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文檔簡介
1、一、電機技術(shù)日趨成熟,伺服電機和步進電機是行業(yè)主流歷經(jīng) 200 年技術(shù)更迭與產(chǎn)業(yè)磨礪,電機逐步走向成熟“電機”廣義上來說包括電動機、發(fā)動機和原動機等所有可實現(xiàn)電能、機械能相互轉(zhuǎn)化的裝臵,但通常情況下所謂電機指的是電動機。電動機也稱馬達,它的作用是將電能轉(zhuǎn)化為機械能,產(chǎn)生驅(qū)動力矩,作為用電器和機械設(shè)備的動力源。電機發(fā)展至今已有 200多年的歷史,其發(fā)展歷程可分為以下四個重要階段。第一階段:基本理論建立,直流電機產(chǎn)生(1821-1870)。1821 年法拉第制成了世界上第一個實驗電機的模型,并在 1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1832 年皮克西利用磁鐵和線圈的相對運動,制成了一臺原始型旋轉(zhuǎn)磁極式
2、直流發(fā)動機,這就是現(xiàn)在直流發(fā)電機的雛形。1834-1870 年期間,發(fā)電機領(lǐng)域產(chǎn)生了三項重大發(fā)明和改進,即永磁體轉(zhuǎn)變到電流線圈、西門子兄弟從蓄電池他勵發(fā)展到發(fā)電機自勵、格拉姆提出環(huán)形繞組,此后發(fā)電機與電動機的可逆原理被廣泛接受,兩者同步發(fā)展。第二階段:直流電機趨于成熟,交流電機開始受到關(guān)注(1870-1880)。1873 年,海夫納阿爾泰涅克發(fā)明了鼓形繞組,提高了導(dǎo)線的利用率。1880 年愛迪生提出采用疊片鐵芯,進一步降低了鐵芯損耗與繞組溫升。鼓形電樞繞組和有槽疊片鐵芯結(jié)構(gòu)一直沿用至今。隨著直流電機的廣泛應(yīng)用,其固有缺點也很快暴露出來,主要問題在于遠距離輸電、電機換向存在困難,因此 19 世紀
3、 80 年代后,人們注意力逐漸向交流電機方向轉(zhuǎn)移。第三階段:交流電機誕生并不斷向前發(fā)展(1885-1890)。1885 年加利萊奧費拉里斯提出了旋轉(zhuǎn)磁場原理,并研制出廠二相異步電動機模型,1886 年移居尼古拉特斯拉也獨立地研制出二相異步電動機。1889 年多利沃多勃羅沃利斯基制成一臺三相交流單鼠籠異步電動機,與單相和兩相系統(tǒng)相比,三相系統(tǒng)效率高、用銅少,電機性價比、容量體積比和材料利用率均有明顯改進。交流電機的研制和發(fā)展,特別是三相交流電機的研制成功為遠距離輸電創(chuàng)造了條件,把電工技術(shù)提高到一個新的階段。第四階段:電機理論和設(shè)計、制造技術(shù)逐步完善(20 世紀至 21 世紀)。進入 20 世紀,
4、工業(yè)的高速發(fā)展不斷對電機提出新的要求,而自動化方面的特殊需要則使控制電機和特種電機迅速發(fā)展。同時,這一時期電機理論不斷豐富,材料和冷卻技術(shù)不斷改進,交、直流電機的單機容量、功率密度與材料利用率都有顯著提高。第五階段:永磁電機是 21 世紀電機發(fā)展方向(21 世紀至今)。進入 21 世紀,專用性、輕量化、高性能是電機行業(yè)發(fā)展方向。在專門化的基礎(chǔ)上,專用電機的節(jié)電潛能很大。而永磁電機控制性能好,節(jié)能且體積小,可通過頻率的變化調(diào)速,又容易做成低速直接驅(qū)動等優(yōu)點,在醫(yī)療器械、視聽產(chǎn)品、計算機、數(shù)控機床、電動車輛、航空航天產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時輕量化需求下,屬于永磁伺服電機中的小功率的空心杯電機等
5、微型電機開始得到各個行業(yè)的重視。圖表 1:電機發(fā)展歷程電機學(xué),人形機器人新增電機需求,伺服電機在眾多分類中脫穎而出電機種類繁多,按用途可分為動力電機和控制電機兩大類,動力電機功率較大,側(cè)重于電機的啟動、運行和制動方面的性能指標,而控制電機輸出功率較小,側(cè)重于電機控制精度和響應(yīng)速度等指標。動力電機:按運動方式,可分為旋轉(zhuǎn)電機和直線電機。旋轉(zhuǎn)電機按電壓性質(zhì)分為直流電機與交流電機,其中直流電機按內(nèi)部有無碳刷可分為有刷電機和無刷電機兩種;交流電機按結(jié)構(gòu)可分為同步電機和異步電機,按相數(shù)不同可分為三相交流電機和單相交流電機。交流電機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同,還可分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子型,其中籠型三相異步電動機為應(yīng)用最
6、廣的動力電機??刂齐姍C:根據(jù)控制方法與用途的不同,可分為步進電機、伺服電機、測速電機、力矩電機(也叫直驅(qū)電機)等,其中步進電機是一種電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或者線位移的電動機,每一個脈沖信號,對應(yīng)的有一個角度,轉(zhuǎn)速與脈沖頻率有關(guān)。整體看,控制電機相較于動力電機,增加了控制電路,但電機部分與動力電機并無本質(zhì)區(qū)別,仍可按動力電機的分類方式進行劃分。圖表 2:電機分類(按照用途劃分)工控網(wǎng),伺服和步進電機是控制電機下的主要產(chǎn)品,其中伺服電機優(yōu)勢更加明顯。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機,每輸入一個脈沖信號,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步,其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正
7、比,轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。伺服電機則是一種補助馬達間接變速裝臵,其可以控制速度,位臵精度非常準確,伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。在數(shù)字控制的發(fā)展趨勢下,運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。兩者在控制方式上相似(脈沖和方向信號),但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著差異。步進電機通常為開環(huán)控制,易出現(xiàn)失速或與控制器失去同步的情況。伺服電機為閉環(huán)控制,通過實時的閉環(huán)信號反饋來調(diào)整,實現(xiàn)更精密的控制。綜合來講,伺服電機在控制精度、低頻特性、過載能力、速度響應(yīng)等許多性能方面都優(yōu)于步進電機,更適用于
8、工業(yè)自動化、機器人等領(lǐng)域,但步進電機具備性價比優(yōu)勢,在一些要求不高的場合仍可使用。圖表 3:步進電機結(jié)構(gòu)圖圖表 4:伺服電機結(jié)構(gòu)圖鳴志電器官網(wǎng),鳴志電器官網(wǎng),圖表 5:伺服電機與步進電機性能對比性能步進電機伺服電機角一般為 1.8、0.9為 0.036取決于相數(shù)和拍數(shù),兩相混合式步進電機的步距取決于編碼器,2500 線增量式編碼器電機精度控制精度恒力矩輸出輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,低速時轉(zhuǎn)矩較高,高速時轉(zhuǎn)矩會急劇下降矩頻特性低頻特性低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象具備振動抑制功能過載能力一般不具有過載能力具有較強的過載能力開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)失步運行性能或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易
9、出現(xiàn)過沖現(xiàn)象閉環(huán)控制,一般不會出現(xiàn)失步或過沖現(xiàn)象速度響應(yīng)性能(從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速)200400 毫秒10 毫秒(以鳴志 400W 交流伺服電機為例)懸停能力停轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩達到峰值,保持力矩較大,可以在不使用剎車的情況下保持在停止位臵一般沒有保持力矩,依靠動態(tài)調(diào)節(jié)保持在停止位臵經(jīng)濟性結(jié)構(gòu)簡單,成本較低結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,成本較高鳴志電器官網(wǎng),人形機器人新增更多電機需求,伺服電機和步進電機均具備適配性。特斯拉預(yù)計在 9 月30 日的特斯拉第二個人工智能日(AI Day)發(fā)布人形機器人產(chǎn)品,人形機器人有望催生更大的電機用量需求。從電機用量來看,單臺人型機器人電機用量超 40 個,而對于所使用的電機產(chǎn)品而言,具
10、備更高控制精度并廣泛使用于工業(yè)機器人、通用自動化領(lǐng)域的伺服電機將是未來人形機器人的主要配臵。此外,對于步進電機而言,其在人形機器人的眼睛部位具備較好適配性,目前現(xiàn)有學(xué)術(shù)研究和實驗設(shè)計中,在機器人仿生眼中使用步進電機是較為理想和可靠的選擇,因為仿生眼在需要具有人類一樣的視覺功能,并且體積較小,要求驅(qū)動攝像頭的驅(qū)動機構(gòu)具備小體積并能提供各自的兩個自由度運動(180),而步進電機可以實現(xiàn)無位臵傳感器的位臵控制,并保證平穩(wěn)運行,因此在人形機器人眼部安裝步進電機具備較好適配性。圖表 6:人形機器人電機使用類型圖表 7:四自由度仿真眼球硬件結(jié)構(gòu)特斯拉,仿生眼球用四自由度步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)研究,國盛證券研
11、究所二、人形機器人大時代來臨,伺服電機需求有望爆發(fā)伺服電機種類眾多,高效+輕量化+微型化產(chǎn)品是未來發(fā)展方向伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈層次明晰,稀土磁材是必備原材料。伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈涉及稀土磁材、電子原器件、伺服系統(tǒng)制造、機器人等,上游來看,伺服電機行業(yè)的上游主要是稀土磁材和電子零部件等其他材料,稀土磁材是伺服電機制造過程中必需的重要原材料。中游來看,除伺服電機制造以外,伺服系統(tǒng)還包括伺服驅(qū)動器制造以及數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)等環(huán)節(jié)。下游來看,伺服電機可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、機器人制造、汽車制造和工業(yè)裝備制造等領(lǐng)域,具備廣闊的應(yīng)用前景。圖表 8:伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈前瞻產(chǎn)業(yè)研究院,國內(nèi)伺服電機市場規(guī)模近 200 億元,匯川技術(shù)
12、引領(lǐng)國產(chǎn)替代浪潮。近看來,我國伺服電機市場規(guī)模穩(wěn)步增長,根據(jù)工控網(wǎng)數(shù)據(jù),2021 年我國伺服電機市場約 169 億元,2017-2021 年 CAGR 約為 10%,受到下游工業(yè)機器人、醫(yī)療器械、電子制造設(shè)備等產(chǎn)業(yè) 擴張的影響,伺服電機在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用規(guī)模也不斷增加。從競爭格局上看,匯川技術(shù)已 占領(lǐng)國內(nèi)龍頭地位,根據(jù) MIR DATABANK 的數(shù)據(jù)顯示,2021 年上半年,國產(chǎn)品牌中, 匯川技術(shù)在國內(nèi)市場份額首次排名第一,市占率達 15.9%,除匯川外,排名靠前的電機 廠商依然以日本和臺灣為主,包括日本安川(11.9%)、臺灣臺達(8.9%)、日本松下(8.8%)和日本三菱(8.3%),行業(yè)
13、CR5 為 53.8%,集中度較高。但從國內(nèi)其他廠商競爭力角度 看,在匯川引領(lǐng)下,眾多國內(nèi)電機企業(yè)開始奮起直追,包括禾川科技、江蘇雷利、鳴志 電器在內(nèi)的眾多國內(nèi)品牌都推出自己成熟的伺服電機產(chǎn)品,并開始在市場上嶄露頭角。圖表 9:中國伺服電機市場規(guī)模圖表 10:中國伺服電機市場競爭格局(2021H1)200180160140120100806040200伺服電機市場規(guī)模(億元)yoy201720182019202020212022E16%14%12%10%8%6%4%2%0%46.2%8.3%15.9%11.9%8.9%8.8%匯川技術(shù)日本安川臺灣臺達日本松下日本三菱其他工控網(wǎng),MIR DATE
14、BANK,從分類上看,普通伺服電機、舵機和空心杯電機是主要類型。普通的伺服電機主要分為直流伺服電機和交流伺服電機,其中直流電機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能,其按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵 3 類,此外,對于直流電機而言,其還可以按照有無電刷(碳刷)分為有刷直流伺服電機和無刷直流伺服電機。圖表 11:伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈知乎,碳刷:碳刷是用于電機的換向器或滑環(huán)上,作為導(dǎo)出導(dǎo)入電流的滑動接觸體。其導(dǎo)電,導(dǎo)熱以及潤滑性能良好,并具有一定的機械強度和換向性火花的本能,幾乎所有的有刷電機都使用碳刷,它是有刷電機的重要組成部件。根據(jù)有無碳刷,直流伺服電機分為有刷電機和無刷電機,有刷電機成本低,結(jié)構(gòu)簡單,控制容易,
15、需要維護,但由于維護不方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,為了提高直流電機的使用壽命、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及降低直流電機的噪聲和電磁干擾,無刷直流電機有逐步取代有刷電機的趨勢。對于交流伺服電機來說,一般不用恒磁場,所以用不著換向器,也就無須電刷,故其也是無刷電機一種,分為同步和異步電機。圖表 12:碳刷產(chǎn)品展示圖圖表 13:有刷電機和無刷電機構(gòu)造工控網(wǎng),天孚電機官網(wǎng),空心杯電機是直流電機的特殊形式。伺服電機中還存在一種直流永磁的伺服控制電機,即空心杯電機,其體積較小且效率較高,屬于微特電機的一種??招谋妱訖C由機殼、線圈、后蓋、磁體和換向器組成,線圈看起來像一個水杯,故稱空心杯,其在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)
16、子結(jié)構(gòu)形式,采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子,也叫空心杯型轉(zhuǎn)子,這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗,同時其重量和轉(zhuǎn)動慣量大幅降低,從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機械能損耗。此外,根據(jù)有無電刷,空心杯電機亦可分為有刷空心杯電機和無刷空心杯電機。圖表 14:空心杯電機和普通電機結(jié)構(gòu)存在差異天孚微電機,以空心杯電機為代表的新型電機具備高效、輕量化、微型化等特點,其亦是伺服電機的未來發(fā)展方向。在全世界節(jié)能環(huán)保理念廣泛普及的背景下,高效率環(huán)保節(jié)能電機變成全世界電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的共識,空心杯電機、直流無刷電機、伺服電缸等電機均具備更高功率密度,符合綠色環(huán)保和低碳理念,未來在耗電量大、使用頻率高的家電、機器人等
17、領(lǐng)域還將逐步滲透。此外,工業(yè)機器人、家用電器等設(shè)備越來越趨于高效節(jié)能化、小型化及智能化,電機作為執(zhí)行元器件的重要組成部分,對輕量化、微型化和響應(yīng)速度的要求也越來越高。以無槽無刷電機為例,近來年無刷直流電機已越來越多地替代有刷直流電機,尤其在高速和長使用壽命的應(yīng)用場景中,而無刷直流電機的鐵芯為了安放電子繞組,一般采用開槽設(shè)計,而鐵芯的齒槽在磁場中會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,造成電機轉(zhuǎn)矩波動、振動和嗓音,影響電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和精度。因此無槽設(shè)計的無刷直流電機逐漸被開發(fā)出來,與傳統(tǒng)有槽無刷電機相比,其具備體積更小、成本低、功率密度更高、過載能力更強等多個優(yōu)點。整體看,我們認為,以空心杯電機、伺服電
18、缸、無槽無刷電機等為代表的新型電機在技術(shù)路徑上正逐步向高效率、輕量化、低成本的方向持續(xù)突破,這種技術(shù)導(dǎo)向有望成為一種產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,各類產(chǎn)品也將在在機器人、家電、汽車等領(lǐng)域進一步加速滲透。圖表 15:傳統(tǒng)有槽無刷直流電機結(jié)構(gòu)圖表 16:無槽無刷直流電機結(jié)構(gòu)鳴志電器官網(wǎng),中駿電機,仿真人形結(jié)構(gòu)帶動伺服電機用量迎來指數(shù)級增長特斯拉 Bot 即將推出,人形機器人帶來更大想象空間。特斯拉預(yù)計在 9 月 30 日的特斯拉第二個人工智能日(AI Day)發(fā)布人形機器人產(chǎn)品。這款機器人運用了特斯拉最先進的 AI 技術(shù),基于特斯拉在自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)積累進行開發(fā),被稱為是 2022 年最重要的產(chǎn)品開發(fā)項目,甚至
19、可能比汽車業(yè)務(wù)更重要。從已公布的參數(shù)看,特斯拉人形機器人主要配臵包括:1)身高 5 尺 8 寸(約 1.73 米);2)頭部帶有顯示屏,用以展示信息; 3)采用 Autopilot 的攝像頭作為視覺感知傳感器,共八個攝像頭;4)采用 FSD Computer作為計算核心;5)脖子、胳膊、手、腿、軀干累計搭載了 40 個機電傳動器;6)搭載多相機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)化、自動標記、算法訓(xùn)練等;7)以輕量材料打造,最高時速達 5 英里/小時。圖表 17:Tesla Bot 硬件配臵特斯拉,單臺人形機器人電機用量超 40 個,較傳統(tǒng)工業(yè)機器人的電機用量大幅增長。從傳統(tǒng)工業(yè)機器人看,其可以分為多關(guān)
20、節(jié)、SCARA、delta、協(xié)作機器人幾大類,我們按照其各自的自由度(關(guān)節(jié)數(shù)量)進行細分,多關(guān)節(jié)機器人和協(xié)作機器人多以六軸為主,單臺六軸機器人的六個自由度對應(yīng) 6 臺電機需求,SCARA 機器人擁有三個互相平行的旋轉(zhuǎn)軸和一個線性軸,故 4 個自由度對應(yīng) 4 臺電機,delta 機器人為并聯(lián)結(jié)構(gòu),由三條從動臂組成,對應(yīng) 3 臺電機,同時在旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器位臵配備第四臺電機,目前新一代的 Delta 機器人一般是用直驅(qū)力矩電機取代伺服電機的設(shè)計,但數(shù)量上看單臺機器人電機用量仍為 4個。而特斯拉 Optimus 將搭載約 40 個電機,實現(xiàn)對頸部、手臂、手指、軀干、腿部等部位的控制,電機數(shù)量較傳統(tǒng)工業(yè)
21、機械人和服務(wù)機器人有大幅提升。圖表 18:多關(guān)節(jié)(六軸)機器人和 SCARA 機器人展示圖表 19:Delta 機器人結(jié)構(gòu)圖百度百科,CSDN,圖表 20:人形機器人電機用量較傳統(tǒng)工業(yè)機器人大幅增長多關(guān)節(jié)機器人(六軸) 6機器人類型電機數(shù)量(臺)協(xié)作機器人(六軸) 6SCARA 機器人 4人形機器人大于 40Delta 機器人 4特斯拉,工業(yè)機器人:伺服電機用量需求保持穩(wěn)定增長。根據(jù) MIR 數(shù)據(jù),2021 年我國工業(yè)機器人銷量為 25.7 萬臺, 其中多關(guān)節(jié)/SCARA/delta/ 協(xié)作機器人占比分別為 61.9%/29.1%/6.0%/3.0%。假設(shè)各類機器人銷量占比保持基本穩(wěn)定,預(yù)計
22、2025 年我國工業(yè)機器人銷量有望突破 45 萬臺。同時,我們做出如下假設(shè):1)假設(shè)多關(guān)節(jié)機器人和協(xié)作機器人均為六軸機器人;2)delta 機器人均采用伺服電機而非新一代的力矩電機;3)按照多關(guān)節(jié)/SCARA/delta/協(xié)作機器人的單臺伺服電機用量 6/4/4/6臺進行計算。在此假設(shè)下,預(yù)計 2025 年我國工業(yè)機器人電機用量有望超過 240 萬臺,整體需求保持穩(wěn)定向上增長。圖表 21:工業(yè)機器人伺服電機需求量20212022E2023E2024E2025E多關(guān)節(jié)機器人(六軸)銷量(萬臺)15.918.921.424.327.0單臺電機用量(臺)66666伺服電機需求量(萬臺)95.2113
23、.1128.7145.6161.9SCARA 機器人銷量(萬臺)7.59.010.411.612.8單臺電機用量(臺)44444伺服電機需求量(萬臺)29.835.841.546.551.2delta 機器人銷量(萬臺)1.51.92.12.42.7單臺電機用量(臺)44444伺服電機需求量(萬臺)6.27.48.69.811.0協(xié)作機器人(六軸)銷量(萬臺)0.81.21.82.43.2單臺電機用量(臺)66666伺服電機需求量(萬臺)4.67.410.714.719.2合計(萬臺)135.8163.8189.4216.5243.2MIR,注:測算過程包含主觀假設(shè),結(jié)論與實際可能存在誤差人形
24、機器人:伺服電機需求量呈指數(shù)級增長,產(chǎn)業(yè)鏈迎來黃金時代。人形機器人關(guān)節(jié)預(yù)計在 40 個以上,我們按照 40 個關(guān)節(jié)數(shù)量計算,對應(yīng) 40 臺電機用量,包括頸部、手臂、手指、軀干、腿部等各個部位,我們在人形機器人銷量達到 100 萬臺的中性假設(shè)下,預(yù)計對應(yīng)人形機器人電機用量達到 4000 萬臺,較傳統(tǒng)工業(yè)機器人電機需求量大幅增長。考慮到不同部位配臵的電機功率、大小存在差異,其價格也存在差異,我們假設(shè)單臺電機均價 1200 元,則單臺人形機器人電機價值量有望達到4.8 萬元,按 100 萬臺銷量計算,人形機器人有望帶來 480 億的增量市場空間。圖表 22:人形機器人電機需求量的敏感性分析(萬臺)銷
25、量單臺用量2050100200500387601900380076001900040800200040008000200004284021004200840021000wind,注:橫軸為特斯拉人形機器人銷量,縱軸為單臺人形機器人配備電機數(shù)量人形機器人手指關(guān)節(jié)自由度提升,空心杯電機具備較強契合度更加靈活的應(yīng)用場景驅(qū)動下人形機器人手指應(yīng)具備更高的自由度。人形機器人的重點在于替代人的部分工作場景,同時進行更好的交互以輔助人進行工作,因此其會面臨更加多樣化、更加復(fù)雜的應(yīng)用場景,故賦予其手指關(guān)節(jié)更高自由度使得其具備抓取、傳遞等基本功能是關(guān)鍵??紤]到人形機器人的仿真性,其手指關(guān)節(jié)處需要配備體積小且能輸出
26、較大力的電機。我們認為,具備節(jié)能、靈敏且體積較小的空心杯電機和將伺服電機與絲杠集成的模塊化產(chǎn)品電缸,天然適配于人形機器人手指關(guān)節(jié)。圖表 23:五自由度手指機器人展示CSDN,空心杯電機:優(yōu)點明顯,與人形機器人完美適配??招谋妱訖C屬于微型直流永磁伺服電動機,它可以利用永磁鐵產(chǎn)生磁場,從而實現(xiàn)直流供電。與傳統(tǒng)電機的不同之處在于,空心杯電機結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子無鐵芯,轉(zhuǎn)子無鐵芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計一是可以降低電機質(zhì)量,二是可以降低電機的機械損耗,便于延長電機壽命,從根本上杜絕了因鐵芯而產(chǎn)生的鐵耗,提升效率??招谋姍C可以分為無刷空心杯電機和有刷空心杯電機,作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝臵,優(yōu)點明顯:1)節(jié)能性:能量轉(zhuǎn)換效率高
27、,其最大效率一般在 70%以上;2)控制特性:起動、制動迅速,響應(yīng)極快,在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下,可以方便地對轉(zhuǎn)速進行靈敏的調(diào)節(jié);3)運行穩(wěn)定且十分可靠,轉(zhuǎn)速波動很小,能夠容易的控制在 2%以內(nèi);4)重量輕,體積?。嚎招谋妱訖C的能量密度大幅度提高,與同等功率的鐵芯電動機相比,其重量、體積減輕超過三分之一。由于空心杯電動機克服了有鐵芯電動機不可逾越的技術(shù)障礙,其在軍事、各類工業(yè)產(chǎn)品、高科技、民用電器等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而對工業(yè)機器人、仿生義肢等,空心杯電機憑借其快速響應(yīng)的隨動系統(tǒng)能夠很好發(fā)揮作用。對于人形機器人而言,空心杯電機除快速響應(yīng)外,體積小、重量輕、節(jié)能等各種特點都符合人形機器人需要,隨著人形機器
28、人大時代來臨,空心杯電機有望迎來需求爆發(fā)。圖表 24:有刷空心杯電機結(jié)構(gòu)圖圖表 25:無刷空心杯電機結(jié)構(gòu)圖鳴志電器官網(wǎng),中駿電機官網(wǎng),海外品牌占據(jù)高端市場,國內(nèi)產(chǎn)品性價比優(yōu)勢明顯。由于空心杯電機屬于微特電機的一種,而微特電機屬于技術(shù)密集行業(yè),其興起于瑞士,發(fā)展于日本,而后隨技術(shù)擴散逐步向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移,因此我國的空心杯電機產(chǎn)品較國外還存在一定差距。從微特電機的下游看,信息處理、家用電器和武器、航空等領(lǐng)域占據(jù)主要份額,而目前在 IT 微特電機領(lǐng)域,日本企業(yè)相對領(lǐng)先,其中硬盤主軸電機是技術(shù)含量較高的微電機,Nidec(電產(chǎn))、inebea(美蓓亞)都是代表廠商,手機用線性震動電機僅 SEMCO(三
29、星電機)等少數(shù)企業(yè)可以供貨。在汽車微特電機領(lǐng)域,同樣是日本企業(yè)主導(dǎo)市場,Nidec(電產(chǎn))、ASMO(阿斯莫)、Mitsuba (三葉)、Denso(電裝)占據(jù)主要市場份額,空心杯電機作為電機的新的發(fā)展方向,國外廠商也紛紛加強產(chǎn)品布局,如 Maxon(瑞士)、Faulhaber(德國)等著名微電機廠商都已經(jīng)大量申請空心杯電機相關(guān)的專利技術(shù)。目前,國內(nèi)廠商在微特電機,尤其是空心杯電機領(lǐng)域開始奮起直追,不斷加速國產(chǎn)替代,從價格上看,國內(nèi)廠商微特電機產(chǎn)品價格在幾百元不等,且性能上開始逐步收斂國外同類型產(chǎn)品,性價比優(yōu)勢凸顯。圖表 26:微特電機下游應(yīng)用領(lǐng)域分布圖表 27:微特電機市場競爭格局7%29%
30、13%20%26%3%2%信息處理家用電器武器、航空、農(nóng)業(yè)、輕紡、醫(yī)療、包裝等汽車電器設(shè)備視像處理工業(yè)控制其他科創(chuàng)中國,科創(chuàng)中國,圖表 28:鳴志電器部分類型產(chǎn)品價格展示產(chǎn)品類型型號/參數(shù)價格(元)有刷空心杯電機基座尺寸 16mm/功率 2W400-800基座尺寸 10mm/功率 1.1W1000-1500直流無刷電機基座尺寸 36mm/功率 4-28W200-300無刷無齒槽電機基座尺寸 13mm/功率 10W約 1000微型電缸絲桿導(dǎo)程 3mm/最大水平和垂直負載:3/2kg約 3300鳴志電器官網(wǎng),人形機器人有望帶動空心杯電機用量大幅增長??紤]到空心杯電機體積較小,更易于裝配在機器人小關(guān)
31、節(jié)處,保守假設(shè)下,我們假設(shè)空心杯電機僅用在人形機器人手指關(guān)節(jié)處,且僅考慮三根手指裝配空心杯電機(一只手臂),則單臺機器人所需空心杯電機數(shù)量為 6 臺,中性假設(shè)人形機器人銷量達到 100 萬臺,對應(yīng)空心杯電機需求量為 600 萬臺。圖表 29:人形機器人空心杯電機需求量的敏感性分析(萬臺)銷量單臺用量205010020050061203006001200300081604008001600400010200500100020005000wind,注:橫軸為特斯拉人形機器人銷量,縱軸為單臺人形機器人配備空心杯電機數(shù)量伺服電缸符合人形機器人降能耗目標,產(chǎn)品需求有望持續(xù)推升動力問題是機器人的核心問題,
32、波士頓動力采用液壓執(zhí)行器進行輔助驅(qū)動。波士頓動力早期機器人主要是電機通過齒輪驅(qū)動連桿機構(gòu),對于沒有載荷要求的機器人而言足夠,但 BigDog 這類以內(nèi)燃機為動力且需搭載較大負荷的機器人產(chǎn)品系統(tǒng)能耗高,能量的多次轉(zhuǎn)換、多環(huán)節(jié)傳遞造成了大能量損失,原有設(shè)計方案無法滿足。為了提高機器人運行的效率、減小功率消耗以及提高運動穩(wěn)健性,波士頓動力通過判斷關(guān)節(jié)承受的載荷類型和大小,以選擇適當(dāng)?shù)囊簤夯螂妱又苿悠?,使得機器人的功率消耗最低。但從其動力來源看,最主要依靠的驅(qū)動方式仍為液壓驅(qū)動,在腿部上肢和下肢的連接處采取的多以液壓執(zhí)行器為主,相比于純電動執(zhí)行器,在降功耗、提效率上仍存在一定不足。圖表 30:波士頓動
33、力 BigDog 足部理想軌跡圖圖表 31:波士頓動力機器人的期望驅(qū)動力仍以液壓驅(qū)動為主波士頓動力,波士頓動力,伺服電缸:有望替代液壓執(zhí)行器,完美符合人形機器人產(chǎn)品需求導(dǎo)向。伺服電缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品,將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。伺服電缸通過結(jié)構(gòu)上的改造將伺服電機自身優(yōu)勢轉(zhuǎn)變成精確速度控制,精確位臵控制和精確推力控制,從而實現(xiàn)高精度直線運動。從優(yōu)點上看,伺服電缸能夠快速與 PLC 等控制系統(tǒng)連接,實現(xiàn)高精密運動控制,同時具備噪音低,節(jié)能,干凈,高剛性,抗沖擊力,超長壽命,操作維護簡單等優(yōu)勢,并且可以適應(yīng)在惡劣環(huán)境下的工作,廣泛適用于造紙行業(yè),化工行業(yè),汽車行業(yè),電
34、子行業(yè),機械自動化行業(yè),焊接行業(yè)等各領(lǐng)域。對于人形機器人而言,伺服電缸的節(jié)能、輕量化特點相比于液壓驅(qū)動具備較好的優(yōu)勢,符合特斯拉本身的電動化導(dǎo)向,也符合人形機器人產(chǎn)品未來的要求。圖表 32:高性能電缸結(jié)構(gòu)圖神威氣動官網(wǎng),伺服電缸常見類型有直流伺服電缸、交流伺服電缸和步進伺服電缸等。從結(jié)構(gòu)上看,電缸一般由絲桿、缸體、電機、動力管組成,從外形結(jié)構(gòu)上可分為直線式(直連式)、平行式(折返式)。1)直線式:典型的直線式電缸由伺服電機、伺服驅(qū)動器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、直線位移傳感器和缸體等組成,伺服電機與傳動絲桿安裝在一條直線上,通過聯(lián)軸器相連。直線式整體結(jié)構(gòu)緊湊,能快速響應(yīng),且具備高剛性、低噪
35、音特點;2)平行式:平行式電缸的電機與缸體部分平行安裝,通過同步帶及同步帶輪與電缸的傳動絲桿相連接。平行式電缸具有直線式的優(yōu)點,而且由于整體長度小,更加適用于空間較小的應(yīng)用場景。圖表 33:直線式電缸與平行式電缸的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)神威氣動官網(wǎng),伺服電缸契合人形機器人未來多方位的應(yīng)用場景,需求量有望隨之提升。伺服電缸高精密運動控制的特點符合人形機器人的要求,同時低噪、節(jié)能、高剛性以及能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境工作的特點符合當(dāng)前用戶端對人形機器人應(yīng)用場景的期望。從產(chǎn)品適配上看,伺服電缸主要針對人形機器人膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的連接處,起到輔助驅(qū)動的作用,使用伺服電缸相比于采用液壓執(zhí)行器,在控制成本的同時,也能夠
36、降低機器人的重量,降低耗電量。我們按照保守情況做出預(yù)測,假設(shè)伺服電缸僅用在人形機器人膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)三處使用,則單臺機器人所需伺服電缸數(shù)量為 6 臺,中性假設(shè)人形機器人銷量達到 100 萬臺,對應(yīng)空心杯電機需求量為 600 萬臺。圖表 34:人形機器人伺服電缸需求量的敏感性分析(萬臺)銷量單臺用量20501002005004802004008002000612030060012003000816040080016004000wind,注:橫軸為特斯拉人形機器人銷量,縱軸為單臺人形機器人配備伺服電缸數(shù)量三、重點公司推薦江蘇雷利:中高端微特電機領(lǐng)軍企業(yè)公司是全球家用微特電機領(lǐng)軍企業(yè),通過外延
37、并購切入醫(yī)療器械、新能源汽車零部件、工控等高景氣賽道,打開新的成長空間。通過橫向拓展應(yīng)用領(lǐng)域,公司 2021 年實現(xiàn)收入 29.2 億元,同比增長 20.5%,收入增速邊際改善。公司經(jīng)過多年經(jīng)營,已成為全球知名的微特電機供應(yīng)商。公司借鑒海外龍頭經(jīng)驗,通過并購等方式切入醫(yī)療器械、新能源、工控等高端應(yīng)用場景。2021 年公司“多應(yīng)用領(lǐng)域”戰(zhàn)略成效顯著,實現(xiàn)了工控市場的重大突破,同時新能源、醫(yī)療器械領(lǐng)域也取得快速增長,實現(xiàn)營業(yè)收入 29.2 億元,同比增長 20.5%,收入增速邊際改善。圖表 35:江蘇雷利營業(yè)收入(億元)圖表 36:江蘇雷利歸母凈利潤及增速(億元)營業(yè)收入yoy3530252015
38、105020172018201920202021 2022Q130%25%20%15%10%5%0%32.521.510.50歸母凈利潤yoy20172018201920202021 2022Q125%20%15%10%5%0%-5%-10%-15%-20%wind,wind,家用電機為基本盤,工控、醫(yī)療、新能源等高毛利產(chǎn)品快速放量。公司基本盤為家用電機及組件,包括空調(diào)、冰箱、洗衣機等電機和組件,2021 年家用電機及組件(空調(diào)+冰箱+洗衣機)收入為 16.4 億元,占總收入比重 64.0%。工控產(chǎn)品主要為絲桿電機、無刷電機及組件,主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的閥門電機等,2021 年實現(xiàn)收入 2.95
39、 億元,同比增長 60%。汽車零部件主要為汽車水泵、汽車電機及沖壓件,醫(yī)療及運動健康電機及組件主要為絲桿電機、跑步機電機及組件。從毛利率來看,工控、醫(yī)療等產(chǎn)品相較于傳統(tǒng)家電產(chǎn)品毛利率更高,有利于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖表 37:江蘇雷利各業(yè)務(wù)收入占比圖表 38:江蘇雷利綜合毛利率及各產(chǎn)品毛利率其他醫(yī)療及運動健康電機及組件家電電機及組件100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%汽車零部件工控電機及組件45%40%35%30%25%20%15%10%5%0%家用電機及組件工控電機及組件醫(yī)療及運動健康電機及組件汽車零部件綜合毛利率2017201820192020202120172
40、018201920202021wind,wind,風(fēng)險提示:人形機器人銷量不及預(yù)期、特斯拉機器人延遲發(fā)布鳴志電器:混合式步進電機龍頭,加碼無刷電機打造解決方案供應(yīng)商公司是全球領(lǐng)先的電機及驅(qū)動系統(tǒng)制造商,在步入電機、伺服系統(tǒng)、無刷電機、空心杯電機及驅(qū)動系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了深入布局。其中混合式步進電機產(chǎn)品在全球市場一直享有較高的市場地位,占據(jù)全球 10%以上市場份額,打破了日本企業(yè)對混合式步進電機的壟斷。從股權(quán)結(jié)構(gòu)看,公司實控人為常建鳴先生,持有鳴志投資 90%股權(quán),目前公司已形成了以控制電機、驅(qū)動控制系統(tǒng)為核心,貿(mào)易代理及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展的業(yè)務(wù)架構(gòu),其中鳴志國貿(mào)和鳴志美洲控股等核心子公司加速
41、了公司全球范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)布局。圖表 39:公司股權(quán)結(jié)構(gòu)圖,業(yè)績穩(wěn)定增長,2021 年增長提速。公司深耕運動控制領(lǐng)域二十余年,業(yè)績增長穩(wěn)健,2017-2020 年營業(yè)收入 CAGR 為 10.8%,歸母凈利潤 CAGR 為 6.6%。2021 年公司布局的工廠自動化、醫(yī)療器械、生化分析、移動服務(wù)機器人等新興、高附加值領(lǐng)域業(yè)務(wù)成效顯著,通用自動化、驅(qū)動控制系統(tǒng)類業(yè)務(wù)也取得快速成長,實現(xiàn)營業(yè)收入 27.1 億元,同比增長 22.7%;實現(xiàn)凈母凈利潤 2.8 億元,同比增長 39.3%。2022 年以來受疫情影響,業(yè)績增速有所下滑。圖表 40:鳴志電器營業(yè)收入(億元)圖表 41:鳴志電器歸母凈利潤(億元)營業(yè)收入yoy30252015105020172018201920202021 2022Q125%20%15%10
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