一、电机行业概述与产业链

1.1 电机原理示意图

电机通过电流在导线绕组中与磁场的相互作用产生扭矩，作用在电机轴上形成力。主要组成部分包括外壳（保护内部组件）、定子（承载磁场绕组和极）、转子（承载电枢绕组）和绕组（通电产生电磁力）。定子与转子共同构成机器的磁路或核心。

1.2 机器人驱动方式比较（液压/气体/电机驱动）

电机驱动是应用最广泛的方式，具有高精度、实时响应、轻量化设计等优势，更适合注重智能化、多功能的机器人发展趋势。液压驱动输出功率大但易受环境温度影响；气体驱动成本低但精度低；波士顿动力Atlas使用液压驱动，而特斯拉Optimus等大部分机器人采用电机驱动。

1.3 旋转电机按用途分类

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。随着技术发展，电机应用重点从简单传动向复杂控制转移，特别是对速度、位置、转矩的精密控制。按电源可分为直流电机与交流电机，直流电机具有更好的启动特性与调速特性。

1.4 电机产业链情况

上游主要是磁性材料、编码器、芯片和轴承等其他零部件；中游是电机制造；下游是机器人等行业应用。磁性材料（钕铁硼等）对电机性能影响较大，编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能密切相关，高端编码器芯片、码盘等仍依赖进口。

1.5 主要永磁材料的特性对比

钕铁硼材料在矫顽力上表现优异，磁能积优于其他材料（最大磁能积33-50MGOe），单位磁场强度下体积更小，有利于节省电机空间。高性能钕铁硼磁材料能大大减小电机体积、减轻质量、缩小能量损耗并提高系统效率。但温度稳定性较差（工作温度-125~220℃），需通过添加钴等元素改善。

1.6 不同编码器性能比较（电容/光学/磁性）

磁性编码器价格相对便宜、更耐用、抗振抗冲击，适合恶劣环境，但分辨率和精度相对较低；光学编码器分辨率更高但价格较贵，污染物会堆积在码盘上影响性能；电容编码器可提供更高的精度和分辨率，耐受各种环境污染物、承受振动和极端温度、不受磁干扰和电噪声的影响，占地面积更小。

二、伺服电机——工业机器人“心脏”

2.1 步进电机与伺服电机结构对比

步进电机主要由定子、转子、绕组等组成，无传感器反馈；伺服电机在此基础上装配有编码器，工作时驱动器实时接受到编码器的反馈信号，再根据反馈值与目标值比较来调整转子转动的角度。伺服电机通过闭环控制实现对角速度或位置、速度、加速度的精确控制。

2.2 步进电机与伺服电机性能指标对比

伺服电机控制精度更高（<0.036° vs 步进0.36-1.8°），低频时运转平稳、高频时能恒力矩输出，闭环控制使得过载能力更强，响应速度更快。以鸣志400W交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速3000RPM仅需几毫秒，而步进电机需200-400毫秒。伺服电机更适配机器人高精度和多变环境的应用需求。

2.3 中国工业机器人成本构成（伺服系统占比25%）

伺服系统作为工业机器人核心零部件，成本占比达25%，是机器人成本最高的单一部件。其次为减速器（35%）、控制器（10%）。伺服系统将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层，是工业机器人的“心脏”。

2.4 中国伺服电机市场规模及竞争格局

2024年中国伺服电机市场规模预计超200亿元，保持稳健增长。目前市场仍由外资主导，外资品牌占比达65%。国产品牌汇川技术市占率15.9%排名第一，安川（11.9%）、台达（8.9%）、松下（8.8%）、三菱（8.3%）紧随其后，国产替代进行中。

三、空心杯电机——与灵巧手高度适配

3.1 空心杯电机优势及铁芯/无铁芯电机对比

空心杯电机采用无铁芯转子，彻底消除铁芯涡流造成的电能损耗，重量和转动惯量大幅降低。最大能量转换效率达70%以上（部分可达90%），而普通铁芯电机仅15-50%；与同等功率铁芯电机相比，重量和体积减少了1/3-1/2；机械时间常数小于28毫秒（部分可达10毫秒）。

3.2 空心杯电机组成结构

主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成，提供恒定磁场使电机无铁损耗。绕组通过换向板连接到轴上，在磁铁和外壳之间的气隙中运动。

3.3 有刷与无刷空心杯电机对比

无刷空心杯电机寿命长达20000小时（有刷仅2000小时），转速更高，电磁干扰可忽略，无火花，但有铁损，需要驱动控制；有刷空心杯电机控制简单，但电机寿命受限，有火花。无刷电机具有噪音小、寿命长、易维护等特点，是未来发展趋势。

3.4 空心杯电机线圈绕制形式（直线形/马鞍形/斜绕形）

直线形绕制工艺复杂，多用于较长绕组结构；斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单。欧洲著名品牌Faulhaber电机采用斜绕形线圈，瑞士Maxon电机采用马鞍形绕制方法。空心杯电机的核心技术在于绕组，绕组质量直接决定电机可靠性和运行性能。

3.5 全球空心杯电机市场规模（2022-2028E）

2022年全球空心杯电机市场规模约7.48亿美元（折合人民币约53.56亿元），预计2028年达11.86亿美元，2022-2028年CAGR为7.98%。2021年有刷空心杯电机占比67.33%，预计2028年有刷市场规模将达6.86亿美元（CAGR 5.68%）。中国、欧洲2021年市场规模分别约2.36亿美元、1.75亿美元，占全球34.80%、25.85%。

3.6 人形机器人空心杯电机市场空间测算

特斯拉Optimus手部12个执行器均使用空心杯电机。假设单台用量12个，单价从1000元降至500元（随量产降本），当人形机器人年产5/10/50/100万台时，市场空间分别为6/9.6/36/60亿元。若中国企业市占率从30%升至60%，可获得市场空间1.8/3.8/18/36亿元。

四、无框力矩电机——与机器人关节高度适配

4.1 无框力矩电机结构示意图

无框力矩电机无轴、轴承、外壳和端盖，只有转子和定子两个部件。转子为内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上；定子为外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组。无框电机可无缝内置于机器设计中，体积小、质量轻、惯量低、结构紧凑。

4.2 协作机器人与传统工业机器人对比

协作机器人具有紧凑小型化、轻量化特性，采用整体式无框电机和关节一体化技术。与传统工业机器人相比，协作机器人结构简单、自重小，额定负荷通常为25kg以内，强调轻量化、柔性、安全性。随着未来机器人小型化发展，协作机器人关节中狭窄的安装空间对无框电机性能挑战不断提升。

4.3 特斯拉Optimus旋转关节与无框力矩电机

特斯拉人形机器人全身28个执行器（旋转和线性各14个），均使用无框力矩电机以实现精准控制并节省空间。执行器分布在肩部6个、肘部2个、腕部6个、躯干2个、髋部6个、膝部2个、踝部4个。国产人形机器人如宇树H1、远征A1、小米Cyberone、优必选X1、傅里叶GR-1关节单元也均使用无框力矩电机。

4.4 国产人形机器人及自研力矩电机情况

宇树H1（膝关节约360Nm）、远征A1（峰值扭矩350Nm）、小米Cyberone（最大模组峰值扭矩300Nm）、傅里叶GR-1（230Nm）等均自研关节电机。宇树、智元、小米机器人自研关节电机，能够更好适配各自厂商的机器人产品，体现了一体化定制的产业趋势。

4.5 全球无框力矩电机市场规模及预测

2023年全球力矩电机市场规模6.57亿美元（+6.95%），市场空间较小。若2030年人形机器人出货量达100万台，无框力矩电机单价降至500元/台，人形机器人领域市场空间将达23.97亿美元，叠加传统领域平稳增长，总市场规模有望达33亿美元。