机器人的核心零部件之一是电机，大致有步进电机、伺服电机、力矩电机、异步电机、永磁同步电机等。因机器人使用场景多样，不同类别机器人类别需要用到的电机种类也不尽相同，如普通工业机器人通常更多需要伺服电机和步进电机，而人形机器人主要用到的电机则是无框力矩电机和空心杯电机，分别用于躯干部位关节和灵巧手关节。

一、空心杯电机简介

空心杯电机主要由轴承、转轴、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、磁铁（定子)、线圈、外壳等组成。由于其绕组结构比较特殊——转子形似杯子，因此得名空心杯电机，是一种采用无铁芯转子的微型直流永磁伺服控制电机，其尺寸较小，直径一般不超过40mm，也是一种微特电机。

图1：空心杯电机结构图

与一般的直流有刷电机对比，空心杯电机最大的不同在于无铁芯，普通电机的转子是固定在铁芯上的线圈，而空心杯电机取消了铁芯结构，转子仅由线圈按照一定的排列绕制而成，因此不存在磁滞，电磁额外干扰小，转速就相对高；没有铁芯也没有了齿槽效应，相应的铁损较小，能量转换效率更高，能量利用率可达75%以上。并且能量密度大，比起同等功率的铁芯电机相比，重量可减轻一半。

图2：有刷空心杯电机（左）和无刷空心杯电机（右）爆炸图

根据换向方式的不同，空心杯电机可以分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机两种，一般而言，有刷空心杯电机的转子无铁芯，无刷空心杯电机的定子无铁芯。有刷空心杯电机又称直流有刷无铁芯电机，利用碳刷（或者金属电刷）和换向器的配合来完成换向，适用于对产品灵敏性要求较高的行业；无刷空心杯电机又称直流无刷无齿槽电机，则是利用电子设备、霍尔元件反馈的位置信号来进行换向，适用于需要长时间连续运行和对控制要求、可靠信要求较高的场景。

图3：有刷/无刷空心杯电机性能对比

二、空心杯电机在人形机器人中的应用

空心杯电机产品拥有广泛的下游应用场景，包括医疗、航天、工业自动化、人形机器人等。在人形机器人中，空心杯电机主要用于人形机器人的灵巧手关节电机。
 

人形机器人的手部关节需要进行灵活、细致的抓握等动作，要求具有高自由度和高精度的控制能力，因此需要关节电机能输出较大的力矩，也对相关运控部件的功率密度有较高要求，而空心杯电机具有小尺寸、高功率密度、高传动效率、高响应速度、高精度控制等诸多优点，天然适用于人形机器人的手部关节。

以特斯拉Optimus机器人为例，Optimus灵巧手主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠丝杠、传感器和编码器构成，其中空心杯电机占手部执行器所有零部件成本的54.5%，是最为关键的零部件。空心杯电机使手指拥有活动能力，每个灵巧手由6个电机驱动，大拇指环节配备2个空心杯电机模组，可同时完成伸缩和翻转2个动作，除大拇指外的每节手指对应1个空心杯电机模组，6个模组配合蜗轮蜗杆和腱绳来驱动执行器，从而实现手部的灵活操作和精准控制。

除了特斯拉Optimus，其他许多人形机器人厂商也在手部方案中采用了空心杯电机的应用方案。整体来看，空心杯电机在人形机器人手部方的应用具备较高的确定性和优势，未来随着特斯拉及国内众多人形机器人厂商产品规模化，空心杯电机也将迎来广泛的应用前景和市场需求。

图4：灵巧手用空心杯电机模组示意图

三、空心杯电机市场分析

根据国内空心杯电机龙头企业鸣志电器官网，其基座尺寸为10mm、额定电压为6V的空心杯电机+精密减速器的产品组合售价约为1100~1200元，而目前常见的中低功率伺服电机售价约为400-500元/台，步进电机售价约为几十元到小几百元/台，空心杯电机的价格远超其他铁芯电机。尽管如此，国内厂商售价依旧普遍低于国外企业，海外龙头Maxon仅单只空心杯电机售价就约2000元左右，未来随着产品规模的扩大和在制造工艺上的不断创新，价格有较大下降空间。

（1）市场规模

作为一款定位于细分市场的中高端微特电机，空心杯电机的行业市场空间历史上一直比较有限，不同研究机构给出的测算有所不同，但基本在50亿元量级。根据观研报告网数据，2022年全球空心杯电机市场约51亿人民币，其中中国是全球第一大空心杯电机市场，占当年全球市场份额为32.43%。而到2030年，由于人形机器人中空心杯电机需求量级较为可观，随着人形机器人逐渐实现商业化，空心杯电机市场空间亦将随之增长。若以2030年人形机器人出货量达100万台，同时空心杯电机产品单价下降到800元/台来估算，预计人形机器人空心杯电机市场空间将达到96亿元，叠加传统领域市场空间的平稳增长，总市场规模将达到145亿人民币，期间CAGR为14%。

图5：2020-2028E全球空心杯市场规模

（2）市场格局

市场竞争方面，海外公司占据优势，德国、瑞士、日本等国的企业长期保持其产品较高的市场占有率，形成了一定程度上的垄断。目前国际上的空心杯电机企业呈三足鼎立之势，三大龙头：瑞士Maxon、瑞士 Portescap和德国Faulhaber占据全球市场最主要份额，产品主要应用于医疗领域和电动工具，2021年CR3达到55.43%。此外，第二梯队的Allied MotionTechnologies、Nidec Copal、Orbray也表现较突出，均是空心杯电机领域的领先供应商，提供各种定制化的产品解决方案，CR5达到了67%。

图6：部分国内空心杯电机生产企业及其产品情况

 

规模方面，2022年Maxon营收7.1亿瑞士法郎(约58亿人民币)，出货量约为500万台，品类超过12000个，而鸣志电器营收仅为29.6亿人民币，并且其中空心杯电机占营收比例相对小，属于非主营业务，两者的空心杯业务营收差了一个数量级。

 

技术上，选取两者部分量产型有刷和无刷空心杯电机产品，对较为关键的技术参数做对比，可以发现，目前国内厂商的有刷空心杯电机产品的技术参数基本已经能够追赶上海外厂商；但针对于应用于机器人灵巧手上的无刷空心杯电机，在尺寸、转速、转矩等关键参数上均有一定差距，国内仍存在追赶空间。

图7：Maxon和鸣志电器有刷空心杯电机（上）、无刷空心杯电机（下）部分技术参数对比