機器人驅動方式可分為液壓驅動、氣體驅動和電機驅動三種，其中電機驅動是應用最廣泛的方式，具有高精度、實時響應等優勢，更適合如今機器人發展趨勢。電機種類眾多，根據不同方式可以劃分為不同種類。隨著人形機器人放量，行業均有更廣闊的發展空間。目前海外電機公司技術水平、產品能力均較強，國產公司正不斷深化自身能力，提升產品水平，為未來國產替代打下堅實基礎。
本文以機器人為視角，著重探討應用于機器人等領域的控制電機。我們將詳細分析電機的結構、工作原理以及電機的分類。同時，將簡要梳理整個產業鏈的概況。接著，我們將詳細介紹在機器人領域具有廣泛應用前景的幾種電機，并對其市場規模、競爭格局以及行業壁壘等方面進行深入分析。最后，我們將列舉一些業內知名公司，以期通過這些內容，增進大家對機器人電機的認識和理解。
01
行業概述
1、電機構成與原理介紹
電機是一種將電能轉換為機械能的裝置。大多數電機通過電流在導線繞組中與磁場的相互作用來產生扭矩，作用在電機軸上形成力。電機主要由定子和轉子組成，定子上的繞組通電產生磁場，而轉子則通過與磁場相互作用而轉動。
主要組成部分可以分為：1）外殼：外殼由一個框架（或軸心）和兩個端蓋（或軸承座）組成。電機的外殼不僅可以將電機的組件保持在一起，還可以保護內部組件免受濕氣和污染物的影響。此外，外殼類型還會影響電機的冷卻，外殼可以分為開放式外殼，完全封閉式外殼。2）定子：定子承載磁場繞組和極。定子與轉子一起構成機器的磁路或核心。3）轉子：承載電樞繞組。電樞是承載負載的部分。4）繞組：通電后，會產生電磁力。
2、機器人以電機為主要驅動方式
驅動系統是使機器人發出動作的機構，是機器人的關鍵部件，按照動力來源可分為液壓驅動、氣體驅動和電機驅動三種方式，其中電機驅動是應用最廣泛的方式，具有高精度、實時響應等優勢，更適合如今機器人發展趨勢。美國波士頓動力公司在其Atlas機器人中使用液壓驅動方式因其驅動強勁、爆發力強適用于彈跳、負重等活動，適用于注重運動能力的Atlas機器人。其余的大部分機器人公司采用電機驅動，如特斯拉人形機器人Optimus更注重智能化，采用高扭矩密度電機伺服技術。電機驅動在動作的精準控制方面與其他驅動方式相比更勝一籌，配合處理器編碼器可獲得實時運動狀態反饋，更適合如今注重智能化、多功能的機器人發展趨勢。
3、電機分類：種類繁多，性能各異
從廣義上，電機可分為旋轉電機和靜止電機，旋轉電機又有多種分類方法。旋轉電機是根據電磁感應原理實現電能與機械能之間相互轉換的一種能量轉換裝置；靜止電機是根據電磁感應定律和磁勢平衡原理實現電壓變化的一種電磁裝置，又稱變壓器。旋轉電機按照用途可分為驅動電機和控制電機，按照電源類型可分為直流電機與交流電機。
按照用途：可分為驅動電機和控制電機。控制電機又可分為步進電機、伺服電機以及力矩電機。隨著現代科學技術的發展，電機在實際應用中的重點已經從過去簡單的傳動向復雜的控制轉移，特別是對電機速度、位置、轉矩的精密控制。
按照電源：可分為直流電機與交流電機。直流電機按照電刷的有無可分為有刷電機與無刷電機。交流電機按照電源類型又可分為單相交流電機與三相交流電機；按照轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速是否相同，可分為同步電機與異步電機。相比交流電機，直流電機具有更好的啟動特性與調速特性、使用更為環保，但結構也更為復雜、造價更為昂貴。
其他分類方法：按照轉子結構可分為籠型異步電動機和繞線轉子感應電機；按照工作速度可分為高速、低速、恒速、調速電機等。
02
產業鏈概述
電機的上游主要是磁性材料、編碼器、芯片和軸承等其他零部件，中游是電機制造，下游是機器人等行業應用。
磁性材料是電機主要原料之一，對電機性能影響較大。電機一般使用磁性較強的材料，強磁性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經磁化，很難退磁，而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁：永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁，而軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無法向外磁路提供能量（但磁體內部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場強度，單位為Oe或A/m。簡單一點理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁：
1）永磁材料的目標是不斷追求更高的矯頑力，強化不退磁能力，在永磁電機中應用較多；
2）軟磁通過降低矯頑力，追求更高的磁導率，可以起到電能參數變換，提高磁性元件效率并節省空間的作用，目前作為各類電機、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應用在新能源汽車、機器人、光伏等諸多領域。
釹鐵硼性能較好，滲透率有望提升。釹鐵硼材料在矯頑力上的表現較優異，同時在磁能積上也優于其他材料。磁能積較好也意味著單位磁場強度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節省電機空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于60），能大大減小電機體積，減輕電機質量，縮小電機能量損耗并提高整個電機系統效率。唯一的劣勢在于溫度穩定性比較差，需要通過添加鈷等其他元素來改善溫度性能，價格相對較高。
編碼器的分辨率和精度與電機運動控制性能有著密切的聯系。編碼器是將信號進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸的信號形式的設備，如為伺服電機的閉環控制產生速度或位置的實際測量值。編碼器種類繁多，按照讀出方式可分為接觸式和非接觸式兩種；按照檢測工作原理，分為磁性編碼器、光學編碼器、電容編碼器。磁性和光學編碼器目前應用較為廣泛，而CUI Device的電容編碼器則可以應用在工業、自動化、機器人和可再生能源領域，未來高精度、環保型控制場景有望推動電容式編碼器的提升。
1）磁性編碼器：使用磁性碼盤，磁性碼盤上帶有間隔排列的磁極，并在一列霍爾效應傳感器或磁阻傳感器上旋轉，任何轉動都會檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。通常采用：霍爾元件、磁敏二極管、磁敏電阻器或專用集成電路等；價格相對便宜、優勢在于更耐用、抗振和抗沖擊、適合惡劣環境應用，但會受到電磁干擾，分辨率和精度相對較低。
2）光學編碼器：轉子上裝有遮光板，LED光源（通常是紅外光源）和光電探測器組成，轉子旋轉時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇產生脈沖信號。分辨率更高，價格相對磁性編碼器較貴，在工業應用等多塵且骯臟的環境中，污染物會堆積在碼盤上，從而阻礙LED光透射到光學傳感器、導致方波不連續或完全丟失。
3）電容式編碼器：使用條狀或線狀紋路，一極位于固定元件上，另一極位于活動元件上，以構成可變電容器，并配置成一對接收器/發射器；轉子上蝕刻了正弦波紋路，隨著電機軸的轉動，這種紋路可產生特殊但可預測的信號，由板載ASIC轉換，以計算軸的位置和旋轉方向。可提供更高的精度和分辨率，耐受各種環境污染物、承受振動和極端溫度、堅固耐用有更長的使用壽命、更小的占地面積和更低的電流消耗，不受磁干擾和電噪聲的影響。
編碼器國產化進行時，看好國內企業突破高端編碼器。當前，編碼器中的一些芯片、碼盤及磁頭等重要元器件仍然依賴于進口，這是國內編碼器廠商下階段的主要突破目標。以碼盤為例，碼盤的碼道數越多，其最外道被分割的區域就越多，即編碼器的最小分辨率越高。碼盤的生產要求每個碼道刻劃精準，并且要求彼此對準，給編碼器的國產化進程造成了極大阻礙。除碼盤之外，光電編碼器的芯片屬于光敏器件，光電結合緊密且工藝特殊，對參數控制要求較高，需要在高溫條件下持續工作，還要保證信號形態正常，且電流輸出能力較大，有特殊的封裝工藝要求，是國產化的壁壘。
中游為電機的制造，中國電機產業超步較晚、目前中低端產品已實現國產替代、高端產品以國際廠商為主。人形機器人的高成長賽道將為中國企業突破高端電機帶來機會。
不同的應用場景使用不同種類的電機。工業機器人對精度要求較高，一般使用伺服電機，協作機器人具有小型、輕量化特性，主要使用無框電機，人形機器人注重輕量化、靈巧性、結構緊湊，因此較多采用無框力矩電機和空心杯電機。
03
伺服電機：是機器人“心臟”
1、伺服電機：無刷、直流方案是主要發展方向
伺服電機（Servomotor）是指在伺服系統中控制機械元件運動的發動機，它可把所收到的脈沖信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。與步進電機相比，它多了一個與電動機相連的傳感器，用于位置反饋，這意味著伺服電機每收到1個脈沖，就會發出對應數量的脈沖，與接收的脈沖形成呼應，或者叫閉環，如此一來，就能實現對角速度或線的位置，速度和加速度的精確控制。
就內部結構而言，伺服電機主要由定子和轉子構成。定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。轉子是永磁鐵或感應線圈等導磁材料。轉子在由勵磁繞組產生的旋轉磁場的作用下轉動。同時伺服電機裝配有編碼器，工作時驅動器實時接受到編碼器的反饋信號，再根據反饋值與目標值進行比較來調整轉子轉動的角度。
對比控制精度、變頻特性、過載能力、響應速度等性能，可以看到伺服電機控制精度更高；低頻時運轉平穩、高頻時能恒力矩輸出；閉環控制使得過載保護能力更強；開機時響應速度更快。就產品特性而言，伺服電機更適配機器人高精度要求、多變環境的應用需求。
根據控制電源的不同，可以分為直流伺服電機和交流伺服電機。其中直流伺服電機根據是否具有電刷，又可以分為有刷直流伺服電機和無刷直流伺服電機。對比三種類型電機，可以看到直流伺服電機具有控制精準，轉矩特性、線性調節特性較好，使用方便且價格便宜等優勢。無刷直流伺服電機以電子轉向器取代機械轉向器，減少摩擦和噪音、延長壽命且安全性，但是一定程度增加了成本。根據《永磁無刷直流電機技術》一文，目前在航空航天和軍事裝備、工業自動化等領域，有刷直流伺服電機正在逐步被無刷直流伺服電機所取代。
工業機器人指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，在工業生產加工過程中通過自動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重復的長時間作業，主要包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。工業機器人在機械結構上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計算機控制。工業機器人廣泛應用于電子、物流、化工等工業領域。按照機械機構分類，工業機器人可以分為線性機器人（又叫直角坐標機器人）、多自由度機器人（又叫多關節機器人）、并聯機器人（又叫deltaΔ機器人）和水平多關節機器人（又叫scara機器人）等。
工業機器人對精度要求較高，一般使用伺服電機，伺服系統成本在機器人中的占比為25%。伺服系統作為工業機器人核心零部件，可以將控制層指令準確、及時、穩妥地傳送到執行層。
04
空心杯電機：與靈巧手高度適配
1、空心杯電機：優勢顯著，無刷是未來發展趨勢
空心杯電動機屬于直流永磁的伺服、控制電動機。空心杯電機（又稱無鐵芯電機、無齒槽電機）通常尺寸較小，是一種無鐵芯轉子的直流伺服電機。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子。這種轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由于轉子的結構變化而使電動機的運轉特性得到了改善，不但具有突出的節能特點，更為重要的是具備了鐵芯電動機所無法達到的控制和拖動特性。空心杯電機在搭配不同速比的減速機和不同分辨率的編碼器后，也可以作為力矩電機以及位置反饋的裝置使用。空心杯電機通常應用于便攜式空氣采樣泵、仿人機器人、仿生手、手持電動工具等場景。
空心杯電機主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉子）、轉軸、墊圈、滑動軸承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環組成。定子由永磁體、殼體、法蘭組成。外殼提供了恒定的磁場，使電機無鐵損耗。沒有軟磁性牙齒。所產生的轉矩是均勻的，即使在低速下也能使運行平穩。在較高的速度下，電機能減少振動，減少噪音。有繞組和換向器的轉子。繞組通過所謂的換向板連接到軸上。線圈在磁鐵和外殼之間的氣隙中運動。換向系統使用一對貴金屬刷減少了電刷火花。減少的電刷火花產生較少的電磁排放。
空心杯電機按照其換向方式可以分為有刷空心杯電機和無刷空心杯電機兩種。空心杯電機分為有刷和無刷兩種，有刷電機轉子無鐵芯，無刷電機（又稱無刷無齒槽電機）定子無鐵芯。
有刷電機：空心杯直流有刷微電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是通過隨電機轉動的換向器和電刷來完成的。在轉動的過程中會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷。碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發生電火花，產生電磁波，干擾電子設備。
無刷電機：無刷空心杯直流電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉。無刷空心杯直流電機，是使用一套電子設備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產生正確方向的磁力，來驅動電機。因為是自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。無刷電機具有噪音小、壽命長、易維護等特點，或是未來發展趨勢。
空心杯電機是機器人靈活手的關鍵零件。以特斯拉2023年開始生產的擎天柱Optimus的人形機器人為例，空心杯電機占單臺機器人成本的4.43%，屬于占比較高的零部件環節。特斯拉Optimus單手有11個自由度，采用6個執行器，采用空心杯電機+蝸輪蝸桿+金屬肌腱驅動的方案，空心杯電機占手部執行器成本的54.5%。
在原材料中，空心杯電機的永磁材料以高端釹鐵硼(第三代稀土永磁)為主，2022年釹鐵硼永磁材料中高端型占比43%。不同永碰體的特點和性能存在差異，在保證產生的磁場穩定的同時，需根據應用場縣對工作溫度、環垃的要求，合理的配置永磁材料，達到電機的性能和成本效應最大化。
目前稀土產量受限于企業的冶煉分離能力，中國頭部企業產能利用率約為85%，釹鐵硼永磁材料應用領城不斷擴大。包括風電領域、變頻空調、工業機器人等多方面對稀土需求形成有力支撐。
空心杯制作的難點在于如何實現自動化。空心杯電機由于體積小，大多使用螺旋管微型線圈。螺線管微型線圈是一個三維線圈，由多匝導線纏繞而成，纏繞內部空心，電流流入纏繞導線，并產生均勻磁場。傳統螺旋管微型線圈制作方法以手工纏繞為主，第一步繞線和粘膠帶；第二步壓扁；第三步切線頭，第四步浸錫；第五步取膠帶；第六步卷圓；第七步浸酒精，第八步整形打圓。手工生產空心杯電樞線圈勞動生產率低，人工成本高，而且工作環境使用酒精，對工人的適應性有一定阻礙且增加了材料成本，已不能適應現代化大規模精細生產要求。因此，空心杯制作的難點在于大批量生產及較難的裝配，手工制作方式在生產效率、產品穩定性方面無法滿足客戶需求。
空心杯電機的核心技術在于電機繞組。導線粗細、繞組匝數的不同，使得繞組電阻值，啟動電流以及速度常數等電機參數存在較大的差異。電機繞組是電機的重要組成部分，繞組的質量決定了空心杯電機的質量，直接影響到電機可靠性和運行性能。隨著科學技術的進步，電機繞組的生產方式不斷地發生改變。發展歷程經歷了最初的完全手工繞線，半自動繞線機，直至現在的自動線圈繞制設備，電機繞組的生產過程趨于自動化，繞制質量和效率也在不斷地提高。
空心杯電機常用的線圈繞法有直繞形、馬鞍形、斜繞形三種形式。其中，直繞形繞制方法工藝較為復雜，多用于較長繞組結構，常為多次繞制而成。斜繞形和馬鞍形在繞制工藝上相對簡單，國內外繞線機多采用這兩種方式。歐洲著名品牌Faulhaber電機采用的是斜繞形線圈，瑞士Maxon電機采用馬鞍形繞制方法，電機有著較為優越的性能。
目前，空心杯電機線圈的生產技術按照線圈的成型方式主要分為兩類：1）繞卷生產技術。卷繞生產技術工藝較為復雜，首先將銅線繞制成一定幾何形狀的空心線圈，多為菱形和四邊形，進而將線圈擠扁，制成扁平的銅線板，最后再將線板繞成圓柱狀的線圈。2）一次成型生產技術。利用空心杯線圈繞制設備一次繞制成型。繞線機將銅線按照既定的規則纏繞在主軸上，一次成型，不需要卷圓壓扁等多道工序。
繞線設備國外領先，國內企業起步較晚。作為電機制造行業鮮明的代表，瑞士的Meteor公司是全球占有率較高的繞線機供應商。Meteor在該行業具有較為先進的技術和強大的研發實力，研制出諸多類型的線圈繞制設備，攻克了較多技術上的難題，在多個方面有著獨特的解決方案。另外，作為世界繞線機生產的鼻祖，日本田中精機株氏協會，第一個將計算機控制用于全自動繞線機上，發明了磁鐵無摩擦張力器，研發出CNC可翻轉的多軸繞線設備。受到空心杯電機關鍵技術和工藝的制約，其中核心技術即線圈的設計、繞制工藝以及繞制設備，先進的技術和工藝設備一直被德國、瑞士等少數發達國家所壟斷，同時國外的高質量設備價格昂貴，我國對空心杯電動機制造設備的研發愈發重視，如中特科技、臺立電子、勤聯科技、昆山庫克自動化等均有繞線設備產品。但是現有線圈繞制設備問題，包括一次成型的自動化繞制設備較少，馬鞍形線圈多為卷繞式的成型方式，現有自動化的繞制線圈的類型多為斜繞形，且在線圈兩端的質量較差等一系列問題。
產品矩陣和客戶背書是空心杯電機的重要壁壘。以Maxon和Faulhaber兩家公司為例進行分析，兩者均具有完善的產品矩陣和優秀的客戶背書，這也是其能夠成為全球領先的空心杯電機制造商的重要影響因素。
1）Maxon：擁有完善的縱向一體化電機產品矩陣。公司產品包括有刷和無刷直流電機、無刷盤式電機；行星齒輪箱、正齒輪箱、特殊齒輪箱；傳感器；運動控制器、電機控制器、位置控制器；客戶定制驅動方案等。多年來為高精尖領域提供創新解決方案，具有優秀的客戶背書。公司產品應用于工業自動化、醫療技術、安全技術、儀器儀表、通訊技術、日用消費等領域。美國國家航空航天局火星探測車的驅動力來源就是Maxon電機；醫療、機器人、精密工業設備等領域也有Maxon電機的應用。以上領域均為高精尖領域，Maxon具有優秀的客戶背書以及較強的客戶粘性。
2）Faulhaber：產品矩陣完善。公司產品包括直流電機、直流無刷電機、線性電機、步進電機等，以及減速箱、線性致動器、編碼器、電子控件等，每種驅動系統都致力于在實現最小尺寸和最輕質量設計的同時達到最大性能。產品應用于高精尖領域，產品背書優秀。公司為醫療設備、航天航空、高精密光學儀器、機器人和自動化等高標準應用領域提供定制產品以及技術方案。
2022年空心杯電機全球市場規模超50億元人民幣。根據QY Research數據：全球空心杯電機市場規模在2022年約為7.48億美元，折合人民幣約53.56億元（以美元/人民幣=7.16的匯率進行折算），預計到2028年將達到11.86億美元，2022-2028年復合年增長率為7.98%；若進一步區分有刷和無刷，2021年全球有刷空心杯電機市場規模占全球空心杯電機市場規模比例（按金額）為67.33%，并預計到2028年有刷空心杯電機全球市場規模將達到6.86億美元，2022-2028年復合增長率為5.68%。
根據QY Research數據：分地區來看，2021年中國、歐洲空心杯電機市場規模分別約為2.36億美元、1.75億美元，占全球空心杯電機市場規模比例（按金額）分別為34.80%、25.85%。
對人形機器人空心杯電機市場空間進行了簡單測算，核心假設如下：
（1）以特斯拉人形機器人Optimus為例，其手部共有12個執行器（雙手），所用電機為空心杯電機，因此假設單臺人形機器人空心杯電機用量為12個；
（2）隨著人形機器人大規模量產，降本要求提高，空心杯電機平均價格逐漸下降；
（3）根據Market Research，全球領先的空心杯電機企業基本均位于海外，2021年全球空心杯電機前三大企業的市場份額（按收入）為55.43%。基于此，假設當人形機器人年產量為5萬臺時，中國企業市占率為30%，并且該市占率隨著人形機器人年產量的增加而上升。
當人形機器人年產量分別為5/10/50/100萬臺時，假設空心杯電機平均價格分別為1000/800/600/500元/個，則對應市場空間分別為6/9.6/36/60億元；若進一步假設中國企業市占率分別為30%/40%/50%/60%，則中國企業可獲得市場空間分別為1.8/3.8/18/36億元。
國外空心杯電機排名前列的公司分別是Maxon Motor、Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、及Nidec Copal Corporation；國內空心杯電機龍頭公司是鳴志電器，拓邦股份、鼎智科技、偉創電氣、昊升電機也是重要的空心杯電機公司。
可以發現，海外公司成立年份較早，產品橫向、縱向布局均較為完善，具備大量的驅動配置方案，且均為全球化企業。國外龍頭企業小尺寸電機設計能力強，直徑最小尺寸可至6mm，而國內企業少有12mm以下尺寸的空心杯電機產品，直徑上限也比較高。國內成立較晚，研發及生產則是以點帶面，逐步豐富能力，隨著能力不斷深化，未來有廣闊的國產替代的空間。
我們另以8mm有刷空心杯電機、16mm無刷空心杯電機相似口徑，將國內外空心杯電機產品性能作比較。需要指出的是，無刷小尺寸直徑空心杯電機國內尚無可比產品。對于8mm直徑有刷空心杯電機：海外公司的產品效率更優，最大連續轉矩也更優，而在轉速方面差異不大，價格方面國內產品則更低；對于16mm無刷空心杯電機，國內產品效率、轉速、連續最大轉矩更優，價格也更便宜，說明國內產品的部分產品策略、產品性能是較為成功的。
中央及地方出臺微特電機和空心杯電機相關政策助力空心杯電機國產化。
05
無框力矩電機：與機器人關節高度適配
1、無框力矩電機：沒有機殼，結構緊湊，適配性強
力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調速范圍的特種電機，有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點。力矩電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力。
力矩電機的特點是具有軟的機械特性，可以堵轉。當負載轉矩增大時能自動降低轉速，同時加大輸出轉矩。當負載轉矩為一定值時改變電機端電壓便可調速，但轉速的調整率不好。因而在電機軸上加一測速裝置，配上控制器，利用測速裝置輸出的電壓和控制器給定的電壓相比，來自動調節電機的端電壓，使電機穩定。
力矩電機具有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點，可直接驅動負載省去減速傳動齒輪，從而提高了系統的運行精度。
為取得不同性能指標，力矩電機有小氣隙、中氣隙、大氣隙三種不同結構形式，小氣隙結構，可以滿足一般使用精度要求，優點是成本較低；大氣隙結構，由于氣隙增大，消除了齒槽效應，減小了力矩波動，基本消除了磁阻的非線性變化，電機線性度更好，電磁氣隙加大，電樞電感小，電氣時間常數小，但是制造成本偏高;中氣隙結構，其性能指標略低于大氣隙結構電機，但遠高于小氣隙結構電機，而體積小于大氣隙結構電機，制造成本低于大氣隙結構電機。
力矩電機應用：卷繞、開卷、無級調速、堵轉等。
力矩電機分為有框力矩電機和無框力矩電機。無框力矩電機崛起背景：主要跟隨人工智能的高速發展，對協作機器人，服務類型的機器人需求增多，要求也越來越高，而這類機器人關節部分使用的電機都是特殊定制的，與普通的步進或者伺服電機外形差距甚大，機器人關節狹小的空間內集成了電機，減速機，抱閘機構，編碼器，驅動器，所以要求電機具有定制的尺寸，緊湊的體積和強大的供能，而無框力矩電機可以滿足這類應用。
無框力矩電機是一種無框架式的無刷永磁同步電機，就內部結構而言，相較于傳統伺服電機、有框力矩電機，無框力矩電機沒有軸、軸承、外殼和端蓋，只有轉子和定子兩個部件。轉子通常是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環繞鋼片和銅繞組，以產生緊密攀附在機器殼體內的電磁力。
科爾摩根無框力矩電機典型構造：（1）內圈采用SS400系列（抗拉強度為400MPa的普通結構鋼）；（2）環形磁鐵采用NdFeB，涂層采用環氧樹脂；（3）集成電路PCB板；（4）線圈材料銅、涂層是清漆；（5）絕緣材料是合成樹脂；（6）電源線；（7）疊片選用電工鋼；（8）可選過熱保護裝置（PT1000鉑熱電阻、PTC熱敏電阻）；（9）可選霍爾傳感器。
無框力矩電機非常適配于機器人關節。無框力矩電機的出現，讓機器結構設計不再受制于電機殼體的束縛；可以利用機器的自身軸承支撐轉子，將電機無縫內置于機器設計中。無框力矩電機具有體積小、質量輕、慣量低、結構緊湊、功率高、適配性強等特點，在機器人關節、醫療機器人、傳感器萬向軸、無人機推進和制導系統以及其他應用領域具有廣泛的應用前景。
協作機器人追求輕量化、人機相互。協作機器人是在SCARA機器人以及垂直多關節機器人等機械結構基礎上衍生出的新類型。協作機器人除在外觀形態上與傳統工業機器人有些差別外，在產品特性上也區別于傳統工業機器人追求的“剛度”，協作機器人更多追求輕量化、柔性和安全協作性。此外在結構特點、交互方式、部署成本以及應用場景等方面與傳統工業機器人也存在一定的差距。
協作機器人具有緊湊小型化、輕量化特性，因此選擇更加緊湊、高效率的電機方案。協作機器人與傳統工業機器人在構造上有一定差異，協作機器人通常采用整體式的無框電機，采用關節一體化技術。能夠認為隨著未來機器人小型化的發展，協作機器人關節中狹窄的安裝空間和末端力矩的要求顯著增高，對無框電機本身性能的挑戰也不斷提升。
機器人需要無框電機具有較強的過載能力、高響應能力和可靠性。機器人諸如行走、跑、彈跳等動作均由機器人關節電機驅動產生。機器人關節電機作為機器人的核心硬件，直接決定機器人的重要性能。機器人對電機總體要求為質量輕、體積小、扭矩大。比如機器人在快跑、彈跳時，需要電機具有瞬時爆發式功率輸出能力，因此關節電機需具備高過載能力、高動態響應能力；另一方面，在復雜工況下，對關節電機提出高可靠性的要求。
特斯拉人形機器人全身共有28個執行器，無框力矩電機也共28個。執行器分布在肩部6個、肘部2個、腕部6個、軀干2個、髖部6個、膝部2個、踝部4個，其中旋轉執行器和線性執行器各14個。特斯拉的人形機器人Optimus就在14個線性執行器和14個旋轉執行器中使用了無框力矩電機，以實現精準控制并節省空間。
國產人形機器人如宇樹H1、遠征A1、小米Cyberone、優必選X1、傅里葉GR-1，關節單元也都使用無框力矩電機，最大扭矩為360Nm。宇樹、智元、小米機器人均自研關節電機，能夠更好適配各自廠商的機器人產品。
從無框電機極槽配合的角度來看，根據陳靚《機器人關節無框電機轉矩脈動抑制》論文所述，通過降低電機齒槽轉矩與諧波轉矩，即可降低電機的轉矩脈動。不同的極槽配合也會對無框電機的性能造成影響，無框電機的產品標桿科爾摩根電機大多采取用12極39槽的極槽配合方案。
雖然14極39槽電機的反電動勢波形畸變率較低，轉矩脈動很小，具有一定的性能優勢，但電機在14極39槽下的平均轉矩不及10極12槽與12極39槽電機大。綜合考慮電機的平均轉矩與轉矩脈動，12極39槽的極槽配合方案更優。
無框力矩電機的壁壘體現在磁路和工藝設計。轉矩密度、功率密度是影響機器人性能的重要指標，能夠通過調整電流、電壓、環境溫度和繞組等因素，在低壓供電的環境下輸出較大的功率，以快速優化電機，實現卓越性能，提高轉矩能力。海外廠商具有悠久的發展歷史和正向研發能力，能夠通過產品和經驗積累、模擬仿真軟件快速實現產品設計，以滿足客戶需求。在以上方面，國內企業尚有一定差距。
無框力矩電機比傳統的伺服電機定制化程度要高。無框力矩電機已在傳統的工業機器人關節批量使用，體現了一定的定制化；而在未來的協作機器人和人形機器人中，由于產品樣式及用途多樣性，或將導致無框力矩電機的定制化要求越來越高。當前大部分機器人廠商自研線性執行器和旋轉執行器，并開發無框力矩電機，亦能體現以上趨勢。
因此，從無框力矩電機未來的競爭格局來看，能夠認為或將比空心杯電機更加分散，且一體化程度更高。
無框力矩電機目前存在較高的技術壁壘，國內只有少量廠商能提供品質較高的無框力矩電機，市場呈頭部集中的趨勢。主要玩家包括步科股份、科爾摩根、航天電器、昊志機電、微精電機等。
全球無框電機主要生產企業包括瑞士MAXON MOTOR公司、美國穆格公司（MOOG）、美國森薩塔科技公司（Sensata）、美國科爾摩根公司（Kollmorgen）、美國Novanta集團等。科爾摩根為全球最早研發出無框電機的企業，具備高端產品核心生產技術，KBM系列無框電機為公司明星產品。與海外發達國家相比，我國無框電機行業起步較晚，產品質量相對落后，高端需求高度依賴進口。
我國無框電機行業集中度較高，龍頭企業占據市場主導地位。我國無框電機市場主要參與者包括步科股份、昊志機電、江南奕帆等。步科股份為我國無框電機龍頭企業，專注于機器人用無框電機以及空心杯電機的研發、生產及銷售，目前公司已成功推出具有溫度控制穩定、尺寸小、功率密度高等優勢第三代無框電機，產品在高端人形機器人領域擁有廣闊應用前景。據步科股份企業年報顯示，2023年公司實現營收5.06億元，同比減少6.09%。
新思界行業分析人士表示，無框電機作為人形機器人重要組件，市場需求不斷增長。目前，我國無框電機行業尚處于起步階段，市場參與者數量較少，產品質量與海外發達國家相比存在一定差距。預計未來一段時間，伴隨本土企業自主研發實力提升，我國無框電機行業景氣度將進一步提高。
根據海外市場研究公司Technavio數據，2023年全球力矩電機市場規模增長6.95%至6.57億美元，市場空間較小。未來隨著人形機器人逐步放量，無框力矩電機市場規模有望快速增長。若以2030年人形機器人出貨量達100萬臺，同時無框力矩電機產品單價下降一半到500元/臺來估算，預計人形機器人領域無框力矩電機市場空間將達到23.97億美元，疊加傳統領域市場空間的平穩增長，總市場規模有望達到33億美元。
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相關公司
1、鳴志電器：空心杯電機技術在全球居于前列水平
運動控制領域的知名制造商。公司專注于運動控制、智能LED照明控制和工業設備管理的關鍵部件制造，目前擁有步進電機、直流無刷電機、交流伺服電機、空心杯電機等控制電機類產品。公司的混合式步進電機產品在全球市場份額10%以上，打破了日本企業的壟斷。公司海外業務覆蓋北美、歐洲、東亞及東南亞，海外營收占比常年超過40%。
外延并購增強競爭力，產品矩陣不斷豐富。公司通過收購美國AMP和瑞士T Motion兩家國際知名專業電機驅動控制器研發企業，組建了由上海安浦鳴志、美國AMP、瑞士T Motion三家綜合業務運營體組成的全球領先的電機驅動控制產品及系統級解決方案的研發、制造平臺。經過十多年的應用經驗積累，并通過整合公司核心的控制電機設計、制造技術，公司已擁有了多系列、多型號的步進系統、步進伺服系統、交流伺服系統、直流無刷系統和集成式控制系統等五大類平臺化產品，廣泛應用于3C非標自動化、電池裝備、移動服務機器人（AMR+AGV）、太陽能光伏設備、電子半導體生產設備、醫療器械和生化分析儀器等自動化應用領域。
空心杯電機性能領先，有望有益于人形機器人的發展。公司空心杯電機國內起步較早，有刷空心杯電機基座尺寸可做到8mm。2019年收購瑞士Technosoft Motion AG，進一步加強其在空心杯電機領域的優勢。
公司是以微特電機為主要構成的定制化精密運動控制解決方案提供商，主要從事線性執行器、混合式步進電機、直流電機、音圈電機及其組件等產品的設計、研發、生產和銷售，公司現已具備集產品研發設計、樣品打樣制造、核心部件自制、柔性精密生產、產品檢驗測試一體化的服務能力，產品在醫療器械及工業自動化領域得到廣泛應用。
空心杯電機業務情況：公司直流無槽電機（空心杯電機）可避免由于齒槽效應存在磁阻不均勻而引起氣隙磁感應的脈振；可實現消除電樞鐵心中產生的脈振損耗和主極極靴表面上產生的表面損耗，具有高耐用性、低電氣噪聲和高效率，高功率密度等特點。公司直流電機主要應用于醫療健康、國防航天、新能源汽車、防護面罩呼吸風機、外骨骼等領域。公司直流無槽電機（空心杯電機）結構緊湊，可實現平穩的高低速轉換、精準控制、高效率和功率密度，機座尺寸范圍為16mm-42mm，功率范圍為33W-120W，目前電機最大效率達到90%，轉矩波動＜3%，調速范圍大于200，齒槽轉矩＜額定轉矩5%，適用于快速動作、功率較大的隨動系統中。
自1997年成立以來，公司聚焦于伺服電機驅動系統、步進電機驅動系統、運動控制PLC、運動控制卡等系列精品的研發、生產、銷售和服務，經過二十年如一日的產品創新、市場開拓和應用服務，雷賽已成為全球產銷規模領先的運動控制產品和解決方案提供商。由于雷賽產品兼具穩定可靠和性能優越的雙重優勢，在電子、半導體、物流AGV、新能源、機器人、機床、物流、醫療等行業獲得上萬家優秀設備廠家的長期使用，且遠銷美國、德國、印度等60多個國家。
無框力矩電機和空心杯電機業務情況：雷賽智能從2018年起持續耕耘機器人行業包括AGV/AMR以及協作機器人等領域，每年銷售數萬臺伺服電機與驅動器，并且為協作機器人客戶開發成功高性能圓環型驅動器。2023年11月24日發布的FM1無框電機和LD3mini驅動器，主要針對人形機器人和協作機器人的關節部分，FM1系列對標全球最優秀無框電機同行，具有轉矩密度高、功率密度高、體積小、重量輕、轉子內徑大、發熱小、轉矩波動小等眾多優點，2024年1月，FM1無框力矩電機小批量試產成功，包含4種規格，10個型號，產品具有高密度、高適配、低波動、低溫升的特性，公司可根據客戶需求進行電機尺寸和電氣參數的優化定制。2024年3月，FM無框電機成功量產，采用全自動產線，產線具備高產能、高精度、高質量，高智能化的四高特色，實現無人生產，每分鐘可產電機1臺，年產能達30萬臺。公司無刷空心杯電機采用馬鞍型全自動繞線技術、一次成型，對標全球最優空心杯電機技術水平，具有轉矩特性好、功率密度高、轉速范圍大、使用壽命長、產品規格全等眾多優點。
公司主要從事工業自動化設備及機器人核心部件與數字化工廠軟硬件的研發、生產、銷售以及相關技術服務，并為客戶提供設備自動化控制、機器人動力、數字化工廠解決方案。目前已擁有人機界面、可編程邏輯控制器、伺服系統、步進系統、低壓變頻器等完整的工業自動化核心部件產品線，可為客戶提供設備自動化控制、機器人動力產品及解決方案。
以步科從執行層到控制層到物聯層到SaaS應用層的強大整體技術平臺為基礎，步科深耕人形機器人應用，在特種領域、工業制造領域、服務業領域、教育培訓領域、娛樂休閑、醫療保健等領域，助力人形機器人快速落地、批量性應用、高質量發展。自2015年步科開發無框力矩電機以來，2016年步科首代無框電機以媲美國外某品牌的性能上市后，就未曾停止技術探索之路。接著突破了設計和工藝極限創造了國內市場上多槽分瓣式結構，極大提高了槽滿率，降低了溫升。推出了第二代無框力矩電機。這種基于18槽的灌封工藝屬于首創。市場和需求是不斷進化的，2022年8月，步科基于更多用戶痛點推出了第三代無框力矩電機FMC系列，首創無框灌封工藝、輕量化機身設計、運動速度更快。
與同行相比，優勢體現在：（1）專業化：通過深?優化電磁方案，獲得更高的轉矩密度；（2）精細化：目前有52mm-132mm10種框架尺?，覆蓋3-25kg負載需求，相同轉矩下，尺?更小，溫升更低；（3）特色化：首創無框灌封工藝，輕量化設計、更薄機身，運動速度更快，更平穩，與市場產品相比，銅損下降率高達20%；（4）新穎化：與市場主流的諧波減速機尺?匹配，更?的中空內徑滿足多樣化的穿線需求。（5）搭載可集成24bit絕對值中空編碼器或者霍爾傳感器，讓運行更加平穩；（6）定轉子激光標識保證追溯性；（7）提供定制化解決方案—可提供無機殼/有機殼等方案；（8）數字化工廠，持續穩定?產，全球分銷，國內多地設有辦事處提供支持和服務。
目前是半自動化生產。公司正在常州建設智能制造生產基地，預計明年年底竣工投產，為低壓伺服規劃了全自動生產線，產能設計能夠滿足下游行業擴張的需求。公司無框力矩電機主要應用在協作機器人領域，還有少量的仿生機器人領域。從第一代產品上市迄今，已經發展了七八年的時間，目前公司的無框力矩電機為第三代產品，已經得到市場充分的驗證和認可。2023年，公司在協作機器人行業的銷售實現了翻倍增長，無框力矩電機出貨量約1.4萬臺；
昊志機電為一家專業從事中高端數控機床、機器人、新能源汽車核心功能部件等的研發設計、生產制造、銷售與維修服務的國家高新技術企業。截至2023年，公司擁有2家全資子公司、1家控股子公司以及13家全資孫公司，并已成立機器人事業部、高速風機事業部、精密事業部、直驅事業部等多個事業部，生產基地分布國內外。公司產品涵蓋數控機床領域的主軸、轉臺、直線電機、數控系統、直線電機等；機器人領域的諧波減速器、DD電機、低壓伺服驅動、剎車機構、編碼器、末端執行、力矩傳感器等；新能源汽車領域的氫燃料電池空壓機和曝氣鼓風機等。
根據公司披露的2023年年報，公司的諧波減速器、機器人關節模組、末端執行機構（氣動手指和快換模塊）等產品能夠滿足協作機器人、輕型機器人生產的模塊化、標準化、小型化要求，具有較好的市場前景。憑借在機器人領域深厚的技術積累，公司先后攻克了智能機器人用“高性能諧波減速器”、“高精度編碼器”、“一體化關節模組”、“六維力傳感器”、“控制系統”等一系列核心功能部件技術，打破了智能機器人核心功能部件依賴進口的局面，實現了智能機器人核心功能部件的全國產化。公司與客戶共同開發的按摩機器人，已成功應用于美業專業連鎖機構。
根據公司2024年5月11日披露的《投資者關系活動記錄表》顯示，公司機器人子公司成立事宜正在有序推進中，主要負責機器人核心功能部件（包括但不限于諧波減速器、無框力鉅電機、剎車機構、編碼器、電磁快換模塊、六維度力鉅傳感器、控制系統、關節模組、末端執行機構（氣動手指、快換模塊）以及RV減速器等機器人領域功能部件）研發、生產、銷售等。公司現有的產品包括諧波減速器、無框力矩電機、驅動器、編碼器、力矩傳感器等可應用于人形機器人，但尚未應用于人形機器人領域，也沒有簽署相關協議。
國內工控行業重要的供應商之一。公司專注于電氣傳動和工業控制領域，產品種類豐富，包括0.4kW至5600kW的變頻器、50W至200kW的伺服系統、控制系統包含運動控制器及PLC等，廣泛應用于起重、礦用設備、軌道交通、高效能源、智能裝備、電液伺服及石油化工等行業。
2022年公司成立機器人行業部，切入機器人產業鏈。公司主要以機器人大配套為主，主要面向移動類、協作類、服務類的機器人領域，提供低壓伺服、空心杯電機、特種無框力矩電機等核心部件。
公司自主研發設計空心杯電機，主要應用于機器人和醫療領域。公司的空心杯電機具有高轉速、高扭矩、低噪音振動的特點，有利于電機運行平穩、控制精確；結構緊湊使其擁有更高的效率和功率密度。公司首款產品面向醫療領域，可達13毫米8萬轉的功率密度，后續公司將推進研發更高功率密度的產品。
公司機器人系列產品包括空心杯電機和無框電機，均已實現小批量交付。基于多年的電力電子和自動控制技術領域的經驗積累，公司重點進行機器人領域的產品開發，未來具有較大的發展空間。
