空心杯电机的前景

当前全球人形机器人产业持续迎来催化，特斯拉、英伟达、华为等全球厂商加码布局，加速带动行业高景气度。

从人形机器人部件来看，灵巧手、行星滚柱丝杠、六维力矩传感器、触觉传感器、空心杯电机均是技术壁垒较高的价值增量环节。灵巧手驱动装置上，手指关节需要较高自由度，需配备小体积、高功率电机，因此主要使用空心杯电机方案。

一、电机分类

驱动系统是使机器人发出动作的机构，机器人诸如行走、跑、跳等动作均由关节电机驱动产生。按驱动方式，可分为液压驱动、气体驱动、电机驱动三种。电机驱动：电机作为动力源，将电能转化为机械能，产生驱动力矩；可分为步进电机、伺服电机、力矩电机等种类。

1、伺服电机

控制精度、过载能力、速度响应等性能优异，人形机器人主要配置，适用于四肢、躯干。

空心杯电机属于伺服电机的一种，体积小、效率高、转动惯量小，适用于手指关节处。

2、步进电机

适用于头部、眼部等轻负载、精确运动‌位置。

空心杯电机是一种微型伺服直流电机，尺寸较小，采用的是无铁芯转子，消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。空心杯电机杯适用于需要快速动作、功率较大的随动系统，在医疗、航空航天、机器人、工业控制、消费电子等领域拥有广泛应用前景。机器人灵巧手作为高效率、结构紧凑的能量转换装置，空心杯电机对手指关节的匹配度较高，且具有功率大、响应速度快等优点。空心杯电机组成包括空心杯绕组、转子组件、传感器组件等，核心技术壁垒包括线圈设计、绕线工艺、电机绕组、绕线设备等。

二、空心杯电机的前景究竟如何？

如果打个形象的比方，空心杯电机相当于机器人的什么？

或许，可以认为空心杯电机之于机器人，就像是人类的肌肉——它就像肌肉在人体中负责产生力量和控制精细的动作那样，服务于机器人的运转。

空心杯电机在机器人中提供的功能大体如下：

1、力量来源

肌肉是我们身体移动和进行各种活动的力量来源，而空心杯电机则是机器人执行动作的动力源泉，例如移动肢体、抓取物体等。

2、精细控制

肌肉的收缩和放松能够实现人体的精细动作，比如书写、弹奏乐器或是进行外科手术。同样地，空心杯电机的高精度控制允许机器人执行高度精确的任务，如组装微小零件等复杂的操作。

3、反应速度

肌肉能够迅速响应大脑的指令，使我们做出即时的反应。空心杯电机的高速响应特性让机器人能够快速调整其动作，以适应动态环境。

4、适应性

肌肉的强度和灵活性可以根据需要进行调整，而空心杯电机也可以根据不同的负载和速度要求来调节其输出功率和扭矩。

5、效率和耐力

肌肉的效率和持久力是体育运动员和体力劳动者成功的关键，而空心杯电机的高效能和耐用性对于保证机器人长期稳定运行至关重要。

说白了，空心杯电机就是一种高性能的直流、永磁、伺服微特电机，通过消除涡流（涡流损耗是导致能量损失和发热的主要原因之一），空心杯电机不仅效率高，重量和转动惯量也小，转子自身的机械能耗损也少。因此这样的设计使得电机能达到更高的能量密度，与同等功率的传统铁芯电机相比，其重量和体积可以减少三分之一到二分之一。

这使得空心杯电机能用于要求高精度、快速响应和低噪声的应用场景，例如在人形机器人、航空航天设备、精密仪器、医疗器械、高端摄影设备以及其他需要高精度控制的小功率控制系统中。

电机的绕组通常采用精密的绕线工艺完成，这需要专门的绕线设备，而这类设备往往掌握在技术领先的公司手中，构成了一定程度的技术壁垒。空心杯电机的绕组通过换向器与外部电路连接，换向器和一对贵金属刷共同工作，以减少电刷火花，降低电磁干扰。

空心杯电机的技术难点，主要也正是在空心杯的部分，很大一部分原因是买不到绕线设备——国外技术能力强的企业有不少不对外出售，很多国内空心杯电机厂商采购日本企业的产品来实现空心杯电机的生产。

同时，空心杯电机本身也面临一些技术和工程挑战，比如说成本高——空心杯电机通常使用较高质量的材料和复杂的制造工艺，这导致其生产成本高于传统的铁芯电机；对于有刷空心杯电机，电刷的磨损是一个问题，因为这会限制电机的使用寿命。无刷设计可以解决这一问题，但增加了复杂性和成本；

空心杯电机虽说效率高，但在高负载下仍然会产生热量，因此有效的散热机制也算是个挑战；高精度和快速响应要求先进的控制算法，这增加了电机驱动和控制系统的设计复杂度，特别是对于需要动态调整扭矩和速度的应用；实现高质量和一致性的大规模生产，同时保持成本效益，是另一个重要挑战，尤其是在追求更高性能和更小尺寸的趋势下

那么，这样的空心杯电机，前景如何呢？

一言以蔽之，空心杯电机的前景取决于外部环境和自身的突围，这本是极朴素的规律。根据 GII 引用 QY Research 的统计数据，全球空心杯电机市场规模由 2022 年的 7.48 亿美元将增长至 2028 年的 11.86 亿美元，期间 CAGR 为 7.98%。它虽然因人形机器人而“火”，其未来却未必取决于人形机器人的未来，其发展也绝无逃脱朴素规律的可能。

三、空心杯电机市场格局

全球方面，瑞士Maxon、德国Faulhaber、瑞士Portescap等头部企业长期保持较高市场占有率，国内厂商正在加速布局：

1、鸣志电器

专注于运动控制领域，拥有步进、直流无刷、交流伺服、空心杯电机等电机产品。公司通过多次收购掌握核心技术：收购美国LinEngineering、瑞士TechnosoftMotionAG、鼎智科技。混合式步进电机全球市占率超10%，位列全球第四；空心杯电机已处于中小批量供货阶段。

2、伟创电气

电气传动、工业控制领域国内头部厂商。切入机器人领域，布局空心杯电机、无框电机等；适用于灵巧手10mm的空心杯电机模组已经取得小批量订单。

3、雷赛智能

运动控制领域的国内领军企业，主要产品为伺服系统、步进系统、可编程运动控制器。空心杯电机已经成功应用于人形机器人灵巧手、协作机器人关节、AGV/AMR移动机器人等领域。

4、兆威机电

全球领先的微型传动系统制造商，主营微型传动系统、微型驱动系统。转矩直流电机、无刷空心杯电机、8mm永磁步进电机均已形成系列产品，正开展4mm直径无刷空心杯电机攻关，以突破国外技术壁垒。