应用。

  伟创电气在2022年成立了机器人行业部,切入机器人产业链,主要面向移动类、协作类、服务类的机器人领域,提供低压伺服、空心杯电机、特种无框力矩电机等核心部件。产品目前在内部测试阶段,具有高转速、高扭矩、低噪音振动等优势。

  此外还有禾川科技,一家专注于工业自动化产品的研发、制造、销售及应用集成,致力于为智慧工厂提供核心部件和系统集成解决方案的企业,公司较早进入了工业机器人行业的国产伺服品牌,公司目前已有空心杯电机产品,但还未进行销售。