摘要：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
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。
空心杯电机中的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，它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。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。
➢ 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。
02
空心杯电机产业链及下游应用
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。
下游应用场景中，人形机器人领域近年来热度高涨。人形机器人在结构上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。
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。
03
空心杯电机市场规模预测和竞争格局
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%。
在空心杯电机市场竞争格局方面，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。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。
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。
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来源：祺展云
