（報告出品方/作者：華創(chuàng)證券，黃麟、何家金）

（一）空心杯電機(jī)：人形機(jī)器人靈巧手的核心零部件

靈巧手是人形機(jī)器人執(zhí)行動作的最終零件，十分重要且復(fù)雜，對電機(jī)性能要求較高。靈 巧手作為機(jī)器人實現(xiàn)操作的終端工具，十分重要，其設(shè)計高度仿人手，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 面臨的最大難題是空間極小而驅(qū)動自由度極多，需要配備功率密度高，體積小且控制精 度高的電機(jī)。 空心杯電機(jī)與靈巧手關(guān)節(jié)適配性高，特斯拉 Optimus 選用其作為動力源。空心杯電機(jī)具 有功率密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)快，運行平穩(wěn)等特點，與靈巧手的需求高度適配。 特斯拉機(jī)器人“靈巧手”使用較為經(jīng)典的六電機(jī)驅(qū)動方式，和人手一樣同樣使用 5 個手 指，擁有 11 個自由度，拇指采用雙電機(jī)驅(qū)動彎曲和側(cè)擺，其它四指各用一個電機(jī)帶動。 電機(jī)采用蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的目的與腿部直線伺服如出一轍，采用機(jī)構(gòu)自鎖降低能耗。為追 求形態(tài)美觀及自適應(yīng)性，手指采用拉線的傳動機(jī)構(gòu)，擁有負(fù)重 20 磅（9KG）和自適應(yīng)抓 取（能夠抓取不同形狀、尺寸的物體）的能力，可完成搬運、澆花等動作。

（二）結(jié)構(gòu)與性能：無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)打破常規(guī)，電機(jī)性能全方位提升。

電機(jī)種類繁多，空心杯電機(jī)憑借性能優(yōu)勢而備受關(guān)注。電機(jī)自從被發(fā)明出以來逐漸進(jìn)入 我們生活的方方面面，是日常生活中應(yīng)用最廣泛的用電設(shè)備之一。電機(jī)按工作電源種類 可分為采用直流電源的直流電機(jī)和采用交流電源的交流電機(jī)，按用途分類可分為驅(qū)動電 機(jī)和控制電機(jī)，其中控制電機(jī)又可以分為開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)和可以實現(xiàn)精確閉環(huán)控制 的伺服電機(jī)。空心杯電機(jī)是一種采用永磁鐵提供磁場，直流電源供電的微型伺服電機(jī)， 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)電設(shè)備對于能更好適應(yīng)各種需求對伺服電機(jī)的技術(shù)要求越 來越高，而空心杯電機(jī)也因其節(jié)能效果好、伺服特性好等性能優(yōu)勢而備受關(guān)注。

空心杯電機(jī)本體“小巧”，性能“精悍”，是電機(jī)領(lǐng)域“皇冠上的明珠”。從結(jié)構(gòu)上看，以 有刷空心杯電機(jī)為例，其主要由空心杯繞組、永磁體、電刷、換向器等部件組成，采用了 無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，各部件組合緊密，通常尺寸比較小，直徑不超過 40mm。從性能上看， 無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)的性能得到了極大的改善，使其具有卓越的節(jié)能，高效，高靈敏 度，運行穩(wěn)定等特點。

空心杯電機(jī) VS 傳統(tǒng)直流電機(jī)：無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)打破常規(guī)，電機(jī)性能全方位提升。 空心杯電機(jī)采用無鐵芯空心杯繞組，是與傳統(tǒng)直流電機(jī)區(qū)分的核心差異。繞組是電機(jī)的 主要部件，繞組中的感應(yīng)電動勢以及通過繞組的電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)了機(jī)電能量的 轉(zhuǎn)化以及電磁功率的傳遞。傳統(tǒng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由鐵芯及繞組構(gòu)成，而空心杯電機(jī)的 繞組是由纏繞成杯子狀的導(dǎo)線構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的差異使二者性能大有不同。

獨特的空心杯形線圈結(jié)構(gòu)使電機(jī)性能得到極大改善。這種新式結(jié)構(gòu)由于沒有沖片齒槽結(jié) 構(gòu)和鐵芯，減少了電機(jī)運行時的磁阻力矩，從而降低輸出轉(zhuǎn)矩波動。空心杯電機(jī)從根本 上消除了鐵芯渦流效應(yīng)帶來的損耗，進(jìn)而減少了電機(jī)運行時的能量損耗，同時減輕了電 機(jī)的重量，性能得到了極大的改善。 空心杯電機(jī)相對傳統(tǒng)直流電機(jī)具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、響應(yīng)快，運行平穩(wěn)等 特點。

（1）無鐵損與輕質(zhì)量使空心杯電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率較高，節(jié)能效果良好。 無鐵損：鐵損指的是永磁直流電機(jī)中的鐵芯，因磁體受變動磁場影響，微電機(jī)鐵芯中損 耗的部分能量，損耗能量會以熱能的方式散失或以噪音的方式散失，主要包括內(nèi)部磁場 變化感應(yīng)出循環(huán)電流所導(dǎo)致的渦流損耗、磁疇膨脹收縮導(dǎo)致的磁滯損耗和異常損耗（渦 流損耗和磁滯損耗之外的損耗）三種類型。 空心杯電機(jī)采用無鐵芯結(jié)構(gòu)，幾乎完全消除了渦流效應(yīng)和磁滯效應(yīng)帶來的能量損耗。同時，由于因此，空心杯電機(jī)相比傳統(tǒng)直流電機(jī)擁有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。 輕質(zhì)量：空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和重量都明顯低于普通電機(jī)，因此在電機(jī)運行過程中轉(zhuǎn) 子自身的機(jī)械能損耗也會有所降低。

由新和電機(jī)統(tǒng)計，空心杯電能量轉(zhuǎn)化機(jī)效率一般在 70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到 90%以上， 而普通鐵芯電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率只能達(dá)到 15%-50%。

（2）高效率與輕質(zhì)量使空心杯電機(jī)具有較高的功率密度。 輕質(zhì)量：功率密度是輸出功率與重量或體積的比率。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，空心杯電機(jī)省去 了鐵芯，使得自身重量與體積變小，與同等功率的一般鐵芯電機(jī)相比，空心杯電機(jī)重量 減輕 1/3-1/2，體積減小 1/3-1/2。 高能量轉(zhuǎn)化效率：與傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈相比，銅板線圈的重量更輕。由于繞制線圈時既不 需要卷線，也不用添加有槽硅鋼片，因此空心杯電機(jī)在運行過程中不會產(chǎn)生這方面的渦 流損耗和磁滯損耗。雖然銅板線圈也會帶來一定的渦流，但是這種損耗很小且易控制， 確保了較高的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。 總體看來，空心杯電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩比同規(guī)格普通電機(jī)高，加上重量或體積小， 故功率密度高，一般達(dá) 30mW/cm3。

（3）更小的轉(zhuǎn)子慣量使空心杯電機(jī)具有更快的響應(yīng)速度。 機(jī)械時間常數(shù)：指的是電機(jī)空載加階躍額定電壓時，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的 63.2%時所 需的時間，是反應(yīng)其動態(tài)性能好壞的主要技術(shù)指標(biāo)之一。 與相同尺寸的普通有刷直流電機(jī)相比，空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量更小，因而擁有更高的響 應(yīng)速度，其機(jī)械時間常數(shù)通常在 28ms 以內(nèi)，部分產(chǎn)品機(jī)械時間常數(shù)甚至小于 10ms，而 有鐵芯電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)一般在 100ms 以上。

（4）無齒槽效應(yīng)使空心杯電機(jī)運行更加平穩(wěn)。 齒槽效應(yīng)：齒槽效應(yīng)是由于電磁場的分布不均勻，導(dǎo)致磁力線的密度在不同位置上發(fā)生 變化，當(dāng)磁力線密度發(fā)生變化時，會產(chǎn)生短時間內(nèi)的電流脈沖，雖然不會減少或增加電 動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，但是會引起噪音、電機(jī)振動、速度波動等，對電機(jī)定位的伺服性能和 精度造成了比較大的影響，特別是在低速時產(chǎn)生的影響更大。 空心杯電機(jī)去除了鐵芯，采用無齒槽結(jié)構(gòu)，減少了電機(jī)運行時的磁阻力矩，從而降低了 輸出轉(zhuǎn)矩波動，使電機(jī)運行更加平穩(wěn)。

（三）分類：無刷空心杯電機(jī)是未來發(fā)展的方向

空心杯電機(jī)按照其換向方式可以分為有刷空心杯電機(jī)和無刷空心杯電機(jī)兩種。 有刷空心杯電機(jī)：采用機(jī)械電刷換向，一般由機(jī)殼、軟磁材料內(nèi)定子、永磁體外定子、 空心杯型轉(zhuǎn)子電樞組成；另外一種是無刷空心杯電機(jī)，采用電子換向的方式，由機(jī)殼， 軟磁材料、絕緣材料和空心杯電樞構(gòu)成的定子及永磁鋼轉(zhuǎn)子等組成。當(dāng)空心杯有刷電機(jī) 通電時，繞組有電流通過，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到特定角度，電刷利用機(jī) 械換向器的方式改變電流方向，使輸出轉(zhuǎn)矩方向不變，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于空心杯有刷 電機(jī)采用電刷換向，電機(jī)運行過程中存在著一定的相對摩擦，這就會產(chǎn)生噪聲電火花， 降低了電機(jī)使用壽命。 無刷空心杯電機(jī)：通過控制電子元件的通斷使不同繞組接入電路，達(dá)到換向的效果，這 種電子換向方式使空心杯無刷電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)矩波動小、使用壽命高、結(jié)構(gòu)精巧、 維護(hù)方便、易保養(yǎng)等特點。

無刷空心杯電機(jī)性能更好，壽命更長，是未來的發(fā)展方向。壽命方面，無刷空心杯電機(jī) 壽命受限于軸承，有刷空心杯電機(jī)壽命受限于電刷，電刷壽命比軸承短得多，空心杯電 機(jī)通常隨電刷的報廢而報廢。有刷空心杯電機(jī)換向時會有電火花，電火花會有電磁干擾， 無刷空心杯電機(jī)通過霍爾元件換向，幾乎沒有電磁干擾的影響。 此外，無刷空心杯電機(jī)還有轉(zhuǎn)速快，效率高等優(yōu)點。雖然有刷空心杯電機(jī)價格更低，控 制方式更加簡單，但隨著人形機(jī)器人靈巧手對于空心杯電機(jī)性能和壽命的更高追求，預(yù) 計無刷空心杯電機(jī)會有更大的發(fā)展空間。

二、行業(yè)分析：人形機(jī)器人帶來全新機(jī)遇，降本需求助推國內(nèi)企業(yè)打破原有 格局

（一）下游應(yīng)用：優(yōu)異的性能帶來廣闊的下游應(yīng)用領(lǐng)域

空心杯電機(jī)性能優(yōu)勢突出，使其具備廣闊的下游應(yīng)用領(lǐng)域。空心杯電動機(jī)避開了有鐵芯 電動機(jī)多種技術(shù)弊端，而且其突出的特點集中在電動機(jī)的主要性能方面，使其具備了廣 闊的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對電動機(jī)的伺服特性不斷提出更高的 期望和要求，使空心杯電動機(jī)在很多應(yīng)用場合擁有不可替代的地位。根據(jù) QY research 在 《Global Coreless DC Motors Market Research Report 2022》中的測算，除人形機(jī)器人靈巧 手方面的應(yīng)用，預(yù)計 2022 年全球空心杯電機(jī)市場規(guī)模約為 50 億元。

空心杯電動機(jī)的應(yīng)用，從軍事、高科技領(lǐng)域進(jìn)入大工業(yè)和民用領(lǐng)域后，十多年來得到迅 速的發(fā)展，尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)涉及到大部分行業(yè)和許多產(chǎn)品： 需要快速響應(yīng)的隨動系統(tǒng)。如導(dǎo)彈的飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動控制， 快速自動調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，仿生義肢等，空心杯電動 機(jī)能很好地滿足其技術(shù)要求。 對驅(qū)動元件要求平穩(wěn)持久拖動的產(chǎn)品。如各類便攜式的儀器儀表，個人隨身裝備， 野外作業(yè)的儀器設(shè)備，電動車、玩具車、電動牙刷等，同樣一組電源，供電時間可 以延長一倍以上。 各種飛行器，包括航空、航天、航模等。利用空心杯電動機(jī)重量輕，體積小，能耗 低的優(yōu)點，可以很大程度地減輕飛行器的重量。 各種各樣的民用電器、工業(yè)產(chǎn)品。采用空心杯電動機(jī)作為執(zhí)行元件。

醫(yī)療設(shè)備：在轉(zhuǎn)運患者時，需要用到功能強大、高效的便攜式呼吸機(jī)。無刷空心杯直流 電機(jī)在保證提供更高壓力和流量的條件下減小了電機(jī)-鼓風(fēng)機(jī)組件的尺寸，能夠作出更快 的響應(yīng)，且更為安靜、可靠、高效，能夠在夜間、轉(zhuǎn)院途中、急救車或洲際飛行期間通過 電池供電，高效地驅(qū)動呼吸機(jī)鼓風(fēng)機(jī)。 牙科醫(yī)生需要使用重量輕、功率大且高效的手持式牙科手機(jī)成功完成牙科手術(shù)。無刷空 心杯直流電機(jī)是牙科治療的理想選擇。空心杯電機(jī)具有緊湊的設(shè)計，可在較小的封裝中提供最大化的扭矩和功率，在治療過程中實現(xiàn)精確而集中的工作，同時可消除對牙醫(yī)和 患者造成的任何不愉快的噪音。

工業(yè)自動化：電動夾爪是自動化工業(yè)中一種重要的裝置，在自動化高速發(fā)展的今天，電 動夾爪能幫助人們完成復(fù)雜系數(shù)較高的事情。需要電機(jī)具有可靠性高、精準(zhǔn)度高、反應(yīng) 速度快等優(yōu)點。空心杯電機(jī)很好地適配電動夾爪的需求，兆威機(jī)電基于驅(qū)動齒輪箱設(shè)計、 仿真分析、噪音分析等多項技術(shù)手段，提出了電動夾爪驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案，通過優(yōu)化 驅(qū)動控制方式、增大抓持力的輸出功率，有效的解決了電動夾爪使用時的復(fù)雜程度、噪 音大等問題，使其得到廣泛應(yīng)用。 精密點膠機(jī)作為一種專門用于汽車電子、智能家居、工業(yè)自動化、醫(yī)療器械等行業(yè)的高 精度設(shè)備，其作用是為產(chǎn)品進(jìn)行極致的精細(xì)化點膠。目前市面上某些點膠機(jī)進(jìn)行精細(xì)化 點膠的過程中，由于驅(qū)動系統(tǒng)的精度及力矩欠佳，在長時間使用過程中，點膠機(jī)容易出 現(xiàn)吐膠量不穩(wěn)定的情況，造成點膠錯誤。通過使用無刷高性能電機(jī)配合精密齒輪箱，以 電機(jī)帶動螺桿在定子型腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)定量輸送功能，可形成穩(wěn)定吐膠效果，進(jìn)而提高點 膠機(jī)性能。具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用壽命長等特點。

航空航天：無人機(jī)也稱為 UAV（無人駕駛飛行器），其用途廣泛，可用于國防和監(jiān)控、 農(nóng)業(yè)和物流等各種應(yīng)用。無人機(jī)需具備極度靈活的導(dǎo)航功能，并且必須極其耐用，因為 它們經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中作業(yè)。這些 UAV 應(yīng)用需要有效的推進(jìn)力來提高可操作性（即延長電池使用時間）、降低噪音和熱特性，以確保不被發(fā)現(xiàn)，并精確控制相機(jī)云臺和 其他輔助應(yīng)用。無刷空心杯電機(jī)可滿足無人機(jī)對響應(yīng)性、可靠性和運動精度的要求，在 緊湊、輕量化的外殼中提供最佳的扭矩和效率，并且完全能夠在惡劣的環(huán)境條件下運行。 駕駛艙飛行控制元件也稱為艙內(nèi)控制元件，能夠幫助飛行員控制飛機(jī)飛行的方向。這些 裝置將飛行員的指令傳輸?shù)焦潭ㄒ盹w機(jī)或旋翼飛機(jī)的操縱面，同時，向飛行員提供主動 力反饋；由此，飛行員能夠看到并感覺到飛行控制元件的運動，類似于轉(zhuǎn)彎時車輛方向 盤上的阻力。主動力反饋設(shè)備包括側(cè)置操縱桿裝置 (SSU)、方向舵踏板/方向舵制動踏板 裝置 (RBPU)、油門控制組件 (TCA)/油門控制拉索 (TCQ) 以及自動駕駛/自動油門和智 能執(zhí)行器。駕駛艙飛行控制元件的關(guān)鍵特性要求小型電機(jī)必須可靠、精確，空間和重量 限制需要緊湊、輕量化和高功率密度 (SWaP) 的解決方案。空心杯無刷電機(jī)不僅具有出 色的性能，同時具有較小的尺寸和重量，高度適配駕駛艙飛行控制元件對電機(jī)的要求。

（二）競爭格局：海外頭部企業(yè)主導(dǎo)，國內(nèi)企業(yè)正加速追趕

海外頭部企業(yè)主導(dǎo)，市場集中度較高。空心杯電機(jī)技術(shù)是從德國 Dr.F.Faulhaber 在 1958 年研制出斜繞組線圈繞制技術(shù)開始，起步較早，隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，國外的空心杯 線圈生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。國外大部分采用一次成型技術(shù)，其生產(chǎn)過程自動化程度高、 人為干擾少，這樣在提高生產(chǎn)效率的同時也提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，競爭優(yōu) 勢明顯，因此占據(jù)了較大的市場份額。據(jù) QY research 在《Global Coreless DC Motors Market Research Report 2022》中統(tǒng)計，2021 年全球空心杯電機(jī)三大龍頭企業(yè)占據(jù)了 55.43%的市 場份額，競爭格局高度集中。

國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過近幾年的追趕，產(chǎn)品性能差距不斷縮小。以前國內(nèi)沒有充分意識到空心杯 電機(jī)的發(fā)展前景。近幾年，我國空心杯發(fā)展速度較快，已經(jīng)有越來越多的生產(chǎn)商開始從 事空心杯電機(jī)的設(shè)計和制造，國內(nèi)龍頭鳴志電器現(xiàn)在已經(jīng)可以生產(chǎn)基座尺寸 8mm，額定 電壓 6V，空載轉(zhuǎn)速 13500rpm，機(jī)械常數(shù) 6.6ms，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩 0.60mNm 的有刷空心杯 電機(jī)。對比全球空心杯龍頭之一 Faulhaber 的同等基座尺寸和額定電壓的有刷空心杯電機(jī) 產(chǎn)品，性能參數(shù)僅有微小差異，海內(nèi)外龍頭技術(shù)差距不斷縮小。

（三）國產(chǎn)替代：人形機(jī)器人降本需求迫切，國產(chǎn)替代迎來新機(jī)遇

人形機(jī)器人普及的關(guān)鍵在于降本。馬斯克在 2022 AI Day 上預(yù)計 Optimus 最終量產(chǎn)時，價 格要在 2 萬美元以下。從投資回報的角度看，人形機(jī)器人只有實現(xiàn)在家政、康復(fù)、工業(yè) 場景的普遍應(yīng)用，且成本更低時，才會對客戶有更強的吸引力，因此人形機(jī)器人降本需 求迫切。 國內(nèi)空心杯電機(jī)性價比較高，降本需求帶來國產(chǎn)替代新機(jī)遇。將海外廠商 Maxon、與國 內(nèi)廠商鳴志電器的性能接近、大小相似的空心杯電機(jī)價格進(jìn)行比對，Maxon 產(chǎn)品雖然在 功率密度和最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩上有微小優(yōu)勢，但其價格大約是鳴志電器產(chǎn)品的 2 倍，鳴志電 器產(chǎn)品性價比較高。在降本需求的推動下，將會有越來越多的國內(nèi)廠商進(jìn)入空心杯行業(yè)， 有望復(fù)刻已經(jīng)驗證過的汽車零部件降本的路線，加快推動人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化落地。

三、空心杯線圈設(shè)計與生產(chǎn)

（一）線圈設(shè)計：三大主流設(shè)計各有千秋

空心杯電機(jī)線圈常用到三種設(shè)計—直繞組、斜繞組、菱形繞組。

菱形繞組設(shè)計最為省材，功耗也最小。劉明豪在《永磁直流有刷空心杯電機(jī)設(shè)計》中對 比分析了不同線圈設(shè)計的空心杯電機(jī)在 Maxwell 3D 中的銅損。當(dāng)銅損達(dá)到穩(wěn)定后，菱 形繞組的銅耗最小，斜繞組次之，直繞組銅耗最大。從根源上分析，繞組銅線的銅耗來 源于導(dǎo)線中的電阻。在材料相同的情況下，繞組跨距都為 180°，由于直繞組的軸向邊距 離較長，所需的銅線尺寸最長，因此銅耗最大。而斜繞組在拐角處距離略長于菱形繞組， 長度接近但銅耗略大于菱形繞組，因此菱形繞組最為省材料，功耗也最小。

繞制工藝方面，斜繞組更適合手動繞制而成，直繞組難度次之，菱形繞組手動繞制較難， 一般需要借助特定的繞線機(jī)工藝設(shè)備完成。手動繞制過程中人為誤差較大，且進(jìn)行多邊 形繞制與固定時更易精度不夠、產(chǎn)生形變，會降低繞組的空間密度、形狀規(guī)范，從而會 影響到繞組發(fā)揮電磁轉(zhuǎn)換的作用。世界知名企業(yè)的空心杯電機(jī)多采用機(jī)械進(jìn)行菱形繞制 方式。前人設(shè)計中，直繞組內(nèi)的氣隙區(qū)域較大，空心杯軸向較長或者且額定功率較大的 電機(jī)中多采用此設(shè)計。

（二）線圈繞制工藝：“繞卷式”雖易，“一次成型”更佳

生產(chǎn)空心杯電機(jī)的關(guān)鍵在于空心杯線圈的繞制方式，目前主要有繞卷式生產(chǎn)和一次性繞 制成型兩種生產(chǎn)方式。

1、繞卷式生產(chǎn)工藝

繞卷式生產(chǎn)主要由送線、坯線圈繞制、板坯成型、卷制成型四大步驟組成，下面以劉青 星在《基于小樣本學(xué)習(xí)的空心杯線圈質(zhì)量控制研究》中的貴州某企業(yè)的高精度空心杯線 圈智能制造生產(chǎn)線為例，介紹繞卷式生產(chǎn)的工藝流程。

送線：坯線圈繞制過程中，漆包線所受的張力將影響坯線成型松散程度，對后續(xù)的板坯 壓制、卷制成型過程均有不同程度的影響。因此，采用伺服磁阻尼張力器進(jìn)行漆包線張 力控制，磁阻尼張力器以永磁體產(chǎn)生的磁場為媒介，傳遞恒定扭矩進(jìn)行張力控制。 坯線圈繞制：經(jīng)過張力控制器的張力調(diào)節(jié)，空心杯線圈繞線機(jī)將漆包線繞制成一定匝數(shù) 和引線腳數(shù)的坯線圈。棱形卷制柱將漆包線繞制到恒定匝數(shù)時，便停止旋轉(zhuǎn)，左右兩邊 的壓平板對棱形卷制柱上的線圈進(jìn)行搓平，同時鉤針上升鉤下漆包線并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成 一根引線。重復(fù)上述過程，當(dāng)坯線圈的匝數(shù)與引線數(shù)達(dá)到設(shè)置值時，坯線圈成型。

板坯成型：坯線圈形成后，空心杯線圈壓扁裝置從棱形卷制柱上夾取坯線圈，通過夾具 上的涂膠加熱以及夾具的壓力定型，將坯線圈壓制為板坯并將坯線板放置在線圈成型裝 置上，進(jìn)行卷制成型。

卷制成形：工裝夾具沿導(dǎo)軌運動，將壓制好的板坯送至線圈卷圓裝置中，由四個模具及 中間的卷制圓柱對板坯進(jìn)行加熱、加壓定型，進(jìn)而將板坯卷制成線圈。通過設(shè)定四個模 具定型時的壓力、定型溫度、定型時間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，保證線圈的成型質(zhì)量。線圈卷 制完成后，取料夾具將空心杯線圈從卷制圓柱上取下，并放置在圖片采集平臺上，以便 對其進(jìn)行外觀缺陷檢測。

2、一次成型生產(chǎn)工藝

一次成型技術(shù)為全自動化生產(chǎn)，繞線機(jī)為核心設(shè)備。一次成型生產(chǎn)技術(shù)利用空心杯線圈 繞制設(shè)備一次繞制成型，繞線機(jī)降銅線按照既定的規(guī)則纏繞在主軸上，一次成型，全程 依靠繞線機(jī)工作，屬于全自動化生產(chǎn)。 一次成型技術(shù)主要分為加工準(zhǔn)備、繞線、抽頭三步，由繞線機(jī)的六大模塊相互配合完成。 通過分析線圈的結(jié)構(gòu)可以將繞線機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為六個模塊：主運動模塊、排線模塊、 擺線模塊、加熱模塊、抽頭模塊、剪斷模塊。其中加工準(zhǔn)備主要由加熱模塊完成，繞線主 要由主運動模塊、排線模塊和擺線模塊相互協(xié)調(diào)完成，抽頭主要由抽頭模塊和剪斷模塊 完成。

加熱模塊負(fù)責(zé)加熱自粘線導(dǎo)線以實現(xiàn)導(dǎo)線間的粘結(jié)。空心杯線圈繞線機(jī)采用自粘線導(dǎo)線作為生產(chǎn)原材料。采用自粘線導(dǎo)線生產(chǎn)線圈時需要設(shè)計加熱裝置，裴新平在《空心杯線 圈繞線機(jī)設(shè)計》中采用熱風(fēng)加熱。將加熱模塊設(shè)計成伸縮結(jié)構(gòu)。需要加熱時將熱風(fēng)口伸 出至指定位置，實現(xiàn)加熱。

主運動模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)芯軸的旋轉(zhuǎn)。以一個芯軸按照一定規(guī)律的旋轉(zhuǎn)運動作為空心杯線圈 繞線機(jī)的主運動；芯軸充當(dāng)纏繞線圈時的載體，芯軸的外徑?jīng)Q定了空心杯線圈的內(nèi)徑。 排線模塊負(fù)責(zé)控制導(dǎo)線按一定的規(guī)律排列。空心杯線圈是由緊密排列的導(dǎo)線構(gòu)成的。所 以空心杯線圈成型過程中需要導(dǎo)線按照一定的規(guī)律排列。而單獨靠做旋轉(zhuǎn)運動的芯軸并 不能完成排線功能，因此繞線機(jī)需要設(shè)計單獨的排線單元。通過仔細(xì)觀察線圈可知空心 杯線圈是由重復(fù)的導(dǎo)線回路構(gòu)成的，各個回路的形狀理論上是一致的，也就意味著排線 過程中主軸旋轉(zhuǎn)一周排線機(jī)構(gòu)與主軸在主軸圓柱表面的交點沿圓柱周向移動一個固定值 （該值由所要加工的線圈匝數(shù)和線圈內(nèi)徑?jīng)Q定），即排線機(jī)構(gòu)與主運動機(jī)構(gòu)存在固定的相 位差，該相位差根據(jù)所加工的線圈匝數(shù)、內(nèi)徑的不同而不同；繞線機(jī)的主運動為回轉(zhuǎn)運 動，所以排線機(jī)構(gòu)也設(shè)計為回轉(zhuǎn)運動。

擺線模塊負(fù)責(zé)控制線嘴的運動，與主運動模塊一起決定了導(dǎo)線的纏繞方式。空心杯線圈 的導(dǎo)線軸線可以簡化為兩個空間正交的直線和圓柱體在圓柱體表面的交點的軌跡，主運動的芯軸即為該圓柱體，擺線結(jié)構(gòu)的線嘴的軸線即為該直線。擺線機(jī)構(gòu)帶動線嘴機(jī)構(gòu)往 復(fù)擺動，線圈的長度即為線嘴部分的擺動范圍。擺線機(jī)構(gòu)與主軸的運動規(guī)律共同決定了 空心杯線圈導(dǎo)線的纏繞方式。

抽頭模塊負(fù)責(zé)在指定位置留出抽頭。抽頭模塊主要由伸縮機(jī)構(gòu)、勾頭、抽頭電機(jī)組成， 空心杯線圈需要在指定位置留出抽頭。在加工過程中，可以通過在指定位置暫停主運動 和擺線運動，將導(dǎo)線拉出一定長度的方式實現(xiàn)在指定位置留有抽頭的目的。為此設(shè)計抽 頭模塊，為避免運動干涉同樣將抽頭模塊設(shè)計成伸縮形式。

剪斷模塊負(fù)責(zé)在抽頭和加工完成后剪斷導(dǎo)線。空心杯線圈繞線機(jī)所采用的原材料導(dǎo)線為 成捆的整根導(dǎo)線。因此在抽頭和加工完成后均需要剪斷導(dǎo)線，方便撥叉將線圈推出，為 提高生產(chǎn)效率和自動化程度，將剪斷模塊也設(shè)計成自動化模塊。

（三）技術(shù)壁壘：繞線工藝與設(shè)備

繞卷式生產(chǎn)工藝大多為手工或半自動化模式，生產(chǎn)設(shè)備要求較低但批量生產(chǎn)能力較差 成品一致性差：傳統(tǒng)的線圈繞線工藝采用手工布線，線圈在布線模中的定位是通過肉眼 來判斷是否均勻，線圈的均勻定位誤差較大；而且由于手工繞制線圈，各個線圈之間存 在誤差。這種誤差的存在，使得線圈重量、寬度均不一致，由此造成繞組成型后分布不 均勻，成品一致性差。 生產(chǎn)效率低：采用該方法加工的空心杯電樞繞組貼成圓形后，后期還需要用刮板手工整 形、對線圈進(jìn)行手工整理，繞組兩端手工整形，整理、固定浮線，操作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效 率低。 無法繞制大功率電機(jī)線圈：繞卷式工藝只能生產(chǎn)線徑為 0.2 以下的線圈，而較大功率電 機(jī)線徑較粗，該工藝無法生產(chǎn)。

一次繞制成型工藝生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量高，但對生產(chǎn)設(shè)備要求較高。日本、瑞士、德 國等國研制空心杯電機(jī)的時間較早，現(xiàn)在都已具有高效而優(yōu)良的生產(chǎn)設(shè)備，有能力進(jìn)行 自動化程度更高、人為干擾因素更少的一次繞制成型生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時提高了 線圈的生產(chǎn)質(zhì)量。

（四）總結(jié)

線圈設(shè)計：空心杯電機(jī)線圈常用到三種設(shè)計—直繞組、斜繞組、菱形繞組。菱形繞組設(shè)計最為省材，功耗也最小。繞制工藝方面，斜繞組更適合手動繞制而成，直繞組難度次 之，菱形繞組手動繞制較難，一般需要借助特定的繞線機(jī)工藝設(shè)備完成。 生產(chǎn)工藝：生產(chǎn)空心杯電機(jī)的關(guān)鍵在于空心杯線圈的繞制方式，目前主要有繞卷式生產(chǎn) 和一次性繞制成型兩種生產(chǎn)方式。繞卷式生產(chǎn)主要由送線、坯線圈繞制、板坯成型、卷 制成型四大步驟組成。一次成型技術(shù)為全自動化生產(chǎn)，繞線機(jī)為核心設(shè)備。一次成型技 術(shù)主要分為加工準(zhǔn)備、繞線、抽頭三步，由繞線機(jī)的六大模塊相互配合完成。 壁壘在于繞線設(shè)備：繞卷式生產(chǎn)工藝雖然對生產(chǎn)設(shè)備要求較低，但其生產(chǎn)效率低、一致 性較差且不能繞制大功率線圈，不適合大批量自動生產(chǎn)。一次繞制成型工藝生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)品質(zhì)量高，根本原因在于其擁有先進(jìn)的線圈生產(chǎn)設(shè)備。

四、重點公司分析

（一）鳴志電器

鳴志電器是全球運動控制產(chǎn)品龍頭企業(yè)，長期秉持對專業(yè)應(yīng)用技術(shù)和國際化科學(xué)管理手 段的追求。公司運動控制領(lǐng)域的主營產(chǎn)品包括步進(jìn)電機(jī)、空心杯電機(jī)、伺服電機(jī)等控制 電機(jī)以及相應(yīng)驅(qū)動器。公司專注于智能電機(jī)技術(shù)研究以及生產(chǎn)制造的自動化提升，以成 為信息化和自動化領(lǐng)域的綜合性提供商為目標(biāo)，打造精密控制電機(jī)加直線傳動、加減速 機(jī)和運動控制系統(tǒng)的模組化產(chǎn)品。近五年收入結(jié)構(gòu)以控制電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品、貿(mào)易 代理業(yè)務(wù)以及LED控制與驅(qū)動產(chǎn)品為主。2022年公司總營收29.6億元，同比增長9.05%， 實現(xiàn)歸母凈利潤 2.47 億元，同比下降 11.58%，實現(xiàn)扣非歸母凈利潤 2.34 億元，同比下 降 9.36%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計公司 23/24/25 年營收同比增長 13.36%/26.96%/28.07% 至 33.55/42.60/54.56 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤 同 比 增 長 7.50%/55.12%/44.93%至 2.66/4.12/5.98 億元，對應(yīng)當(dāng)前 PE 為 101.48/65.42/45.14 倍。

（二）鼎智科技

自 2008 年成立以來，鼎智形成了以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)的精密運動控制系列產(chǎn)品。產(chǎn)品廣泛 使用于醫(yī)療診斷設(shè)備、生命科學(xué)儀器、實驗室自動化、機(jī)器人、流體控制、半導(dǎo)體及精密電子生產(chǎn)設(shè)備，各類工業(yè)自動化設(shè)備。公司研發(fā)的線性傳動組件、空心杯電機(jī)、精密齒 輪箱等產(chǎn)品處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，可應(yīng)用于人形機(jī)器人。2022 年公司總營收 3.18 億元，同 比增長 63.99%，實現(xiàn)歸母凈利潤 1.01 億元，同比增長 103.39%，實現(xiàn)扣非歸母凈利潤 1.01 億元，同比增長 79.76%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計公司 23/24/25 年營收同比增長 28.86%/34.31%/30.44%至 4.10/5.51/7.19 億元，歸母凈利潤同比增長 23.22%/35.90%/29.11% 至 1.24/1.69/2.18 億元，對應(yīng)當(dāng)前 PE 為 31.11/22.89/17.73 倍。

（三）偉創(chuàng)電氣

偉創(chuàng)電氣自成立以來始終專注于電氣傳動和工業(yè)控制領(lǐng)域，是一家從事工業(yè)自動化產(chǎn)品 研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司的產(chǎn)品種類豐富，包括 0.4kW 至 5,600kW 的變頻器、50W 至 200kW 的伺服系統(tǒng)、運動控制器、PLC 和 HMI 等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于 起重、礦用設(shè)備、軌道交通、機(jī)床、壓縮機(jī)、塑膠、光伏揚水、建材、機(jī)器人/機(jī)械手、 印刷包裝、紡織化纖、冶金、市政、石油、化工等多種行業(yè)。公司自主研發(fā)設(shè)計空心杯電 動機(jī)，產(chǎn)品目前在內(nèi)部測試階段，主要面向機(jī)器人、醫(yī)療等行業(yè)，該產(chǎn)品具有高轉(zhuǎn)速、 高扭矩、低噪音振動的特點。2022 年公司總營收 9.06 億元，同比增長 10.64%，實現(xiàn)歸母 凈利潤 1.40 億元，同比增長 10.37%，實現(xiàn)扣非歸母凈利潤 1.14 億元，同比增長 0.28%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計公司 23/24/25 年營收同比增長 42.53%/35.93%/32.49% 至 12.91/17.55/23.26 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤 同 比 增 長 48.32%/39.25%/31.72%至 2.08/2.89/3.81 億元，對應(yīng)當(dāng)前 PE 為 29.92/21.49/16.31 倍。

（四）拓邦股份

拓邦股份 1996 年成立于有中國科技“硅谷”之稱的深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)。2007 年在深 圳證券交易所成功上市（股票代碼 002139），成為國內(nèi)智能控制領(lǐng)域首家上市公司。經(jīng)過 二十余年的高速發(fā)展, 公司主營業(yè)務(wù)為智能控制系統(tǒng)解決方案的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，即以 電控、電機(jī)、電池、電源、物聯(lián)網(wǎng)平臺的“四電一網(wǎng)”技術(shù)為核心，面向家電、工具、新 能源、工業(yè)和智能解決方案等行業(yè)提供各種定制化解決方案。公司空心杯電機(jī)已經(jīng)在智 能制造的電動夾爪、醫(yī)療健康的骨科動力工具、智能跟隨的高爾夫球包車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批 量應(yīng)用。 2022 年公司總營收 88.75 億元，同比增長 14.27%，實現(xiàn)歸母凈利潤 5.83 億元，同比增長 3.13%，實現(xiàn)扣非歸母凈利潤 4.84 億元，同比增長 11.96%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計公司 23/24/25 年營收同比增長 15.40%/23.12%/23.26% 至 102.42/126.10/155.44 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤 同 比 增 長 25.69%/32.59%/26.32%至 7.32/9.71/12.27 億元，對應(yīng)當(dāng)前 PE 為 18.36/13.85/10.96 倍。

（五）兆威機(jī)電

深圳市兆威機(jī)電股份有限公司成立于 2001 年，是一家集設(shè)計、研發(fā)、制造于一體的微型 驅(qū)動系統(tǒng)方案解決商。兆威產(chǎn)品體系包括定制化微型驅(qū)動系統(tǒng)，以及全系列微型行星齒 輪箱、正傳動齒輪箱系列、直角電機(jī)齒輪箱，以及滾筒電機(jī)系列等產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的微 型傳動、驅(qū)動系統(tǒng)可廣泛用于汽車電子、智能家居、移動通信、醫(yī)療器械、消費電子、工 業(yè)裝備等領(lǐng)域。2022 年公司總營收 11.52 億元，同比增長 1.09%，實現(xiàn)歸母凈利潤 1.50 億元，同比增長 2.00%，實現(xiàn)扣非歸母凈利潤 1.28 億元，同比增長 3.42%。 根據(jù) Wind 一致性預(yù)期(截至 2023 年 9 月 16 日)，預(yù)計公司 23/24/25 年營收同比增長 23.26%/32.35%/76.57% 至 14.20/18.80/33.19 億 元 ， 歸 母 凈 利 潤 同 比 增 長 33.66%/42.41%/94.28%至 2.01/2.86/5.57 億元，對應(yīng)當(dāng)前 PE 為 59.82/42.00/21.62 倍。

編輯：黃飛

?