1 空心杯电机采用无铁芯转子，性能远超传统电机

空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电机。空心杯电机通常 尺寸较小，直径不超过 40mm，也可归类为微型电机。空心杯电机主要由后盖、 接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴 承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。空心杯电机的定子由永磁体、壳 体和法兰组成。其中磁体通常采用烧结钕铁硼材料，并且磁体的性能直接影响着 电机的性能。空心杯电机磁体需要在径向方向上进行磁化，因此圆环磁体的端面 上设有槽，这是它的显著特点之一。空心杯电机的壳体提供了恒定的磁场，从而 有效地消除了铁损耗。空心杯电机产生的转矩均匀分布，即使在低速下也能保持 平稳运行。在高速运行时，电机还能减少振动和噪音的产生。电机的转子包含绕 组和换向器，绕组通过一组称为换向板的连接件连接到轴上。线圈在磁铁和外壳 之间的气隙内移动。电机的换向系统采用贵金属刷片，有效降低了电刷火花的产 生，减少了电磁辐射。

【资料图】

根据换向方式的不同，空心杯电机可分为有刷空心杯电机（空心杯电机 Coreless Motor）和无刷空心杯电机（无齿槽电机 Slotless Motor）。

1）有刷空心杯电机：采用机械换向，磁极固定，线圈旋转。在工作时，线圈和 换向器一起旋转，而磁钢和碳刷保持静止。电机通过换向器和碳刷的交替接触， 使线圈电流方向随着电机的转动而变化。然而，由于碳刷的摩擦，会导致能量损 耗，需要定期更换碳刷。此外，碳刷与线圈接线头之间的断续接触会产生电火花， 并干扰电子设备。有刷空心杯电机采用空心杯线圈转子，具有无齿槽转矩、小转 动惯量、灵敏反应和高扭矩的特点，适用于对产品灵敏性和可靠性要求较高的行 业。

2）无刷空心杯电机：采用电子换向，线圈固定，2 磁极旋转。无刷空心杯电机 利用电子设备、霍尔元件感知永磁体磁极的位置，并根据感知结果，使用电子线 路适时切换线圈中电流的方向，确保产生正确方向的磁力来驱动电机。由于采用 自控式运行，无刷空心杯电无需像变频调速下的同步电机那样在转子上额外增加 启动绕组，也能避免在负载突变时产生振荡和失步现象。无刷空心杯电机采用无 齿槽结构线圈，消除了齿槽转矩，并大幅提升了电机的效率和功率密度。它适用 于需要长时间连续运行和具有较高控制要求或可靠性要求的应用场景。

由于空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构，采用了无铁芯转子，因 此彻底消除了铁芯形成的涡流造成的功率损耗，同时其转动惯量大大降低，响 应速度快，具有良好的控制特性和伺服性能。 节能特性：空心杯电机的能量转化效率一般超过 70%，部分产品能够达到 90%以 上，而传统电机的转化效率通常在 70%以下。 控制特性：空心杯电机具有快速响应速度和较小的机械时间常数，一般在 28 毫 秒以内，部分产品甚至可以小于 10 毫秒。相比之下，铁芯电机的机械时间常数 通常在 100 毫秒以上。此外，空心杯电机具有良好的启动和停止特性，在高速运 行时，转速调节灵敏。 拖动特性：空心杯电机运行稳定可靠，转速波动较小且易于控制，通常可控制在 2%以内的范围内。 能量密度特性：空心杯电机具有较高的能量密度，相较于相同功率的传统铁芯电 机，空心杯电机的重量可以减轻 1/3 至 1/2，体积减小 1/3 至 1/2。

空心杯电机的核心生产壁垒主要集中在线圈的设计、绕线工艺和绕线设备三大 方面。线圈的绕制过程直接影响了空心杯电机体积、转速、功率密度和良率等性 能。

直绕式绕线可以实现较高的槽满率，但中部壁厚较薄，线路的堆叠排列容易不整 齐，因此通常适用于匝数要求较少的线圈绕制。而斜绕式和马鞍式则是目前国际 厂商主流采用的线型设计，其中马鞍式绕线相比之下更节省材料，并且功率更 小。例如，Faulhaber 采用斜绕式线圈设计，瑞士 Maxon 电机则采用马鞍式绕线 方法。 绕线工艺：包括绕卷式和一次成型生产技术。 绕卷式工艺对于较小尺寸的空心杯线圈绕制存在一些挑战，工艺步骤繁多且人 工参与率较高。根据《绕卷式空心杯电枢制作工艺及其设备》的报告，使用绕卷 式工艺，一台绕线机配备 4 名工人，年产量可达 3 万台。然而，其局限性在于其 更适用于直径为 20-30mm 的空心杯，难以绕制抽头间距小于 7mm 的较小尺寸线 圈。 一次成型生产技术自动化程度高，在生产效率和成本上具备优势。一次成型技 术有利于缩减生产过程并提高效率，绕线机在卷筒上使得线圈直接缠绕在轴心 处，进而高效进行自动化生产。 绕线设备：设备水平直接影响工艺水平，大多数绕线机仍以绕卷式为主要方 式。绕线机主要由机架、主轴结构、排线结构、张力控制结构和模具等组成。由 于导线的直径通常在 0.02~0.25mm 之间，属于超细导线，因此需要配置高精度 的 PLC、伺服和传动器件等设备。在导线的进给过程中，适当的张力控制至关重 要。如果张力过大，容易拉扯导线导致电阻增加；如果张力过小，会导致排线疏 松，从而降低绕线质量。

2 行业规模持续增长，欧企主导高端市场

2.1 空心杯电机市场规模持续增长，灵巧手应用打开想象空间

空心杯电机市场规模将持续不断扩大。根据 NTCysd 测算，2022 年全球空心杯电 机市场规模为 51.0 亿人民币；另根据 NTCysd 预计，2028 年市场规模将达到 83.0 亿人民币，期间 CAGR 约 8.5%。

空心杯电动机从军事、高科技领域进入大工业和民用领域后，十多年来得到迅速 的发展。随着工业技术的飞速发展，下游厂商对电动机的伺服特性不断提出更高 要求，由于空心杯电动机避开了有铁芯电动机的多种技术弊端，在很多应用场合 拥有不可替代的地位。

推动空心杯电机市场增长的关键因素在于全球范围内对医疗设备、仪器仪表、电 动工具、工业自动化、航空航天以及交通运输需求的持续扩大。同时，在需要快 速响应（如军工、检测）和对重量和能耗要求较高（如无人机、机器人）等领域 广泛应用。 中国与欧洲为主要市场，高端市场仍被欧企主导。根据 QY Research 数据，2021 年中国和欧洲的空心杯市场份额分别为 34.8%、25.9%。空心杯电机由于绕组设 计和制造工艺复杂，生产自动化率和成品率要求高，导致其生产成本高，劳动力 成本高，而且对操作者的技能水平要求高，限制了大规模生产。由于瑞士、德国 等欧洲以及北美厂商对空心杯电机研发较早，具有性能优异的生产设备和稳定成 熟的工艺。

2.2 空心杯电机行业的高端市场仍被欧企主导

目前全球空心杯电机的竞争格局呈高度集中状态，CR4 值超过 65%。根据立鼎 产业研究网信息，全球空心杯电机市场的主要制造商包括 Maxon、Faulhaber、 Portescap、Allied Motion Technolgies 等公司，目前这四家顶级制造商占据了市场 份额的 65%以上。海外厂商如德国 Faulhaber 和瑞士的 Maxon 等企业深耕行业多 年，行业地位较高，且掌握了大批量生产的核心工艺，国内大多数厂商主要受制 于此项工艺。Faulhaber 和 Maxon 销售的空心杯电机+齿轮箱+编码器集成件年销 售额超 30 亿欧元，产品主要面向军工和工业市场。

海外重点公司一：Maxon

公司成立于 1961 年，全球约有 3300 个员工，销售网络遍布全球 40 多个国家。 公司产品系列丰富，包括有刷、无刷空心杯电机，行星齿轮箱、传感器、编码器 等。下游市场横跨医疗、工控、安防、汽车、航空航天等。根据公司官网，其空心杯产品直径包括 4-90mm，功率从 0.3-650w，产品系列丰富，2022 年营业额达 7.08 亿瑞士法郎。除了持续开发产品和改善制造工艺之外，该机构对用于生产和 检测的设备也相当注重。共有 200 多名员工在研发部门工作，投入研发的资金高 达公司营业额的 8%。Maxon 的生产基地遍布全球八个国家，采用独立研发的机 器和生产线自行生产精密驱动系统的所有重要部件，其生产不论产品批量大小， 均能快速完成，同时可以灵活调整，以满足客户的特殊需要。

（1）有刷 DC 电机

Maxon DC 采用高性能永磁体，享有全球专利的空芯杯转子。这项最先进的技术 带给驱动器的优势是紧凑的结构、高性能和低惯性。由于惯量较小，DC 电机可 达到很高的加速度。

（2）无刷 DC 电机

电子换向的 Maxon EC 电机具有转矩特性良好、功率高、转速范围大和使用寿命 长久等优点。它调节性能出色，因此可实现精确定位。Maxon EC-max 电机属于 成本优化的 EC 系列。如果空间较为狭小，还可选择 Maxon 盘式电机。

海外重点公司二：Portescap

公司于 1931 年在瑞士成立，最初致力于钟表制造业的产品制造，于 1959 年推出 了革命性的空心杯转子直流电机，闯入微型电机行业。Portescap 拥有行业内最广 泛的微型电机产品线，包含有刷直流，无刷直流电机，步进可堆叠，线性致动器， 光盘磁铁和混合动力技术。Portescap 电机具有体积小、重量轻、热量低的特点， 适用于便携式小型设备。虽然电机的体积变小了，但其性能得到了改善，给终端使用者带来了更大的舒适感与便利性。此外，对于电池供电的应用系统，空心杯 设计还延长了使用寿命、提高了能源效率。

(1) 无刷直流电机

无刷直流电机具有超高的精度、效率和可靠性，能够在最紧凑的应用中提供顶级 性能所需的功率密度。这些电机采用有槽和无槽设计方案，能够提供出色的加速 度、转速、扭矩和位置控制，并且能够实现长时间无故障运行。 Portescap 的高温高压灭菌型无刷直流电机（BLDC）通过轻巧的人体工程学封装 结构，专门提供超高功率。该电机能够很好地满足手术效果的要求，并且经久耐 用，能够灭菌处理以及手术环境遇到的盐水或其它材料的腐蚀。

(2) 有刷直流电机

有刷直流电机采用永磁空心杯设计方案，通过小巧轻便的封装提供高效率和高功 率密度。这些电机采用高质量的制造材料以实现最佳的性能，具有低转动惯量、 低摩擦系数和长换向器寿命。它们非常适合需要提供高加速度、高扭矩和高效率， 并且无齿槽效应的紧凑型应用场合。

海外重点公司三：Faulhaber

公司历史可以追溯至 1947 年，最早于 1958 年由 Faulhaber 博士设计斜线绕组方 式的空心杯电机产品。作为空心杯电机的发明企业，Faulhaber 一度成为空心杯你电机的代名词，其产品最小直径甚至可以达到 1.9mm，其产品的最大连续扭矩 则可以达到 200mNm。Faulhaber 的标准产品能够通过 2500 多万种组合方式为特 殊应用提供最优的驱动系统。与此同时，这种技术上的“标准件”也为改型提供 了基础，使其能够通过配置专门版本的产品来满足客户的具体需求。 Faulhaber 作为微型和微驱动技术领域的单一供应商，为全球客户提供最齐全的 产品组合。公司提供的产品系列包括：高性能 DC 电机、BLDC 电机、线性电机、 步进电机等，每种驱动系统都致力于在实现最小尺寸和最轻质量设计的同时达到 最大性能。微型和微驱动系统还包含与电机相匹配的高精度减速箱、编码器、直 线组件和驱动电子装置。这些产品主要应用于生产自动化和机器人、航空航天、 光学系统以及医药和实验室技术。

(1) 直流电机

与传统的铁电枢直流电机不同，FAULHABER直流电机有一个自承式斜绕铜线圈。 这种设计不仅最大限度地降低了转子的惯性矩，还为驱动设备提供了最大的动力 和精确的无齿槽运行。该技术由 Fritz Faulhaber Sr 博士开发，以最小的空间提供 最大的性能，为众多应用领域创造了新的驱动设备选项。

(2) 直流无刷电机

FAULHABER 无刷电机在最小安装空间内提供最佳性能。拥有最高的速度、转矩 和使用寿命。产生的噪音和振动都很低。它们甚至可以处理过载和持续运转。型 号从最小的微电机到高效扁平电机和采用外部转子技术的超强力电机。

海外重点公司四：Allied Motion Technologies

Allied Motion 最初于 1962 年根据科罗拉多州法律成立为一家上市公司，名称为 Hathaway Corporation。如今，Allied Motion 在美国、加拿大、墨西哥、欧洲和亚 洲开展业务。Allied Motion Technologies Inc.（Allied Motion）是一家全球性公司， 设计、制造和销售用于广泛行业的精密和专业运动控制组件和系统。虽然公司的 服务业务非常广泛，但主要目标市场是车辆、医疗、航空航天和国防、电子和工 业市场。产品包括有刷和无刷直流电机、无刷伺服和力矩电机、无芯直流电机、 集成无刷电机驱动器、齿轮电机、齿轮传动、模块化数字伺服驱动器、运动控制 器、增量和绝对光学编码器，以及相关的运动控制相关产品。 公司以其在电磁、机械和电子等运动技术领域的专长为核心，在运动控制领域有 着广泛的应用。Allied Motion 的有刷和无刷电机和电子设备被设计成机器人设备， 应用范围包括从手术机器人到 IED 处理机器人再到自动化材料处理机器人。

3 人形机器人创造巨大需求，国内企业迎来发展契 机

3.1 人形机器人将创造百亿级空心杯电机市场

人形机器人灵巧手对电机功率密度、体积等要求较高，空心杯电机或将得到大 量应用。灵巧手作为机器人的末端执行器，从 3 指的 Stanford/Jpl 手到 DIST 手、 UB 手、NASA 手、Shadow 手等，在学术上已经进行了大量研究。对于人形机器 人而言，其灵巧手应该具备体积小、美观、捏紧力大、负载力强等特点，因此对 于灵巧手的动力源有较高的要求，目前特斯拉为代表的着力于人形机器人量产化 的企业主要采用了空心杯电机方案。

人形机器人即将造就一个百亿级空心杯电机市场。根据 maxon 官网信息，ECX SPEED 16L 系列无刷空心杯电机零售价格区间约为 2200~2500 元，考虑到电机产 品大批量采购通常具有折扣（官网显示折扣约 6 折），同时空心杯电机国产化后 售价会有一定优势，我们假设未来人形机器人销量达到 100 万级别后空心杯电机 均价为 800 元左右，假设单个人形机器人需要 12 个空心杯电机，对应人形机器 人所需空心杯电机市场规模约为 96 亿元。

3.2 国内主要空心杯电机企业介绍

国内具备空心杯电机量产化能力企业较少，随着特斯拉人形机器人的国产化， 国内空心杯电机将有望切入人形机器人市场，建议关注掌握编码器技术与电机 制造技术、具备（或可能具备）自动化生产能力的企业。国内典型的空心杯制 造商包括鸣志电器、鼎智科技、 伟创电气、禾川科技、拓邦股份等。

（1）鸣志电器

鸣志电器是一家运动控制领域综合制造商，公司成立于 1994 年，致力于为客户 从工厂自动化专业部件到智能 LED 照明驱动器，从大型工厂设备的智能管理系 统到汽车通信设备的控制执行机构，提供各种解决方案。公司主营产品包括步进 电机、无齿槽&空心杯电机、伺服驱动器与电机、集成式电机、直线运动产品、 直流无刷驱动器与电机、LED驱动及智能照明产品、照明控制、电子元器件等。 2010 年起，公司开始研发空心杯电机。2014 年收购了美国 AMP，强化了驱动器、 伺服控制系统等方面的实力。2015 年，公司收购美国 Lin Engineering 时便突破 了空心杯相关技术。2019 年，公司收购瑞士 Technosoft Motion AG，该公司在 空心杯电机和无齿槽电机的驱动控制领域保持全球领先优势。公司 2022 年营业 收入为 29.6 亿元，同比增长 9.05%，其中空心杯电机营收 1000 万元，产量 2 万 台。公司率先突破空心杯电机核心技术，拥有欧美广泛客户资源，有望率先占领 国内空心杯电机增量市场。

（2）鼎智科技

鼎智科技成立于 2008 年，公司专注于直线丝杆以及步进电机，同时不断提升成 为市场领域内精密直线运动系统专家，目前是江苏雷利子公司。公司主营产品包 括线性执行器、步进电机、直流无刷电机、空心杯电机、音圈电机、运动控制产 品等。 2022 年，公司自研设备和工艺，实现空心杯电机自动化批产，目前多款样机处 于测试阶段，后续可用于高端医疗装备、人形机器人和国防航天生产单位。公司 空心杯电机产品共有 6 个系列，由于没有齿槽将就以及其结构紧凑，能得到更平 稳的高低速支行、更精准的控制以及更高的效率和功率密度，广泛应用于智能家 电、医疗泵、手术器械等领域。

（3）伟创电气

伟创电气自成立以来始终专注于电气传动和工业控制领域，是一家从事工业自动 化产品研发、生产、销售于一体的高新技术企业，荣获“专精特新小巨人企业”， “高新技术企业”，“江苏省工程技术研究中心”，“江苏省级企业技术中心”， “江苏省民营科技企业”，“AAA 信用证书”等荣誉称号。主营产品包括变频 器、伺服系统、控制系统和行业专机等。公司开发出一系列拥有自主知识产权的 专利技术，截至 2023 年 5 月 22 日，已获授权专利共计 162 项，其中发明专利 43 项。 2022 年，公司成立机器人行业部，切入机器人产业链，主要面向移动类、协作 类、服务类的机器人领域，提供低压伺服、空心杯电机、特种无框力矩电机等核 心部件。产品目前在内部测试阶段，该产品具有高转速、高扭矩、低噪音振动的 优势，电机运行平稳、具有更精确的控制，电机结构紧凑让电机提供了更高的效 率和功率密度。

（4）禾川科技

浙江禾川科技股份有限公司成立于 2011 年 11 月，是一家专注于工业自动化产品 的研发、制造、销售及应用集成，致力于为智慧工厂提供核心部件和系统集成解 决方案的企业，产品广泛应用于光伏、3C、锂电、机器人、包装、纺织、物流、 激光、CNC 等领域。 禾川科技是较早进入工业机器人行业的国产伺服品牌，公司目前已有空心杯电机 产品，但还未进行销售。

（5）拓邦股份

深圳拓邦股份有限公司 1996 年成立于有中国科技“硅谷”之称的深圳高新技术 产业园内。2007 年在深圳证券交易所成功上市，成为国内智能控制领域首家上 市公司。公司主营业务为智能控制系统解决方案的研发、生产和销售，即以电控、 电机、电池、电源、物联网平台的“四电一网”技术为核心，面向家电、工具、 新能源、工业和智能解决方案等行业提供各种定制化解决方案。 拓邦电机业务始于 2007 年，2008 年突破技术门槛成为国内第一家空心杯电机制 造企业，2010 年空心杯电机率先应用于医疗产品并得到市场认可，2014 年成为 德语区空心杯电机核心供应商。随着未来人形机器人的商业化落地以及量产，空 心杯电机需求有望显著提升。

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