人形机器人之核心部件——电机
人形机器人电机：驱动未来的核心动力
人形机器人产业通 2024年10月21日 20:08 上海 
一、人形机器人电机概述 
人形机器人电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递，从而产生驱动转矩的电磁装置，在人形机器人中起着至关重要的作用。它被视为机器人的执行单元，根据需要被安装在各关节上控制关节运动，直接决定着机器人的性能表现，堪称人形机器人运动的 “心脏”。
机器人关节是机器人的基础部件，而电机作为关节系统的关键组成部分，具有减速、传动、提升扭矩等功能。人形机器人通常使用于人类的日常生活环境中，具备类似人类的感知、决策、行为以及拟人化的移动特性。在这个过程中，电机负责驱动机器人的各个关节，实现诸如行走、跑、弹跳等动作。
从价值量占比来看，电机在人形机器人核心零部件中的价值量占比高达 25%。以特斯拉人形机器人为例，其全身有 28 个执行器，部分执行器采用无框力矩电机，而灵巧手则使用空心杯电机。单台机器人装配 12 个空心杯电机（左右手各 6 个）。
电机技术的不断进步，也在推动着人形机器人技术的发展。从有刷电机到无刷电机，从普通电机到空心杯电机等，这些创新不仅提高了电机的性能，也使得人形机器人的运动更加精准、灵活和高效。随着人工智能的发展和政策的支持，人形机器人市场正迎来巨大的增长潜力，这也将为电机市场带来广阔的发展空间。 
二、电机的主要类型
（一）按应用领域分类
动力电机和控制电机的特点及应用场景：动力电机输出功率大，注重电机的驱动、运行及制动性能，常应用于汽车、家电、小型机床等领域。例如，在汽车中，动力电机为车辆提供强大的动力，驱动车辆行驶。控制电机侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度，主要在自动控制系统中承担执行、检测和解算功能，适用于机器人、半导体、光伏、锂电、工业自动化等领域。
控制电机的细分：
步进电机：结构简单，把电脉冲信号转换成角位移，每输入一个脉冲信号，就按照设定的方向转动一个固定的角度。通常用于开环控制系统，如办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。但其效率和控制精度相对较低。
伺服电机：相较于步进电机，增加了编码器与反馈机制，控制精度高、响应速度快。广泛应用于需要精密控制的场合，如半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等。空心杯电机属于特殊的伺服电机，采用无铁芯转子，具有体积小、控制精度高、寿命长、转速快、能效高、能量密度大等优势。
力矩电机：以扭矩为控制方向，能够在电机低速甚至堵转时仍能提供稳定的力矩给负载。具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快等优点，分为有框力矩电机和无框力矩电机。
（二）按有无刷分类
有刷空心杯电机和无刷空心杯电机的结构差异：有刷空心杯电机转子无铁芯，采用机械电刷换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，通过碳刷和换向器的接触，将电能转换为机械能。无刷空心杯电机定子无铁芯，采用电子换向，线圈不动，磁极旋转。通过电子换向器，根据转子的位置自动调整电流方向，实现无火花运行。
两者在换向方式、控制方式、转子结构、是否有霍尔传感器及寿命等方面的区别：
换向方式：有刷空心杯电机采用机械电刷换向，运行过程中存在相对摩擦，会产生噪声、电火花，降低电机使用寿命。无刷空心杯电机采用电子换向，具有效率高、转矩波动小、使用寿命高、结构精巧，维护方便，易保养等特点。
控制方式：有刷空心杯电机采用电流控制；无刷空心杯电机需要搭配电机驱动器实现驱动控制。
转子结构：有刷空心杯电机是线圈、换向器和连接板在外壳和永磁体中间旋转，共同组成转子；无刷空心杯电机的线圈固定，磁铁在中间旋转，同时也是转子。
是否有霍尔传感器：有刷空心杯电机没有霍尔传感器；无刷空心杯电机有霍尔传感器。
寿命：有刷空心杯电机的寿命取决于换向器，一般为 1000 - 3000h；无刷空心杯电机采用轴承，寿命更长，可达 10000h +。
（三）无框力矩电机
介绍无框力矩电机的特点：无框力矩电机是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机，只有转子和定子两个部件。具有体积小、功率高、低转速能输出大扭矩等特点，符合人形机器人关节对电机体积小、扭矩大、响应快的需求。例如，无框力矩电机能够在较小的体积内提供较大的扭矩，结构紧凑，节省空间，效率高，可实现直接驱动，高响应速度，易于与机器人关节的其它部件集成。
分析其壁垒和竞争格局：
壁垒：磁路和工艺设计是无框力矩电机的主要技术壁垒。海外厂商起步早，工艺技术拥有先发优势，例如韩国 TM TECH 转子采用整体充磁磁环技术，美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国 TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相比存在差距。此外，高端产品对充磁技术和电机制造工艺要求较高，无框力矩电机通常需要根据具体的机械设计尺寸来定制，对生产过程中的绕线机设备提出了特殊要求，同时在达到高功率密度时需要控制电机温升，对电机的散热设计提出了挑战。
竞争格局：全球龙头为科尔摩根，其电机性能在全球处于第一梯队。国内进展较快的公司有步科股份、航天电器等，但与海外龙头相比，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。随着市场容量的扩大，伺服厂商如汇川技术、禾川科技、无锡信捷、雷赛等也具备了切入无框电机市场的基础。
三、电机的品牌及企业
1. 人形机器人电机主要品牌及布局优势
步科股份：作为无框力矩电机厂商，在人形机器人电机领域积极布局。其产品具有体积小、功率高的特点，能够满足人形机器人关节对电机的严格要求。步科股份专注于电机技术的研发和创新，不断提升产品的性能和质量，为机器人的运动提供稳定可靠的动力支持。
鸣志电器：在空心杯电机领域表现突出，是全球空心杯电机市场的重要参与者之一。其产品性能可与海外竞争对手对标，能满足人形机器人等高端领域的应用需求。鸣志电器不断投入研发，提升空心杯电机的技术水平，在电机的效率、转速、响应速度等方面具有显著优势。
鼎智科技（江苏雷利子公司）：已实现空心杯电机绕组的自动化生产，空心杯电机的最小直径可达 8mm，最大转速可达 8 万转 / 分钟。在人形机器人电机领域，鼎智科技凭借先进的生产技术和严格的质量控制，为机器人的灵巧手等部位提供高性能的电机产品。
拓邦股份：国内较早突破空心杯电机技术门槛的企业之一。在人形机器人电机领域，拓邦股份注重产品的创新和研发，不断提升电机的性能和可靠性。其空心杯电机产品在能效、控制精度等方面具有一定优势，为机器人的运动控制提供了有力保障。
天奇股份：在人形机器人电机产业链中，天奇股份主要专注于电机回收和再制造领域。通过先进的回收技术和工艺，天奇股份能够对废旧电机进行有效的回收和再利用，降低了人形机器人的生产成本，同时也为环保事业做出了贡献。
江苏雷利：旗下拥有鼎智科技等子公司，在空心杯电机领域具有较强的实力。江苏雷利通过整合资源，不断提升电机产品的性能和质量，为人形机器人的发展提供了可靠的动力解决方案。
伟创电气：在人形机器人电机驱动控制方面具有一定的优势。伟创电气的电机驱动器能够实现对电机的精确控制，提高电机的运行效率和稳定性。其产品广泛应用于工业自动化等领域，为人形机器人的运动控制提供了技术支持。
昊志机电：作为编码器与传感器厂商，在人形机器人产业链中发挥着重要作用。昊志机电的产品能够实时反馈机器人各轴的移动位置，为机器人的精确控制提供数据支持。其编码器产品具有高精度、高可靠性的特点，在人形机器人领域具有广泛的应用前景。
禾川科技：在人形机器人电机控制领域具有一定的市场份额。禾川科技的电机控制器能够实现对电机的高效控制，提高电机的性能和稳定性。其产品在响应速度、控制精度等方面具有一定优势，为人形机器人的运动控制提供了可靠的解决方案。
拓普集团：在人形机器人底盘系统等领域具有一定的布局。拓普集团的产品能够为人形机器人提供稳定的支撑和运动平台，其在底盘系统的设计和制造方面具有丰富的经验和技术优势。
2. 奥普光电在人形机器人产业链中的地位
奥普光电作为国内伺服系统高端编码器的唯一规模性企业，在人形机器人产业链中占据着重要地位。光栅编码器属于高精度传感器，被称为 “数控机床的眼睛”，主要应用在高端数控机床、工业机器人、人形机器人等高端机械领域。目前，公司控股子公司禹衡光学研发的高端光栅尺在国内极度稀缺，现有产品基本达到海德汉 90% 以上性能，而在价格方面具有 20% 左右的成本优势，具有替代优势。公司产品已经在国内外多家数控机床厂家进行测试，达到国际同类产品水平，正式进入小批量生产阶段，未来有望对海外高端产品实现替代，也能助力华为等人形机器人的早日成熟量产。
3. 2024 年中国十大最火人形机器人企业及产业链上游核心零部件厂商
2024 年中国十大最火人形机器人企业主要有优必选、小米科技、宇树科技、傅利叶智能、智元机器人等。这些企业在人形机器人领域具有较高的品牌信誉、知名度和销量。
优必选：是人形机器人的领导者和智能服务机器人的领航企业。布局了人形机器人全栈式技术，涵盖多个行业的企业级和消费级广泛应用场景。2023 年 12 月 29 日，优必选于香港交易所主板挂牌上市，成为人形机器人 “第一股”。
小米科技：以智能手机、智能硬件和 IoT 平台为核心的消费电子及智能制造公司。2022 年 8 月 11 日，小米首款全尺寸人形仿生机器人 CyberOne 正式亮相，具有高情商、可感知人类情绪等领先技术能力。
宇树科技：发布了定价 9.9 万元起的新型人形机器人 G1，向业界释放了人形机器人领域价格战的信号。G1 能轻松应对过去被认为是机器难以胜任的任务。
傅利叶智能：通用机器人平台型企业，陆续获得国内外多家顶尖机构投资近 10 亿元融资，并荣获多项荣誉奖项。
智元机器人：预计其远征 A1 先应用在工业制造领域，随后逐步走向 to C 应用。
人形机器人产业链的上游核心零部件厂商包括无框力矩电机厂商步科股份，空心杯电机厂商鸣志电器，减速器厂商绿的谐波、中大力德、双环传动，控制系统厂商汇川技术，编码器与传感器厂商昊志机电，行星滚柱丝杠厂商长盛轴承、秦川机床等。这些厂商为中游的人形机器人本体制造提供了必需的零部件和技术支持。
四、电机的发展趋势
1. 中国人形机器人电机驱动行业市场发展趋势及投资机会
行业规模：随着人工智能技术的不断进步和政策的大力支持，人形机器人市场规模快速增长，带动了人形机器人电机驱动行业的发展。目前，行业单位规模逐步扩大，相关企业数量不断增加。行业人员规模也在持续增长，吸引了大量专业人才投身其中。资产规模方面，企业不断加大研发投入和生产设备更新，资产规模稳步提升。市场规模更是呈现出爆发式增长态势，据预测，未来几年内将继续保持高速增长。
产销情况：在生产方面，国内人形机器人电机驱动企业不断提升技术水平和生产能力，产品产量逐年增加。同时，随着人形机器人市场需求的不断扩大，行业销售情况也十分乐观，产销率保持在较高水平。随着技术的不断成熟和成本的降低，人形机器人电机驱动产品的市场需求将持续增长，产销两旺的局面有望继续保持。
财务能力：从盈利能力来看，随着市场规模的扩大和产品附加值的提升，人形机器人电机驱动行业的盈利能力将不断增强。企业通过技术创新和优化管理，降低成本，提高产品毛利率。在偿债能力方面，行业整体资产负债率保持在合理水平，企业财务风险较低。营运能力方面，企业不断优化生产流程和供应链管理，提高资产周转效率。发展能力方面，行业具有巨大的发展潜力，企业将持续加大研发投入，拓展市场份额，实现可持续发展。
2. 电机在人形机器人中的作用和发展前景
核心零部件供给支撑产业规模化发展：人形机器人三大核心零部件包括减速器、伺服系统和控制器，而电机作为其中的关键组成部分，价值量占比约 25%。核心零部件的供给是未来机器人产业规模化发展的重要支撑。随着人形机器人产业化进程加速，电机的需求将大幅增长。例如，假设未来 10 年全球人形机器人出货量达到 500 万台，无框电机单价 2500 元、空心杯电机单价 1300 元，则 10 年后人形机器人带来的无框电机增量市场有望为 3500 亿元，空心杯电机增量市场有望为 780 亿元，合计 4280 亿元市场空间。
电机在人形机器人中的作用：电机作为人形机器人的执行单元，负责驱动机器人的各个关节，实现行走、跑、弹跳等动作，是机器人运动的 “心脏”。随着技术的不断进步，电机的性能不断提升，将为人形机器人的运动提供更加精准、灵活和高效的动力支持。
3. 人形机器人电机行业的发展趋势
电机作为机器人驱动方式的优势：电机驱动是机器人主要驱动方式，具有高精度、实时响应快、控制灵活等优点。相比液压驱动和气体驱动，电机驱动在动作的精准控制方面更胜一筹，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。
无框力矩电机和空心杯电机的应用前景：无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件，具有高灵敏度、高功率密度、高效率的特点。空心杯电机则在机器人的灵巧手等部位发挥着重要作用，具有体积小、控制精度高、寿命长、转速快、能效高、能量密度大等优势。随着人形机器人技术的不断发展，无框力矩电机和空心杯电机的应用前景广阔。未来，随着技术的不断创新和成本的降低，这两种电机将在人形机器人领域得到更广泛的应用。
五、电机的技术特点与应用
1. 阐述空心杯电机的技术特点
空心杯电机属于直流永磁伺服电机，其转子采用无铁芯转子结构，这一创新设计带来了诸多显著优势。首先，无铁芯转子结构彻底消除了涡流和磁滞损耗。在普通电机中，铁芯在交变磁场中会产生这些损耗，降低电机效率，而空心杯电机则有效避免了这一问题，极大地提高了能量转换效率。其次，这种设计显著减轻了重量并降低了转动惯量。相比传统电机，空心杯电机更加轻便，使得整个机器人的重量得以减轻，便于移动和操作。同时，转动惯量的降低使得电机具有更快的响应速度和更高的加速度，能够满足人形机器人在快速启动、停止和频繁变换动作等场景下的需求。
空心杯电机具有功率密度高的特点，在较小的体积内能够输出较大的功率，为人形机器人的紧凑设计提供了可能。此外，它还拥有使用寿命长的优点，减少了维护成本和停机时间。其响应速度快，能够迅速根据指令进行动作调整，提高了机器人的控制精度和灵活性。峰值转矩高，为人形机器人在执行复杂动作时提供强大的动力支持。散热性好，确保电机在长时间运行过程中不会因过热而损坏，保证了机器人的稳定运行。
2. 分析空心杯电机在人形机器人中的应用
空心杯电机作为人形机器人灵巧手的核心部件，发挥着至关重要的作用。以特斯拉人形机器人为例，单台机器人装配 12 个空心杯电机（左右手各 6 个）。在不同企业的产品中，空心杯电机也展现出了优异的性能表现。鸣志电器的空心杯电机性能可与海外竞争对手对标，价格至少低于海外产品 1000 元，具有较高的性价比。鼎智科技（江苏雷利子公司）已实现空心杯电机绕组的自动化生产，最小直径可达 8mm，最大转速可达 8 万转 / 分钟，为机器人的灵巧手提供了高性能的动力源。拓邦股份作为国内较早突破空心杯电机技术门槛的企业之一，其产品在能效、控制精度等方面具有一定优势，为人形机器人的运动控制提供了有力保障。
3. 介绍浙江机器人公司云深处发布的超高扭矩关节
浙江机器人公司云深处发布的超高扭矩关节，为人形机器人提供了核心动力。在这个关节中，电机、减速器、编码器、控制器四大关键零部件协同工作。电机能让关节动起来，同时借助减速器控制转速；编码器用来记录运动的位置，确保关节的精准定位；控制器则让关节精准发力，实现对人形机器人动作的精确控制。
该关节具有诸多优势。首先，拥有强劲的动力输出，J100 - 116P 峰值输出扭矩达到 315Nm，峰值扭矩密度可达 107.5Nm/kg，能胜任大型足式机器人的动力需求。其次，做到了 IP67 防护等级，无惧风雨，可在户外全天候环境下使用。它采用高可靠无电池的多圈绝对式编码器，具备高精准性、可靠性、耐用性。整体关节调教具备优异的控制性能，还采取驱控分离设计，为机器人设计，特别是足式机器人设计提供更多自由空间，以便多关节集成设计与散热，兼容市面各类主流驱动器，客户可根据需要自行搭配驱动器进行集成开发。
该关节已批量应用于云深处 X20 和 X30 四足机器人，X 系列四足机器人已在国内 26 个省份和全球 10 多个国家服务众多客户，在电站、工厂、管廊巡检、以及应急救援、消防侦查、未来科研等多领域广泛应用。同时，该关节也将为人形机器人为代表的足式机器人产业发展提供核心动力。