電機驅動是機器人發展趨勢

機器人驅動方式可分為液壓驅動、氣體驅動和電機驅動三種，其中電機驅動是應用最廣泛的方式，具有高精度、實時響應等優勢，更適合如今機器人發展趨勢。

電機驅動為機器人主要驅動方式，驅動系統是使機器人發出動作的機構，是機器人的關鍵部件，按照動力來源可分為液壓驅動、氣體驅動和電機驅動三種方式，其中液壓驅動和電機驅動較為常見。美國波士頓動力公司在其Atlas機器人中使用液壓驅動方式因其驅動強勁、爆發力強適用于彈跳、負重等活動，適用于注重運動能力的Atlas機器人。其余的大部分機器人公司采用電機驅動如特斯拉人形機器人Optimus更注重智能化，采用高扭矩密度電機伺服技術。電機驅動在動作的精準控制方面與其他驅動方式相比更勝一籌，配合處理器編碼器可獲得實時運動狀態反饋，更適合如今注重智能化、多功能的機器人發展趨勢。

電機是根據電磁感應原理將電能轉化為機械能的部件，可分為直流電機、交流電機和特種電機；機器人用電機需具備快速響應、起動轉矩慣量比大、運動控制精度高等特性。

電機上游為原材料與零部件，稀土磁鋼和硅鋼片占主要成本;中游為電機的制造，高端產品以國際廠商為主;下游為電機在機器人中的應用，人形機器人采用無框力矩電機和空心杯電機，其快速發展將為電機市場帶來增量。

電機的上游是原材料與零部件。以永磁同步電機為例，原材料成本中，稀土磁鋼和硅鋼片占比最高，合計超50%。原材料對電機的性能具有重要影響，其中編碼器影響電機運動控制功能，高端產品主依賴進口重要元件芯片、碼盤的制作工藝難度較大，是國產化的主要壁壘。磁性材料是電機的關鍵原材料之一、對電機的性能有著重要影響。評估永磁材料磁性能的關鍵參數主要是內京矯頑力和磁能積，二者數值越大，磁體越不容易退磁、體積越小。對比常見的幾種永磁材料的內稟矯頑力、磁能積、剩磁強度和工作溫度參數，可見燒結釹鐵硼內磁性材料是電機的關鍵原材料之一、對電機的性能有著重要影響。評估永磁材料磁性能的關鍵參數主要是內稟矯頑力和磁能積，二者數值越大，磁體越不容易退磁、體積越小。對比常見的幾種永磁材料的內稟矯頑力、磁能積、剩磁強度和工作溫度參數，可見燒結釹鐵硼內矯頑力和磁能積數值遠高于其余幾種材料具有極強的性能。釹鐵硼為第三代稀土永磁產品，性能與一、二代產品相比有極大的突破，且價格低廉.以儲量豐富的鐵和釹取代了昂貴的戰略物資鈷和資源稀缺的釤、被稱為“磁王”、是目前機器人、新能源汽車、風力發電等領域的關鍵材料之一矯頑力和磁能積數值遠高于其余幾種材料具有極強的性能。釹鐵硼為第三代稀土永磁產品，性能與一、二代產品相比有極大的突破，且價格低廉.以儲量豐富的鐵和釹取代了昂貴的戰略物資鈷和資源稀缺的釤、被稱為“磁王”、是目前機器人、新能源汽車、風力發電等領域的關鍵材料之一。

中游為電機的制造，中國電機產業超步較晚、目前中低端產品已實現國產替代、高端產品以國際廠商為主。人形機器人的高成長賽道將為中國企業突破高端電機帶來機會。

不同的應用場景使用不同種類的電機。工業機器人對精度要求較高，一毅使用伺服電機，協作機器人具有小型、輕量化特性，主要使用無框電機，人形機器人注重輕量化、靈巧性、結構緊湊，因此較多采用無框力矩電機和空心杯電機。

力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調速范圍的特種電機，有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點。力矩電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力。

力矩電機的特點是具有軟的機械特性，可以堵轉。當負載轉矩增大時能自動降低轉速，同時加大輸出轉矩。當負載轉矩為一定值時改變電機端電壓便可調速，但轉速的調整率不好。因而在電機軸上加一測速裝置，配上控制器，利用測速裝置輸出的電壓和控制器給定的電壓相比，來自動調節電機的端電壓，使電機穩定。

無框力矩電機只提供兩個單獨的組件，定子和轉子，不包括輸出軸，軸承和端蓋，無框電機可以通過支撐負載和電機本身的同一個軸承與負載進行直接耦合，這種結構消除了軸，軸承，端蓋，聯軸器，降低了電機的體積，重量和復雜性，而且也使得伺服剛性和快速響應進一步改善。無框電機可以添加包括構成整個電機所需要的霍爾傳感器以及額外的位置反饋裝置，譬如編碼器或者旋轉變壓器等單獨的組件。

無框力矩電機的結構特點使其能夠直接嵌入機構中，中空設計便于布線，實現高度集成化，從而縮小終端產品體積。此外，無框力矩電機具有高扭矩、性能穩定和高精度等優點。

無框力矩電機，機器人的不可或缺之一：無框力矩電機在人形機器人中具有廣泛的應用潛力。它可以用于模仿關節的活動，也可用于模擬肌肉的拉伸。特斯拉的人形機器人Optimus就在14個線性執行器和14個旋轉執行器中使用了無框力矩電機，以實現精準控制并節省空間。

我國無框電機行業集中度較高，龍頭企業占據市場主導地位。我國無框電機市場主要參與者包括步科股份、昊志機電、江南奕帆等。步科股份為我國無框電機龍頭企業，專注于機器人用無框電機以及空心杯電機的研發、生產及銷售，目前公司已成功推出具有溫度控制穩定、尺寸小、功率密度高等優勢第三代無框電機，產品在高端人形機器人領域擁有廣闊應用前景。據步科股份企業年報顯示，2023年公司實現營收5.06億元，同比減少6.09%。

空心杯電機全球市場發展增速強勁。2022年全球空心杯電機市場規模為51億人民幣，預計2028年市場規模將達到83億人民幣，期間復合年均增長率約8.5%。

分地區產量：2022年中國空心杯電機產量占比為56%，成為全球最大的空心杯電機產地，歐洲和北美地區產量占比分別為15%和11%。

2022年全球空心杯電機市場規模7.48億美元，同比增長10.55%，增速高于微特電機2022年的同比增速。其中，有刷空心杯電機市場規模4.92億美元，占比65.8%；無刷空心杯電機市場規模2.56億美元，占比34.2%。隨著空心杯電機技術的持續成熟，無刷空心杯電機占比預計持續提升，2028年預計達到42.2%。

圖表：2021-2028年全球有刷、無刷空心杯電機市場規模（單位：億美元）

數據來源：中研普華產業研究院

空心杯電機與微特電機產業鏈相似。空心杯電機歸屬于微特電機，其上游原材料與微特電機相似，包括銅、鋼材、磁鋼、軸承、塑料等。最初，空心杯電機主要應用于航空、航天、軍事等高科技領域，近年來其應用領域逐漸擴展至民用行業，包括醫療設備、消費電子產品、電動工具、工業自動化等各個領域。