机器人行业产业深度(六)：机器人的关节-高效电机

请务必阅读正文之后的免责条款部分 [Table_Main] [Table_Title] 产业研究月报 2023.11.29 机器人产业深度（六）：机器人的关节——高效电机 [Table_Summary] 摘要： 人形机器人关节电机的三个关键需求：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，电机需要小巧，紧凑，轻巧。由于应用需求场景不同，将人形机器人关节与工业机器人、协作机器人关节进行对比优劣没有可比性。工业机器人对精度、寿命要求高，更适合采用伺服电机；人形机器人对控本、提效、力矩和运转稳定的诉求更强，更适合采用力矩无框电机。 力矩电机相对于伺服电机能提供更加稳定的力矩和运转速度，且由于不需要使用齿轮减速箱，能够有效降低其成本和体积，减少误差及提升效率，更能够满足人形机器人的需求。①提供稳定的力矩和运转速度，利于人形机器人的大范围推广及长期使用。②不需要使用齿轮减速箱，减少人形机器人部件的数量，从而最大限度降低其成本和体积。③维护更加简单，可靠性更高。④效率更高，更节能。机械系统中每增加一个传动部件都将会产生效率的损失，因此减少系统中传动部件，提高整个系统的效率，从而能够变相的节能，有利于提高人形机器人的续航及负载。 人形机器人的空心杯电机以无刷空心杯电机为主。因为空心杯电机高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，空心杯电机都需要搭配行星减速箱进行使用，一般都会集成 2-3 级的行星减速箱。无刷电机通过驱动器实现电子换向，其定子部分使用空心杯绕组，采用无齿槽铁芯设计，具有高转速、长寿命、低噪音的特性，又具有高功率密度、高效率的优势。 当人形机器人年销量分别为 100 万台时，直流无刷力矩电机年新增市场规模 140~280 亿元，是2022 年市场规模的 5~11 倍。空心杯电机市场规模为 72 亿元，是 2022 年市场规模的 2 倍。1）直流无刷力矩电机市场规模的核心假设，单台人形机器人配置直流无刷力矩电机 28 个；空心杯电机价格随量产进程逐年下降，当人形机器人年销量 100 万台时，关节电机均价 500~1000元；2）空心杯电机市场规模测算的核心假设：单台人形机器人用空心杯电机 12 个； 空心杯电机价格随量产进程逐年下降，销量达到 100 万台时，单价 600 元。据 QY Research 数据，2022年全球空心杯电机市场规模为 7.48 亿美元。 我国力矩电机和空心杯电机厂商钧处于全球第二梯队。力矩电机全球第一梯队厂商主要有科尔摩根、Aerctech、Parher。我国的力矩电机厂商主要厂商有步科股份、雷赛智能、昊志机电等，伺服厂商如汇川技术、禾川科技也有基础切入无框电机市场。海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚，产品系列完善，项目经验丰富。与海外龙头企业产品性能相比，我国空心杯电机部分品类的产品性能接近或达到海外龙头，高端产品在功率、效率等方面存在差距。 风险提示：1）产业进展低于预期；2）竞争环境恶化；3）新技术的应用速度低于预期。 [Table_Author] 产业研究中心 作者：肖群稀 电话：0755-23976830 邮箱：xiaoqunxi027589@gtjas.com 资格证书编号：S0880522120001 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 [Table_DocReport] 往期回顾 机器人产业深度（五）：机器人的触觉——六维力矩传感器 2023.09.15 制造业数字化转型投资框架：迈入工业数字化时代 2023.06.25 机器人产业深度（四）：机器人的眼睛——3D 工业视觉 2023.08.20 机器人产业深度（三）：机器人的关节——精密执行器 2023.06.25 机器人产业深度（二）：AI 大模型赋能人形机器人，迈向通用人工智能的一大步 2023.05.19 机器人产业深度（一）：机器人产业：技术奇点靠近，需求拐点来临 2023.03.05 产业深度 产业深度 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 of 21 目 录 1. 机器人主要驱动方式：电力驱动 .................................................. 3 1.1 机器人的驱动方式：电动、液压、气动 ..................................... 3 1.2 电机机器人用减速电机重点参数：电压、转速、电流 ................ 3 1.3 力矩电机更适应人形机器人低速大扭矩的应用特性 .................... 4 1.3.1 直流电机 VS 交流电机 ........................................................ 4 1.3.2 有刷电机 VS 无刷电机 ........................................................ 5 1.3.3 力矩电机 VS 步进电机 ........................................................ 5 1.3.4 力矩电机 VS 伺服电机 ........................................................ 6 1.3.5 伺服电机 VS 力矩电机 ........................................................ 6 2. 人形机器人关节电机：无刷直流（无框）力矩电机 ...................... 7 2.1 T 和几家主流人形机器人的关节电机方案 .................................. 7 2.2 QDD 关节驱动方案在双足人形应用的探讨 ................................ 9 2.3 灵巧手方案：无刷空心杯电机+多级行星减速箱模组 ................ 10 3. 需求弹性及供给格局 ...................................................................11 3.1 人形机器人产业化对直流无刷力