摘要：空心杯电机 是微特电机的一种， 属于直流永磁的伺服控制电机， ， 其 在结构上突破传统电机的 定 转子结构形式，采用了无铁芯 定/ / 转子，这种新颖的定转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少定/转子自
1 人形机器人的 “ 掌 ” 上明珠 —— 空心杯电机
1.1 什么是空心杯电机？
空心杯电机 是微特电机的一种， 属于直流永磁的伺服控制电机， ， 其 在结构上突破传统电机的 定 转子结构形式，采用了无铁芯 定/ / 转子，这种新颖的定转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少定/转子自身的机械能损耗。由于定转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术优势明显。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。
心杯电机相较传统伺服电机取消了铁芯的结构， 从本质上解决了铁芯结构固有的种种问题。按照引起的原因将损耗分为四类，分别是：定子绕组铜耗、定子铁耗、转子空气摩擦损耗和转子的涡流损耗。
定子铁耗（包含磁滞损耗、经典涡流损耗和异常涡流损耗）和转子涡流损耗可以通过取消定子或转子的铁芯结构来达到规避的效果。
定子绕组铜耗的大小受到电机工作频率、绕组导体尺寸和在槽中排列位置等多因素影响，所以也被铁芯结构的取消所影响。
转子空气摩擦损耗同电机转速的三次方成比例，故而在高速电机中转子的风磨耗占据较大比例，若转子替换为无铁芯的结构，即杯状的自支撑线圈，体积小重量轻，在高转速情况下也能达到更小的风磨耗。
铁芯电机由结构带来的损耗 较大 ，尤其是在高转速的工况下表现显著 ，空心杯电机的设计结构决定了其特性可以规避铁芯电机的各类问题。
对比空心杯电机和传统铁芯电机，我们可以发现，利用其新颖的结构特性，空心杯电机：优势众多：不存在磁滞，电磁额外干扰小，能够达到极高的电机转速。由于转子结构中不存在铁芯，没有齿槽效应，使得相应的铁损较小。能量转换效率极高，能量利用率在 75%以上，部分优质电机可达 90%以上。小惯量电机转子可以达到较快的加速度，有着优异的动态响应性能，具有较好的启动和制动性能，较快的响应速度，机械时间常数较小，部分产品可以达到 10ms 以内。在高速运转状态下，转速调节灵敏，有着较为可靠的的运行稳定性。空心杯电机的能量密度比其他电机大得多，与同等功率的铁芯电机相比，重量可减轻一半。
1.2 空心杯电机分类 ：有刷与无刷
空心杯电机分为有刷和无刷两种：
➢ 空心杯电机（ Coreless M M otor ）：直流有刷无铁芯电机，行业内通常称其为“有刷空心杯电机”
➢ 无齿槽电机（ Slotless M M otor ）：直流无刷无齿槽电机，行业内通常称其为“无刷空心杯电机”
二 者 的结构中， 有刷空心杯电机 的 转子无铁芯，无刷空心杯电机 的 定子无铁芯。从爆炸图中可以看出，两种电机的区别在于有刷空心杯电机利用碳刷（或者金属电刷）和换向器的配合来完成换向，无刷空心杯电机没有这种物理结构，线圈导线直接连接到控制器，通过处理连接板上的霍尔反馈的位置信号完成换向；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，他们共同组成转子。无刷空心杯电机的线圈是固定的，永磁铁作为转子在中间旋转。
由于有刷与无刷的结构差异，也使得两者在最终产品的性能特点及适用情况上有所区别。有刷空心杯电机完全无铁损，控制简单，但电机寿命通常在 2000 小时，且转速受限，无刷空心杯电机存在一定铁损，且需要驱动控制才能稳定工作，但其长寿命、高转速、忽略电磁干扰的多项优势也令其具备更多应用空间。
1.3 空心杯电机价格较贵，核心壁垒在于 自支撑绕组技术
空心杯电机的整体装配过程同普通电机类似，其核心技术壁垒在于定子/ / 转子的自支撑绕组技术上。德国 Fritz Faulhaber Sr.博士发明并于 1958 年注册了 System FAULHABER 自承式空心杯斜绕组转子的专利，作为直流电机的核心部件，这项革命性的技术改变了电机产业并开启了全新的应用思路，以最小的体积和重量获得最大的功率并有最优的动态特性。自此之后，西方发达国家德国、瑞士、日本等均开始在空心杯电机领域投入研发，绕组工艺得以不断发展。
实现自支撑绕组的关键点 ，一是 在 于 绕组工艺 的 设计。空心杯电机的自支撑绕组由漆包线制成，漆包线由铜导体和绝缘漆层两部分组成，裸线经退火软化后，再经过多次涂漆，烘焙而成。在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻铜线上的油漆熔化在一起。油漆是一种热塑性塑料，含有一种使其易于成型的溶剂。在高温制造过程中的，溶剂气体逸出，热塑体变硬，绕组便有了一定稳定性和刚度。适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性。这一点在大电流高负载的情况下尤为重要，因为在大电流高负载情况下，绕组发热量增大，油漆变的更软。绕组的工艺设计是其中的核心，导线粗细、绕组匝数等都将影响绕组电阻值、启动电流、速度常数等电机参数，从而直接影响电机的可靠性和运行性能，决定空心杯电机的质量。空心杯电机的绕组类型众多，有盘式绕组、直绕组、斜绕组、同心式绕组、叠绕组等，我们对其中比较常见的几种绕组类型进行说明：
（一） 直绕型
直绕型的元件有效导体部分与电枢轴线平行，属于集中绕组。绕制时先按照匝数要求在绕线模上绕制普通环形的漆包线元件（如图中红线所示），在排线芯轴上连成绕组，两端涂抹适当的粘结剂并固化成型。这种绕制方式槽满率较高，绕线杯中部壁薄，且由于漆包线排布不整齐、有堆叠，导致整个空心杯线圈排布较乱，端部留有走线余量所以端部尺寸较高。 直线型绕制工艺相对复杂，需要多次绕制形成，多用于 较少匝数、 较长绕组结构，故而 在流程化 绕线 设备 上 采用的情况 相对较少
斜绕型也被称为蜂房式绕组，为了能够连续绕制，需要使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。绕线时需制作带有两排销钉的专用绕线芯轴，绕线过程中芯轴跟随绕线机做回转运动，使得漆包线缠绕在芯轴上。此种绕制方法使得端部尺寸较小，由于斜绕型需要一定的排线角，漆包线相互交叠，槽满率较低。欧洲著名空心杯电机品牌 r Faulhaber 采用的就是斜绕型线圈，采用先进的绕线工艺技。术，自动化设备一次性绕制成型，合格率极高，绕组杯平整度、一致性也很好。
同心式绕组也被称为菱形绕组或马鞍形绕组，是采用先绕制成多个单一菱形线圈再排线的方法，线圈一般采用自粘性方导线，便于绕制和固定，之后依据产品设计尺寸要求，进行单个线圈的整形处理，再将成型后的线圈采用专用工装定位进行环形固定，最终形成杯状。此方法便于控制整形后的空心杯尺寸，提高槽满率，同时生产效率高，适合批量生产。同心式绕组空心杯电机的功率密度较大，瑞士 Maxon 电机就采用了马鞍形绕制方法，其电机产品性能优异。实现自支撑绕组的关键点 ，二是 在 于 绕组 设备 。为实现空心杯线圈的绕制方法，大致经历了传统的完全手工绕制，半自动绕制，以及现阶段的自动绕制方式。手工绕制和半自动绕制自动化程度低，耗费大量的劳力。另外，其绕制线圈排线精度差导致各匝铜线排列不规整，线圈质量较差。因此，为实现线圈高精度、高效率的生产，必须采用自动化的绕制方式和绕线设备。目前，空心杯电机线圈的生产技术主要分为绕卷生产和一次成型生产，其中绕卷生产方式工艺复杂，需要先将铜线缠绕成一定几何形状的空心线圈，之后将其挤扁成扁平的铜线板，最后再将线板绕成圆柱状的线圈。绕卷生产的绕制效率较低，目前一次成型生产的方式较为主流，前述直绕型、斜绕型、同心式绕组均是应用于一次成型的自动化设备中。
绕线设备行业的头部厂商主要集中在欧美、日本等地，诸如瑞士 Meteor 、日本田中精机、日本日特机械等。这些海外厂商的设备在自动化、智能化等方面均处于领先地位，设备产品先进可靠，生产效率高。瑞士 Meteor 公司是世界上市占率较高的绕线机供应商，具备行业内较为先进的技术和强大的研发实力，其代表性的 M21 型绕制设备能够应用于广泛的绕制范围，特别适用于较大功率线圈的制造，同时其整个系统采用 CNC 数控技术精准控制，确保了绕线机在高速运转下的绕制精度。同样还有日特机械工程株式会社研发的 BAS 系列设备，能够绕制各类空心线圈且一次成型。
国内空心杯电机产品市场份额不高，且受到关键技术和工艺的制约，整体自动化绕线设备发展缓慢，同海外有较大差距。国内由于劳动力密集且相对廉价，导致依赖人工且工序较多的绕卷生产占据较高比重。另外在线圈设计、绕制工艺及绕制设备方面，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，国外新专利公布较少，研究的学术论文同样较少涉及。近年来国内厂商在绕线机设备研发制造方面有所突破，但仍存在诸多局限。如中特科技研发生产了多款自动及半自动绕线设备，但其全自动双轴空心杯绕线机的绕制原理仍属于绕卷式生产；勤联科技式国产空心杯绕线机中较少采用一次性绕制成型生产技术的厂商，但其绕线机只能绕制尺寸较小、线径较细、形状单一的线圈，无法满足大功率空心杯电机的要求。
1.4 市场份额被海外厂商占据，供应商格局固定
海外厂商在空心杯电机市场具备先发优势及技术沉淀，形成一定程度地垄断地位。国外空心杯电机制造因其先进的技术和竞争优势，叠加相匹配的绕制设备先进技术及较高的自动化程度，如德国、瑞士、日本等长期保持其产品较高的市场占有率，其厂商也在空心杯行业形成了一定程度上的垄断。
瑞士 Maxon ：公司始建于 1961 年，全球约有 3300 名员工，分布于全球 40 个国家，2022 年营业额为 7.08 亿瑞士法郎，年产 500 万件约 12000 个品种，产品主要包含无刷和有刷 DC 电机、各类齿轮箱、传感器、编码器、伺服放大器、位置控制器、CIM 和 MIM 组件，以及按客户要求专门定制的驱动器和系统解决方案。其空心杯产品横跨直径 4-90mm，功率 1.2-400 瓦，转矩性能优异、功率高、转速范围大、使用寿命长。
德国 Faulhaber：：是一家独立的家族企业，前文中提到，德国Fritz FaulhaberSr.博士于 1958 年发明并注册了空心杯转子斜绕组的专利。作为全球唯一的迷你型和微型驱动系统系列的全面提供商，Faulhaber 的驱动技术是精密工程和电机技术的杰出代表。Faulhaber 在德国、瑞士、美国、罗马尼亚和匈牙利建有研发和生产中心，公司网络遍布全球 30 多个国家与地区，拥有超过 2300 名专业员工。其无刷空心杯电机 B-Micro 最小尺寸为 3mm，有刷空心杯电机 0615N1.5S 最小尺寸则为 6mm。
瑞士 Po rtescap ：公司于 1931 年在瑞士成立，致力于钟表制造业，1959 年推出了革命性的空心杯转子直流电机 escapTM，闯入微型电机行业，2023 年被Regal Rexnord 收购。公司微电机产品能够满足从医疗器械到各种工业应用场合的终端市场传动需求
1.5 下游应用场景广泛 ，人形机器人 灵巧手 打开 增量
空心杯电机产品因其优异性能，下游应用场景场景广泛。空心杯电机产品目前已经在医疗领域内如仿生义肢、外科手术机器人等场景发挥着重要作用，同时也应用在对于重量、寿命要求较高，性能转速要求较低的电动工具场景，以及精度、可靠性、控制要求极高的航空航天、工业自动化、测量、光学等场景。人形机器人手部方案对于空心杯电机的应用，打开了产品未来的发展空间。电机是人形机器人的关键组成部件之一，人形机器人的关节需要兼具高自由度和高精度的控制能力，而在人形机器人的手指关节等空间较为狭小的应用场景，空心杯电机小尺寸、高功率密度、高响应速度、高精度控制的诸多优点得以凸显。在此之前，医疗行业的外科手术机器人上就已应用了空心杯电机，而在特斯拉Optimus 机器人的手部运动控制方案中，就采用了空心杯电机+蜗轮蜗杆+腱绳的驱动传动控制，通过使用 6 个电机驱动执行器，控制单手 11 个自由度的实现，从而能够对手部实现灵活操作及精准控制。其他许多人形机器人厂商也在手部方案中采用了空心杯电机的应用方案。整体来看，空心杯电机在人形机器人手部方案的应用具备较高的确定性和优势，未来随着特斯拉及国内众多人形机器人厂商产品规模化，空心杯电机也将迎来广泛的应用前景和市场需求。
2 人形机器人 空心杯电机 市场 空间 测算
人形机器人手部对于空心杯电机尺寸、扭矩等性能参数的需求尚不明确，而国产厂商产品向海外龙头追赶步伐较快，故后期国产厂商有望在人形机器人带动。的空心杯电机市场中占据一席之地。以海外瑞士 Maxon 和国内鸣志电器的具体产品性能和价格为依据，选取 8mm、10mm 和 13mm 的有刷和无刷空心杯电机产品作代表举例，对较为关键的技术参数做对比。
对比两者产品可以得知，国内空心杯电机厂商的 有刷 空心杯 产品仅从使用时的 转速、转矩 技术参数上，基本已经能够达到海外厂商绝大部分的应用效果 ， 但针对 于 在 机器人 灵巧 手 上 应用 更 广 的 无刷 空心杯 电机， 尺寸、 转速、 转矩 等 关键参数 上 均 有 一定 差距， 国内产品整体的成熟度仍存在追赶空间。
对于人形机器人行业的发展后所带动的空心杯电机市场规模，我们进行了大致的测算， 从中可以大致看到空心杯电机在人形机器人领域应用的广阔前景。存在如下假设：
1） 全球人形机器人行业规模化发展迅速，达到表中 10 万台、100 万台、500万台、1000 万台的预测规模量级，产业链发展完备；
2） 在人形机器人产业链不断发展的过程中，手部方案的主流配置与目前特斯拉 Optimus 的用量一致，为单台机器人 12 只（左右手各 6 只），后续随着产品成熟度提高，未来方案中为了实现更加灵巧的双手，达到单台机器人 22 只（左右手各 11 只）的用量；
3） 假设用到的空心杯电机产品尺寸大约在 10mm 上下，考虑有刷及无刷电机的市场价，单价大致估算为 1200 元/只，同时假设后续量产达成，降本速度能够实现表中数据。
通过假设测算，当人形机器人的出货量达到 10 万台时，单机空心杯电机的价值量大约 14400 元，带来的增量市场空间已经有 14.4 亿，增加了原本空心杯电机市场的 28%左右；而当人形机器人产品出货量级达到百万、五百万、千万级时，单台空心杯电机的价值量分别为 10080 元、7056 元、10349 元，带来的增量市场空间分别为 101 亿、353 亿、1035 亿，相较于 2022 年整体的行业规模，单是人形机器人领域的应用就能令空心杯电机市场扩大约 2 倍、7 倍及 20 倍。
3 空心杯电机相关标的梳理
3.1 鸣志电器：空心杯电机核心标的，已形成收入
目前人形机器人厂商也在产品应用的定义阶段，众多厂商推出样机并进行各类测试，希望能找出人形机器人能够规模化、普及化的真正形态。而在此过程中，直接给人形机器人厂商供货的空心杯电机公司，能够获得一手的应用反馈，及时调整自身技术研发及产品优化路径，加之前期共同研发、技术交流的深厚积淀，有望在人形机器人产品规模量产之后成为定点供应商，占据未来广阔的空心杯电机市场的先发优势。
公司空心杯电机技术在全球居于前列水平，其主营业务控制电机及驱动系统中已经包含空心杯电机的批量出货收入。公司的空心杯无齿槽电机基于公司在控制电机领域的技术储备和产品开发平台打造，在工控自动化，移动机器人，高端医疗仪器以及实验室装备，智能汽车电子及自动驾驶激光雷达等新兴高附加值应用领域布局。2023 年 H1 公司控制电机业务合计营业收入 6.59 亿元，较上年同期增长 1%，其中空心杯无齿槽电机产品业务同比增长 67%，主要源于产能的稳步释放以及相关产品在移动机器人、医疗器械及生化分析仪器应用领域的业务增长。
3.2 鼎智科技：从医疗领域向人形机器人领域延申
医疗领域对于空心杯电机的性能需求与人形机器人领域类似，现阶段能够进入医疗领域的厂商，其产品大概率也能够符合人形机器人的应用需求。海外三大空心杯龙头厂商中，瑞士的 Maxon 和 Portescap 产品下游均广泛应用在医疗器械领域中。空心杯电机的特性十分契合医疗器械的需求，诸如高可靠性、高功率和性能、高电机效率、精准控制、低振动等。在外科系统中，手术机器人、电动手术螺丝刀、关节镜刨刀、整形外科骨钻/骨锯以及各类牙医设备中均需要应用无刷空心杯电机，其他像是胰岛素泵、透析泵，或是医疗用的仿生手、仿生脚、外骨骼等，由于设计紧凑的同时需求高转矩和高速，也成为空心杯电机具备优势的领域。医疗领域根据应用场景不同，对于空心杯电机的尺寸需求也不尽相同，特殊情况下会需求 10mm 及以下尺寸的产品，这与人形机器人的需求也趋同。
同时，医疗应用领域对于其供应商的挑选，相对来说并不属于价格敏感 型 ，而是要求产品的可靠性、一致性、使用寿命、所需维护、可应用工况等方面均达到较高要求。对于现阶段，人形机器人产品的具体应用场景尚未得到准确定义，对于产品的可靠性、稳定性、能承载的工况条件等均不明晰且无法直接验证，故短期内产品若能够在性能要求以及作业环境相似的医疗器械领域得到良好认证，那么厂商未来在人形机器人领域的应用也能够获得一定程度地背书。
公司依托此前在微特电机领域在医疗领域的技术沉淀，2022 年将空心杯电机作为新产品线推出。公司空心杯电机产品属于重点发展的核心产品，最小直径达 8mm，最大转速 8 万转/分钟，目前产品已经基本成熟，处于中小批量供货阶段。公司自研空心杯电机绕线设备，可实现空心杯电机全自动批量生产。由于核心工艺及设备自研，其空心杯电机产能建设周期较短，可以快速满足批量订单。另外，公司掌握与空心杯电机配套的行星减速箱核心技术，自研空心杯电机+减速箱配套产品处于样机和测试阶段。
3.3 兆威机电 ：从 微型 驱动 向人形机器人领域 拓展
公司一直深耕于微型驱动系统方案，其微小传动系统获评国家制造业单项冠军产品。公司主营业务下游行业多集中于汽车电子、智慧医疗、消费电子等，其中应用于消费电子行业的相机调焦执行器系统中，就是由直流空心杯电机搭配塑胶行星齿轮箱组成，结构紧凑、占用空间小、质量轻。公司 应用 空心杯 电机 的 产品 推出 已久 较为 成熟， ， 量产 能力 得到 验证， ， 而且 对 于 空心杯 电机 所需 搭配 的 精密减速 齿轮箱 ， 公司 在 微 型 传动 齿轮箱 方面 具备 优势，已成功研发并量产 3.4mm 齿轮箱。在 具备 技术 实力、 产品、 量产 能力 的 情况下， 未来 公司 有望 参与到 人形 机器人 行业 中 空心杯 电机 市场 的 竞争 中。
3.4 雷赛智能
2023 年 11 月 14 日，雷赛智能空心杯微型伺服系统于德国纽伦堡工业自动化展 SPS IPC Drives 展出，此微型系统包括微型伺服驱动器、微型编码器、空心杯微型电机三个部分，具有体积精巧、高低速性能优越、功率密度极高的优秀特色、总体性能达到了世界一流水平。雷赛展出的空心杯微型伺服系统中，电机尺寸覆盖 8-36mm 范围，EtherCAT 总线微型驱动器小于名片尺寸，特别适合于人形机器人灵巧手等新兴领域。根据公司公告的投资者关系活动记录中表示，其无框力矩电机产品已同多家人形机器人、协作机器人以及关节模组公司接洽并测试验证，同时即将于近期推出空心杯电机、微型伺服驱动器等系列产品。
细心关注雷赛智能的管理层情况，就会发现其与机器人之间的渊源由来已久。公司董事长、总经理李卫平先生 1962 年生，是美国麻省理工学院机器人与自动化专业博士，而 Boston Dynamics 是 1992 年从麻省理工学院（MassachusettsInstitute of Technology）中分拆建立的。
来源：全产业链研究一点号
