（报告出品方：国金证券）
1.电机分为哪些类型？
电机是依据电磁感应定律将电能转换为机械能的装置，主要由定子、转子及其他附件组成。 其利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，从而为多种机械提供 动力。电机有多种分类方式，按照应用领域分为动力电机和控制电机；按照电源类型分为 直流电机和交流电机。
1.1 按照应用领域分为动力电机和控制电机
动力电机输出功率较大，注重电机的驱动、运行及制动性能，主要应用于汽车、家电、小 型机床等领域。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、稳定性、线性度等指标，精度高、响应速度快，主要在自动控制系统中承担执行、检 测和解算功能。
（1）动力电机：按照运动方式进一步分为旋转电机和直线电机。直线电机可看作由旋转 电机展平而得，其定子叫初级、转子叫次级，其优势在于可以直接将电能转换为直线运动 的机械能，而无需再借助中间转换装置。常见的直线电机可分为 U 型槽式、平板式和管式。 其主要应用于自动控制系统、短距离需要巨大直线运动能的装置或作为长期连续运行的驱 动电机，例如用于磁悬浮列车以及无钢丝绳电梯的驱动。
（2）控制电机：按照控制方式进一步分为步进电机、伺服电机、力矩电机。 步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电动机，每输入一个脉冲信号，步进电 机就按照设定的方向转动一个固定的角度。其结构简单但效率和精度较低，多用于办 公自动化、通信设备、印刷设备等领域。伺服电机相较于步进电机增加了编码器与反馈机制，使得驱动器可以根据目标值与编 码器的反馈信号之间的差异来调整转子转动的角度，从而可实现更精密的控制，主要 适用于半导体、光伏、锂电、工业自动化、机器人等对于控制精度、速度响应、过载能力及稳定性要求高的领域。空心杯电机是一种特殊的伺服电机，采用无铁芯转子， 呈空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。 力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用开环控制。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。在电动 机低速甚至堵转（转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏，并提供 稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好等优 点。力矩电机分为有框力矩电机和无框力矩电机。
1.2 按照电源类型分为直流电机和交流电机
直流电机由直流电源驱动，交流电机由交流电源驱动。直流电机调速性能好、启动力矩大， 适用于在重负载下启动或需要均匀调节转速的机械。交流电机效率高、噪音低，常用于家 用电器中。
（1）直流电机：按照电刷的有无进一步分为有刷电机与无刷电机。对于直流电机，为使 转子转动需要不断改变电流方向。
有刷电机采用机械换向，内部的电枢和换向器一起旋转，而外部的磁极和电刷都不动。 通过换向器与电刷的交替接触，电机运行时电流的方向就会不断改变，从而改变电机 的运动方向。其优势在于启动快速、制动及时、调速平稳，并且启动电流大、在低速 时扭矩大，因而能带很重的负荷，常用在电钻等日常电动工具中。但由于换向器与电 刷之间存在摩擦，因而电刷易损耗、寿命短，并且效率较低。
无刷电机采用电气换向，以霍尔元件等电子换向器替代了机械电刷装置，其线圈不动 而磁极旋转。其原理是通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，从而适时切换线圈中电 流的方向，以产生正确方向的磁力来驱动电机。无刷电机的优势在于故障率低、使用 寿命长、运行时间和电压比较稳定。
（2）交流电机
交流电机按照电源类型分为单相电机与三相电机。单相电机采用单相交流电源供电，定子 仅含一个绕组，需借助启动线圈或运行电容器等以产生旋转磁场。特点是结构简单、维修 方便，多应用于小型家用电器等生活场景。三相电机采用三相交流电源供电，定子绕组分 为三组，通入互差 120°的交流电就可产生旋转磁场。三相电机效率高、功率大、可靠性 和精度高，多用于水泵、机床等工业领域。
交流电机按照转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同，交流电机分为同步电机与异步 电机。同步电机的转速恒定，而异步电机的转速可以随着负载的变化而调节。常见的电力 拖动机械大多由异步电机驱动，如空气压缩机、鼓风机、大型起重设备等。而同步电机主 要适用于要求转速恒定的大功率生产机械，如连续式轧钢机、球磨机等，由于其造价昂贵、 维修困难而应用较少。
2.无框力矩电机：机器人关节电机，国内外厂商性能差距明显
2.1 为什么机器人关节要用无框力矩电机？
机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快。机器人关节是机器人各个零部件之间发生 相对运动的机构，是机器人结构中重要的组成部分，其重量、结构、尺寸的选择对机器人 性能影响较大。电机是机器人关节结构的主要部件，因此，机器人对关节电机的要求较高， 主要包括：1）快速响应：电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。 2）起动转矩惯量比大：在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大， 转动惯量小。3）体积小、质量小、轴向尺寸短。4）控制特性的连续性和直线性：随着控 制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号近似成正比。
无框力矩电机原理：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，由 驱动器供电，驱动器控制 U/V/W 三相电形成电磁场，永磁体的转子在磁场的作用下转动。 无框力矩电机外观：无框力矩电机没有轴、轴承、外壳或端盖，只有转子和定子两个部件。 转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部 部件，包含有齿钢叠片，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主 体内。
相对于普通电机，无框力矩电机具有体积小、扭矩高、极端环境性能稳定等优势，更符 合人形机器人的需求。1）体积小：无框电机中空式设计，最大限度减小电机所占空间， 更方便走线布置；2）扭矩高：无框力矩电机具有较高的功率，在低转速的情况下，能够 输出更大扭矩；3）性能稳定：无框电机的电机组件直接整合到机器元件内，不会受到外 界高压、高温环境、辐射的影响。
使用无框力矩电机的机器人案例包括特斯拉擎天柱 Optimus 以及优必选仿人服务机器人 Walker。 特斯拉 2022 年推出的机器人 Optimus 躯干包括 28 个关节执行器，分为旋转与线性两 大类，每类包含 3 种执行器。其中旋转执行器解决方案预估为无框力矩电机+谐波减 速器+传感器+轴承，用来实现类似人体关节的旋转运动；直线执行器解决方案预估为 无框力矩电机+滚柱丝杠+传感器+轴承，用来实现类似人体肌肉的拉伸运动。 优必选仿人服务机器人 Walker 在全身关节部位安装了 36 个自研的高性能伺服舵机， 该伺服舵机是一体化驱动单元，主要由无框力矩电机、精密谐波减速、驱动控制器及 双编码器组成。机器人拥有从 2.5Nm 到 160Nm 的系列伺服舵机作为驱动单元，速度可 以达到 60 转/分钟，支持位置模式、速度模式和力矩模式三种控制方式。
2.2 如何看待无框力矩电机的壁垒、竞争格局？
壁垒：磁路和工艺设计。电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标，而无 框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率，因此在磁路和工艺设计方面存在一定 的技术能力要求。海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势，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。
格局：全球龙头为科尔摩根，国内外厂商产品性能仍有差距。美国科尔摩根是全球无框 力矩电机龙头，拥有超 70 年的运动控制研发经验，电机性能在全球处于第一梯队。国内 目前进展较快的公司包括步科股份、航天电器。相比海外龙头，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。
3.空心杯电机：灵巧手动力之源，国产替代空间广阔
3.1 为什么机器人灵巧手要用空心杯电机？
空心杯电机属于伺服电机，被誉为“电机皇冠上的明珠”。不同于普通铁芯电机将电机绕 组固定在铁芯之上，空心杯电机绕组不依靠铁芯支撑，而是利用特殊工艺将电机绕组做成 可以独立支撑的杯状。由于采用无铁芯转子结构，空心杯电机消除了由于铁芯形成涡流而 造成的电能损耗。同时，其重量和转动惯量大幅降低，减少了转子自身的机械能损耗，大 幅提高了电机的运转性能。
空心杯电机性能优越，具有控制精度高、寿命长、转速快、能效高、体积小、能量密度 大等优势。
控制精度高、寿命长。空心杯电机的机械时间常数小，一般在 28 毫秒以内，而铁芯 电机一般在 100 毫秒以上，因此空心杯电机响应时间极快。由于电机特性为线性，因 而具有理想的控制性能，转子转速范围宽，便于对转速进行高精度控制操作。此外， 空心杯电机换向片数量多，换向时电流波动小，加之电机电感量较小，换向系统在换 向时受到的腐蚀小，从而寿命更长，可达 1000-3000 小时，约是普通有刷直流电机的 4-6 倍。
转速快、能效高。空心杯电机由于采用无铁芯转子结构，基本没有涡流损耗、磁滞损 耗，所以最高转速设计可达 10000rpm，最高能效多位于 65%-85%。普通有刷直流电机 由于涡流损耗与转速的平方成正比，故其连续力矩会随转速上升而快速下降，最高转 速一般在 5000rpm 以下。此外，由于铁损耗与机械损耗的存在，普通有刷直流电机的 能量转化效率一般在 50%左右。
体积小、能量密度大、拖动特性优。与同等功率的普通有刷直流电机相比，空心杯电 机体积更小、质量更轻，因而能量密度更大。此外，其输出转矩较高、转矩脉动更小， 加之其换向片数量很多，因而操作更加平稳、可靠，转速波动小且容易控制，具有理 想的拖动性能。
空心杯电动机应用广泛，与灵巧手轻量化、高精度需求完美契合。空心杯电机凭借性能 优越，广泛应用于工厂自动化、机器人、医疗技术、航空航天等领域。在机器人领域，灵 巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机尺寸较小，直径一般不 超过 40mm，同时还具有转速高、响应快、精度高等优势，完美契合了灵巧手对驱动电机 的轻量化和高精度要求。例如，因时机器人在灵巧手中内置微型驱动器，该驱动器为小型 一体化直线伺服系统，内部集成了空心杯电机、精密行星减速器、传感器等部件。
3.2 如何看待空心杯电机的壁垒、竞争格局？
壁垒 1：线圈绕组设计：国内以卷绕生产为主，生产效率低
空心杯电机线圈绕制技术按成型方式分为卷绕生产和一次成型生产。1）卷绕生产工艺较为 复杂，先将铜线绕制成几何形状的空心线圈，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后将线 板绕成圆柱状的线圈。2）一次成型技术通过绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上， 一次成型，不需要卷圆压扁等工序。两种技术相比，后者工艺简单，绕制效率高。目前我 国生产空心杯电机多采用卷绕式生产技术，生产效率较低，废品率高，生产出来的线圈直径较 小，生产高性能大尺寸的线圈技术有待提升。
空心杯电机线圈绕制技术按线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕 形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形的 绕制工艺简单，具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等 优势，是国外先进空心杯电机厂商常用的两种线圈形式。例如，德国 Faulhaber 电机采用 斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形线圈，因而电机性能更加优越。
壁垒 2：绕线设备：绕线机技术海外领先，国内企业自动化程度低
绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本，包括瑞士 Meteor、日本田中精机、日本日特机械等 企业。海外厂商设备先进，基本实现了绕线设备的自动化、智能化、网络化，绕线设备质量可 靠,生产效率高。
例如：（1）瑞士 Meteor 专业从事绕线机制造，是瑞士 MAXON 等知名空心杯电机企业绕线机供 应商。其 M21 系列绕线机通过伺服电机实现线圈的精密排线，系统采用CNC数控技术精准控制， 确保了绕线机在高速运转状态下的绕制精度。（2）日本日特机械是全球大型绕线机专业生产商，绕线机种类多且性能可靠、通用性强。其 BAS 系列是绕制各种空心线圈，能够实现一次成 型的设备。该绕线机采用高刚性的排线导轨，使得其在无槽夹具的情况下，同样能实现高质量 的排线绕制。
国内绕线设备自动化程度低，技术与海外存在差距。我国绕线机研发起步晚，线圈设计以卷 绕式为主，工序较为繁琐。部分绕线机可实现一次成型绕制，但面对较大功率电机的粗线 径线圈，国产设备在可靠性和绕制精度方面相比世界先进水平仍有较大差距。 国内绕线机厂商包括中特科技、勤联科技、台立电子等公司。以中特科技为例，其全自动双 轴空心杯绕线机绕制原理依旧属于卷绕式生产，工序相对复杂。勤联科技的空心杯绕线机 采用一次性绕制成型技术，但主要适用于尺寸较小、线径较细的线圈，对于大功率空心杯 电机的线圈绕制存在一定难度。
格局：海外厂商技术领先，国产替代空间广阔。
空心杯电机起源于德国、瑞士等欧美国家，全球头部企业包括德国 Faulhaber、瑞士 Maxon 和瑞士 Portescap。海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚，是全球空心杯 电机的主要供应商。国内起步较晚，有业务布局的企业包括鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利和 伟创电气。根据上述各公司公告，鸣志电器空心杯电机技术水平位居全球前列；拓邦股份空心 杯电机已经实现批量应用；江苏雷利子公司鼎智科技的空心杯电机已实现量产，目前处于小批 量验证阶段；伟创电气处于产品内部测试阶段，其余企业技术相对薄弱，国产替代空间广阔。
相比海外龙头，国内企业具备价格优势。选取瑞士 MAXON 和鸣志电器机座尺寸同为 16mm 的机型相比，瑞士 MAXON 在转矩、转速、响应速度、工作效率等指标上表现更佳，而国产 机型价格更低，具有价格优势。未来随着人形机器人应用对空心杯电机市场规模的拉动， 国内核心供应商有望充分受益。
4.投资分析
4.1 步科股份：国内无框力矩电机龙头，盈利能力维持高位
步科股份主营工业自动化设备控制核心部件与数字化工厂软硬件。（1）工业自动化设备控制核心部件包括工业人机界面、伺服系统、步进系统等，广泛应用于物流设备、工业机器 人等领域。其中工业人机界面产品 19 年市占率国内第八，国产品牌中排名第二。（2）数 字化工厂产品包括产线智能终端、智能网关、数据采集器、智能电子看板等，主要应用于 制造设备的联网与上云、数字化工厂建设与改造，中小企业产销协同制造等领域。 收入、利润增长稳健，盈利能力保持稳定。18-22 年，步科股份收入从 3.19 增长至 5.39 亿元，CAGR 达 14.01%；归母净利润从 0.36 增长至 0.91 亿元，CAGR 达 26.09%。公司毛利 率相对稳定，18-1Q23 维持在 40%左右。
推出第三代无框力矩电机，产品性能持续提升。步科股份于 16 年推出首代无框力矩电机， 其后公司持续进行产品研发和技术迭代，并在第二代无框力矩电机中采用多槽分瓣式结构， 极大提高了槽满率，降低了温升。22 年步科推出第三代无框力矩电机 FMC 系列，产品优 化了电磁方案，转矩密度进一步提升。目前有 52mm-132mm 10 种框架尺寸，覆盖 3-25kg 负载需求，相同转矩下，尺寸更小，温升更低。
4.2 鸣志电器：电机品类丰富，业务实现全球化布局
鸣志电器是全球领先的电机及驱动系统制造商，在步进电机、伺服电机、空心杯电机及前 述电机的驱动系统等方面实现了深入布局，同时掌握了运动控制领域的控制电机研发、驱 动控制、尖端制造、产品系统集成等技术，核心优势明显。
22 年业绩短期承压，长期增长趋势稳定。22 年鸣志电器实现收入 29.6 亿元，同比+9.05%， 增速放缓；归母净利润 2.47 亿元，同比-11.58%，主要系疫情防控停工停产所致。长期来 看，公司增长趋势稳定，17-22 年收入、归母净利润复合增速分别为 12.7%和 8.27%。
17-22 年，控制电机及其驱动系统产品为鸣志电器最主要的业务板块，此板块的营收占比 稳定增加，22 年已接近 80%。
差异化竞争提高产品竞争优势。鸣志电器立足于应用的高技术领域、高附加值领域和新兴 市场，通过与国内外主要客户的广泛磨合与认证，与全球客户之间培养长期、稳定的战略 供应链，充分发挥鸣志电器产品的品牌美誉度。鸣志电器产品重点布局高端应用领域，以 满足各种应用的设计需求为出发点，特别是满足客户对各种严酷使用场景的苛刻要求。鸣 志电器在全球最主要的工业区设立分支机构，现已在国内设立了 11 家办事处，在美国、 意大利、新加坡、日本、德国分别设立了公司，业务已经覆盖北美、欧洲、东亚及东南亚 的主要国家和地区。
4.3 拓邦股份：智能控制系统领导者，布局新能源构建增长新引擎
拓邦股份主营智能控制系统解决方案，以电控、电机、电池、电源、物联网平台的“四电 一网”技术为核心，面向家电、工具、新能源、工业、智能解决方案等五大行业提供各种 定制化解决方案。拓邦股份是全球领先的智能控制解决方案商，是家电和工具行业智能控 制解决方案的领导者，是新能源和工业行业的创新引领者。
拓邦股份收入、利润长期增势稳健，17-22 年收入、归母净利润复合增速分别为 27.03% 和 22.66%。工具和家电业务为公司基本盘，22 年合计占比超 70%。新能源业务近几年维 持高增，22 年实现收入 20.36 亿元，同比+63.98%。拓邦股份新能源业务拥有“一芯 3S” （电芯、BMS、PCS、EMS）核心技术，主要聚焦于中小储能及新能源车应用领域，助力公 司构建增长新引擎。
在电机方面，拓邦股份重点围绕电机的高效、低噪声、高精度、高稳定持续创新，建立了 从电机设计和仿真、测试和验证到规模化制造的完整技术能力，形成了直流无刷电机 （BLDC）、步进电机、伺服电机等数十个先进的电机产品平台，电机技术已经成功应用于 电动工具、自动化设备、智能电器、新能源汽车、机器人等多个领域。
4.4 江苏雷利：微特电机领域龙头，电机产品种类丰富
江苏雷利主营家用电器、汽车微特电机、医疗仪器用智能化组件、工控电机及组件及相关 零部件，覆盖家电、工业、汽车、运动与健康四大领域。公司产品包括空调电机及组件、 洗衣机电机及组件、OA 金融设备电机、工业设备电机、新能源汽车电机及组件、商用车 电机及组件、医疗器械电机、运动器材电机等。公司是微特电机产品及智能化组件制造行 业的领先企业。
18-22 年，江苏雷利营收、归母净利润复合增速分别为 6.56%和 6.68%，整体保持稳定增 长态势。21 年公司归母净利润同比减少 10.53%，主要系原材料价格大幅上涨，毛利率降 低所致。22 年得益于产品结构优化，组件化新产品推广加速，叠加美元升值影响，毛利 率提升 2.93pct 至 28.5%，1Q23 毛利率进一步提升至 32.91%。
重点发展空心杯电机业务，已实现批量生产。空心杯电机业务由江苏雷利及子公司鼎智科 技共同开展，在医疗领域产品的开发与销售主要由鼎智科技全面承接。空心杯电机是江苏 雷利重点发展业务，目前无刷空心杯电机及其精密传动组件处于样品测试阶段。根据投资 者关系活动记录表，江苏雷利现已实现空心杯电机的批量生产，并在绕线工艺、生产效率、 精度方面存在领先优势。江苏雷利未来将围绕“编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱” 加大研发投入，做好产品技术储备，形成能提供系统解决方案的能力。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。「链接」
