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根据特斯拉 AI Day 2022，其人形机器人 Optimus 采用 14 个直线执行器及 14 个旋转执行器，对应合计需要 28 个无框力矩电机。人形机器人产业刚刚兴起，市场预估 2024 年有望实现初步量产，预测 2025 年全球人形机器人用无框力矩电机市场规模有望达到 60 亿元，2030 年将有望达到 282 亿元。
来源：特斯拉AI Day
一、无框力矩电机介绍
1.1、定义
无框力矩电机是力矩电机的一种变体，保留了传统电机中用于产生扭矩和速度的部分，但没有轴、轴承、外壳或端盖。无框力矩电机一般只有两个部件，即转子和定子。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，由齿轮外部环绕钢片和铜绕组构成，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。
图|无框力矩电机结构图
来源：科尔摩根产品手册
相较于有框电机，无框电机配置灵活，安装方便，着眼于目前驱动系统的高度集成化趋势，可以说无框电机更贴合工程师的目标期望；工程师无需像传统设计那样考虑电机接口，只需要在系统设计中给予电机相当小的空间位置预留即可，可以最大限度的缩小驱动系统中动力输出单元的空间占用，以此来达到更高的系统集成。
1.2、特点
无框力矩电机具有以下符合人形机器人工作要求的特点：
高灵敏度：无框电机部件惯性较低，转速较高，从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态所需时间短。适用于需要频繁启停、灵敏响应的人形机器人领域。
高功率密度：无框电机消除了传统电机的铁芯，结构紧凑小巧，可实现更高的功率 密度。适用于需要高功率输出的人形机器人关节部件。
高效率：无框电机采用了新型的电磁铁和轴承结构，具有低能耗和低摩擦的特点。适用于工作强度大，承载需求高的人形机器人应用场景。
图|不同控制电机对比
来源: 工博士，华创证券
1.3、行业应用
根据觅途咨询，国内无框力矩电机目前主要应用于机器人领域（工业机器人及服务机器人），共占据行业 80%左右的市场份额。它主要用于机器人的关节和手臂，提供高扭矩和高精度的控制。典型应用包括协作机器人的关节，其中每台机器人通常需要 6-7 个无框力矩电机。无框力矩电机的中空设计使其在协作机器人中占用空间较小，从而提高了效率。
图|无框力矩电机在协作机器人应用
来源：步科股份
无框力矩电机可用于医学成像、外科手术机器人等医学领域。在医学成像中主要用于平滑、精准的运动控制，实现图像的高分辨率，减少不必要的移动。在外科手术机器人中主要针对于微创手术，可以在远小于人手可处理的区域中以高精度执行操作。
无框力矩电机可以在成型、磨削、钻孔等机床中提高精度和可重复性。无框力矩电机直接嵌入机械设计，安装简单能够提高性能以及延长使用寿命，能够消除机器连接设备，降低机器的整体尺寸，同时零背隙的设计提供了更好的系统性能。
1.4、市场规模
现阶段力矩电机行业市场空间较小，增长速度相对平稳。根据 QYResearch 数据，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 45 亿元，随着人形机器人逐渐放量并实现商业化，预计未来至 2030 年传统领域市场空间约为 61 亿元，人形机器人领域市场空间为 163 亿元，总市场空间为 224 亿元。人形机器人中无框力矩电机需求量级较为可观，为生产制造厂商带来发展新机遇。
图|无框电机未来空间测算
来源：QYResearch，华创证券测算
据觅途咨询，2022 年中国无框力矩电机市场规模超 5 亿元，2020-2022 年行业平均增速超过 50%。预计未来随着协作机器人以及智能化需求的快速增长，无框力矩电机市场 规模将保持较高速的发展
二、国内主要无框力矩电机企业
海外龙头公司包括 TQ Robodrive（德国）、Kollmorgen（美国）、Allied motion（美国）、Aerotech（美国）、Parker（美国）等。国内厂商主要有步科股份、航天电器、昊志机电、微精电机等。 根据觅途咨询数据显示，2022 年国内无框力矩电机市场中，国内厂商步科股份的市场份额接近 50%。
2022 年中国无框力矩电机竞争格局
来源：M2 觅途咨询，浙商证券研究所
2.1、步科股份
步科股份成立2008年，公司的自动化设备控制核心部件主要包括工业人机界面、伺服系统、步进系统、可编程逻辑控制器、变频器等，且广泛应用于物流设备、机器人、包装设备、食品设备、服装设备、医疗设备、环保设备，轨道交通设备等自动化设备行业。
步科股份 2022 年新推出的第三代无框力矩电机首创无框灌封工艺，提供型号完备的低压力矩电机解决方案，专为需求体积小、质量轻、惯量低、结构紧凑、功率高的应用场合而设计。
步科协作机器人无框电机解决方案具有稳定高效、高功率密度、低齿槽力矩、高空间利用率的特点，助力协作机器人厂商制造出有竞争力的、适配性强的产品,同时帮助协作机器人厂商降低生产成本。
图|FMC无框力矩电机
来源：步科股份官网
图|步科股份产品型号
来源：步科股份官网
步科股份产品型号主要有无框力矩电机电压VDC： 48V，
无框力矩电机外径：52mm/57mm/60mm/76mm/77mm/85mm/91mm/104mm/132mm。
步科股份调研时表示，公司的无框力矩电机主要应用在协作机器人和仿生机器人领域，主要的销售贡献来源于协作机器人，2023年销售突破1万台，是公司销售增长最快的单品之一。
2.2、雷赛智能
深圳市雷赛智能控制股份有限公司是智能装备运动控制领域的全球知名品牌和行业领军企业。自1997年成立以来，聚焦于伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、运动控制卡、运动控制PLC等系列精品的研发、生产、销售和服务。
由于雷赛产品兼具稳定可靠和性能优越的双重优势，在电子、半导体、物流、新能源、机器人、机床、医疗等行业获得上万家优秀设备厂家的长期使用，且远销美国、德国、印度等60多个国家。
图|无框力矩电机产品构成
来源：雷赛智能
图|各框架电机转矩范围概览
来源：雷赛智能官网
图|基本参数
来源：雷赛智能官网
产品针对协作和人形机器人等行业的应用场景和用户痛点进行研发设计、提供 25/38/50/60/70/85/115mm等七个标准的框架尺寸，还可以根据客户需求进行电机尺寸和电气参数的优化定制。
图表|八大产品特点
来源：雷赛智能官网、与非研究院整理
同时，转矩密度比一般同行高出15%，功率密度比一般同行高出20%。最小电机重量为50g，25mm极小尺寸。
据公司2023年12月7日最新交流纪要，近一年来公司已经成功研发微型伺服驱动器、中空型多圈绝对值编码器、无框伺服电机等核心部件，此外公司还正在开发空心杯电机、智能关节模组、微型多轴驱控一体机等系列产品。
公司最新发布的FM1无框电机和微型驱动器主要针对人形机器人和协作机器人的关节部分，正在进入试产试销阶段。预计2023年12月份陆续为目标客户提供样机进行测试选型，24年1月份进入小批量生产，3月份进入大批量生产销售。目前，已有行业多家人形机器人公司接洽并测试公司产品。
2.3、微精电机
成都微精电机股份公司始建于1958年，是国家“一五”期间156项重点工程之一，2005年完成企业改制，现位于成都市东三环路二段龙潭新经济产业功能区航天路12号。
主要从事微特电机及组件的研制、开发、生产及销售业务，主要产品有力矩电机、旋转变压器、伺服电机、轴流风机、伺服驱动器、特种泵以及机电一体化装备等，共19个大类、66个系列、2000多个品种。产品主要用于为航空、航天、船舶重工、兵器、核工业、电子系统等配套，作为系统的执行或反馈元件，产品和技术达到了国内先进水平。
图|永磁直流力矩电动机
来源：微精电机官网
公司生产的永磁直流力矩电动机有：1、 LY（国标）及ZL（厂标）铝镍钴磁钢系列，具有结构合理、工艺性好、技术经济指标趋优等特点；2、 LYX（LYR、ZLR）稀土磁钢系列，其特点为过载能力特强、加速力矩特大、体积小，特别适用各种高可靠要求及恶劣环境使用。3、 LWX无刷直流力矩电动机系列，具有结构紧凑、性能优良、高可靠、长寿命等一系列特点，特别适合航天、航空等维护不便，环境恶劣的条件下工作。4、 LST正弦波驱动永磁交流力矩电动机系列，由于采用永磁体代替电励磁，显著的提高了功率因数；转矩/惯量比高；结构简化，可靠性高。
上述系列电机结构形式均以分装式为主，由定子，电枢，刷架三大部件构成，亦可根据用户需要生产组装式电机。该系列电机具有结构简单，噪音小，使用可靠，维护简便等优点。分装式力矩电机安装说明 第一步，定子；第二步，电枢（转子）；第三步，电刷架；折卸为相反顺序。
三、总结
国内企业中布局较早的步科股份、微精电机产品种类较为丰富。航天电器和昊志机电无太多相关产品展示，暂时不清楚产品尺寸等信息。新进入者雷赛智能厚积薄发，产品尺寸更细小，针对人形和机器狗市场。未来几家公司都将为国产无框力矩电机争取更多市场空间。
无框力矩电机是人形机器人关节中较主流的驱动零部件。随着技术的更新迭代，人形机器人市场逐步放量，成为无框力矩电机的新应用场景。
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