空心杯电机——帮人形机器人“握住未来”_风闻

人形机器人已成为人工智能领域的一颗璀璨明珠。

近年来，人形机器人凭借其在医疗、服务等多个领域的广泛应用，已成为人工智能领域的一颗璀璨明珠。为了进一步促进该行业的发展，各地政府纷纷出台政策，加大对人形机器人及其关键零部件的支持力度。在人形机器人产业链中，空心杯电机在人形机器人的运动控制系统中扮演着重要的角色，如特斯拉人形机器人灵巧手的核心部件就是空心杯电机，单台机器人装配12个（左右手各6个）。本文旨在通过对空心杯电机的研究，探讨其技术特点、市场现状以及未来展望。

图：|Optimus单手结构

数据来源：特斯拉发布会

什么是空心杯电机

1、电机的概念与分类

电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩，通俗来说就是将磁场内电流流通产生的力转变为旋转动作。原理是利用磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

电机旋转的基本原理：在带旋转轴的永久磁铁周围，①旋转磁铁（使产生旋转磁场），②则根据 N极与S极异极相吸、同极相斥原理，③带旋转轴的磁铁将旋转。

图：电动机旋转的基本原理

数据来源：《电器应用》

在电机中，实际是导线中流过电流使其周围产生旋转磁场（磁力）从而磁铁旋转。将导线绕成线圈状，则磁力被合成，形成大的磁场通量（磁通量），产生N极和S极。在线圈状导线中插入铁芯，磁力线变得容易通过，能产生更强的磁力。

图：电机原理

数据来源：《电器应用》

电机的结构主要由定子和转子两部分组成。

图：有刷直流电机和无刷直流电机中的定子与转子图示

数据来源：钧敏科技

定子：电机中不动的部分，其主要结构包括磁极、绕组和支架等。磁极是电机中产生磁场的部分，其通常由铁芯和线圈组成。绕组则是定子中的线圈，通常由导体和绝缘材料组成，其作用是在电流通过时产生磁场。支架则是定子的支撑结构，通常由铝合金等材料制成，具有良好的耐腐蚀性和强度。

转子：电机中旋转的部分，其主要结构包括电枢、轴承和端盖等。电枢是转子中的线圈，通常由导体和绝缘材料组成，其作用是在电流通过时产生磁场。轴承则是转子的支撑结构，通常由钢或陶瓷制成，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。端盖则是电机的端部结构，通常由铝合金等材料制成，具有良好的密封性和强度。

2、空心杯电机定义与分类

1958年Dr.F.Faulhaber博士研发出斜绕组线圈技术并在1965年获得空心杯电机的相关专利，标志着空心杯电机的问世，其创造性的结构设计使得电机可以兼具较小体积和较大效率。空心杯电机属于直流永磁伺服电机，电机结构如下图所示，主要由定子和转子组成。定子由硅钢片和线圈绕组组成，无齿槽结构的硅钢片可以避免齿槽效应，减少铁损和涡流损耗。转子由永磁体、转轴及其固定件组成，电机采用环形永磁体，加工安装方便。

空心杯电机和普通电机相比，最大的特点就是转子在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也称为空心杯型转子。这种转子是一个空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。在普通电机中，铁芯的作用主要是：1）集中和引导磁场：铁芯由高导磁性能的材料（如硅钢片）制成，能够集中和引导磁通，从而提高电机的磁场强度和效率；2）支撑绕组：铁芯为绕组提供了坚固的支撑结构，确保绕组在电机运行过程中保持稳定的形状和位置。而在空心杯电机中，使用薄壁的空心圆筒作为转子，空心圆筒内部直接绕制绕组，无需额外的铁芯支撑。无铁芯设计的优势：1）消除涡流和磁滞损耗：普通电机中的铁芯在交变磁场中会产生涡流和磁滞损耗，这些损耗会降低电机的效率。而空心杯电机采用无铁芯转子，彻底消除了这些损耗，从而提高了电机的能量转换效率。2）减轻重量和降低转动惯量：无铁芯设计显著减轻了转子的重量，使得整个电机更加轻便。同时，转动惯量的降低使得电机具有更快的响应速度和更高的加速度，这对于需要快速启动和停止的应用场景非常有利。

同时通过精密设计的空心圆筒结构和绕组布局，可以优化空心杯电机内部的磁场分布，减少漏磁和能量损失，进一步提高电机的效率和性能。

图：空心杯电机结构

数据来源：中国知网

空心杯电机按其换向方式可分为２种：一种是空心杯有刷电机，采用机械碳刷换向方式；另一种是空心杯无刷电机，用电子换向代替有刷换向，避免了有刷电机运行时产生的电火花和碳粉颗粒，降低了噪音，增加了电机的使用寿命。从下图鸣志电器不同产品的对比可以看到，无刷空心杯电机中无需电刷这一零件，而是通过霍尔传感器探测转子磁场信号，将机械换向变成电子信号换向，进一步简化空心杯电机物理结构。

图：鸣志电器有刷空心杯电机（上）和无刷空心杯电机（下）结构图对比

表：有刷与无刷直流电机对比

数据来源：融中研究整理

3、空心杯电机优势

空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构，降低了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其质量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。综合来看，空心杯电机拥有功率密度高、使用寿命长、响应速度快、峰值转矩高、散热性好等优点。

功率密度高：空心杯电机的功率密度是输出功率与重量或体积的比值。重量方面，无铁芯转子与普通铁芯转子相比要轻；效率方面，无铁芯转子消除了铁芯转子产生的涡流与磁滞损耗，提高了微电机的效率，确保较高的输出转矩与输出功率；大多数空心杯电机的最高效率都在80%以上，而大多数有刷直流电机的最高效率一般都在50%左右。较轻的重量和较高的效率让空心杯电机能够实现更高的功率密度。因此，空心杯电机特别适合电池供电同时又要求长时间运行的应用场合，例如，便携式空气采样泵，仿人机器人，仿生手，手持电动工具等应用。

扭矩密度高：无铁芯设计降低了转子的重量和转动惯量，低转动惯量意味着电机可以更快地加速和减速，从而能够在短时间内产生更大的扭矩；同时无铁芯使得空心杯电机更加紧凑，体积更小，能够在有限的空间内提供较高的扭矩输出。

使用寿命长：空心杯电机的换向片数量多，使得换向时的电流波动和电机电感量更小，大幅减少换向过程中对换向系统的电腐蚀，从而拥有更长的寿命。根据《空心杯电机定制化管理的应用研究》中的数据，有刷直流电机的寿命一般仅有几百个小时，而空心杯电机的预期寿命通常在1000至3000小时之间，能够提供更长久的可靠运行。

响应速度快：传统电机由于铁芯的存在使得转动惯量相对较大，而空心杯电机体积紧凑，且转子是杯状的自支撑线圈，因此重量较轻，其更小的转动惯量也使得空心杯电机具有灵敏的启停调整特性。根据《空心杯微型电机及线圈的研究进展》，一般铁芯电机的机械时间常数约为100ms，而空心杯电机的机械时间常数小于28ms，部分产品甚至小于10ms。

图：铁芯电机与空心杯电机的响应性能对比

数据来源：《空心杯微型电机及线圈的研究进展》，融中研究整理

峰值转矩高：空心杯电机峰值转矩和连续转矩的比值很大，因为电流上升到峰值的过程中转矩常数是不变的，电流和转矩的线性关系能使微电机产生较大的峰值转矩。普通铁芯直流电机达到饱和后，电流不管再加大，直流电机的转矩不会再增加。

散热性好：空心杯转子表面有空气流动，比铁芯转子的散热性能要好，铁芯转子的漆包线镶嵌在硅钢片槽内，线圈表面气流少，温升较大，在同等功率输出条件下，空心杯直流电机的温升较小。

4、空心杯电机的技术路径

空心杯电机生产的关键步骤是线圈的生产，因此线圈设计、绕线工艺等成为其核心壁垒。导线的线径、匝数、线性等都直接影响电机的各项核心参数。线圈绕制的核心壁垒直接体现在线圈设计，因为不同的绕线类型在自动化率、铜耗等各有差异；另一方面也体现在绕线设备和绕线方式上，不同的绕线机械绕制的空心杯槽满率有所差异，进而导致稀疏有别，直接影响电机损耗、散热、功率等。

线圈设计角度：空心杯电机的绕线设计可分为直绕式、斜绕式、马鞍式。

直绕式：特点是线圈的导线与电机轴线平行，形成集中绕组结构。直绕型线圈的设计思路是先按照匝数要求在绕线模上绕制普通的环形漆包线，然后在排线芯轴上连成绕组，再在两端使用粘结剂固化成型。相对来说，直绕组端部不产生力矩，而且增加了电枢重量和电枢电阻。

斜绕式：也称蜂房式绕组，采用蜂房式绕法制成，中间留抽头，为了能连续绕制，必须使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。这种绕制方法端部尺寸较小，但由于斜绕式连续绕制需要一定的排线角，使得漆包线交叠，槽满率较低。相对直绕式，斜绕组电枢没有端部绕组，减轻电枢重量，具有转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势。德国Faulhaber、瑞士Portescap多采用斜绕形。

马鞍式：又称同心式或菱形绕组，采用先绕制成形线圈再排线的方法，即采用自粘性漆包线在专用成形绕线模上绕制，经过多次整形排布制成电枢杯。绕制时两层线圈排布整齐并定型，便于控制整形后电枢杯的尺寸，提高槽满率;同时这种方法生产效率高，适合批量生产。马鞍式绕组电枢端部重叠层数少，气隙小，永磁体利用率高，提高了电机的功率密度。瑞士Maxon部分产品使用马鞍式绕组。

图：三种空心杯电机线圈绕制模型和实物图

数据来源：《永磁无刷空心杯电机及控制器研究》

绕线工艺角度：从生产技术角度，按照线圈的成型方式主要分为三类：人工绕线、绕卷式以及一次成型生产。

1）人工绕线。通过一系列复杂的工艺，包括插针、手动卷线、手动排线等步骤进行生产。适用于需要高度定制的产品，但是生产效率和产品稳定性受限。

2）绕卷式生产技术。绕卷式生产技术是半自动化生产，首先将漆包线顺序绕到横截面为菱形的主轴上，达到需要的长度后将其取下，然后压扁成线板，最后将线板卷绕成杯状的线圈。根据《绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备》绕卷式工艺下一台绕线机配置4名工人即可达到年产3万台的产量，但绕卷式的局限性在于其更适用于20-30mm的空心杯直径，难以绕制抽头间距小于7mm的较小尺寸线圈，即直径小于10~12mm的产品。总体来看，绕卷式工艺生产效率相对较高，能满足中等规模生产的要求。但其人工参与率较高导致成品一致性可能不如自动化生产，且难以满足较小尺寸的空心杯线圈绕制。

3）一次成型生产技术。绕线机通过自动化设备将一根漆包线按规律绕到一主轴上，线圈卷绕成杯状后取下，一次成型，不需要卷圆压扁等多道工序，自动化程度高，因此生产效率和成品一致性都较好；但相应前期设备投入会更高。

海外绕线工艺发展早，自动化程度高于国内。国内主要采用绕卷式生产，工艺比较繁琐，工人劳动强度大，无法完成线径较粗的线圈，废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，生产效率高，线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密，电机种类多、性能好。

表：绕卷式工艺和一次成型工艺对比

数据来源：中国知网，融中研究整理

图：绕线机绕线工作过程

数据来源：《永磁无刷空心杯电机及控制器研究》

产业链介绍

产业链环节及下游应用

空心杯电机上游是原材料与零部件，原材料包括铜、钢材、磁钢、塑料等，零部件包括轴承、电刷、换向器等。产业链中游是电机生产制造商。产业链下游为应用端，空心杯电机具备高灵敏度、运行稳定、控制性强等特点，契合高精尖领域对电驱的严苛要求，因此主要应用于航空航天、医疗设备、工业自动化和机器人等高精尖领域。同时，空心杯电机也逐步应用在民用领域上，例如办公自动化、电动工具等。

图：空心杯电机产业链

数据来源：融中研究整理

表：空心杯电机部分应用领域

数据来源：融中研究整理

下游应用场景中，本文重点关注近两年高速发展的人形机器人产业，随着大众对人形机器人热情持续高涨，作为人形机器人灵巧手核心部件的空心杯电机进入到更多人的视野。

2、人形机器人的重要零部件

人形机器人，又称仿人机器人，是一种在人类工作和居住的环境工作、操作为人设计的工具和设备、与人交流、模仿人类外观和行为的智能化机器人。人形机器人通过集成传感器、执行器和算法等软硬件，能够感知周围环境、识别物体和人，高效地收集并处理物理空间的数据和信息，更好地理解人类的意图和需求，从而为人类提供优质的服务。

人形机器人应用场景丰富，未来有望成为和智能手机、乘用车同级别的万亿级别赛道。在工业制造领域，在工业制造领域,人形机器人可以取代人类从事一些繁重、危险、重复性高的工作,如搬运重物、焊接、抛光等。如特斯拉计划在其超级工厂内部署人形机器人从事流水线作业,这不仅能提高生产效率,还可以避免工人受到伤害；中广核检测科技研发所所长马官兵也表示，中广核对新技术持开放态度，希望人形机器人能应用于核电站；富士康正在进行人形机器人试点应用的规划，既能解决品控问题，也能解决员工流动性问题、部分重复性劳动对员工身体的伤害等。在服务行业领域，人形机器人凭借其对环境的强感知能力、对人类的交互能力等，可以在餐厅、医院等场景中担任配送、陪护等工作，也可以在家庭场景中担任家庭护理、陪伴等角色。美国Apptronik机器人公司的代表机器人Apollo就主要用在仓库管理，协助货物搬运等任务，续航时间可达4h；宇树科技推出的第二代通用人形机器人G1，可以完成开瓶盖等精细动作。

结构上，人形机器人一般可拆分为执行系统、感知系统和其他。其中，执行系统由直线执行器、旋转执行器、灵巧手三部分组成。感知系统视不同技术路径而定，主要包括视觉传感器、毫米波雷达、惯性导航等。其他部分包括芯片电池等。灵巧手是执行系统的核心组件之一，而空心杯电机和行星减速器为手指驱动的关键。手指的驱动来自空心杯电机的转动，带动行星减速器施加反向作用力，通过铰链等连接拉动手指关节，实现旋转运动到线性运动的转换。通过施加正向或反向的电压，手指可以实现伸缩动作，进而握紧或者松开物体。

图：人形机器人灵巧手实物拆解图

数据来源：与非网

以特斯拉Optimus机器人为例，其灵巧手主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠丝杠、传感器和编码器构成，估算其中空心杯电机占手部执行器所有零部件成本的比例约为50%，占单台机器人成本的比例约为4~4.5%，属于占比较高的零部件环节。空心杯电机使手指拥有活动能力，每个灵巧手由6个电机驱动，大拇指环节配备2个空心杯电机模组，可同时完成伸缩和翻转2个动作，除大拇指外的每节手指对应1个空心杯电机模组，6个模组配合蜗轮蜗杆和腱绳来驱动执行器，从而实现手部的灵活操作和精准控制。

值得一提的是，人形机器人中还有一类重要零部件叫无框力矩电机，应用在对于扭矩有特定要求的部位如关节等。而空心杯电机属于伺服电机，控制精度更高、响应速度更快，应用于对这两个维度要求更高的灵巧手部分。本文重点在于空心杯电机，因此此处暂不对无框力矩电机进行展开分析。

空心杯电机市场规模测算

根据多方数据印证对比，我们估算2023年全球空心杯电机市场规模约为56亿美元。根据过往数据推算，若暂不考虑人形机器人为空心杯电机带来的增量，2024-2030年市场规模增速约为8.5%。

图：空心杯电机市场规模及预测（亿元）（不考虑人形机器人领域增量）

数据来源：融中研究整理

测算人形机器人领域未来能为空心杯电机带来的增量，本文考虑如下假设：

（1）目前，人工智能的快速发展解决了机器人不智能、没场景两个核心难点，而人形机器人的硬件端也在快速迭代，国内产业链的布局有利于快速降本，从而为人形机器人的普及奠定基础。本文认为人形机器人市场增长将分为三个阶段，第一阶段：2024-2026年，主要由政策和资本驱动，预计企业将会逐渐进入人形机器人批量生产期，前三年商业应用场景落地预期以满足工业市场非结构化需求为主，实现对于传统工业生产线的补充，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为50%；第二阶段：2027-2030年，供应链持续降本增效、技术持续突破，人形机器人会逐渐向着潜在的家用、服务市场领域扩散、普及，场景应用潜力不断挖掘，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为100%；第三阶段：2030年之后，养老、情感、陪伴、军事场景需求将成为人形机器人增长的主要推动力，市场会因此呈现长期波动上行态势，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为20%。

（2）从价格角度看，目前国内外空心杯电机平均单价为1200元/台，假设未来价格保持稳定

（3）假设单台人形机器人的空心杯电机用量与现在保持一致，即12个

从测算结果看，2028年开始人形机器人领域带来的空心杯电机市场规模增量就将达到十亿元级；2030年开始人形机器人领域带来的空心杯电机市场规模增量将超过其他领域市场规模之和的40%以上。

表：人形机器人带来的空心杯电机规模增量测算

数据来源：融中研究整理

图：考虑人形机器人增量后的空心杯电机市场规模及测算（亿元）

数据来源：融中研究整理

空心杯电机竞争格局

国外空心杯电机制造因其先进的技术和竞争优势，叠加相匹配的绕制设备先进技术及较高的自动化程度，长期保持其产品较高的市场占有率，具备先发优势。其中全球行业领先企业有瑞士Maxon、德国Faulhaber、瑞士Portescap三家。而国内市场代表企业为鸣志电器、鼎智科技、拓邦股份等，分别成立于 1994年、 2008 年和 1996 年。国内空心杯电机起步较晚，技术积累与海外有一定差距，但得益于我国强大的全产业链优势及工程师群体，有望实现快速追赶。

瑞士Maxon：公司始建于1961年，全球约有3300名员工，分布于全球40个国家，2022年营业额为7.08亿瑞士法郎，年产500万件约12000个品种，产品主要包含无刷和有刷DC电机、各类齿轮箱、传感器、编码器、伺服放大器、位置控制器、CIM和MIM组件，以及按客户要求专门定制的驱动器和系统解决方案。其空心杯产品横跨直径4-90mm，功率1.2-400瓦，转矩性能优异、功率高、转速范围大、使用寿命长。

德国Faulhaber：作为一家独立的家族企业，Faulhaber的驱动技术是精密工程和电机技术的杰出代表。Faulhaber在德国、瑞士、美国、罗马尼亚和匈牙利建有研发和生产中心，公司网络遍布全球30多个国家与地区，拥有超过2300名专业员工。其无刷空心杯电机B-Micro最小尺寸为3mm，有刷空心杯电机0615N1.5S最小尺寸则为6mm。

瑞士Portescap：公司于1931年在瑞士成立，致力于钟表制造业，1959年推出了革命性的空心杯转子直流电机escapTM，闯入微型电机行业，2023年被RegalRexnord收购。公司微电机产品能够满足从医疗器械到各种工业应用场合的终端市场传动需求。

鸣志电器：公司从事运动控制领域产品的研发、生产和经营已有二十年，在运动控制领域掌握了核心的控制电机研发技术、驱动控制技术和尖端制造技术，并具备在多种电机驱动控制系统中植入现场总线技术和自产产品系统集成技术的能力。总部位于上海，在北京、广州、深圳等十大城市设有办事处。分公司遍及北美、欧洲、日本和东南亚，已形成全球销售网络，目前全球员工总数3000多人。公司的步进电机、直流无刷电机、空心杯电机、电机+丝杠模组、电机+减速机模组等产品被国内、外客户广泛使用，在技术、品牌、规模化生产、行业定制化开发、高性价比等方面具有明显优势。

拓邦股份：公司围绕空心杯电机、直流无刷电机 （ BLDC）、步进电机、伺服电机等各类型电机形成数十个先进的电机技术平台。其中公司在工具电机和 运动控制领域处于国内领先水平。公司空心杯电机产品在工业机器人的电动夹爪等中高端应用场景，兼具高精度和高性价比的特点，具备过载能力强、能量转换效率高，轻量化等产品优势，公司在工业机器人行业中已实现伺服驱动系统及空心杯电机的批量应用。

鼎智科技：公司是以微特电机为主要构成的定制化精密运动控制解决方案提供商，主要从事线性执行器、混合式步进电机、直流电机、音圈电机及其组件等产品的设计、研发、生产和销售。公司积极布局空心杯电机相关产品， 空心杯电机是公司重点发展的核心产品， 最小直径8mm，最大转速 8 万转/分钟。根据公司投资者调研公告，公司空心杯电机已基本成熟，处于中小批量供货阶段。公司自研空心杯电机绕线设备，可实现空心杯电机全自动批量生产。由于核心工艺及设备自研，公司的空心杯电机产能建设周期较短，可以快速满足批量订单。空心杯电机技术壁垒核心在于高转速下的平稳性、寿命、噪音以及配套的行星减速箱。公司掌握减速箱核心技术，自研产品处于样机和测试阶段，公司空心杯电机+减速箱配套产品国内领先。

本文选择海外三家公司与鸣志电器直径为 8 mm、额定电压均为 6V 的有刷空心杯电机产品参数进行对比，分析性能上的差异。可以看到，与海外产品相比， 我国企业在功率、效率等方面存在一定差距。

表：部分主要厂家8mm产品对比

数据来源：公司官网，融中研究整理

结语前景广阔的空心杯电机

空心杯电机凭借其独特的无铁芯设计，展现出高转速、高效率、高动态响应等显著优势，广泛应用于航空航天、医疗设备等多个领域，在人形机器人中对其手部灵活性也有显著影响。尽管目前Maxon、Faulhaber等海外企业具备先发优势，但随着国内厂商技术水平的不断提升和人形机器人市场的快速发展，国产空心杯电机将迎来新的发展机遇。