（报告出品方/作者：开源证券，孟鹏飞、熊亚威）
1、电动机：分为工控级、消费级、车载电机，国内总规模亿元
电动机（下称电机）由线圈和磁铁构成，是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。其主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电机本身所带来的机械运动为圆周运动或直线运动。
电机输出扭矩大小和转速高低通常呈负相关，增加电机的尺寸可提升输出扭矩，同时会降低电机转速。客户选择电机时，主要是根据不同应用场景对电机的转矩性能、惯量匹配、准确性、轴间协调、布线等要素的要求进行选择。电机的名称纷繁复杂，原因是电机作为一种执行机构，其形态需要适应不同应用场景带来的差异化需求而发生改变。市面上有几百种不同名称的电机，但很多电机之间的差异很小。
按应用领域分，电机可分为消费级电机、工业级电机，以及车载电机。我们测算，年，国内消费级电机市场规模约亿元，伺服电机市场规模约亿元，新能源汽车电机约亿元规模，步进电机国内约50亿元规模，国内电机总市场规模约为亿元。
1.1、电机行业：进入壁垒较低，产品高端跃迁存在资金、技术、客户壁垒
由于电机的结构、加工方式相对简单，应用领域非常广泛，从简单低端的普通铁芯电机到航天军工用的特种电机都存在市场需求，因此电机行业的进入壁垒低，中低端应用场景玩家众多，低价竞争的后果是利润率水平低。但电机应用领域向高端升级的壁垒很高，主要在于以下三点：
第一，资金壁垒高，前期大量投入研发以满足不同领域的标准。如，新能源汽车使用的电机需满足IATF和ISO国际标准。截至H1，汇川技术的新能源汽车电驱业务目前已经投入30-40亿元，常州工厂还需再投入20-30亿，截至H1公司新能源电驱业务仍然亏损。此外，进入医疗领域的产品需满足ISO认证，进入航天领域的产品需满足EN标准认证。
第二，技术壁垒高，高端领域的客户看重电机厂商在标准品基础之上以更低的成本满足其定制化要求的能力。电机设计的主要组成部分是机械和电气。机械改动层面，缩小输出轴径较简单，增大轴径却更复杂。电气修改层面，调整电机绕组的电气特性更为简单，但增加设计电压更为复杂，需要更改绝缘材料甚至槽设计。设计一个应用在全新领域的电机要求工程师真正掌握电磁学、电机学、动力学的底层逻辑，考虑电磁转换效率、磁场分布、涡流最小化等诸多因素，经过精密的计算最终完成设计，难度很高。电机应用环境是决定定制化复杂程度的重要因素。在极端温度/真空/无尘/潮湿/易爆/辐射/高振动冲击等偏离典型工业环境下，对电机材料、结构设计等要求大幅提升，定制化成本会大幅增加，实力越强的公司越能做到压缩定制成本。
第三，客户壁垒高。航天、手术机器人、高端医疗器械等应用领域的用户倾向于选择已经树立高品质品牌的厂商，基本不会切换供应商。比如，火星探测领域，NASA连续六次火星探测活动使用Maxon的电机。在医疗技术领域，瑞士胰岛素泵供应商Ypsomed通过不断向患者说明其选用Maxon的高品质驱动器来赢得患者信任。
1.2、工控电机产业链上游为芯片、编码器、磁性材料和轴承等结构件
国内工控级电机产业链上游为磁性材料、编码器（伺服电机为电机和编码器集成）、芯片以及轴承等结构件；中游为工控电机本体（伺服电机与步进电机），下游应用领域主要为各行业通用自动化设备。
生产电机需要用到磁性材料，以永磁体为主。永磁体主要分为塑磁、铁氧体和钕铁硼。
我们认为未来电机原材料以钕铁硼为主。中国是稀土大国，相较国外具备价格优势。稀土含量越高，材料的磁性就越好。相同体积的钕铁硼性能远高于铁氧体。我们认为，未来人形机器人使用钕铁硼的概率更高。编码器是伺服电机内部集成的传感器。从物理介质的不同来分，伺服电机编码器可以分为光编码器和磁编码器。磁编码器成本相较光编码器可以下降多元。整体来看，国内编码器的精度和综合性能较国外仍有差距，国内运控厂商使用的编码器，尤其是应用于高精度领域的大多需要进口。
以驱动一个直流无刷电机为例，必备要素包括MCU（控制芯片）+GateDriver或Pre-Driver（预驱）和功率器件(MOSFET)，MCU芯片通过PWM波控制预驱芯片，进而预驱芯片控制功率器件（MOS、IGBT）。根据GrandviewResearch测算，预计年全球直流无刷电机驱动芯片总市场规模约为亿元。意法半导体、德州仪器等国际大厂主导电机驱动控制芯片市场，国内厂商的全球市占率较低。海外大厂多采用ARM架构电机主控芯片MCU，提供从控制器到功率器件的完整电机芯片解决方案。
1.3、工控级电机产业链中游为电机本体
1.3.1、伺服电机：精度较高的工业控制级电机，国内约亿元市场
伺服电机是闭环伺服机构中使用的工业控制级电机，内部集成编码器（传感器），其精度取决于编码器的精度。根据MIR睿工业数据，年国内通用交流伺服系统市场规模约为亿元。在闭环伺服机构中，驱动器接受控制器指令，转换为脉冲信号给伺服电机，伺服电机接受脉冲信号，根据信号（转矩、转速、转动方向）运转，同时反馈一个脉冲信号给驱动器。编码器则用于实时纠正两个脉冲信号之间的误差，让其趋于一致。反馈闭环使得伺服电机可以满足对精度要求高的应用场景。
转矩脉动是通电的电机中转子在旋转过程中产生的不均匀转矩，在传统电机中主要由于齿槽转矩引起，齿槽转矩是由安装在转子上的永磁体和定子叠片的钢齿之间的吸引力引起的。当旋转传统电机的轴时，可以从物理上感觉到齿槽效应是一种间歇性的“抽动”运动。在对动线保持平滑要求高的场景（数控机床等高精度场景），应使用可以消除齿槽转矩的电机，包括空心杯电机、无框电机、无槽电机。无槽电机（定子上没有钢齿的伺服电机）的定子不受齿槽转矩的影响，但在通电时仍会出现转矩脉动，这是由于电枢反应的存在。电枢反应是随着电流水平的升高，磁路中的磁通量发生变化，从而将谐波引入电机转矩的恒定波形。这种效应在中高电流的无槽电机中最为明显。
1.3.2、空心杯电机：高转速、无铁芯、小功率段体积最小的直流伺服电机
空心杯电机是没有铁芯转子的直流伺服电机，外形细长，是小功率段体积最小、功率密度最高的电机，年首次由瑞士Maxon集团发明并获得专利。所谓“空心杯”，是因为这种伺服电机的线圈没有任何支撑结构，完全由导线绕制而成，从外形上看像杯子。线圈通过连接板和换向器、主轴连接到一起，共同组成转子。连接板起到固定导线和传递力矩。线圈在磁铁和外壳之间的缝隙中旋转，从而带动整个转子旋转。线圈绕组的关键技术是如何绕线，绕组杯的平整度、一致性是否良好。其中斜绕组的绕线工艺最简单易操作。
空心杯线圈的制造工艺是制作空心杯电机所需的最重要、最关键的技术。分为一次性绕制成型和卷绕式成型。海外大厂使用一次性绕制成型的方法，产品动平衡性能良好，并且适合大批量自动化生产。卷绕式工艺复杂、损耗多、加工时间长。空心杯的结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。由于转子重量大幅度降低，转动惯性减小，相比传统铁芯电机大扭矩急加速急减速性能突出。体积小、功率密度高；散热效果好。空心杯电机没有齿槽转矩，转矩波动小，转速稳定，运行稳定性较高。空心杯电机转速高，因此扭矩相对较低。为了实现机器人技术所需的高扭矩，需要和减速器相结合。缺点：由于没有铁芯支撑，线圈只能做得很薄，否则会气隙过大，损失磁通。这使得线圈和输出轴的连接强度有限，所以输出功率受限，一般空心杯电机的最大功率在几百瓦左右。综合来看，空心杯电机适用于需要快速响应、对输出功率要求不高但对功率密度要求高的系统中，如导弹的飞行方向快速调节、相机快速自动调焦、仿生义肢等。
1.3.3、无框力矩电机：大扭矩的直流伺服电机
无框力矩电机是去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖的伺服电机，只包含定子和转子。年由美国Inland电机公司（年和科尔摩根光学公司合并为科尔摩根公司）发明，用于早期导弹和空间飞行器的惯性制导系统上的传动万向节。现在，无框电机的典型应用包括：机器人和机器人关节、武器站、传感器的万向节、瞄准系统、无人机推进与导航、工厂自动化设备等。
无框力矩电机的核心优势:第一，提高机器性能、实现大扭矩。无机械合规性（无反冲，无空转）、更高的系统带宽提高机器效率。第二，更紧凑的外形、更小的机器占地面积单位体积的最高扭矩。第三，减少维护、更少的机械部件、没有易磨损或维护的部件。
步科股份的全资子公司常州精纳的无框力矩电机综合性能处于国内前列，公司的无框中空关节电机（即无框电机）主要用于协作机器人。
1.3.4、步进电机：精度、成本低于伺服电机的工控级电机，全球约亿元市场
步进系统没有反馈回路，是开环控制。步进电机动线不连续，高速运行时易丢步，因此只能做位置控制，不能做速度控制。不适用于对精度要求高的场景。步进电机价格更低。目前步进电机产品均价在50-60元之间。根据我们估算，年步进电机全球市场规模约为亿元。
2、自主可控提升国产渗透率，消费级机器人带来新增量
2.1、新增量市场：消费级机器人或将带来亿元伺服系统增量
液压驱动易漏油、难维护，步进电机无法进行速度控制且不适用于对精度有要求的场景，特斯拉人形机器人关节使用伺服电机驱动的方式。其中，线性关节（12个）使用无框电机+滚珠丝杠+力矩传感器的方案（也称为伺服电缸），利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。旋转关节（16个）使用无框电机+谐波减速器+力矩传感器+双编码器方案，以关节模组形成呈现。
消费级机器人对伺服电机市场的扩容远大于工业自动化领域电机需求。以特斯拉人形机器人为例，传统工业机器人最多有6个关节，使用6套伺服系统，而目前单台特斯拉人形机器人搭载28套伺服系统（不含手指）。同时我们认为特斯拉机器人手指关节使用空心杯电机的可能性较大。测算核心假设：（1）根据我们在《特斯拉机器人风起，国产供应链远航》一文中的测算与假设，伺服电机总成本BOM表占比16%。（2）人形机器人在问世初期有可能使用Maxon独家供应的空心杯电机。Maxon
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