2023年人形机器人之无框力矩电机专题分析：玲珑动力源

一、无框力矩电机：浓缩的机器人关节，兼具小体积与大转矩

（一）电机介绍：电能的变换装置，机器动力之源

1、电机原理与结构：基于电磁感应原理，从电能到机械能

电机是电能与机械能之间的转换装置，主要由定子、转子及其他附件组成。电机主要包 括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组、一个旋转电枢或转子以及其他附 件组成。定子绕组通电产生旋转磁场，并作用于转子从而形成磁电动力旋转转矩。电机 在现代工业领域中应用极其广泛，包括冶金、电力、石化、煤炭、矿山、建材、造纸、 市政、水利等领域，可以说，凡需要将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的地方 都必须用到电机。 定子：定子是电机的静止部分，用来产生磁场和作为电动机的机械支撑。定子由定 子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 转子：转子是电机的旋转部分，用来产生磁场和作为电动机的机械支撑。转子由转 子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子铁心是电动机磁路的一部分；转子绕组 的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势，通过电流产生电磁转矩使电动机旋转； 转轴是支撑转子的重量、传递转矩、输出机械功率的主要部件。 其他部件：包括电刷、端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。

2、电机分类：种类繁多，性能各异

从广义上，电机可分为旋转电机和静止电机，旋转电机又有多种分类方法。旋转电机是 根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根 据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，又称变压器。旋转电机 按照用途可分为驱动电机和控制电机，按照电源类型可分为直流电机与交流电机。 按照用途：可分为驱动电机和控制电机。控制电机又可分为步进电机、伺服电机以 及力矩电机。随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经从过去简单 的传动向复杂的控制转移，特别是对电机速度、位置、转矩的精密控制。 按照电源：可分为直流电机与交流电机。直流电机按照电刷的有无可分为有刷电机与无刷电机。交流电机按照电源类型又可分为单相交流电机与三相交流电机；按照 转子转速与定子旋转磁场的转速是否相同，可分为同步电机与异步电机。相比交流 电机，直流电机具有更好的启动特性与调速特性、使用更为环保，但结构也更为复 杂、造价更为昂贵。 其他分类方法：按照转子结构可分为笼型异步电动机和绕线转子感应电机；按照工 作速度可分为高速、低速、恒速、调速电机等。

（二）无框力矩电机：力矩电机带来大转矩，无框设计浓缩小体积

1、力矩电机 VS 其他控制电机：大转矩、低转速、高平稳

相比步进电机与伺服电机，力矩电机具有大转矩、低转速、平稳性强、过载能力强、响 应快等特点。

步进电机：步进电机是一种把电脉冲信号转换为角位移的电机。步进电机的优点是 没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低；缺点是由于转子实时位置 对整个控制系统没有反馈，控制的延迟和失误虽然较少但无法得到保证（即"失步 "）。

伺服电机：伺服电机是通过控制脉冲时间的长短控制转动角度的电机。伺服电机在 步进电机的基础上增加了编码器，使得转子实时位置会向整个控制系统反馈，从而 保证了较高的控制精度，但造价也更为昂贵。

力矩电机：力矩电机以转矩为控制方向，是一种极数较多的特殊电机，采用开环控 制。即使电机低转速驱动或堵塞(即转子不能转动)，仍可以继续工作，而不会造成 电机损坏。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩。

2、无框力矩电机 VS 有框力矩电机：小体积、轻重量、优性能

力矩电机可分为无框力矩电机与有框力矩电机，无框电机结构更加简单。无框力矩电机 仅包含传统电机中用于产生转矩和速度的元件（即转子和定子），但没有轴、轴承、外 壳、反馈或端盖。转子通常是内部部件，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，包含有齿刚叠片，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组， 定子紧凑地安装在机器外壳的主体内。

相比有框力矩电机，无框力矩电机具有尺寸小、性能更可靠、环境适应性强等优势： 结构简单，尺寸小，重量轻：无框力矩电机只保留了定子和转子，体积更小、重量更轻。 性能更可靠：机械系统中每一处传动（包括联轴器、皮带、齿轮等）都会引入会减小系统带宽的 柔性元素，带宽减小会导致运动整定时间变长，工作效率下降。通过将无框电机元件集成到机器 中，可以去除联轴器或皮带等弹性机器元件，从而提升机器性能。 更强的环境适应性：无框电机可集成到机器和所需的环境条件中，确保机器不受环境的负面影响。

二、需求端——人形机器人打开无框力矩电机市场

（一）协作机器人大量采用无框力矩电机

工业机器人主要搭载伺服电机，协作机器人主要搭载无框力矩电机。 1) 工业机器人：主要运用于数控机床、工业自动化等行业领域。伺服电机具有高精度、 高速度、强抗过载能力和高稳定性等优势，能够符合工业领域对精密控制的要求。 2) 协作机器人：突出特点在于人机交互能力强，通常具有小巧紧凑、轻量化的特点。 无框力矩电机作为新型轻量化电机结构，采用无框中空设计，在同等扭矩情况下体 积更小。其效率高、便捷度好的优势满足协作机器人对轻量化的要求。

（二）特斯拉 Optimus 人形机器人采用无框力矩电机

特斯拉 Optimus 的 28 个关节中均搭载无框力矩电机作为动力源头。Optimus 的 14 个旋 转关节结构为无框力矩电机+谐波减速器，14 个直线关节结构为无框力矩电机+行星滚 柱丝杠。无框力矩电机体积小、扭矩大的特点适配人形机器人关节驱动的需求。

无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件。随着技术的更新迭代，人形机 器人市场逐步放量，成为无框力矩电机的新应用场景。无框力矩电机具有以下符合人形 机器人工作要求的特点： 高灵敏度：无框电机部件惯性较低，转速较高，从获得指令信号到完成指令所要求 的工作状态所需时间短。适用于需要频繁启停、灵敏响应的人形机器人领域。 高功率密度：无框电机消除了传统电机的铁芯，结构紧凑小巧，可实现更高的功率 密度。适用于需要高功率输出的人形机器人关节部件。 高效率：无框电机采用了新型的电磁铁和轴承结构，具有低能耗和低摩擦的特点。 适用于工作强度大，承载需求高的人形机器人应用场景。

（三）无框力矩电机显著受益于人形机器人市场

无框力矩电机目前占人形机器人总体零部件价值量的 8%左右。在关节执行器中无框力 矩电机作为动力源泉，以特斯拉 Optimus 机器人为预估对象，不同关节处使用的电机单 价在 300 至 1200 元之间，预计总体价值量为 1.6 万元，目前约占机器人整体零部件价值 量的 8%。

人形机器人市场空间有望在 2030 年超过 3500 亿元。人工智能的快速发展解决了机 器人不智能、没场景两个核心难点，国内产业链的布局有利于快速降本，从而为人 形机器人的普及奠定基础，我们预测 2030 年人形机器人平均售价从 45.9 万降低至 16.2 万，降幅达到 65%；销量达到 216 万台，总市场规模 3506 亿元。

无框力矩电机市场规模有望随人形机器人市场的开拓实现迅猛增长。根据 QYResearch 数据，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 45 亿元（按照人民币汇率 6.8 计算），随着 人形机器人逐渐放量并实现商业化，我们预计未来至 2030 年传统领域市场空间约为 61 亿元，人形机器人领域市场空间为 163 亿元，总市场空间为 224 亿元。人形机器人中无 框力矩电机需求量级较为可观，为生产制造厂商带来发展新机遇。

三、供给端——国产有望凭借性价比优势加速替代

（一）市场格局：国外领先，国内追赶

从收入体量看，海外品牌实力强劲，国产品牌规模仍较小。外资品牌发展较早，实力较 强的企业有 Kollmorgen、Allied motion、Parker 等；国内做得比较好的品牌主要有步科 股份、禾川科技等。以 Allied motion 为例，2022 年营收规模达 34.20 亿元，相较于国内 厂商优势明显。

（二）市场痛点：性能提升与降本需求同时进行

机器人需要无框电机具有较强的过载能力、高响应能力和可靠性。机器人关节电机作为 机器人的核心硬件，直接决定机器人的重要性能。机器人对电机的总体要求为质量轻、 体积小、扭矩大。 转矩密度：关节需求朝扭矩不变尺寸更小的方向发展，要求关节电机不断提高功率 密度。 温升：关节是一个布置紧凑的包含减速机以及编码器、力传感等元器件的完整系统。 基于较小尺寸，达到很高功率密度外，达到热稳态后的电机温升是另一重要指标。 额定和最高转速：转矩需求固定，额定速度上限附近将损失转矩。由于机器人在某 些场景中不断提速的需求，意味着更高的电磁设计要求。 成本要求：核心零部件国产化是必经之路。为使机器人成本更落地，电机作为关键 部件，成本备受关注。

（三）发展现状：国内产品水平追赶国外，国产企业有望凭借配合开发及成本优势加速 突破

国内产品性能与海外企业产品存在一定差距，但在逐渐接近。俄罗斯 Mashinoappara 公 司在 1984 年推出了无刷无框力矩电机，但受限于当时的技术水平，电机的转矩密度很 低；近年来机器人行业的发展推动了永磁力矩电机的技术迭代，转矩密度、功率密度等 性能指标得到了很大提升。以 Kollmorgen 与宇捷电机、宁波菲仕的机器人关节用无框 力矩电机对比，可以发现国内头部企业产品转矩密度、过载倍数等部分性能已经逐步接 近海外产品。

国内丰富的伺服电机及新能源汽车电机公司有望快速切入无框力矩电机赛道。无框力矩 电机结构简单，主要是定子及转子，相比于伺服电机和新能源汽车电机简单很多。 中国企业有望凭借地域优势和成本优势获得先机。人形机器人主要供应链在中国，且国 内制造业具备明显的成本优势，参考智能手机及电动汽车产业我国企业在全球供应链中 的分工，国内企业有望凭借其较强的降本能力及规模优势在力矩电机领域上获得受益机 会。

四、重点公司分析

（一）步科股份：专精特新“小巨人”企业，持续深耕机器人行业

以智能制造为战略发展方向，坚持不懈地发展工业自动化与工厂数字化核心技术。公司 提供创新的高质量低成本的自动化与数字化解决方案，建立了完整的拥有自主知识产权 的产品线，涵盖从机器物联网到人机交互、控制、驱动和执行等一系列产品。步科股份 开发了多个系列的移动机器人低压伺服系统、协作机器人无框力矩电机、高性能运动控 制器等产品，全面满足机器人行业龙头客户和新兴初创客户的需求，助力中国机器人行 业创新。

截至 2023 年 12 月 25 日，根据 Wind 一致性预测，公司 23/24/25 年营收为 6.0/7.2/8.8 亿 元 ， 同 比 变 动 10%/21%/22% ； 归 母 净 利 润 为 0.95/1.17/1.47 亿元， 同 比 变 动 4%/23%/26%。

（二）禾川科技：国产自动化一线品牌，助力中国工业强国路

禾川科技进入国产自动化一线品牌方阵，助力中国工业强国之路。禾川科技专注于工业 自动化产品的研发、制造、销售及应用集成，致力于为智慧工厂提供核心部件和系统集 成解决方案，产品广泛应用于光伏、3C、锂电、机器人、包装、纺织、物流、激光、CNC 等领域；具备完整的自动化产品线，包括伺服系统、控制器（PLC）、视觉系统、 编码器、变频器、触摸屏等。广泛应用于光伏、3C、锂电与机器人等行业。

公司在工业自动化领域实现“控制+驱动+执行传感+机电一体化”，助力中国制造业的转 型升级。凭借创始人及核心技术团队在工业自动化控制领域的多年积累及对相关技术产 业化运用的深刻理解，禾川科技一方面致力于为智能制造装备企业提供稳定可靠、性价 比高的相关产品；另一方面集中产品和技术积累，通过渐进研发逐步实现关键领域的技 术突破，并通过深度制造能力、精细化管理带来的性价比优势，不断拓展营销渠道开拓 市场及下游重点客户。 截至 2023 年 12 月 25 日，根据 Wind 一致性预测，公司 23/24/25 年营收为 12.5/16.7/20.8 亿 元 ， 同 比 变 动 33%/33%/25% ； 归 母 净 利 润 为 1.0/1.4/1.9 亿元， 同 比 变 动 11%/41%/34%。

（三）信质集团：汽车电机零件供应商

信质集团从事各类电机核心零部件业务。公司产品包括车发电机定子及总成、汽车微特 电机转子、电动自行车定子及总成、电梯曳引机定子、电动工具电机转子、VVT(汽车 可变气门正时系统)、家电电机转子等；公司产品主要应用于汽车、电动自行车、家电、 电动工具、特种设备等领域。

公司绑定优质汽车客户。主要客户包括吉利、比亚迪、联电、上海电驱动、东风电驱动 等主机厂及 Tier1 等。 截至 2023 年 12 月 25 日，根据 Wind 一致性预测，公司 23/24/25 年营收为 47/60/73 亿元， 同比变动 27%/28%/20%；归母净利润为 2.51/3.4/4.4 亿元，同比变动 19%/34%/30%。

（四）德昌股份：入股广东省人形机器人创新中心，有望夺得先机

德昌股份以电机起家。全名为宁波德昌电机股份有限公司，依托在电机领域的技术优势， 深度布局小家电和汽车零部件领域，践行“以吸尘器为基础业务、以多元小家电为成长 性业务、以 EPS 电机为战略性业务”的发展战略。公司是中国十大吸尘器出口企业， 2022 年收入 19.38 亿元，其中吸尘器 13.83 亿，小家电 3.79 亿元。2017 年切入汽车零部 件领域，从事汽车 EPS 无刷电机、制动电机的研发生产，目前客户已覆盖耐世特、采埃 孚、捷太格特、上海同驭、上海利氪等。 切入人形机器人赛道，入股广东省人形机器人创新中心。公司公告称拟与五家产业相关 企业开展战略合作，共同建设广东省人形机器人创新中心，设立“深圳人形机器人国创 中心有限公司”（拟定名）作为创新中心的实际运营载体。合资公司注册资本为 6,500 万 元人民币，其中公司出资 500 万元，持股比例为 7.69%。公司有望凭借合资公司获得人 形机器人发展先机。 截至 2023 年 12 月 25 日，根据 Wind 一致性预测，公司 23/24/25 年营收为 27/34/42 亿元， 同比变动 42%/25%/21%；归母净利润为 3.4/3.9/4.8 亿元，同比变动 13%/15%/24%。

编辑：火腿肠