人形机器人系列之四：无框力矩电机，玲珑动力源

行业研究 证券研究报告 电力设备及新能源2023年12月25日 电力设备及新能源行业深度研究报告 人形机器人系列之四：无框力矩电机，玲珑动力源 推荐（维持） 华创证券研究所 证券分析师：苏千叶邮箱：[email protected]执业编号：S0360523050001 证券分析师：黄麟 邮箱：[email protected]执业编号：S0360522080001 行业基本数据 2022-12-22~2023-12-22 -18%22/1223/0223/0523/0723/0923/12 电力设备及新能源沪深300 相关研究报告 《风电行业2024年度投资策略：拨云见日迎曙光，静待海风赋新能》 2023-12-09 《电力设备及新能源行业跟踪报告：2023年11月欧洲新能源车渗透率有所增长，挪威稳定高渗透率》 2023-12-08 《电动车行业跟踪报告：11月造车新势力交付稳中增长，助力年终冲刺》 2023-12-07 无框力矩电机：浓缩的机器人关节，兼具小体积与大转矩。 电机原理与结构：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，凡是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。 电机分类：从广义上，电机可分为旋转电机和静止电机，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 力矩电机VS其他控制电机：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。 无框力矩电机VS有框力矩电机：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。 需求端——人形机器人打开无框力矩电机市场。 目前主要应用领域：无框力矩电机主要用于协作机器人，其效率高、便 股票家数(只) 299 0.04 捷度好的优势满足协作机器人对轻量化的要求。 总市值(亿元) 45,638.32 5.25 人形机器人应用领域：无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动 流通市值(亿元) 37,837.50 5.62 零部件，其主要具有高灵敏度、高功率密度、高效率的特点。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。 相对指数表现 市场空间：无框力矩电机占人形机器人零部BOM成本的8%左右。2022 % 1M6M 12M 年全球无框力矩电机市场规模为45亿元，预计2030年达到224亿元， 绝对表现 -8.4%-17.6% -31.0% 其中人形机器人市场规模163亿元。 相对表现 -2.6%-6.6% -16.9% 供给端——国产有望凭借性价比优势加速替代。 市场格局：市场空间较小，海外品牌实力强劲。 市场痛点：性能提升与降本需求同时进行，无框力矩电机在转矩密度、温升、额定和最高转速等指标上仍需实现性能提升，同时为使机器人成 本更落地，电机作为关键部件，成本备受关注。 发展现状：国内产品水平追赶国外，行业进入壁垒较低，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，同时通过配合开发及成本优势加速突破。 投资建议： 步科股份：专精特新“小巨人”企业，持续深耕机器人行业；已量产多款无框力矩电机产品。 禾川科技：国产自动化一线品牌，深耕OEM市场，广泛应用于光伏、 3C、锂电与机器人等行业。 信质集团：从事各类电机核心零部件业务，产品包括电机定转子总成等，有望切入无框力矩电机市场。 德昌股份：以电机起家，主要产品为吸尘器，布局小家电、汽车电机等领域。参股广东省人形机器人创新中心，出资500万，持股7.69%，有望凭借合资公司获得人形机器人发展先机。 风险提示：人形机器人商业化进展不及预期，人工智能发展不及预期，国产技术提升不及预期、工业自动化需求不及预期等，技术路线不确定，降本速度不及预期等，国内无框力矩电机的研发生产进度不及预期；新产品对无框电机产生替代风险。 本报告与市场的不同点在于，我们对电机种类、无框力矩电机的优势、下游应用进行了全面的梳理，对无框力矩电机的市场竞争格局、市场痛点、发展现状等进行了系统性介绍。 力矩电机带来大转矩，无框设计浓缩小体积。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。无框力矩电机具有尺寸小、性能更可靠、环境适应性强等进一步的优势。 无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件。人形机器人是无框力矩电机的新应用场景，其高灵敏度、高功率密度、高效率满足人形机器人关节零部件的需求。特斯拉Optimus的28个关节中均使用无框力矩电机 作为动力源头。 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。2022年全球无框力矩电机市场规模为45亿元，预计2030年达到224亿元，其中人形机器人市场规模163亿元。 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。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。 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。无框力矩电机结构比伺服电机和新能源汽车电机简单很多，行业进入壁垒低，中国企业有望凭借地域优势和成本优势获得先机。 一、无框力矩电机：浓缩的机器人关节，兼具小体积与大转矩5 （一）电机介绍：电能的变换装置，机器动力之源5 1、电机原理与结构：基于电磁感应原理，从电能到机械能5 2、电机分类：种类繁多，性能各异5 （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6 1、力矩电机VS其他控制电机：大转矩、低转速、高平稳6 2、无框力矩电机VS有框力矩电机：小体积、轻重量、优性能8 二、需求端——人形机器人打开无框力矩电机市场9 （一）协作机器人大量采用无框力矩电机9 （二）特斯拉Optimus人形机器人采用无框力矩电机9 （三）无框力矩电机显著受益于人形机器人市场10 三、供给端——国产有望凭借性价比优势加速替代13 （一）市场格局：国外领先，国内追赶13 （二）市场痛点：性能提升与降本需求同时进行13 （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14 四、相关标的分析16 （一）步科股份：专精特新“小巨人”企业，持续深耕机器人行业16 （二）禾川科技：国产自动化一线品牌，助力中国工业强国路16 （三）信质集团：汽车电机零件供应商17 （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18 �、风险提示19 图表1电机的原理5 图表2步进电机、直流有刷及无刷电机结构图5 图表3旋转电机按照用途分类6 图表4旋转电机按照电源分类6 图表5步进电机结构图6 图表6伺服电机7 图表7力矩电机7 图表8三种控制电机的对比7 图表9科尔摩根TBM2G无框力矩电机8 图表10科尔摩根DDR转台有框力矩电机8 图表11工业机器人与协作机器人对比9 图表12Optimus旋转关节使用的无框力矩电机10 图表13Optimus直线关节中使用的无框力矩电机10 图表14无框力矩电机在机器人关节的使用示意图10 图表15人形机器人成本拆分11 图表16人形机器人市场空间测算11 图表17人形机器人年销量及增速预测12 图表18人形机器人市场空间及增速预测12 图表19无框电机未来市场空间测算12 图表202022年全球及国内无框力矩电机主要参与者情况13 图表21步科第三代无框力矩电机FMC系列14 图表22机器人关节用无框力矩电机的指标对比14 图表23新能源汽车电机/无框力矩电机/步进电机/伺服电机爆炸图15 图表24步科股份协作机器人无框电机解决方案16 图表25步科股份营业收入（百万）及增速16 图表26步科股份归母净利润（百万）及增速16 图表27禾川科技自动化解决方案17 图表28禾川科技营业收入（百万）及增速17 图表29禾川科技归母净利润（百万）及增速17 图表30信质集团营业收入（百万）及增速18 图表31信质集团归母净利润（百万）及增速18 图表32德昌股份营业收入（百万）及增速18 图表33德昌股份归母净利润（百万）及增速18 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。 图表1电机的原理图表2步进电机、直流有刷及无刷电机结构图 资料来源：机械设计公社公众号资料来源：技成培训，电气应用公众号 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。 图表3旋转电机按照用途分类图表4旋转电机按照电源分类 资料来源：机械工程文萃，华创证券整理资料来源：机械工程文萃，华创证券整理 （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