人形機器人已成為人工智能領域的一顆璀璨明珠。
近年來，人形機器人憑借其在醫療、服務等多個領域的廣泛套用，已成為人工智能領域的一顆璀璨明珠。為了進一步促進該行業的發展，各地政府紛紛出台政策，加大對人形機器人及其關鍵零部件的支持力度。在人形機器人產業鏈中，空心杯電機在人形機器人的運動控制系統中扮演著重要的角色，如特斯拉人形機器人靈巧手的核心部件就是空心杯電機，單台機器人裝配12個（左右手各6個）。本文旨在透過對空心杯電機的研究，探討其技術特點、市場現狀以及未來展望。
圖：|Optimus單手結構
數據來源：特斯拉釋出會
什麽是空心杯電機
1、電機的概念與分類
電動機(Motors)是把電能轉換成機械能的一種器材。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產生旋轉磁場並作用於轉子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉扭矩，通俗來說就是將磁場內電流流通產生的力轉變為旋轉動作。原理是利用磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。
電機旋轉的基本原理：在帶旋轉軸的永久磁鐵周圍，①旋轉磁鐵（使產生旋轉磁場），②則根據 N極與S極異極相吸、同極相斥原理，③帶旋轉軸的磁鐵將旋轉。
圖：電動機旋轉的基本原理
數據來源：【電器套用】
在電機中，實際是導線中流過電流使其周圍產生旋轉磁場（磁力）從而磁鐵旋轉。將導線繞成線圈狀，則磁力被合成，形成大的磁場通量（磁通量），產生N極和S極。線上圈狀導線中插入鐵芯，磁力線變得容易透過，能產生更強的磁力。
圖：電機原理
數據來源：【電器套用】
電機的結構主要由定子和轉子兩部份組成。
圖：有刷直流電機和無刷直流電機中的定子與轉子圖示
數據來源：鈞敏科技
定子：電機中不動的部份，其主要結構包括磁極、繞組和支架等。 磁極是電機中產生磁場的部份，其通常由鐵芯和線圈組成。繞組則是定子中的線圈，通常由導體和絕緣材料組成，其作用是在電流透過時產生磁場。支架則是定子的支撐結構，通常由鋁合金等材料制成，具有良好的耐腐蝕性和強度。
轉子：電機中旋轉的部份，其主要結構包括電樞、軸承和端蓋等。 電樞是轉子中的線圈，通常由導體和絕緣材料組成，其作用是在電流透過時產生磁場。軸承則是轉子的支撐結構，通常由鋼或陶瓷制成，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性。端蓋則是電機的端部結構，通常由鋁合金等材料制成，具有良好的密封性和強度。
2、空心杯電機定義與分類
1958年Dr.F.Faulhaber博士研發出斜繞組線圈技術並在1965年獲得空心杯電機的相關專利，標誌著空心杯電機的問世，其創造性的結構設計使得電機可以兼具較小體積和較大效率。空心杯電機屬於直流永磁伺服電機，電機結構如下圖所示，主要由定子和轉子組成。定子由矽鋼片和線圈繞組組成，無齒槽結構的矽鋼片可以避免齒槽效應，減少 鐵損 和渦流損耗。轉子由永磁體、轉軸及其固定件組成，電機采用環形永磁體，加工安裝方便。
空心杯電機和普通電機相比，最大的特點就是轉子在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子，也稱為空心杯型轉子。這種轉子是一個空心的杯狀結構，內部環繞著繞組和磁鐵。在普通電機中，鐵芯的作用主要是： 1）集中和引導磁場： 鐵芯由高導磁效能的材料（如矽鋼片）制成，能夠集中和引導磁通，從而提高電機的磁場強度和效率； 2）支撐繞組： 鐵芯為繞組提供了堅固的支撐結構，確保繞組在電機執行過程中保持穩定的形狀和位置。而在空心杯電機中，使用薄壁的空心圓筒作為轉子，空心圓筒內部直接繞制繞組，無需額外的鐵芯支撐。無鐵芯設計的優勢： 1）消除渦流和磁滯損耗： 普通電機中的鐵芯在交變磁場中會產生渦流和磁滯損耗，這些損耗會降低電機的效率。而空心杯電機采用無鐵芯轉子，徹底消除了這些損耗，從而提高了電機的能量轉換效率。 2）減輕重量和降低轉動慣量： 無鐵芯設計顯著減輕了轉子的重量，使得整個電機更加輕便。同時，轉動慣量的降低使得電機具有更快的響應速度和更高的加速度，這對於需要快速啟動和停止的套用場景非常有利。
同時透過精密設計的空心圓筒結構和繞組布局，可以最佳化空心杯電機內部的磁場分布，減少漏磁和能量損失，進一步提高電機的效率和效能。
圖：空心杯電機結構
數據來源：中國知網
空心杯電機按其換向方式可分為２種：一種是空心杯有刷電機，采用機械碳刷換向方式；另一種是空心杯無刷電機，用電子換向代替有刷換向，避免了有刷電機執行時產生的電火花和碳粉顆粒，降低了噪音，增加了電機的使用壽命。從下圖鳴誌電器不同產品的對比可以看到，無刷空心杯電機中無需電刷這一零件，而是透過霍爾傳感器探測轉子磁場訊號，將機械換向變成電子訊號換向，進一步簡化空心杯電機物理結構。
圖：鳴誌電器有刷空心杯電機（上）和無刷空心杯電機（下）結構圖對比
表：有刷與無刷直流電機對比
數據來源：融中研究整理
3、空心杯電機優勢
空心杯電機在結構上突破了傳統電機的轉子結構，降低了由於鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，同時其質素和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。綜合來看， 空心杯電機擁有功率密度高、使用壽命長、響應速度快、峰值轉矩高、散熱性好等優點。
功率密度高： 空心杯電機的功率密度是輸出功率與重量或體積的比值。重量方面，無鐵芯轉子與普通鐵芯轉子相比要輕；效率方面，無鐵芯轉子消除了鐵芯轉子產生的渦流與磁滯損耗，提高了微電機的效率，確保較高的輸出轉矩與輸出功率；大多數空心杯電機的最高效率都在80%以上，而大多數有刷直流電機的最高效率一般都在50%左右。較輕的重量和較高的效率讓空心杯電機能夠實作更高的功率密度。因此，空心杯電機特別適合電池供電同時又要求長時間執行的套用場合，例如，便攜式空氣采樣泵，仿人機器人，仿生手，手持電動工具等套用。
扭矩密度高： 無鐵芯設計降低了轉子的重量和轉動慣量，低轉動慣量意味著電機可以更快地加速和減速，從而能夠在短時間內產生更大的扭矩；同時無鐵芯使得空心杯電機更加緊湊，體積更小，能夠在有限的空間內提供較高的扭矩輸出。
使用壽命長： 空心杯電機的換向片數量多，使得換向時的電流波動和電機電感量更小，大幅減少換向過程中對換向系統的電腐蝕，從而擁有更長的壽命。根據【空心杯電機客製化管理的套用研究】中的數據，有刷直流電機的壽命一般僅有幾百個小時，而空心杯電機的預期壽命通常在1000至3000小時之間，能夠提供更長久的可靠執行。
響應速度快： 傳統電機由於鐵芯的存在使得轉動慣量相對較大，而空心杯電機體積緊湊，且轉子是杯狀的自支撐線圈，因此重量較輕，其更小的轉動慣量也使得空心杯電機具有靈敏的啟停調整特性。根據【空心杯微型電機及線圈的研究進展】，一般鐵芯電機的機械時間常數約為100ms，而空心杯電機的機械時間常數小於28ms，部份產品甚至小於10ms。
圖：鐵芯電機與空心杯電機的響應效能對比
數據來源：【空心杯微型電機及線圈的研究進展】，融中研究整理
峰值轉矩高： 空心杯電機峰值轉矩和連續轉矩的比值很大，因為電流上升到峰值的過程中轉矩常數是不變的，電流和轉矩的線性關系能使微電機產生較大的峰值轉矩。普通鐵芯直流電機達到飽和後，電流不管再加大，直流電機的轉矩不會再增加。
散熱性好： 空心杯轉子表面有空氣流動，比鐵芯轉子的散熱效能要好，鐵芯轉子的漆包線鑲嵌在矽鋼片槽內，線圈表面氣流少，溫升較大，在同等功率輸出條件下，空心杯直流電機的溫升較小。
4、空心杯電機的技術路徑
空心杯電機生產的關鍵步驟是線圈的生產，因此線圈設計、繞線工藝等成為其核心壁壘。導線的線徑、匝數、線性等都直接影響電機的各項核心參數。線圈繞制的核心壁壘直接體現線上圈設計，因為不同的繞線類別在自動化率、銅耗等各有差異；另一方面也體現在繞線器材和繞線方式上，不同的繞線機械繞制的空心杯槽滿率有所差異，進而導致稀疏有別，直接影響電機損耗、散熱、功率等。
線圈設計角度：空心杯電機的繞線設計可分為直繞式、斜繞式、馬鞍式。
直繞式： 特點是線圈的導線與電機軸線平行，形成集中繞組結構。直繞型線圈的設計思路是先按照匝數要求在繞線模上繞制普通的環形漆包線，然後在排線芯軸上連成繞組，再在兩端使用粘結劑固化成型。 相對來說，直繞組端部不產生力矩，而且增加了電樞重量和電樞電阻。
斜繞式： 也稱蜂房式繞組，采用蜂房式繞法制成，中間留抽頭，為了能連續繞制，必須使元件有效邊和電樞軸線成一定傾斜角度。這種繞制方法端部尺寸較小，但由於斜繞式連續繞制需要一定的排線角，使得漆包線交疊，槽滿率較低。 相對直繞式，斜繞組電樞沒有端部繞組，減輕電樞重量，具有轉動慣量小、時間常數小、拖動特性好、輸出力矩大等優勢。德國Faulhaber、瑞士Portescap多采用斜繞形。
馬鞍式： 又稱同心式或菱形繞組，采用先繞制成形線圈再排線的方法，即采用自黏性漆包線在專用成形繞線模上繞制，經過多次整形排布制成電樞杯。繞制時兩層線圈排布整齊並定型，便於控制整形後電樞杯的尺寸，提高槽滿率;同時這種方法生產效率高，適合批次生產。 馬鞍式繞組電樞端部重疊層數少，氣隙小，永磁體利用率高，提高了電機的功率密度。瑞士Maxon部份產品使用馬鞍式繞組。
圖：三種空心杯電機線圈繞制模型和實物圖
數據來源：【永磁無刷空心杯電機及控制器研究】
繞線工藝角度：從生產技術角度，按照線圈的成型方式主要分為三類：人工繞線、繞卷式以及一次成型生產。
1）人工繞線。 透過一系列復雜的工藝，包括插針、手動卷線、手動排線等步驟進行生產。 適用於需要高度客製的產品，但是生產效率和產品穩定性受限。
2）繞卷式生產技術。 繞卷式生產技術是半自動化生產，首先將漆包線順序繞到橫截面為菱形的主軸上，達到需要的長度後將其取下，然後壓扁成線板，最後將線板卷繞成杯狀的線圈。根據【繞卷式空心杯電樞制作工藝及其器材】繞卷式工藝下一台繞線機配置4名工人即可達到年產3萬台的產量，但繞卷式的局限性在於其更適用於20-30mm的空心杯直徑，難以繞制抽頭間距小於7mm的較小尺寸線圈，即直徑小於10~12mm的產品。 總體來看，繞卷式工藝生產效率相對較高，能滿足中等規模生產的要求。但其人工參與率較高導致成品一致性可能不如自動化生產，且難以滿足較小尺寸的空心杯線圈繞制。
3）一次成型生產技術。 繞線機透過自動化器材將一根漆包線按規律繞到一主軸上，線圈卷繞成杯狀後取下，一次成型，不需要卷圓壓扁等多道工序，自動化程度高，因此 生產效率和成品一致性都較好；但相應前期器材投入會更高。
海外繞線工藝發展早，自動化程度高於國內。 國內主要采用繞卷式生產，工藝比較繁瑣，工人勞動強度大，無法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。國外主要采用一次性繞制成型的生產技術，自動化程度較高，生產效率高，線圈線徑範圍大、線圈質素好、排列緊密，電機種類多、效能好。
表：繞卷式工藝和一次成型工藝對比
數據來源：中國知網，融中研究整理
圖：繞線機繞線工作過程
數據來源：【永磁無刷空心杯電機及控制器研究】
產業鏈介紹
產業鏈環節及下遊套用
空心杯電機上遊是原材料與零部件，原材料包括銅、鋼材、磁鋼、塑膠等，零部件包括軸承、電刷、換向器等。產業鏈中遊是電機生產制造商。產業鏈下遊為套用端，空心杯電機具備高靈敏度、執行穩定、控制性強等特點，契合高精尖領域對電驅的嚴苛要求，因此主要套用於航空航天、醫療器材、工業自動化和機器人等高精尖領域。同時，空心杯電機也逐步套用在民用領域上，例如辦公自動化、電動工具等。
圖：空心杯電機產業鏈
數據來源：融中研究整理
表：空心杯電機部份套用領域
數據來源：融中研究整理
下遊套用場景中，本文重點關註近兩年高速發展的人形機器人產業，隨著大眾對人形機器人熱情持續高漲，作為人形機器人靈巧手核心部件的空心杯電機進入到更多人的視野。
2、人形機器人的重要零部件
人形機器人，又稱仿人機器人，是一種在人類工作和居住的環境工作、操作為人設計的工具和器材、與人交流、模仿人類外觀和行為的智能化機器人。人形機器人透過整合傳感器、執行器和演算法等軟硬件，能夠感知周圍環境、辨識物體和人，高效地收集並處理物理空間的數據和資訊，更好地理解人類的意圖和需求，從而為人類提供優質的服務。
人形機器人套用場景豐富，未來有望成為和智能電話、乘用車同級別的萬億級別賽道。 在工業制造領域，在工業制造領域,人形機器人可以取代人類從事一些繁重、危險、重復性高的工作,如搬運重物、焊接、拋光等。如特斯拉計劃在其超級工廠內部署人形機器人從事流水線作業,這不僅能提高生產效率,還可以避免工人受到傷害；中廣核檢測科技研發所所長馬官兵也表示，中廣核對新技術持開放態度，希望人形機器人能套用於核電廠；富士康正在進行人形機器人試點套用的規劃，既能解決品控問題，也能解決員工流動性問題、部份重復性勞動對員工身體的傷害等。在服務行業領域，人形機器人憑借其對環境的強感知能力、對人類的互動能力等，可以在餐廳、醫院等場景中擔任配送、陪護等工作，也可以在家庭場景中擔任家庭護理、陪伴等角色。美國Apptronik機器人公司的代表機器人Apollo就主要用在倉庫管理，協助貨物搬運等任務，續航時間可達4h；宇樹科技推出的第二代通用人形機器人G1，可以完成開瓶蓋等精細動作。
結構上，人形機器人一般可拆分為執行系統、感知系統和其他。 其中，執行系統由直線執行器、旋轉執行器、靈巧手三部份組成。感知系統視不同技術路徑而定，主要包括視覺傳感器、毫米波雷達、慣性導航等。其他部份包括芯片電池等。 靈巧手是執行系統的核心元件之一，而空心杯電機和行星減速器為手指驅動的關鍵。 手指的驅動來自空心杯電機的轉動，帶動行星減速器施加反向作用力，透過鉸鏈等連線拉動手指關節，實作旋轉運動到線性運動的轉換。透過施加正向或反向的電壓，手指可以實作伸縮動作，進而握緊或者松開物體。
圖：人形機器人靈巧手實物拆解圖
數據來源：與非網
以特斯拉Optimus機器人為例，其靈巧手主要由空心杯電機、 精密行星減速器 、滾珠絲杠、傳感器和編碼器構成，估算其中空心杯電機占手部執行器所有零部件成本的比例約為50%，占單台機器人成本的比例約為4~4.5%，屬於占比較高的零部件環節。空心杯電機使手指擁有活動能力，每個靈巧手由6個電機驅動，大拇指環節配備2個空心杯電機模組，可同時完成伸縮和翻轉2個動作，除大拇指外的每節手指對應1個空心杯電機模組，6個模組配合蝸輪蝸桿和腱繩來驅動執行器，從而實作手部的靈活操作和精準控制。
值得一提的是，人形機器人中還有一類重要零部件叫無框力矩電機，套用在對於扭矩有特定要求的部位如關節等。而空心杯電機屬於伺服電機，控制精度更高、響應速度更快，套用於對這兩個維度要求更高的靈巧手部份。本文重點在於空心杯電機，因此此處暫不對無框力矩電機進行展開分析。
空心杯電機市場規模測算
根據多方數據印證對比，我們估算2023年全球空心杯電機市場規模約為56億美元。根據過往數據推算，若暫不考慮人形機器人為空心杯電機帶來的增量，2024-2030年市場規模增速約為8.5%。
圖：空心杯電機市場規模及預測（億元）（不考慮人形機器人領域增量）
數據來源：融中研究整理
測算人形機器人領域未來能為空心杯電機帶來的增量，本文考慮如下假設：
（1）目前，人工智能的快速發展解決了機器人不智能、沒場景兩個核心難點，而人形機器人的硬件端也在快速叠代，國內產業鏈的布局有利於快速降本，從而為人形機器人的普及奠定基礎。本文認為人形機器人市場增長將分為三個階段， 第一階段：2024-2026年， 主要由政策和資本驅動，預計企業將會逐漸進入人形機器人批次生產期，前三年商業套用場景落地預期以滿足工業市場非結構化需求為主，實作對於傳統工業生產線的補充，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為50%； 第二階段：2027-2030年， 供應鏈持續降本增效、技術持續突破，人形機器人會逐漸向著潛在的家用、服務市場領域擴散、普及，場景套用潛力不斷挖掘，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為100%； 第三階段：2030年之後， 養老、情感、陪伴、軍事場景需求將成為人形機器人增長的主要推動力，市場會因此呈現長期波動上行態勢，該階段預計人形機器人銷量復合增長率約為20%。
（2）從價格角度看，目前國內外空心杯電機平均單價為1200元/台，假設未來價格保持穩定
（3）假設單台人形機器人的空心杯電機用量與現在保持一致，即12個
從測算結果看，2028年開始人形機器人領域帶來的空心杯電機市場規模增量就將達到十億元級；2030年開始人形機器人領域帶來的空心杯電機市場規模增量將超過其他領域市場規模之和的40%以上。
表：人形機器人帶來的空心杯電機規模增量測算
數據來源：融中研究整理
圖：考慮人形機器人增量後的空心杯電機市場規模及測算（億元）
數據來源：融中研究整理
空心杯電機競爭格局
國外空心杯電機制造因其先進的技術和有利競爭，疊加相匹配的繞制器材先進技術及較高的自動化程度，長期保持其產品較高的市場占有率，具備先發優勢。其中全球行業領先企業有瑞士Maxon、德國Faulhaber、瑞士Portescap三家。而國內市場代表企業為鳴誌電器、 鼎智科技 、拓邦股份等，分別成立於 1994年、 2008 年和 1996 年。國內空心杯電機起步較晚，技術積累與海外有一定差距，但得益於中國強大的全產業鏈優勢及工程師群體，有望實作快速追趕。
瑞士Maxon： 公司始建於1961年，全球約有3300名員工，分布於全球40個國家，2022年營業額為7.08億瑞士法郎，年產500萬件約12000個品種，產品主要包含無刷和有刷DC電機、各類齒輪箱、傳感器、編碼器、 伺服放大器 、位置控制器、CIM和MIM元件，以及按客戶要求專門客製的驅動器和系統解決方案。其空心杯產品橫跨直徑4-90mm，功率1.2-400瓦，轉矩效能優異、功率高、轉速範圍大、使用壽命長。
德國Faulhaber： 作為一家獨立的家族企業，Faulhaber的驅動技術是精密工程和電機技術的傑出代表。Faulhaber在德國、瑞士、美國、羅馬尼亞和匈牙利建有研發和生產中心，公司網絡遍布全球30多個國家與地區，擁有超過2300名專業員工。其無刷空心杯電機B-Micro最小尺寸為3mm，有刷空心杯電機0615N1.5S最小尺寸則為6mm。
瑞士Portescap： 公司於1931年在瑞士成立，致力於鐘表制造業，1959年推出了革命性的空心杯轉子直流電機escapTM，闖入微型電機行業，2023年被RegalRexnord收購。公司微電機產品能夠滿足從醫療器械到各種工業套用場合的終端市場傳動需求。
鳴誌電器： 公司從事運動控制領域產品的研發、生產和經營已有二十年，在運動控制領域掌握了核心的控制電機研發技術、驅動控制技術和尖端制造技術，並具備在多種電機驅動控制系統中植入現場總線技術和自產產品系統整合技術的能力。總部位於上海，在北京、廣州、深圳等十大城市設有辦事處。分公司遍及北美、歐洲、日本和東南亞，已形成全球銷售網絡，目前全球員工總數3000多人。公司的步進電機、直流無刷電機、空心杯電機、電機+絲杠模組、電機+減速機模組等產品被國內、外客戶廣泛使用，在技術、品牌、規模化生產、行業客製化開發、高性價比等方面具有明顯優勢。
拓邦股份： 公司圍繞空心杯電機、直流無刷電機 （ BLDC）、步進電機、伺服電機等各類別電機形成數十個先進的電機技術平台。其中公司在工具電機和 運動控制領域處於國內領先水平。公司空心杯電機產品在工業機器人的電動夾爪等中高端套用場景，兼具高精度和高性價比的特點，具備過載能力強、能量轉換效率高，輕量化等產品優勢，公司在工業機器人行業中已實作伺服驅動系統及空心杯電機的批次套用。
鼎智科技： 公司是以微特電機為主要構成的客製化精密運動控制解決方案提供商，主要從事線性執行器、混合式步進電機、直流電機、音圈電機及其元件等產品的設計、研發、生產和銷售。公司積極布局空心杯電機相關產品， 空心杯電機是公司重點發展的核心產品， 最小直徑8mm，最大轉速 8 萬轉/分鐘。根據公司投資者調研公告，公司空心杯電機已基本成熟，處於中小批次供貨階段。公司自研空心杯電機繞線器材，可實作空心杯電機全自動批次生產。由於核心工藝及器材自研，公司的空心杯電機產能建設周期較短，可以快速滿足批次訂單。空心杯電機技術壁壘核心在於高轉速下的平穩性、壽命、噪音以及配套的行星減速箱。公司掌握減速箱核心技術，自研產品處於樣機和測試階段，公司空心杯電機+減速箱配套產品國內領先。
本文選擇海外三家公司與鳴誌電器直徑為 8 mm、額定電壓均為 6V 的有刷空心杯電機產品參數進行對比，分析效能上的差異。可以看到，與海外產品相比， 中國企業在功率、效率等方面存在一定差距。
表：部份主要廠家8mm產品對比
數據來源：公司官網，融中研究整理
結語
前景廣闊的空心杯電機
空心杯電機憑借其獨特的無鐵芯設計，展現出高轉速、高效率、高動態響應等顯著優勢，廣泛套用於航空航天、醫療器材等多個領域，在人形機器人中對其 手部靈活性 也有顯著影響。盡管目前Maxon、Faulhaber等海外企業具備先發優勢，但隨著國內廠商技術水平的不斷提升和人形機器人市場的快速發展，國產空心杯電機將迎來新的發展機遇。
