報(bào)告出品方：財(cái)通證券

以下為報(bào)告原文節(jié)選

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1 空心杯電機(jī)采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電機(jī)

空心杯電機(jī)是一種采用無鐵芯轉(zhuǎn)子的直流永磁伺服控制電機(jī)?？招谋姍C(jī)通常尺寸較小，直徑不超過 40mm，也可歸類為微型電機(jī)?？招谋姍C(jī)主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)軸、墊圈、滑動軸承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環(huán)組成?？招谋姍C(jī)的定子由永磁體、殼體和法蘭組成。其中磁體通常采用燒結(jié)釹鐵硼材料，并且磁體的性能直接影響著電機(jī)的性能?？招谋姍C(jī)磁體需要在徑向方向上進(jìn)行磁化，因此圓環(huán)磁體的端面上設(shè)有槽，這是它的顯著特點(diǎn)之一。空心杯電機(jī)的殼體提供了恒定的磁場，從而有效地消除了鐵損耗?？招谋姍C(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均勻分布，即使在低速下也能保持平穩(wěn)運(yùn)行。在高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)還能減少振動和噪音的產(chǎn)生。電機(jī)的轉(zhuǎn)子包含繞組和換向器，繞組通過一組稱為換向板的連接件連接到軸上。線圈在磁鐵和外殼之間的氣隙內(nèi)移動。電機(jī)的換向系統(tǒng)采用貴金屬刷片，有效降低了電刷火花的產(chǎn)生，減少了電磁輻射。

1）有刷空心杯電機(jī)：采用機(jī)械換向，磁極固定，線圈旋轉(zhuǎn)。在工作時(shí)，線圈和換向器一起旋轉(zhuǎn)，而磁鋼和碳刷保持靜止。電機(jī)通過換向器和碳刷的交替接觸，使線圈電流方向隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動而變化。然而，由于碳刷的摩擦，會導(dǎo)致能量損耗，需要定期更換碳刷。此外，碳刷與線圈接線頭之間的斷續(xù)接觸會產(chǎn)生電火花，并干擾電子設(shè)備。有刷空心杯電機(jī)采用空心杯線圈轉(zhuǎn)子，具有無齒槽轉(zhuǎn)矩、小轉(zhuǎn)動慣量、靈敏反應(yīng)和高扭矩的特點(diǎn)，適用于對產(chǎn)品靈敏性和可靠性要求較高的行業(yè)。
2）無刷空心杯電機(jī)：采用電子換向，線圈固定，2 磁極旋轉(zhuǎn)。無刷空心杯電機(jī)利用電子設(shè)備、霍爾元件感知永磁體磁極的位置，并根據(jù)感知結(jié)果，使用電子線路適時(shí)切換線圈中電流的方向，確保產(chǎn)生正確方向的磁力來驅(qū)動電機(jī)。由于采用自控式運(yùn)行，無刷空心杯電無需像變頻調(diào)速下的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上額外增加啟動繞組，也能避免在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步現(xiàn)象。無刷空心杯電機(jī)采用無齒槽結(jié)構(gòu)線圈，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩，并大幅提升了電機(jī)的效率和功率密度。它適用于需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行和具有較高控制要求或可靠性要求的應(yīng)用場景。

由于空心杯電機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用了無鐵芯轉(zhuǎn)子，因此徹底消除了鐵芯形成的渦流造成的功率損耗，同時(shí)其轉(zhuǎn)動慣量大大降低，響應(yīng)速度快，具有良好的控制特性和伺服性能。
節(jié)能特性：空心杯電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率一般超過 70%，部分產(chǎn)品能夠達(dá)到 90%以上，而傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率通常在 70%以下。
控制特性：空心杯電機(jī)具有快速響應(yīng)速度和較小的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，一般在 28 毫秒以內(nèi)，部分產(chǎn)品甚至可以小于 10 毫秒。相比之下，鐵芯電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)通常在 100 毫秒以上。此外，空心杯電機(jī)具有良好的啟動和停止特性，在高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏。
拖動特性：空心杯電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速波動較小且易于控制，通常可控制在2%以內(nèi)的范圍內(nèi)。
能量密度特性：空心杯電機(jī)具有較高的能量密度，相較于相同功率的傳統(tǒng)鐵芯電機(jī)，空心杯電機(jī)的重量可以減輕 1/3 至 1/2，體積減小 1/3 至 1/2。

空心杯電機(jī)的核心生產(chǎn)壁壘主要集中在線圈的設(shè)計(jì)、繞線工藝和繞線設(shè)備三大方面。線圈的繞制過程直接影響了空心杯電機(jī)體積、轉(zhuǎn)速、功率密度和良率等性能。
直繞式繞線可以實(shí)現(xiàn)較高的槽滿率，但中部壁厚較薄，線路的堆疊排列容易不整齊，因此通常適用于匝數(shù)要求較少的線圈繞制。而斜繞式和馬鞍式則是目前國際廠商主流采用的線型設(shè)計(jì)，其中馬鞍式繞線相比之下更節(jié)省材料，并且功率更小。例如，F(xiàn)aulhaber 采用斜繞式線圈設(shè)計(jì)，瑞士 Maxon 電機(jī)則采用馬鞍式繞線方法。
繞線工藝：包括繞卷式和一次成型生產(chǎn)技術(shù)。
繞卷式工藝對于較小尺寸的空心杯線圈繞制存在一些挑戰(zhàn)，工藝步驟繁多且人工參與率較高。根據(jù)《繞卷式空心杯電樞制作工藝及其設(shè)備》的報(bào)告，使用繞卷式工藝，一臺繞線機(jī)配備 4 名工人，年產(chǎn)量可達(dá) 3 萬臺。然而，其局限性在于其更適用于直徑為 20-30mm 的空心杯，難以繞制抽頭間距小于 7mm 的較小尺寸線圈。
一次成型生產(chǎn)技術(shù)自動化程度高，在生產(chǎn)效率和成本上具備優(yōu)勢。一次成型技術(shù)有利于縮減生產(chǎn)過程并提高效率，繞線機(jī)在卷筒上使得線圈直接纏繞在軸心處，進(jìn)而高效進(jìn)行自動化生產(chǎn)。
繞線設(shè)備：設(shè)備水平直接影響工藝水平，大多數(shù)繞線機(jī)仍以繞卷式為主要方式。繞線機(jī)主要由機(jī)架、主軸結(jié)構(gòu)、排線結(jié)構(gòu)、張力控制結(jié)構(gòu)和模具等組成。由于導(dǎo)線的直徑通常在 0.02~0.25mm 之間，屬于超細(xì)導(dǎo)線，因此需要配置高精度的 PLC、伺服和傳動器件等設(shè)備。在導(dǎo)線的進(jìn)給過程中，適當(dāng)?shù)膹埩刂浦陵P(guān)重要。如果張力過大，容易拉扯導(dǎo)線導(dǎo)致電阻增加；如果張力過小，會導(dǎo)致排線疏松，從而降低繞線質(zhì)量。

2 行業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，歐企主導(dǎo)高端市場

2.1 空心杯電機(jī)市場規(guī)模持續(xù)增長，靈巧手應(yīng)用打開想象空間

空心杯電機(jī)市場規(guī)模將持續(xù)不斷擴(kuò)大。根據(jù) NTCysd 測算，2022 年全球空心杯電機(jī)市場規(guī)模為 51.0 億人民幣；另根據(jù) NTCysd 預(yù)計(jì)，2028 年市場規(guī)模將達(dá)到 83.0億人民幣，期間 CAGR 約 8.5%。

空心杯電動機(jī)從軍事、高科技領(lǐng)域進(jìn)入大工業(yè)和民用領(lǐng)域后，十多年來得到迅速的發(fā)展。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，下游廠商對電動機(jī)的伺服特性不斷提出更高要求，由于空心杯電動機(jī)避開了有鐵芯電動機(jī)的多種技術(shù)弊端，在很多應(yīng)用場合擁有不可替代的地位。
推動空心杯電機(jī)市場增長的關(guān)鍵因素在于全球范圍內(nèi)對醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表、電動工具、工業(yè)自動化、航空航天以及交通運(yùn)輸需求的持續(xù)擴(kuò)大。同時(shí)，在需要快速響應(yīng)（如軍工、檢測）和對重量和能耗要求較高（如無人機(jī)、機(jī)器人）等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
中國與歐洲為主要市場，高端市場仍被歐企主導(dǎo)。根據(jù) QY Research 數(shù)據(jù)，2021年中國和歐洲的空心杯市場份額分別為 34.8%、25.9%?？招谋姍C(jī)由于繞組設(shè)計(jì)和制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)自動化率和成品率要求高，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高，勞動力成本高，而且對操作者的技能水平要求高，限制了大規(guī)模生產(chǎn)。由于瑞士、德國等歐洲以及北美廠商對空心杯電機(jī)研發(fā)較早，具有性能優(yōu)異的生產(chǎn)設(shè)備和穩(wěn)定成熟的工藝。

2.2 空心杯電機(jī)行業(yè)的高端市場仍被歐企主導(dǎo)

目前全球空心杯電機(jī)的競爭格局呈高度集中狀態(tài)，CR4 值超過 65%。根據(jù)立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)信息，全球空心杯電機(jī)市場的主要制造商包括 Maxon、Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technolgies 等公司，目前這四家頂級制造商占據(jù)了市場份額的 65%以上。海外廠商如德國 Faulhaber 和瑞士的 Maxon 等企業(yè)深耕行業(yè)多年，行業(yè)地位較高，且掌握了大批量生產(chǎn)的核心工藝，國內(nèi)大多數(shù)廠商主要受制于此項(xiàng)工藝。Faulhaber 和 Maxon 銷售的空心杯電機(jī)+齒輪箱+編碼器集成件年銷售額超 30 億歐元，產(chǎn)品主要面向軍工和工業(yè)市場。
海外重點(diǎn)公司一：Maxon

公司成立于 1961 年，全球約有 3300 個(gè)員工，銷售網(wǎng)絡(luò)遍布全球 40 多個(gè)國家。
公司產(chǎn)品系列豐富，包括有刷、無刷空心杯電機(jī)，行星齒輪箱、傳感器、編碼器等。下游市場橫跨醫(yī)療、工控、安防、汽車、航空航天等。根據(jù)公司官網(wǎng)，其空心杯產(chǎn)品直徑包括 4-90mm，功率從 0.3-650w，產(chǎn)品系列豐富，2022 年?duì)I業(yè)額達(dá)7.08 億瑞士法郎。除了持續(xù)開發(fā)產(chǎn)品和改善制造工藝之外，該機(jī)構(gòu)對用于生產(chǎn)和檢測的設(shè)備也相當(dāng)注重。共有 200 多名員工在研發(fā)部門工作，投入研發(fā)的資金高達(dá)公司營業(yè)額的 8%。Maxon 的生產(chǎn)基地遍布全球八個(gè)國家，采用獨(dú)立研發(fā)的機(jī)器和生產(chǎn)線自行生產(chǎn)精密驅(qū)動系統(tǒng)的所有重要部件，其生產(chǎn)不論產(chǎn)品批量大小，均能快速完成，同時(shí)可以靈活調(diào)整，以滿足客戶的特殊需要。
（1）有刷 DC 電機(jī)

Maxon DC 采用高性能永磁體，享有全球?qū)＠目招颈D(zhuǎn)子。這項(xiàng)最先進(jìn)的技術(shù)帶給驅(qū)動器的優(yōu)勢是緊湊的結(jié)構(gòu)、高性能和低慣性。由于慣量較小，DC 電機(jī)可達(dá)到很高的加速度。

（2）無刷 DC 電機(jī)

電子換向的 Maxon EC 電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩特性良好、功率高、轉(zhuǎn)速范圍大和使用壽命長久等優(yōu)點(diǎn)。它調(diào)節(jié)性能出色，因此可實(shí)現(xiàn)精確定位。Maxon EC-max 電機(jī)屬于成本優(yōu)化的 EC 系列。如果空間較為狹小，還可選擇 Maxon 盤式電機(jī)。

海外重點(diǎn)公司二：Portescap

公司于 1931 年在瑞士成立，最初致力于鐘表制造業(yè)的產(chǎn)品制造，于 1959 年推出了革命性的空心杯轉(zhuǎn)子直流電機(jī)，闖入微型電機(jī)行業(yè)。Portescap 擁有行業(yè)內(nèi)最廣泛的微型電機(jī)產(chǎn)品線，包含有刷直流，無刷直流電機(jī)，步進(jìn)可堆疊，線性致動器，光盤磁鐵和混合動力技術(shù)。Portescap 電機(jī)具有體積小、重量輕、熱量低的特點(diǎn)，適用于便攜式小型設(shè)備。雖然電機(jī)的體積變小了，但其性能得到了改善，給終端使用者帶來了更大的舒適感與便利性。此外，對于電池供電的應(yīng)用系統(tǒng)，空心杯設(shè)計(jì)還延長了使用壽命、提高了能源效率。

(1) 無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)具有超高的精度、效率和可靠性，能夠在最緊湊的應(yīng)用中提供頂級性能所需的功率密度。這些電機(jī)采用有槽和無槽設(shè)計(jì)方案，能夠提供出色的加速度、轉(zhuǎn)速、扭矩和位置控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間無故障運(yùn)行。
Portescap 的高溫高壓滅菌型無刷直流電機(jī)（BLDC）通過輕巧的人體工程學(xué)封裝結(jié)構(gòu)，專門提供超高功率。該電機(jī)能夠很好地滿足手術(shù)效果的要求，并且經(jīng)久耐用，能夠滅菌處理以及手術(shù)環(huán)境遇到的鹽水或其它材料的腐蝕。

(2) 有刷直流電機(jī)

有刷直流電機(jī)采用永磁空心杯設(shè)計(jì)方案，通過小巧輕便的封裝提供高效率和高功率密度。這些電機(jī)采用高質(zhì)量的制造材料以實(shí)現(xiàn)最佳的性能，具有低轉(zhuǎn)動慣量、低摩擦系數(shù)和長換向器壽命。它們非常適合需要提供高加速度、高扭矩和高效率，并且無齒槽效應(yīng)的緊湊型應(yīng)用場合。

海外重點(diǎn)公司三：Faulhaber

公司歷史可以追溯至 1947 年，最早于 1958 年由 Faulhaber 博士設(shè)計(jì)斜線繞組方式的空心杯電機(jī)產(chǎn)品。作為空心杯電機(jī)的發(fā)明企業(yè)，F(xiàn)aulhaber 一度成為空心杯你電機(jī)的代名詞，其產(chǎn)品最小直徑甚至可以達(dá)到 1.9mm，其產(chǎn)品的最大連續(xù)扭矩則可以達(dá)到 200mNm。Faulhaber 的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品能夠通過 2500 多萬種組合方式為特殊應(yīng)用提供最優(yōu)的驅(qū)動系統(tǒng)。與此同時(shí)，這種技術(shù)上的“標(biāo)準(zhǔn)件”也為改型提供了基礎(chǔ)，使其能夠通過配置專門版本的產(chǎn)品來滿足客戶的具體需求。
Faulhaber 作為微型和微驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的單一供應(yīng)商，為全球客戶提供最齊全的產(chǎn)品組合。公司提供的產(chǎn)品系列包括：高性能 DC 電機(jī)、BLDC 電機(jī)、線性電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，每種驅(qū)動系統(tǒng)都致力于在實(shí)現(xiàn)最小尺寸和最輕質(zhì)量設(shè)計(jì)的同時(shí)達(dá)到最大性能。微型和微驅(qū)動系統(tǒng)還包含與電機(jī)相匹配的高精度減速箱、編碼器、直線組件和驅(qū)動電子裝置。這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于生產(chǎn)自動化和機(jī)器人、航空航天、光學(xué)系統(tǒng)以及醫(yī)藥和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。
(1) 直流電機(jī)

與傳統(tǒng)的鐵電樞直流電機(jī)不同，F(xiàn)AULHABER直流電機(jī)有一個(gè)自承式斜繞銅線圈。
這種設(shè)計(jì)不僅最大限度地降低了轉(zhuǎn)子的慣性矩，還為驅(qū)動設(shè)備提供了最大的動力和精確的無齒槽運(yùn)行。該技術(shù)由 Fritz Faulhaber Sr 博士開發(fā)，以最小的空間提供最大的性能，為眾多應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了新的驅(qū)動設(shè)備選項(xiàng)。

(2) 直流無刷電機(jī)

FAULHABER 無刷電機(jī)在最小安裝空間內(nèi)提供最佳性能。擁有最高的速度、轉(zhuǎn)矩和使用壽命。產(chǎn)生的噪音和振動都很低。它們甚至可以處理過載和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。型號從最小的微電機(jī)到高效扁平電機(jī)和采用外部轉(zhuǎn)子技術(shù)的超強(qiáng)力電機(jī)。

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