空心杯电机优势、分类、制作难点、产业进展及应用前景分析

与灵巧手匹配度较高，人形机器人发展带来机遇。

1.空心杯电机优势显著，无刷是未来发展趋势

空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机。空心杯电机（又称无铁芯电机、 无齿槽电机）通常尺寸较小，也可以将其归类为微特电机。空心杯电动机在结构上突破 了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯 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，从而减少了转子自身的 机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了改善，不但具有突出的 节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机 在搭配不同速比的减速机和不同分辨率的编码器后，也可以作为力矩电机以及位臵反馈 的装臵使用。

空心杯电机按照其换向方式可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种。空心 杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机（又称无刷无齿槽电机） 定子无铁芯。

有刷电机：由一个运动转子、一个固定定子和一个换向器组成，换向器是电流或磁 极逆变器，以不断变化的流向将电流导入转子（在传统的直流电机中，转子由一个缠绕 在铁芯（电枢）上的线圈组成，铁芯外面用 U 形定子磁铁包围）。有刷电机的定子是永 磁铁，为圆柱形，位于内部，而转子在外部围绕其旋转。转子由一个无铁芯、自承式、 带斜绕组的铜线圈组成。电流通过滑动触点（即所谓的电刷）传递到转子，产生了定子 磁极排斥或吸引的磁场，使直流电机运动起来。换向器不断地改变电流的流向，从而改 变磁场的极性，磁极单次相吸和相斥就能产生连续旋转。 无刷电机：不需要任何滑动触点，而滑动触点确保了传统直流电机的电流传输（换 向）。相反，无刷直流电机使用电子换向。这种设计通过无刷电机的反向设计实现，铜 线缠绕成的线圈充当定子，而磁铁充当转子。控制电子设备引导电流，使线圈产生一个 圆周运动的磁场，从而引起磁性转子旋转。在绝大多数无刷电机中，电子传感器（即霍 尔传感器）会不断测量转子的位臵角度。电机电子设备使用它们的信号在旋转过程中适 时开关电流，或者逆转电流方向。同时，无刷电机具有噪音小、寿命长、易维护等特点， 或是未来发展趋势。

2. 空心杯电机技术壁垒高，海外厂商优势显著，国内厂商纷纷布局

空心杯制作的难点在于如何实现自动化。空心杯电机由于体积小，大多使用螺旋管 微型线圈。螺线管微型线圈是一个三维线圈，由多匝导线缠绕而成，缠绕内部空心，电 流流入缠绕导线，并产生均匀磁场。传统螺旋管微型线圈制作方法以手工缠绕为主，第 一步绕线和粘胶带；第二步压扁；第三步切线头，第四步浸锡；第五步取胶带；第六步 卷圆；第七步浸酒精，第八步整形打圆。手工生产空心杯电枢线圈劳动生产率低，人工 成本高，而且工作环境使用酒精，对工人的适应性有一定阻碍且增加了材料成本，已不 能适应现代化大规模精细生产要求。因此，空心杯制作的难点在于大批量生产及较难的 装配，手工制作方式在生产效率、产品稳定性方面无法满足客户需求。 空心杯电机的核心技术在于电机绕组。导线粗细、绕组匝数的不同，使得绕组电阻 值，启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。电机绕组是电机的重要组成部 分，绕组的质量决定了空心杯电机的质量，直接影响到电机可靠性和运行性能。随着科学技术的进步，电机绕组的生产方式不断地发生改变。发展历程经历了最初的完全手工 绕线，半自动绕线机，直至现在的自动线圈绕制设备，电机绕组的生产过程趋于自动化， 绕制质量和效率也在不断地提高。 空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、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。斜绕形和马鞍形在绕 制工艺上相对简单，国内外绕线机多采用这两种方式。欧洲著名品牌 Faulhaber 电机采 用的是斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形绕制方法，电机有着较为优越的性能。

目前，空心杯电机线圈的生产技术按照线圈的成型方式主要分为两类： 1）绕卷生产技术。卷绕生产技术工艺较为复杂，首先将铜线绕制成一定几何形状 的空心线圈，多为菱形和四边形，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后再将线板 绕成圆柱状的线圈。 2）一次成型生产技术。利用空心杯线圈绕制设备一次绕制成型。绕线机将铜线按 照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序。

绕线设备国外领先，国内企业起步较晚。作为电机制造行业鲜明的代表，瑞士的 Meteor 公司是全球占有率较高的绕线机供应商。Meteor 在该行业具有较为先进的技术 和强大的研发实力，研制出诸多类型的线圈绕制设备，攻克了较多技术上的难题，在多 个方面有着独特的解决方案。另外，作为世界绕线机生产的鼻祖，日本田中精机株氏协 会，第一个将计算机控制用于全自动绕线机上，发明了磁铁无摩擦张力器，研发出 CNC 可翻转的多轴绕线设备。受到空心杯电机关键技术和工艺的制约，其中核心技术即线圈 的设计、绕制工艺以及绕制设备，先进的技术和工艺设备一直被德国、瑞士等少数发达 国家所垄断，同时国外的高质量设备价格昂贵，我国对空心杯电动机制造设备的研发愈发重视，如中特科技、台立电子、勤联科技、昆山库克自动化等均有绕线设备产品。但 是现有线圈绕制设备问题，包括一次成型的自动化绕制设备较少，马鞍形线圈多为卷绕 式的成型方式，现有自动化的绕制线圈的类型多为斜绕形，且在线圈两端的质量较差等 一系列问题。

海外先发优势大，国内加速布局。海外厂商 Maxon、Faulhaber 等公司深耕空心杯 电机多年，已经形成的强大的品牌效应和技术壁垒，国内厂商如鸣志电器、鼎智科技、 伟创电气等众多公司也有空心杯电机相关布局。

以 maxon 为例。 注重研发投入，空心杯电机品质领先全球。maxon 成立于 1961 年，致力于研发并 生产性能强大的电动驱动器。公司主营有刷和无刷直流电机、无刷盘式电机、行星齿轮 箱、正齿轮箱、特殊齿轮箱、传感器、伺服放大器、位臵控制器、高科技 CIM 和 MIM 组件以及客户定制驱动方案，2022 年营业额达到 7.08 亿瑞士法郎，投资额占营业额比 例高达 7%以上。

全球化布局，快速响应能力突出。maxon 在全球范围内约有 3300 名员工（其中约 340 名研发人员），10 个研发中心，并在瑞士、德国、匈牙利和韩国等 8 个国家设有 生产基地，销售公司遍及全球 40 多个国家，以满足客户需求。 一站式供给为客户提供解决方案，满足定制化需求。maxon 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（一站式供给，所有元件出自 maxon： DC/BLDC 电机、齿轮箱、传感器、电子系统、软件、外壳），可以为客户量身定制的 解决方案（以 maxon 模块化系统为基础）。凭借其突出优势，maxon 在工业自动化和 机器人技术、航空航天、医疗技术等领域均有深度布局，如第一个电机驱动探测车“索 杰纳”由 11 台 maxon DC 电机驱动，彰显其市场地位。

3. 空心杯电机应用范围广阔，人形机器人或进一步打开行业天花板

空心杯电机在医疗、航空航天、机器人、工业控制等众多领域拥有广阔应用前景。 由于空心杯电机避开了有铁芯电动机多种技术弊端，而且其突出的特点集中在电动机的 主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动 机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电机在很多应用场合拥有不可替代 的地位。空心杯电机的应用，从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，近年来得 到迅速的发展，尤其是在工业发达国家，已经涉及到大部分行业和许多产品。 空心杯电机杯适用于需要快速动作、功率较大的随动系统中。根据 IMR，在应用方 面，空心杯电机在医疗器械中的应用最为广泛，其次是消费电子产品。以医疗设备为例， 其复杂性和小型化程度的提高是推动空心杯电机行业发展的关键因素，如手术器械、输 液泵和诊断设备等，紧凑的尺寸、低振动和可靠性至关重要。

作为高效率而结构紧凑的能量转换装臵，空心杯对人形机器人手指关节的匹配度较 高。以德国太空中心（DLR）与哈尔滨工业大学（HIT）共同开发了一种新机械手为例， 每只手用 15 台带霍尔传感器的无刷直流电机驱动。maxon 公司的 EC 20 扁平式驱动器 的电机单元长度只有 10.4 mm、外径 21.2 mm。每台电机的重量 15 克，可以与直径相 同的谐波减速机高精度传动系列连成一个单元，提供 12V 或 24V 型的 3W 电机，实现 最大 8.04 N〃m 的转矩，电机在怠速时的转速为 9300 转/分。根据特斯拉人形机器人 “擎天柱”最新进展，其每只手包括 6 个执行器和 11 个自由度，手部可负重 20 磅。

空心杯电机市场规模尚小。根据 Business Research 数据，全球空心杯直流电机市 场在 2022 年的市场规模约为 7.48 亿美元，预计到 2028 年将达到 11.86 亿美元，在 2023-2029 年的预测期内的复合年增长率为 8.0%。根据 Market Research 数据在收入 方面，2021 年全球 CR3 占有 55.43%的空心杯直流电机市场份额。从地区来看，2021 年中国是最大的市场，份额约为 34.80%（市场规模约 2.36 亿美元），欧洲份额约为 25.85%（市场规模约 1.75 亿美元）。从产品来看，从类型来看，2021 年有刷空心杯 电机占全球空心杯直流电机市场的 67.33%。

人形机器人不同情景下，对空心杯新增市场空间进行情景测算： 假设 1：每台人形机器人用空心杯电机数量为 12 个； 假设 2：空心杯电机价格受规模效应影响，目前单价较高，随着空心杯电机起量， 价格呈下降趋势。20/50/100/500 万台假设分别对应的单价为 1000/800/600/400 元。 根据假设，在人形机器人销量分别为 20/50/100/500 万台时，空心杯电机新增市场 规模分别为 24/48/72/240 亿元。可以看出，人形机器人的销量将显著影响空心杯电机 中远期的市场规模，且新增市场规模远高于目前。