報(bào)告出品方：中泰證券

以下為報(bào)告原文節(jié)選

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1、人形機(jī)器人關(guān)鍵環(huán)節(jié)拆解

關(guān)鍵環(huán)節(jié)：線性執(zhí)行器+靈巧手

靈巧手：相較具有20+個(gè)自由度的人手，特斯拉人形機(jī)器人靈巧手基于應(yīng)用場(chǎng)景，保留11個(gè)自由度，在簡(jiǎn)化工序、優(yōu)化成本的同時(shí)達(dá)到較佳的性能：?jiǎn)问?個(gè)執(zhí)行器，可使用工具，實(shí)現(xiàn)小物件的準(zhǔn)確抓取，舉起20磅的重量。手部執(zhí)行器：空心杯電機(jī)+精密減速器+蝸輪蝸桿+繩驅(qū)

線性執(zhí)行器： 參考人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)四個(gè)連桿+四個(gè)樞紐進(jìn)行機(jī)械模擬，即可實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)能轉(zhuǎn)換；特斯拉optimus通過(guò)手臂、腿上的線性執(zhí)行器，對(duì)圖示關(guān)節(jié)進(jìn)行操控，模擬人類(lèi)四肢運(yùn)動(dòng)。

2、核心部件1：空心杯電機(jī)

空心杯電機(jī)的特點(diǎn)

定子為永磁體：產(chǎn)生磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子含有安裝在軸上的鐵芯，線圈纏繞在開(kāi)槽鐵芯上，起到集中、增強(qiáng)流量的作用。

最大特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子不含鐵芯，而是形似杯狀的線圈繞組，沒(méi)有結(jié)構(gòu)支撐，完全由導(dǎo)線繞制而成。
轉(zhuǎn)子通過(guò)連接板（換向盤(pán)，固定導(dǎo)線和傳遞力矩）與換向器和主軸連接（通過(guò)滾珠軸承支持）。

空心杯電機(jī)：優(yōu)勢(shì)

無(wú)齒槽效應(yīng)：沒(méi)有鐵芯的開(kāi)槽與永磁體相互反應(yīng)，即便在低速也能平穩(wěn)運(yùn)行，低振動(dòng)，低噪音，均勻扭矩可以輕易控制在任意位置的轉(zhuǎn)子。

無(wú)鐵損：鐵芯會(huì)改變磁場(chǎng)，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁滯回路被穿過(guò)，能量被消耗， 繞組線圈磁場(chǎng)的影響可忽略，磁化是恒定、不變的，功率損耗更小，效率更高。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊：永磁體置于中心，導(dǎo)致氣隙中的高磁通密度，并可通過(guò)強(qiáng)磁體進(jìn)一步增強(qiáng)，產(chǎn)生的扭矩增加，沒(méi)有鐵芯，轉(zhuǎn)子質(zhì)量慣量低，機(jī)械時(shí)間常數(shù)僅為幾毫秒響應(yīng)速度快。

安全、可靠性：電機(jī)的電刷和換向器之間發(fā)生電弧和火花的可能性較小，轉(zhuǎn)子表面有空氣流動(dòng)，相較鐵芯轉(zhuǎn)子散熱性能好。

空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)拆解

Maxon空心杯電機(jī)（RE35）及其衍生產(chǎn)品類(lèi)別

不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)運(yùn)行條件、功率和成本有不同的訴求，空心杯電芯的結(jié)構(gòu)部件有多種衍生；

用量：根據(jù)靈活程度的需求，常規(guī)單手搭載六件，即每個(gè)手指一顆/拇指兩顆，單臺(tái)人形機(jī)器人，預(yù)計(jì)搭載12件空心杯電機(jī)。

空心杯電機(jī)：材料選型

永磁體材料

AlNiCo和NdFeB均具有較高的剩余磁性； AlNiCo具有陡峭的退磁曲線，產(chǎn)生的氣隙較窄，線圈繞組的厚度可做得非常?。ǖ娏髅芏茸冃。a(chǎn)生的力也變?。?； 稀土磁鐵具有非常高的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，即很難消磁；其產(chǎn)生的氣隙更大，線圈繞組需要做得更粗，整體更堅(jiān)固；

不同永磁體的特點(diǎn)和性能存在差異，在保證產(chǎn)生的磁場(chǎng)穩(wěn)定的同時(shí)，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)工作溫度、環(huán)境的要求，合理的配置永磁材料，達(dá)到電機(jī)的性能和成本效應(yīng)最大化。

空心杯電機(jī)：材料選型

? 電刷

貴金屬電刷:適用小電流、低電壓，適用連續(xù)運(yùn)行模式， 低摩擦、噪聲， 低電池干涉， 適用小型電機(jī)， 價(jià)格便宜。

石墨電刷:適用高電流、峰值電流，適用啟停、反轉(zhuǎn)運(yùn)行模式，高摩擦、無(wú)負(fù)載電流，電損耗、噪聲更高， 價(jià)格更貴。

石墨電刷（>26mm,>10W）更適用于大電機(jī)，貴金屬電刷更適用于小電機(jī)（<13mm）；

? 軸承

滾珠軸承:適用于較高的軸向和徑向負(fù)載， 適用于所有運(yùn)行模式，使用于大型電機(jī)，價(jià)格更貴、若無(wú)預(yù)加負(fù)載。

套筒軸承:適用于連續(xù)高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行模式，適用于小型電機(jī)， 低摩擦、低噪聲，價(jià)格便宜。

軸承的使用一定情況下也會(huì)影響電機(jī)壽命。

空心杯電機(jī)：壁壘

線圈繞組

? 典型的繞組方式（直線形、馬鞍形、斜繞形）

直線形： 六角線環(huán)狀的繞線方式，更適用于長(zhǎng)尺寸，長(zhǎng)徑比大的線圈柱體繞組；

馬鞍形： 具備熱塑性， 斜方形式的繞線方式，Maxon 主 要采用此種方法；

斜繞形：，在圓柱體對(duì)角線上進(jìn)行繞線排布，多見(jiàn)于Faulhaber的產(chǎn)品；

? 漆包線結(jié)構(gòu)

? 無(wú)鐵芯的自支持線圈繞組由漆包線繞制而成；

? 在線圈繞組的制備過(guò)程中，通過(guò)外加壓力和加熱，使得相鄰的漆包線熔融并相互連接，同時(shí)復(fù)合高分子溶質(zhì)溢出，冷卻后獲得一定的硬度和穩(wěn)定性；

? 可在柱體纏繞粘合帶（膠帶或玻璃纖維）以增強(qiáng)繞組的強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性，避免高電流負(fù)載造成的漆包線軟化。

? 直線形 Vs 馬鞍形&斜繞形

直線形：上下兩端部的繞組不產(chǎn)生力矩，卻增加了電樞的整體重量，受限于此，常于線圈匝數(shù)要求較少的場(chǎng)景； 馬鞍形&斜繞形：無(wú)端部繞組，導(dǎo)線利用率高，重量?jī)?yōu)化，同等條件下具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、時(shí)間常數(shù)小，輸出力矩大等優(yōu)勢(shì)，為目前海外廠商主流的線型設(shè)計(jì)；

? 馬鞍形 Vs 斜繞式

馬鞍形：線圈幾何形狀規(guī)整，相互獨(dú)立排列，銅線間不發(fā)生干涉；端部重疊率低，線圈厚度較薄，磁場(chǎng)氣隙小，即永磁體定子的利用效率提高，同等面積下磁通量增大。根據(jù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)公式a，同輸出功率，轉(zhuǎn)矩輸出能力強(qiáng)； 磁場(chǎng)切割長(zhǎng)度增加，同等情況材料耗費(fèi)小，即銅線總長(zhǎng)減小，內(nèi)阻降低；根據(jù)公式，銅損隨電阻減少，輸出效率提升。

空心杯電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于追求小型化的同時(shí)提供效率更高、更大的輸出，線圈繞組設(shè)計(jì)是核心影響因子，包括繞線方式（排布、槽滿率等）、繞組參數(shù)（節(jié)距、匝數(shù)、抽頭數(shù)等），掌握相關(guān)工藝的先進(jìn)入者，存在先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

繞組設(shè)備

? 空心杯電機(jī)的繞線工藝

繞卷式生產(chǎn)工藝流程：優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，外形規(guī)整，但步驟繁瑣、工藝復(fù)雜導(dǎo)致廢品率、時(shí)間損耗高，不適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大；

? 一次成型生產(chǎn)工藝：自動(dòng)化程度高，一次性繞制成型，在生產(chǎn)效率和成本上具備優(yōu)勢(shì)。

? 繞線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃：包括路徑設(shè)計(jì)及速度控制，前者意味著合理規(guī)劃形狀和運(yùn)動(dòng)模式，提高線圈繞組質(zhì)量；后者直接影響銅線軌跡、線圈精度和效率。
? 抽頭：整個(gè)線圈繞組分為多個(gè)部分，每個(gè)部分留有抽頭，其與一個(gè)換向片相連，因此通過(guò)對(duì)各抽頭的通/斷電，可起到控制線圈磁場(chǎng)的方向和旋轉(zhuǎn)方向的作用。

? 一次繞線設(shè)備-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

? 主軸模塊&擺線機(jī)構(gòu)：線圈軌跡通過(guò)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和線嘴的移動(dòng)達(dá)成，主軸通常按勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，擺線機(jī)構(gòu)能否保證一定的速度和位置精度完成對(duì)于動(dòng)作，決定了繞線軌跡的準(zhǔn)確性；

? 輔助機(jī)制：抽頭產(chǎn)生，加工過(guò)程主軸、擺線運(yùn)動(dòng)在指定位置暫停，導(dǎo)線被拉出一定長(zhǎng)度，對(duì)位置精度控制亦有要求；

? 海外空心杯電機(jī)生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商核心玩家為瑞士Meteor與日本Nippon Serbig，其技術(shù)成熟度高，產(chǎn)品系列齊全，可靠性高，受限于產(chǎn)能及技術(shù)保密，設(shè)備獲取存在一定壁壘；

? 我國(guó)設(shè)備廠商起步晚于海外20-30年，在生產(chǎn)技術(shù)水平相比存在一定的差距，目前仍以卷繞式生產(chǎn)設(shè)備為主。

產(chǎn)品豐富性

? 小型化

? Maxon：外徑規(guī)格可選4-90mm，產(chǎn)品矩陣豐富；

? Faulhaber：無(wú)刷無(wú)齒槽電機(jī)外徑低至3mm，同時(shí)提供匹配其應(yīng)用的高度緊湊齒輪箱、速度控制器配件。

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