你認識的南京伺服電機幾個廠家的國產崛起之路還有多遠？
1. 電機行業概覽：萬億級市場，細分領域眾多
1.1 電機技術：技術原理共通，延展性較強
電機一般指電動機，亦稱“馬達”，可將電能轉換為機械能，為用電器或各種機械提 供驅動力，在現代工業和生活中應用極為普遍。電機的基本原理為電磁感應定律——電能 在線圈上產生旋轉磁場，并推動轉子轉動。電機的基本構造包括：定子（鐵芯、繞組和基 座）、轉子（鐵芯、繞組），此外不同類別電機可能配有電刷、傳感器、驅動器、風扇等 配件。電機原理雖然簡單，但高端設計十分復雜，牽涉設計、工藝和設備等環節，涵蓋電 磁學、摩擦學、熱、流體、振動、聲學等自然科學和相關技術工程領域。
電機技術種類非常多。法拉第 1921 年制成世界第一臺電機，1831 年發現電磁感應定 律，經過 200 年技術更新迭代，電機品類已十分龐雜。
根據電源種類不同，分為直流電機和交流電機。直流電機響應快，啟動轉矩大， 調速性能好（轉子受力由電流和磁場強度決定），調速范圍寬，缺點是需要換向， 結 構更 復 雜 ，后 續 維 護不 便 利 ，且 限 制 了電 機 容 量和 速 度 ， 功率 范圍 0.01W-1000kW；交流電機不需要換向器，因此結構簡單、制造方便，牢固，使 用壽命長，功率覆蓋范圍大（幾 W-百萬 kW）。
根據有無電刷，分為有刷電機和無刷電機。交流電機不需要電刷換向，因此有刷 無刷僅涉及直流電機。無刷電機的換向和調速工作由霍爾傳感器、控制器、磁編 碼器等電子元件完成，替代了電刷，同時賦予電機更多的控制性能，數字變頻的 可控性更強。無刷電機解決了電刷運轉產生的電火花問題，且運轉時的摩擦減少， 噪音降低，壽命延長；缺點在于成本較高，技術難度較高，因此常用在控制要求 較高、轉速較高的設備上。
根據轉子定子是否同步，分為同步電機和異步電機，兩者均屬于交流電機。同步 電機較復雜，效率高，造價高，大多用于大型發電機場合和 2000KW 以上的電動 機上；異步電動機簡單，成本低，易于安裝，效率略低，應用更廣泛。
根據用途不同，分為非控制電機和控制電機。非控制電機用于電動工具、家電和 其他通用小型設備中，側重電機在啟動和運行過程中的力能指標；控制電機可以 對電機的轉速、位置和轉矩進行精準控制，更側重于高精度和快速響應，因此多 用于自動化設備中。常見的控制電機包括步進電機和伺服電機兩種。步進電機利 用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移，也稱脈沖電機；伺服電機利用輸入的電壓信號轉換成角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓改 變電機的轉速和轉向。伺服電機在精度、可靠性、噪音、過載能力、能量轉換效 率等方面性能優于步進電機，但是成本較高，因此兩者呈互補關系。
電機核心指標為轉速、功率、扭矩等。電機參數指標是選擇電機的重要參考，包括：輸入功率，輸出功率，額定電流，堵轉電流，額定轉速，加速度，減速度，震動，噪音， 功率因素，效率，堵轉轉矩，額定轉矩，最大轉矩，轉動慣量，相間絕緣電阻，相對地絕 緣電阻等。其中，重要參數以及含義分別為：1）額定功率：電機設計時的理想功率也是最 大功率；2）額定電壓：該電機的建議工作電壓，電壓決定了轉速和一系列參數，超過電壓 可能會出現局部過熱問題，不可以長期運行；3）額定轉速：額定功率下電機的轉速；4） 額定轉矩：力矩=里×力臂，相當于電機的“力氣”，在機器人領域，轉矩一般用于使得機 器人移動或者使得機械臂完成各種動作；5）電機效率：電機輸出的機械能與消耗的電能的 之比；6）噪音：電動機在空載穩態運行時的分貝數；7）物理參數：尺寸、重量、固定孔 的位置等；8）壽命；9）價格。
此外，控制電機還需考慮控制精度和響應時間等。1）響應時間：電機的轉速從零開始 增長的過程。為了滿足自動控制快速響應的要求，轉速變化時間應盡可能短，即電機轉速 變化應迅速跟上控制信號的要求。2）控制精度：電機運行的實際位置與控制器輸出位置之 間的偏誤程度。不同應用場景的側重點不同，因此關注的核心指標也有差別。例如汽車電 機更側重功率密度（單位體積對外輸出密度），機器人電機更側重控制精度，重型機械電 機更側重扭矩等。
1.2 行業特征：市場容量萬億級，誕生細分領域龍頭
電機的下游應用市場極為廣泛，空間千億美元。電機作為必不可少的關鍵基礎機電部 件，廣泛應用于家電、汽車、信息處理器、視聽設備、工業自動化等領域。以家庭場景為 例，根據祥明智能招股說明書援引高工咨詢的數據，發達國家微特電機的家庭平均擁有量 為 80-130 臺，而中國大城市家庭平均擁有量大約在 20-40 臺；汽車為最主要電機細分市 場，一輛商用車采用超過 40 個電動機，從低功率到高功率不等。根據 Grandview Research 的研究數據，2020 年全球電機市場規模為 1427 億美元，預計 2021-2028 年全球電機市 場規模復合增長率將達到 6.40%。從下游細分市場來看，汽車占比最高，占 40.5%，其次 為工業機械、HVAC 設備（供熱、通風與空氣調節）、空調、運輸、家電等。
電機需求分散化和長尾化，選型考慮因素眾多。電機的選擇取決于終端產品設計，電 機選型貫穿于工程師設計和生產產品的全過程中，與產品特征和工程師設計理念緊密相關， 因此其需求表現出極強的分散和長尾特征。
參考 Maxon 的產品說明書，電機選型考慮因素眾多：
首先，驅動需求必須明確：驅動負載需要多高的轉速和多大的轉矩？在不同的負 載狀況下，運行持續時間是多少？對加速性能有什么要求？負載慣量是多少？驅 動參數還需考慮同步帶、齒輪、絲杠等，全部折算到電機軸。
其次，電源供電的要求：對電機引線端施加的最大電壓是多少？對電流有什么樣 的限制？如果使用電池或太陽能電池供電，還需使用伺服放大器，放大器的最大 電流通常是一個重要的限制參數。
此外，其它重要信息也需考慮：被加速的物體 (類型、轉動慣量)、運行模式 (連 續、間歇、正反向運行)、環境條件 (溫度、濕度、介質)、電源、電池。
最后，還需考慮限制條件包括：驅動單元的最大長度是多少 (含齒輪箱和編碼器 的直徑)？電機的預期使用壽命是多少？使用哪種換向系統？稀有金屬換向系統 適合于低電流連續運行工況、石墨換向系統適合于高電流連續運行工況以及頻繁 出現電流峰值的場合 (啟動/停止操作、正反向運行)。如果希望獲得最高轉速和最長使用壽命，則應采用電子換向系統。電機軸上的負載力是多少？必須使用滾珠 軸承還是可以使用經濟的燒結合金軸承？
電機行業總量大、單品產量小、需求長尾化、定制屬性強，導致電機行業不存在“贏 家通吃”的情況，大多表現為深耕細分領域的中小型公司，競爭格局高度分散。電機行業 涌現出的優秀公司主要有三類：1）聚焦于單品銷量較大的下游行業，例如汽車電機、空調 電機、洗衣機電機等，公司產品具有性價比優勢，國內上市公司如大洋電機、江蘇雷利、 微光股份、方正電機、祥明智能等；2）電機平臺型公司，電機 SKU 多+快速定制化能力強， 產品具有價格優勢、快速響應客戶需求，國內外上市公司如瑞士 Maxon、鳴志電器、兆威 機電等；3）電機產品與其他產品產生協同效應，作為核心競爭力為下游產品賦能，如安川 電機、匯川技術、金龍機電等。
2. 機器人行業的典型電機類型一覽
2.1 伺服電機：控制精度高，廣泛應用于工業自動化
伺服電機是工業自動化行業中應用最廣的電機。伺服來自英文 servo，指系統跟隨外部 指令進行人們所期望的運動，實現對位置、速度、加速度和力矩的精準控制。伺服電機具 有響應速度快、精度高、加減速度快、速度不受負載影響等優點，且轉速范圍寬、高速性 能好、低速運行平穩，同時抗過載能力強，能承受 3 倍于額定轉矩的負載，適用于對有瞬 間負載波動和要求快速起動的場合。
伺服系統一般由驅動器、電機、編碼器構成。①伺服驅動器（指令裝置）屬于驅動層， 又稱“伺服控制器”、“伺服放大器”，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機 進行控制，實現高精度的傳動系統定位；改變控制電壓可以變更伺服電機的轉速及轉向。②伺服電機屬于執行層，伺服電機在自動控制系統中作為執行元件，把輸入的電壓信號變 換成轉軸的角位移或角速度輸出。③編碼器（反饋裝置）通常內置在伺服電機末端，用來 測量電機的轉角、轉速和位置，對控制精度具有關鍵作用。驅動器根據反饋值與目標值進 行比較，調整轉子轉動的角度，達到伺服控制的目的。
伺服電機分為直流和交流伺服電動機。1）直流伺服電機分為有刷和無刷電機：①有刷 電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換 碳刷），產生電磁干擾，對使用環境有要求（無塵、易爆環境不宜），通常用于對成本敏 感的普通工業和民用場合；②無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力 矩穩定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以實現方波或正弦波換相， 電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環境。2）交流伺服電動 機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。交流伺服電機優點在于速度控制特性良好， 在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發熱少，高速控制， 高精確度位置控制，額定運行區域內可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維 護。缺點在于控制較復雜，驅動器參數需要現場調整 PID 參數確定，需要更多的連線。高 性能的伺服系統大多采用永磁同步交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的 全數字位置伺服系統。
伺服電機作為工業自動化的核心零部件，市場規模隨產業自動化升級穩步增長。1）替 代需求：在機床、紡織機械、印刷機械和包裝機械等領域，伺服電機相比步進電機具有精 度、扭矩、過載等性能方面的優勢，滲透率不斷提升；2）新增需求：工業機器人、電子智 造裝備等行業對精度性能要求較高，其迅速增長為伺服電機市場貢獻較大增量。根據 Grand View Research 與 MIR 數據統計，2020 年全球伺服電機市場規模 367 億元，預計 2026 年有望達到 539 億元。我國伺服電機起步較晚，尚處于成長階段，2020 年我國伺服電機市 場規模約 149 億元，預計 2026 年有望達到 225 億元。
伺服電機的核心難度，即導致各國差距之處，主要在于電機的基礎性研究、高精度伺 服驅動器和編碼器。1）基礎性技術研究：包括高端電機的結構設計、產業化制造技術、生 產工藝的突破、性能指標的實用性檢驗，導致高端伺服電機的性能、質量和穩定性的差異；2）材料，特別是適應高溫的材料；磁材和絕緣性材料等，國內的磁材總體性能差，伸縮長 度會發生變化；3）驅動系統：目前的伺服系統標準仍然依靠國外定義，包括共目線結構體 系，先進的控制算法，自適應振動抑制，自適應參數整定，齒槽轉矩補償，磁飽和控制，弱磁控制、安全控制等，需要時間和經驗的積累、大量的數據逐步實現各項功能；4）編碼 器：目前高精度編碼器嚴重依賴進口，小型化仍待突破，而編碼器對定位精度影響很大。
伺服電機行業 65%份額為外資品牌，高端市場基本被外資壟斷。根據 MIR 數據，我國 伺服電機競爭格局中外資品牌占 65%，國產品牌占 35%。根據前瞻產業研究院報告，目前 主流品牌可分為歐系、日系和國產品牌等類別，其中歐系日系占據中高端市場，國產主要 集中在中低端市場。①歐系品牌占比 20%：如西門子、倫茨、博世力士樂等，過載能力高、 動態響應好、驅動器開放性強，但價格昂貴、體積重量大；②日系品牌占比 45%：如安川、 三菱、松下等，品牌性能和價格相對低、體積小、重量輕、可靠性和穩定性強，但動態響 應能力較弱、開放性較差低，總體上性價比更高，最適合中端需求；③國產伺服占比 35%：如臺灣臺達、匯川技術、華中數控等，產品基本成熟，精度和可靠性較差，中小功率居多， 中低端伺服系統已實現大規模量產，但高端伺服系統尚未形成商品化和批量生產能力。
2.2 步進電機：經濟性更高，適合低精度要求場景
步進電機也是一種控制電機。步進電機源于自英語單詞“Step”，意為“走一步”， 是一種形象的翻譯。步進電機能將電脈沖信號轉換為角位移/直線位移，并且位移量與脈沖 數成正比，轉速或線速度與脈沖頻率成正比。通過調整電脈沖信號或脈沖頻率就可以實現 對電機的運動控制。步進電機能根據控制脈沖的要求迅速啟動、反轉、制動和無極調速；工作時能不失步，精度高，停止時能鎖住。步進電機包括 VR、PM、HB 三種。1）VR 步進電機，即反應式（Variable Reluctance）， 由繞組、轉子由軟磁材料組成，結構簡單，成本低，但動態性能差，效率低，發熱大，已 逐步被歐美國家淘汰。2）PM 步進電機，即永磁式（Permanent Magnet），由永磁材料 制成，動態性能好，體積相對較小，但精度較差，輸出力矩較小，是一種成本較為經濟的 選擇。3）HB 步進電機，即混合式（Hybrid），綜合了前兩者的優點，可以實現精確的小 增量步距運動，轉子和定子上有多個小齒以提高步矩精度，輸出力矩大，動態性能好，步 距角小，但結構相對復雜，成本相對較高。
步進電機控制方式類似于伺服電機，包括驅動器和編碼器。驅動器在負載能力的范圍 內，通過改變脈沖頻率來調速；編碼器信號檢測轉子位置，進行控制信號的反饋和電流調 節。作為開環的控制系統，由于過載能力較低、調速范圍相對較小、低速運動有脈動、不 平衡等問題，一般應用于小型或簡易型機器人中。步進電機 VS 伺服系統，可靠性低，經濟性高。步進電機相比伺服電機，不足之處在于：精度略低；開環系統的低可靠性，低速存在共振區；運行噪音較高；無過載能力，易失步；能量轉化效率低，自身損耗及發熱較高；動態響應慢，加減速低；優勢在于：調試較為簡 單，伺服驅動器涉及的參數多、使用手冊長，且不同品牌的驅動器區別可能很大；成本更 低；精度方面，在大多數場合，步進的分辨率已遠高于機械要求的精度，對于高要求場合， 通過細分驅動、添加閉環控制等方式，也可以達到很高的控制精度。因此，伺服電機更適 用于要求高效率、高速高響應、高可靠性的場合，步進電機用于要求不高、成本敏感的場 合，控制系統的設計須綜合考慮控制要求、成本等因素，選擇適當的控制電機。
2.3 空心杯電機：結構緊湊，能量轉換效率高
空心杯電機屬于直流、永磁、伺服電機。空心杯電機與傳統電機的轉子結構不同，采 用無鐵芯轉子，線圈通過連接板，和換向器、主軸鏈接到一起，共同組成轉子。由于線圈 形狀像個杯子，因此稱為空心杯。無鐵芯結構消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，能量轉換效率提高，最高可達 90%+，同時降低電機重量和轉動慣性，可達到更高的控制 和拖動特性。空心杯電機分為有刷和無刷兩種。1）空心杯有刷電機：采用電刷換向，轉動過程中會 摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷，電機壽命有限，平均為幾千小時；容易產生電 火花和電磁波，干擾電子設備；優勢在于，有刷電機不存在渦流損耗，特別是在高速運轉 下，相比無刷電機的損耗顯著更低；結構更簡單，成本更低；2）空心杯無刷電機：采用電 子換向，通過霍爾元件感知永磁體位置，電子線路切換線圈中電流的方向，進而改變磁力， 其優勢在于消除了電刷的損耗和電火花對電子設備的干擾，壽命可達到數萬小時，但無刷 電機存在渦輪損耗，渦輪功率損耗隨速度的平方增加；另外添加了換向器和控制器等，增 加了系統的組件和成本。
空心杯電機具有節能、控制性能好、能量密度高等優點，但功率較低。空心杯電機的 優點在于：1）節能：能量轉換效率很高，其最大效率一般在 70%以上，部分產品可達到 90%以上（鐵芯電動機一般在 70%）；2）控制性能好：起動、制動迅速，響應極快，機 械時間常數小于 28 毫秒，部分產品可以達到 10 毫秒以內（鐵芯電動機一般在 100 毫秒以 上）；在推薦運行區域內的高速運轉狀態下，可以方便地對轉速進行靈敏的調節；3）拖動 性能好：運行穩定性十分可靠，轉速波動能控制在 2%以內；4）能量密度高：與同等功率 的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕 1/3-1/2；5）散熱效果好：銅板線圈內外表面都有 空氣流動，溫升較小。但缺點在于功率上限低：由于沒有牢固的鐵芯支撐，線圈厚度較薄， 且線圈和輸出軸的連接強度有限，因此體積、功率等無法做到很大，一般空心杯電機最大 功率僅幾百瓦，屬于一種微特電機。空心杯電機在高精度、高速響應、緊湊高效場景得到廣泛應用。1）需要快速響應的系 統：軍用領域導彈方向的快速調節、高靈敏度的記錄和檢測設備、工業機器人、仿生義肢；2）對重量和能耗要求的飛行器，包括無人機、航模等；3）其他家電、工業產品，可以替 代傳統電機，提高產品性能。根據國際咨詢機構 QY Research 統計數據，預計 2022 年全 球空心杯直流電機市場規模為 7.5 億美元，2022-2028 年復合增速 8%，至 2028 年增加至 11.9 億美元；2021 年中國、歐洲市場份額分別為 35%、26%。
空心杯市場長期被外資壟斷，蘊藏大量國產替代機遇。空心杯電機的產品制造和量產 的難度高，繞線和自動化工藝復雜，對繞線工人的技能水平要求高，難以實現大規模量產。目前空心杯市場被德國 FAULHABER 與瑞士 Maxon 主導，隨著國內市場對空心杯電機認 知程度不斷提高，國產廠商的量產工藝水平不斷突破，未來有望實現國產替代。
3. 解析不同機器人對電機的差異化需求
3.1 工業機器人：工業場景要求響應速度和控制精度
工業機器人（多關節機器人）通常有 6 個關節，對應 6 個電機。控制器、伺服電機和 減速器被稱為工業機器人的三大零部件：1）控制器是機器人的“大腦”，通過硬軟件結合 來控制機器人的運動位置、姿態和軌跡；2）伺服電機是機器人的“驅動力“，根據控制器 發出的命令輸出力矩，動態控制機器人的速度和位置；3）減速器用于降速增矩：伺服電機 一般輸出的轉速高、力矩小，不能滿足機器人本體的運動需求，需要通過減速器來降低轉 速、增加力矩。根據高工機器人數據，伺服電機在工業機器人總成本中占比 20%。
工業機器人對電機性能要求較高：高功率密度、高扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量 和較寬廣且平滑的調速范圍。1）高功率密度：工業機器人的體積和負載要求電機重量輕、 體積小；2）高扭矩慣量：代表更高加減速性能，更快響應速度；3）高啟動轉矩：啟動轉 矩越大，電動機加速越快，啟動過程越短，也越能帶重負載起動；4）低慣量：慣量越低， 精度和響應速度越好；5）寬廣平滑的調速范圍：隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連 續變化，調速范圍 1:1000～10000，功率范圍一般為 0.1～10kW。
3.2 四足機器人：側重高功率密度、高扭矩密度
四足機器人是學術界產業界積極研發的、具有發展前景的一類機器人。相比輪式和履 帶式機器人，具有良好的環境適應能力，在復雜的地理地形環境下，不平整地面上，保證 機器人運動的靈活性、穩定性和人際協調性，因此可以協助人類完成危險性高、工作環境 惡劣的任務，如搶險救災、高位巡檢、安全偵查、地形勘測、太空探索等。高動態特性， 參考獵豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速調整步態和運動方式。四足機器人通常采用 12 個伺服電機，每條腿三個關節：外展關節、髖關節和膝關節。為了避免膝關節電機外置易造成損壞，將膝關節電機置于髖關節處上，采用連桿機構驅動 膝蓋關節自由度，這種設計可以減少腿部的傳動慣量，有利于機器人高速奔跑。此外，踝 關節擁有類似于髖關節的 2 個自由度，但由于踝關節主要作用是調節足端和地面的接觸， 基本不提供動力，因此一般設計為被動的彈性關節，如橡膠、海綿等。
四足機器人電機更側重高扭矩密度、高功率密度、轉動慣量小、響應速度塊。1）四足 機器人在行走、奔跑、跳躍時步態都不相同，電機一直處于正反轉交替狀態，轉矩輸出并 不是處于額定值，而是一個隨著運動狀態不斷變化的量，因此電機轉矩在較短時間內達到 峰值；2）電機不停運行在正轉和反轉的狀態下，需要有較高的響應速度，要求電機的轉動 慣量小、重量輕；3）四足機器人采用 12 個電機，每個電機安裝空間有限，直徑和長度要 短，扁平化結構；4）其他約束條件：電機的散熱和溫升、電機控制器的最高頻率限制、激 勵電流的有效值等。5）另外，為了使機器人的關節輸出足夠的扭矩，需要增加減速器，將 高速低扭矩的電機輸出轉化為低速大扭矩的關節輸出。
四足機器人電機的商業化程度較低。由于四足機器人商業化應用較少，因此還未形成 標準化產品。電機廠商主要由四足機器人公司自主設計，或者找伺服電機廠商定制化生產。四足機器人電機的進入壁壘不高，但是能做到高扭矩密度、響應速度快、輕量化小型設計 等綜合性能的難度很高，全球各高校和科研機構也在不斷尋求技術突破，從而突破四足機 器人的性能優化，例如 MIT 自主研發的獵豹系列的電機，可以達到 33Ｎ·ｍ的扭矩而質量 僅 1kg。
3.3 人形機器人：要求高效率、高動態、高功率密度
人形機器人的自由度決定電機數量，機器人靈活性越高，電機越多。當前全球人形機 器人玩家較少，已實現推出原型機/產品的公司包括日本本田、美國波士頓動力、美國敏捷 機器人、中國優必選、中國小米和美國特斯拉等。其中，本田 ASIMO 有 34 個自由度，均 為旋轉執行器，采用伺服電機+諧波減速器方案，優必選 Walker 有 40 個自由度，采用相 似架構；敏捷機器人 Digit Robot 有 20 個自由度，采取伺服電機+諧波減速器/擺線減速 器方案，小米 CyberOne 有 21 個自由度，采取相似架構；波士頓動力 Atlas 有 28 個自由 度，采用液壓驅動方案；特斯拉 Optimus 有 28 個自由度，采用 6 種執行器，旋轉執行器 為電機+諧波減速器，線性執行器為電機+滾柱絲杠。
人形機器人電機有三個關鍵點：高效率、高動態和高功率密度。①高效率：低能耗和 低摩擦損失很重要，因為機器人通常由電池供電，能經受得起苛刻的運行條件，可進行十 分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。②高動態：整個驅動器（電機、 機構、接線、傳感器和控制器）的慣性應盡可能低，電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。③高功率密度：機器人應用需要高速、高扭矩電機，這些電 機還需要小巧，緊湊，輕巧。
3.4 機器人手部：側重輕量化、高效率、低成本
關于靈巧手的研究最早可追溯至 1960s，21 世紀以來研究進程加快，但目前仍處于實 驗室階段，少數實現商用。在應用端，靈巧手可以代替人手完成多種抓取和操作任務，具 有極大的應用價值，例如，家用領域可以完成家務、陪護、康養等任務，工業領域可以完 成裝配等精細化作業任務，特種領域可以在太空、深海、核電站等代替人手實現精準操作；在技術端，靈巧手在靈活性、適應性、可控性、敏銳感知、小型化等方面仍有挑戰。靈巧 手有多種驅動技術方案，柔性驅動包括氣動型、液壓驅動型、肌腱驅動型等；剛性驅動包 括齒輪連桿驅動型、連桿驅動型、關節電機驅動型等。目前最常見的靈巧手均為電機驅動， 具有能耗低、控制系統簡單、電路設計方便等優點。
不同靈巧手方案的電機數量不等。2002 年日本岐阜大學合作開發 Gifu-III 靈巧手，合 計 20 個關節和 16 個自由度，采用 Maxon 公司直流伺服電機；英國 Shadow 公司的靈巧 手已投入商業化應用，合計 24 個自由度，其中 20 個電機驅動，4 個欠驅動，每個手指都 集成了力、位置和觸覺傳感器，可以抓取柔軟或易碎的物體；韓國 IRIM 實驗室研制了線驅 動靈巧手 FLLEX Hand，合計 15 個自由度；清華大學機械系 PESA 手具有 20 個關節，15 個自由度，15 個電機驅動；特斯拉 Optimus 單手有 11 個自由度，采用 6 個執行器，采 用空心杯電機+蝸輪蝸桿+金屬肌腱驅動的方案。靈巧手電機大多采用微特電機，結構緊湊，效率高。靈巧手需要滿足質量輕、結構緊 湊和抓取力強的要求，因此采用的電機應該具有尺寸小、質量輕、精度高、扭矩大的特點， 多采用微特電機+行星減速器的方式。空心杯電機具有尺寸小、質量輕、精度高、控制性能 好、能量密度高等特點，能夠滿足手指高度緊湊的結構要求和驅動性能要求以 Maxon 的空心杯電機為例：德國航空航天中心（DRL）與哈爾濱工業大學（HIT）合作研發的 DLR-HIT Hand 采用 15 個帶霍爾傳感器的無刷主流電機，長度 10.4 mm、外徑為 21.2 mm，重量 15g，安裝諧波驅動齒輪，最大扭矩 8.04mNm，結構緊湊、功率密度高、價格低廉。
4. 國內相關公司梳理
4.1上海企業技術：工控自動化國內標桿，伺服電機領軍品牌
匯川技術是國內工業自動化控制龍頭。公司成立于 2003 年，2004 年生產出第一批機 器，2008 年推出 PLC、伺服產品，2009 年“匯川永磁同步電機驅動控制軟件”榮獲中國 國際軟件博覽會金獎， 2010 年上市，2010-2019 年歷經三次組織變革，取得遠超行業平 均的持續增長，2021 年年產 1100 萬臺伺服電機項目進一步擴大產能，2022 年收購大連 智鼎科技，完善大功率變頻電機布局。目前，公司產品覆蓋通用自動化、電梯電氣大配套、 新能源汽車、工業機器人、軌道交通五大類，其中通用自動化包括變頻器、伺服系統、控 制系統、工業視覺系統、傳感器、高性能電機等核心部件，產品線齊全。
業績穩健增長，抗周期能力顯著。2021 年公司實現營業收入 179.43 億元，同比增長 56%；歸母凈利潤 35.73 億元，同比增長 70%，其中通用自動化、電梯、新能源分別占比 50%、28%、20%。2021 年公司毛利率、凈利率分別為 35.82%、20.51%。2022H1 公 司實現營業收入和歸母凈利潤 103.97 億元、19.75 億元，分別同比增長 25.65%、26.36%， 在疫情和宏觀環境不利影響下取得逆勢增長，行業龍頭地位進一步鞏固。
作為工控自動化龍頭，公司充分受益自動化大浪潮，產品條線持續擴張，業務多點開 花。1）變頻器和伺服系統的市占率在內資品牌中穩居第一，市場競爭力強勁。公司掌握高 性能伺服控制技術、高性能伺服電機技術等核心技術，產品矩陣豐富，覆蓋單軸/多軸伺服 系統、通用/專用伺服系統、新一代伺服系統、電液伺服系統、高精度伺服驅動系統等，廣 泛應用于 3C 制造、機械手、LED、鋰電、印刷包裝、紡織、機床、注塑機等業務領域。2） 工業機器人業務高速增長，產品品類擴張。公司的工業機器人產品包括 SCARA 機器人、 六軸機器人、視覺系統、高精密絲杠、控制系統等整機及零部件。根據睿工業，2021 年公 司 SCARA 機器人的國內市場份額為 14%，名列第三，內資第一。目前公司工業機器人業 務已經實現盈利，未來有望高速成長。3）戰略布局新能源車景氣賽道，電控產品放量在即。公司已進入理想、小鵬、威馬等造車新勢力及長城、廣汽等傳統車企供應鏈，2022H1 產 品迭代至第四代高壓電驅總成、異步電機總成，新能源車業務可期。
4.2 埃斯頓：國內工業機器人龍頭，全產業鏈發展快速崛起
埃斯頓是國內工業機器人龍頭企業，立足自主研發，技術創新驅動進步。公司成立于 1993 年，2002 年研發金屬成形機床數控系統，2006 年拓展金屬成形機床電液伺服系統等 核心部件業務，2008 年推出交流伺服系統，2012 年布局工業機器人產品線，2019 年收購 德國 CLOOS，取得焊接機器人全球前沿技術，2021 年全面進軍工業智能化和數字化制造 領域。公司形成工業自動化系列產品、工業機器人系列產品、工業數字化系列產品三大核 心業務；其中工業自動化系列產品線包括全系列交流伺服系統，變頻器，PLC，觸摸屏，視 覺產品和運動控制系統等。
市場份額持續擴張，盈利略有承壓。2021 年公司實現營業收入 30.20 億元，同比增長 20%；歸母凈利潤 1.22 億元，同比下降 5%；2022H1 公司實現營業收入和歸母凈利潤分 別為 16.55 億元、0.76 億元，同比增長 6%、21.3%。公司重視自主研發，2017-2021 年 研發支出由 1.06 億元上升至 2.82 億元，研發費用率長期維持 10%的較高水平。2020 年 6 月福布斯發布 2020 中國最具創新能力榜單，埃斯頓榮登“2020 年中國最具創新力企業 榜”，成為工業機器人企業唯一登榜者。
機器替人疊加國產替代，公司發展前景廣闊。1）機器人銷量快速增長，空間廣闊。2021 年公司工業機器人出貨量約 1.1 萬臺/套，國內市占率為 4.4%，在人力成本上升+勞動力短 缺+產業自動化升級+國產替代等多重驅動下，工業機器人有望持續滲透，公司作為龍頭將 首先受益。2）股權激勵彰顯信心。2022 年 8 月公司發布長期激勵計劃和員工持股計劃， 員工持股計劃考核目標是 2022/2023 年公司收入分別不低于 38 億元、52 億元，同比分別 +25.83%、36.84%，彰顯公司對于未來發展的信心。
4.3 鳴志電器：運動控制平臺企業，空心杯電機國內龍頭新銳
鳴志電器聚焦運動控制及智能電源領域關鍵部件制造，產品品類齊全。公司成立于 1994 年，1998 年鳴志電機工廠建成，HB 步進電機產品投產，2007 年與美國 AMP 公司 合資安浦鳴志，開展控制電機驅動系統業務，2008 年永磁式步進電機產品投產，2012 年 交流伺服電機產品、直流無刷電機產品投產，2014 年收購美國 AMP，2015 年收購美國 LIN ENGINEERING，與 PBC Linear 合資成立鳴志派博思，2018 年收購瑞士 Technosoft Motion AG，通過內生+外延雙輪驅動實現快速發展。目前產品已覆蓋混合步進電機、永 磁步進電機、線性電機、伺服電機、直流無刷電機、無刷無槽電機、電機驅動與集成、電 動滑臺、智能 LED 調光、LED 智能控制與驅動、大型設備管理與故障診斷等多個領域。
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業績持續高增，毛利率穩定在較高水平。2021 年公司實現營業收入 27.14 億元，同比 增長 22.66%，2017-2022 復合增長率 13.6%；歸母凈利潤 2.80 億元，同比增長 39.27%；其中控制電機及其驅動系統產品收入 20.98 億元，占比 77%。2021 年毛利率、凈利率分 別為 37.66%、10.37%。2022H1 實現營業收入和歸母凈利潤分別 12.7 億元、0.7 億元， 分別同比-1.9%、-45,4%，主要因為公司及工廠位處上海，3 月以來受疫情影響較大，工 廠停工、物流受限、倉庫封閉、原材料供應不穩定等情況對境內外業務造成多重不利影響， 6 月以來復工復產后公司經營情況已得到迅速恢復，預計下半年有望恢復高增態勢。
產品品類齊全形成平臺化運營，新興高附加值占比持續提升，產能有序釋放支撐公司 高增長。1）產品線不斷完善，高附加值應用領域快速成長。公司產品線涵蓋 25 個系列， 覆蓋運動控制、智能電源、工業互聯網等五大領域，形成平臺化運營模式。2014 -2018 年 陸續收購美國 AMP、美國 LIN ENGINEERING、瑞士 Technosoft Motion AG 等外資高 端品牌，公司不斷吸納核心研發技術與客戶群體，強化研發實力。2022H1，工業自動化、 生化醫療、服務機器人、半導體工廠等新興高附加值領域收入增長 20%、21%、50%和 85%， 上述領域收入同比增加 1.04 億元。2）深入布局空心杯電機，把握產業發展導向。在無刷 空心杯領域， 鳴志 EC 系列直流無刷無槽電機提供 ?13mm~?30mm 多種規格，空載轉 速達 15000rpm~50000rpm；在有刷空心杯領域，鳴志 DCU 系列直流有刷電機提供 ?8mm~?24mm 多種規格，空載轉速達 10000rpm~16000rpm，采用空心轉子設計方 案，具有高加速度、低轉動慣量、無齒槽效應、無鐵損小巧輕便等特點。公司具備 AMP、 T Motion 兩家公司在空心杯電機領域多年的核心技術優勢，并廣泛吸收了其客戶資源，有 望在空心杯電機市場搶占先機。3）全球產能布局有序推進。公司上海工廠產能預計于 22Q4 遷移至太倉工廠，越南年產 400 萬臺 HB 步進電機項目預計 23Q1 開始試運行，公司生產 效率與產能規模將得到有效提升。
4.4 兆威機電：精密傳動行業翹楚，布局藍海前景廣闊
兆威機電專注于微型驅動領域，產品包括微型傳動系統、精密注塑件和精密模具三大 類。公司成立于 2001 年，制定了“精密微小超薄”的發展路線，2002-2004 年先后成為 三協、松下、三洋等企業供應商，2008 年成為德國博世 BOSCH 汽車的認證供應商，2014 年成功開發 3.4mm 直徑微型減速齒輪箱，2021 年完成 C 款標準品齒輪箱的全系列升級， 啟動正齒輪箱產品系列化的研發。目前，公司產品覆蓋汽車電子、通訊、醫療器械、智能 家居、AI 機器人等領域，重點聚焦 5G 商用、智慧醫療、人工智能、IOT 等領域的開拓， 為客戶的智能化驅動提供定制化服務。
疫情下消費市場承壓，導致短期業績擾動。2021 年公司實現營業收入 11.40 億元，同 比下降 5%；歸母凈利潤 1.48 億元，同比下降 40%，其中微型傳動系統、精密注塑件和精 密模具分別占比 65%、30%和 5%。2021 年毛利率、凈利率分別為 29.73%、12.94%。2022H1 公司實現收入和歸母凈利潤 4.69 億元、0.55 億元，分別同比-12.44%、-37.86%， 主要受到智能家居、服務機器人、通訊業務板塊的負面影響；汽車電子和醫療領域分別實 現 26.77%和 16.46%的正增長，為公司積極拓展的重點領域。
重視基礎性研究+加碼高景氣賽道，看好公司長期成長價值。1）重視微型驅動領域的 理論和技術研究，高研發鍛造產品競爭力。2021 年公司研發投入 1.3 億元，同比+77.98%， 研發費用率 11.65%，近五年研發投入持續提升；研發人員占比 23.14%，比重不斷增加。2021 年研發成果豐厚：平臺化領域，C 款標準品齒輪箱全系列升級；工業裝備領域，開發 線性升降機構等 6 款產品，實現齒輪箱與驅動控制的一體化集成設計；服務機器人領域全 面升級，積極提升批量化生產能力；通訊領域，開發大容量基站天線齒輪箱、RCU（遠程 控制單元）模組，該模組可實現信號的最強發射；基礎技術研究領域，完成高性能 PEEK 塑料齒輪的精密制造技術研究；粉末冶金部門在小模數粉末冶金齒輪高精度大批量制造技 術上，最優精度和技術水平達到國際前列。2）重點發力汽車電子領域等高景氣領域，客戶 拓展順利。公司拓展比亞迪、長城、蔚小理等國內新能源汽車客戶，參與智能屏、電動尾 翼、隱藏式門把手、PLG 等項目研發。此外積極拓展醫療、智能家居、AI 機器人、AR/VR、 5G 商用等戰略新型產業，未來潛在增長空間大。
4.5 江蘇雷利：微電機領先方案商，縱橫拓展高景氣賽道
江蘇雷利深耕微電機行業 30 載，由家電延伸至多個細分領域。1993 年品牌初創，開 始生產步進電機，2006 年雷利電機科技成立，2017 年于科創板上市，2019 年收購鼎智機 電切入高端醫療器械領域，2021 年收購太倉凱斯汀，成立安徽凱斯汀、江蘇雷利艾德思， 布局汽車零部件業務。目前，公司已形成步進電機、同步電機、直流有刷電機、直流無刷 電機、水泵等多種電機產品為主導，配套相關精密結構、驅動控制設計和制造解決方案的 業務布局。
業績穩步增長，新業務貢獻增速。2021 年公司實現營業收入 29.19 億元，同比增長 21%；歸母凈利潤 2.44 億元，同比下降 11%。2021 年公司毛利率、歸母凈利率分別為 25.57%、9.01%。按產品類別分，2021 年步進電機、泵、MA 電機及組件、直流電機、 PP-沖壓件、排水電機分別占比 41%、16%、16%、8%、6%、6%；按下游分，空調、洗 衣機、工控、醫療、冰箱、汽車分別占比 28%、20%、10%、9%、9%、8%。2022 年實 現營業收入 14.65 億元，同比增長 0.75%；歸母凈利潤 1.55 億元，同比下降 4.34%；其 中，汽車零部件、工控、小家電分別同比+65%、+27%、+23%，新興領域實現快速增長。
醫療+新能源車+儲能+工控四大賽道并進，擁抱藍海市場，國產化替代空間巨大。1） 醫療：子公司鼎智科技主要產品直流無刷電機、音圈電機、步進電機等已廣泛應用于體外 診斷 IVD 行業、核酸檢測儀、呼吸機、牙科影像儀等高端醫療設備，與邁瑞、萬孚、天隆、 凱格、優利特、帝邁、IDEXX 等國內外知名企業合作；2）新能源車：公司相關產品包括汽 車電子水泵、沖壓件、鋁壓鑄、電子油泵、激光雷達電機等，21 年 10 月發布公告稱擬在 六安投資 5.5 億元建設“新能源汽車核心零部件生產基地項目”，將生產驅動電機、電動 斡旋壓縮機、精密鋁壓鑄和沖壓零部件等產品，25-26 年規劃產能為 7 億產值；3）儲能：公司的電子水泵用于儲能液冷系統及電化學儲能電池，直接或間接進入比亞迪、國軒高科、 英維克等頭部廠商供應鏈，未來還將延伸至儲能電機、沖壓件、控制器等配套產品；4）工 控：公司 2020 年參股洛源智能加大對伺服系統和電機領域的布局，現有產品絲桿電機、伺 服電機、無刷空心杯電機等產品可廣泛應用于機床、3C、印刷包裝、機器人等多個行業， 該領域尚處于起步階段，未來增長空間廣闊。
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