空心杯电机行业报告：外资占据主导地位，人形机器人打开成长空间

报告出品方：财通证券

以下为报告原文节选

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1 空心杯电机采用无铁芯转子，性能远超传统电机

空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电机。空心杯电机通常尺寸较小，直径不超过 40mm，也可归类为微型电机。空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。空心杯电机的定子由永磁体、壳体和法兰组成。其中磁体通常采用烧结钕铁硼材料，并且磁体的性能直接影响着电机的性能。空心杯电机磁体需要在径向方向上进行磁化，因此圆环磁体的端面上设有槽，这是它的显著特点之一。空心杯电机的壳体提供了恒定的磁场，从而有效地消除了铁损耗。空心杯电机产生的转矩均匀分布，即使在低速下也能保持平稳运行。在高速运行时，电机还能减少振动和噪音的产生。电机的转子包含绕组和换向器，绕组通过一组称为换向板的连接件连接到轴上。线圈在磁铁和外壳之间的气隙内移动。电机的换向系统采用贵金属刷片，有效降低了电刷火花的产生，减少了电磁辐射。

1）有刷空心杯电机：采用机械换向，磁极固定，线圈旋转。在工作时，线圈和换向器一起旋转，而磁钢和碳刷保持静止。电机通过换向器和碳刷的交替接触，使线圈电流方向随着电机的转动而变化。然而，由于碳刷的摩擦，会导致能量损耗，需要定期更换碳刷。此外，碳刷与线圈接线头之间的断续接触会产生电火花，并干扰电子设备。有刷空心杯电机采用空心杯线圈转子，具有无齿槽转矩、小转动惯量、灵敏反应和高扭矩的特点，适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行业。
2）无刷空心杯电机：采用电子换向，线圈固定，2 磁极旋转。无刷空心杯电机利用电子设备、霍尔元件感知永磁体磁极的位置，并根据感知结果，使用电子线路适时切换线圈中电流的方向，确保产生正确方向的磁力来驱动电机。由于采用自控式运行，无刷空心杯电无需像变频调速下的同步电机那样在转子上额外增加启动绕组，也能避免在负载突变时产生振荡和失步现象。无刷空心杯电机采用无齿槽结构线圈，消除了齿槽转矩，并大幅提升了电机的效率和功率密度。它适用于需要长时间连续运行和具有较高控制要求或可靠性要求的应用场景。

由于空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构，采用了无铁芯转子，因此彻底消除了铁芯形成的涡流造成的功率损耗，同时其转动惯量大大降低，响应速度快，具有良好的控制特性和伺服性能。
节能特性：空心杯电机的能量转化效率一般超过 70%，部分产品能够达到 90%以上，而传统电机的转化效率通常在 70%以下。
控制特性：空心杯电机具有快速响应速度和较小的机械时间常数，一般在 28 毫秒以内，部分产品甚至可以小于 10 毫秒。相比之下，铁芯电机的机械时间常数通常在 100 毫秒以上。此外，空心杯电机具有良好的启动和停止特性，在高速运行时，转速调节灵敏。
拖动特性：空心杯电机运行稳定可靠，转速波动较小且易于控制，通常可控制在2%以内的范围内。
能量密度特性：空心杯电机具有较高的能量密度，相较于相同功率的传统铁芯电机，空心杯电机的重量可以减轻 1/3 至 1/2，体积减小 1/3 至 1/2。

空心杯电机的核心生产壁垒主要集中在线圈的设计、绕线工艺和绕线设备三大方面。线圈的绕制过程直接影响了空心杯电机体积、转速、功率密度和良率等性能。
直绕式绕线可以实现较高的槽满率，但中部壁厚较薄，线路的堆叠排列容易不整齐，因此通常适用于匝数要求较少的线圈绕制。而斜绕式和马鞍式则是目前国际厂商主流采用的线型设计，其中马鞍式绕线相比之下更节省材料，并且功率更小。例如，Faulhaber 采用斜绕式线圈设计，瑞士 Maxon 电机则采用马鞍式绕线方法。
绕线工艺：包括绕卷式和一次成型生产技术。
绕卷式工艺对于较小尺寸的空心杯线圈绕制存在一些挑战，工艺步骤繁多且人工参与率较高。根据《绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备》的报告，使用绕卷式工艺，一台绕线机配备 4 名工人，年产量可达 3 万台。然而，其局限性在于其更适用于直径为 20-30mm 的空心杯，难以绕制抽头间距小于 7mm 的较小尺寸线圈。
一次成型生产技术自动化程度高，在生产效率和成本上具备优势。一次成型技术有利于缩减生产过程并提高效率，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。
绕线设备：设备水平直接影响工艺水平，大多数绕线机仍以绕卷式为主要方式。绕线机主要由机架、主轴结构、排线结构、张力控制结构和模具等组成。由于导线的直径通常在 0.02~0.25mm 之间，属于超细导线，因此需要配置高精度的 PLC、伺服和传动器件等设备。在导线的进给过程中，适当的张力控制至关重要。如果张力过大，容易拉扯导线导致电阻增加；如果张力过小，会导致排线疏松，从而降低绕线质量。

2 行业规模持续增长，欧企主导高端市场

2.1 空心杯电机市场规模持续增长，灵巧手应用打开想象空间

空心杯电机市场规模将持续不断扩大。根据 NTCysd 测算，2022 年全球空心杯电机市场规模为 51.0 亿人民币；另根据 NTCysd 预计，2028 年市场规模将达到 83.0亿人民币，期间 CAGR 约 8.5%。

空心杯电动机从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，十多年来得到迅速的发展。随着工业技术的飞速发展，下游厂商对电动机的伺服特性不断提出更高要求，由于空心杯电动机避开了有铁芯电动机的多种技术弊端，在很多应用场合拥有不可替代的地位。
推动空心杯电机市场增长的关键因素在于全球范围内对医疗设备、仪器仪表、电动工具、工业自动化、航空航天以及交通运输需求的持续扩大。同时，在需要快速响应（如军工、检测）和对重量和能耗要求较高（如无人机、机器人）等领域广泛应用。
中国与欧洲为主要市场，高端市场仍被欧企主导。根据 QY Research 数据，2021年中国和欧洲的空心杯市场份额分别为 34.8%、25.9%。空心杯电机由于绕组设计和制造工艺复杂，生产自动化率和成品率要求高，导致其生产成本高，劳动力成本高，而且对操作者的技能水平要求高，限制了大规模生产。由于瑞士、德国等欧洲以及北美厂商对空心杯电机研发较早，具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺。

2.2 空心杯电机行业的高端市场仍被欧企主导

目前全球空心杯电机的竞争格局呈高度集中状态，CR4 值超过 65%。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，目前这四家顶级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。Faulhaber 和 Maxon 销售的空心杯电机+齿轮箱+编码器集成件年销售额超 30 亿欧元，产品主要面向军工和工业市场。
海外重点公司一：Maxon

公司成立于 1961 年，全球约有 3300 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，2022 年营业额达7.08 亿瑞士法郎。除了持续开发产品和改善制造工艺之外，该机构对用于生产和检测的设备也相当注重。共有 200 多名员工在研发部门工作，投入研发的资金高达公司营业额的 8%。Maxon 的生产基地遍布全球八个国家，采用独立研发的机器和生产线自行生产精密驱动系统的所有重要部件，其生产不论产品批量大小，均能快速完成，同时可以灵活调整，以满足客户的特殊需要。
（1）有刷 DC 电机

Maxon DC 采用高性能永磁体，享有全球专利的空芯杯转子。这项最先进的技术带给驱动器的优势是紧凑的结构、高性能和低惯性。由于惯量较小，DC 电机可达到很高的加速度。

（2）无刷 DC 电机

电子换向的 Maxon EC 电机具有转矩特性良好、功率高、转速范围大和使用寿命长久等优点。它调节性能出色，因此可实现精确定位。Maxon EC-max 电机属于成本优化的 EC 系列。如果空间较为狭小，还可选择 Maxon 盘式电机。

海外重点公司二：Portescap

公司于 1931 年在瑞士成立，最初致力于钟表制造业的产品制造，于 1959 年推出了革命性的空心杯转子直流电机，闯入微型电机行业。Portescap 拥有行业内最广泛的微型电机产品线，包含有刷直流，无刷直流电机，步进可堆叠，线性致动器，光盘磁铁和混合动力技术。Portescap 电机具有体积小、重量轻、热量低的特点，适用于便携式小型设备。虽然电机的体积变小了，但其性能得到了改善，给终端使用者带来了更大的舒适感与便利性。此外，对于电池供电的应用系统，空心杯设计还延长了使用寿命、提高了能源效率。

(1) 无刷直流电机

无刷直流电机具有超高的精度、效率和可靠性，能够在最紧凑的应用中提供顶级性能所需的功率密度。这些电机采用有槽和无槽设计方案，能够提供出色的加速度、转速、扭矩和位置控制，并且能够实现长时间无故障运行。
Portescap 的高温高压灭菌型无刷直流电机（BLDC）通过轻巧的人体工程学封装结构，专门提供超高功率。该电机能够很好地满足手术效果的要求，并且经久耐用，能够灭菌处理以及手术环境遇到的盐水或其它材料的腐蚀。

(2) 有刷直流电机

有刷直流电机采用永磁空心杯设计方案，通过小巧轻便的封装提供高效率和高功率密度。这些电机采用高质量的制造材料以实现最佳的性能，具有低转动惯量、低摩擦系数和长换向器寿命。它们非常适合需要提供高加速度、高扭矩和高效率，并且无齿槽效应的紧凑型应用场合。

海外重点公司三：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 200mNm。Faulhaber 的标准产品能够通过 2500 多万种组合方式为特殊应用提供最优的驱动系统。与此同时，这种技术上的“标准件”也为改型提供了基础，使其能够通过配置专门版本的产品来满足客户的具体需求。
Faulhaber 作为微型和微驱动技术领域的单一供应商，为全球客户提供最齐全的产品组合。公司提供的产品系列包括：高性能 DC 电机、BLDC 电机、线性电机、步进电机等，每种驱动系统都致力于在实现最小尺寸和最轻质量设计的同时达到最大性能。微型和微驱动系统还包含与电机相匹配的高精度减速箱、编码器、直线组件和驱动电子装置。这些产品主要应用于生产自动化和机器人、航空航天、光学系统以及医药和实验室技术。
(1) 直流电机

与传统的铁电枢直流电机不同，FAULHABER直流电机有一个自承式斜绕铜线圈。
这种设计不仅最大限度地降低了转子的惯性矩，还为驱动设备提供了最大的动力和精确的无齿槽运行。该技术由 Fritz Faulhaber Sr 博士开发，以最小的空间提供最大的性能，为众多应用领域创造了新的驱动设备选项。

(2) 直流无刷电机

FAULHABER 无刷电机在最小安装空间内提供最佳性能。拥有最高的速度、转矩和使用寿命。产生的噪音和振动都很低。它们甚至可以处理过载和持续运转。型号从最小的微电机到高效扁平电机和采用外部转子技术的超强力电机。

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