从三大经典传动到具身智能

华泰研究

2023年10月20日│中国内地

人形机器人为具身智能理想载体，硬件结构包含三大经典传动

具身智能（embodied AI）为下一个人工智能的浪潮，其是一个能够理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。我们认为人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，因为我们身处的世界是按照人类的生理结构设计的，人形机器人因其外形与人相仿，与物理世界互动的隐性成本最小。从波士顿动力的人形机器人 Atlas，再到特斯拉推出的 Optimus，我们发现人形机器人的硬件结构包含三大经典传动——液压传动、电气传动、机械传动。

液压传动：机械大力士，关注国产化空间与电动化影响

液压传动主要用于实现机械能-液压能-机械能的转换，其突出优点在于输出较大的推力或转矩。液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质五大基本部分组成，其中液压泵阀技术难度较高。目前，全球液压工业已进入成熟发展阶段，我国为全球第一大液压市场，2021 年全球市场份额达 35%。国内市场规模接近千亿，高端市场具备较大国产替代空间。我们系统阐述了液压行业市场概况、液压系统及各组成元件工作原理，并以工程机械应用为例分析了液压系统在主要产品中的应用结构，以及电动化对液压传动的影响，全面覆盖液压传动原理、市场、应用分析。

电气传动：灵活多面手，应用广阔市场分散

电气传动使用电动机将电能转换成机械能，带动各类型生产机械、交通车辆及运动物品。电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电动机行业呈现竞争格局分散，下游应用广泛的特点，其复杂性在于技术路径多样，对应电机不同的特性，适用于下游不同场景。我们系统阐述了电气传动行业市场概况、电动机六大技术路径选择，并以人形机器人、矿山机械、数控机床应用为例分析电气传动系统在主要产品中的应用，以及未来定子扁线化和碳化硅应用对电机性能的提升，全面覆盖电气传动原理、市场、应用分析。

机械传动：高精控制百宝箱，结构类型繁多

机械传动结构类型繁多，相较于液压、电气传动，机械传动主要优点在于传动比准确、实现回转运动的结构简单、能传递较大的扭矩、传动效率高，主要适用于速度不高的有级变速传动。高精密传动零部件市场国产化水平有待提高，人形机器人等新产业有望为其带来弯道超车机遇。我们系统阐述了机械传动特点、传动结构基本原理、典型机械传动装置及应用、机械传动导向及支承零部件概况、机械传动国产替代关键因素，全面覆盖机械传动原理、市场、应用分析。

人形机器人：具身智能产业提速，关注感知层和执行层的投资机会

技术进步+巨头入局+政策激励下，人形机器人产业提速发展。在决策层，大模型使机器人理解自然语言，泛化能力增强，RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息，实现了“手脑协调”。在感知层，六维力/关节扭矩传感器是人形机器人知“轻重”的力控核心，具备高价值和高壁垒，而触觉是机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先。在执行层，机械传动广泛存在于各关节中，电气传动中准直驱方案扭矩密度更高，未来渗透率有望提升。我们认为人形机器人是形如机器人的智能体，多模态大模型的快速发展将提升人形机器人的智能化水平，加快人形机器人产业化进程。

风险提示：国产替代不及预期、原材料价格波动风险、工程机械电动化导致部分液压元件被取代、电机技术路径发生改变、人形机器人产业化进程不及预期。

机械设备

深度研究

增持 (维持)

研究员

倪正洋

SAC No. S0570522100004 nizhengyang@htsc.com

SFC No. BTM566 +(86) 21 2897 2228

研究员

杨任重

SAC No. S0570522110003 yangrenzhong@htsc.com

+(86) 21 2897 2228

研究员杨云逍

SAC No. S0570523070001 yangyunxiao@htsc.com +(86) 21 2897 2228

研究员

邵玉豪

SAC No. S0570522120002 shaoyuhao@htsc.com +(86) 21 2897 2228

研究员	史俊奇
SAC No. S0570522110002	shijunqi@htsc.com
SFC No.BTM901	+(86)21 2897 2228

联系人	张瑶珈
SAC No. S0570122090160	zhangyaojia@htsc.com
	+(86) 755 8249 2388

联系人

王自

SAC No. S0570123070064 wangzi022582@htsc.com

+(86) 21 2897 2228

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资料来源：Wind，华泰研究

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正文目录

从三大经典传动到具身智能... ..... 11
液压传动：机械大力士 .... ......14
液压系统：机械大力士，千亿市场大而不强 ................
大功率与自动化控制优势突出，液压传动广泛应用于工业机械 . ......16
国内液压千亿市场大而不强，高端液压件仍待进口替代......
钢材为主要原材料，工程机械为主要应用领域... ................................................................. ........20
国内恒立液压一枝独秀，龙头规模仍具提升空间 ...... ......................................................................... ......21
液压系统拆分：五大部分各司其职、相辅相成......
动力元件：机械能转化为液压能.......
执行元件：液压能转化为机械能... ...26
控制元件：控制油液方向、压力与流量......... ............................................................................................29
液压辅件&工作介质：辅助执行，不可或缺....... ......32
典例：液压系统广泛应用于工程机械工作、回转、行走系统....... ............................................................ .....35
液压挖掘机 ..... ...................................................................... .....35
装载机 ... ...36
叉车 ........ .....37
高空作业平台. ...38
电机取缔柴油机，或将带动液压系统应用变革. ....39
在具身智能中的应用：波士顿动力 Atlas 能够实现高难度动作. .....43
电气传动：灵活多面手 .............
电气系统：灵活多面手，应用广阔市场分散... .......44
电机行业格局分散，国内电机 “量增”到“质提”走向高端.... .....45
直流 or 交流：换向/调速为核心问题，霍尔元件/变频器助推无刷替代有刷.. ...48
永磁 or 励磁：交替并行发展，高性能永磁体提升电机功率和效率 . ....52
同步 or 异步：同步电机节能高效高功率，异步电机具有成本优势 ... ...54
单相 or 三相：三相电机稳定高效，单相电机需使用电容器/罩极启动...... ................................. ....57
步进 or 伺服：伺服闭环相较步进开环控制精度较高，经济性较低 . ...59
典例：矿山机械/数控机床中多种电机“各司其职”.. ....63
数控机床：主轴多用感应电机，进给电机中永磁伺服为主流. ...66
在具身智能中的应用：特斯拉 Optimus 采用电气驱动......
机械传动：高精控制百宝箱.... ...72
机械传动：高精确度的转矩、转速变换器... ....72
传动原理：“回转→回转”、“回转→移动”等运动形式. ..76
回转→回转：齿轮传动应用最为广泛，轮系为主要应用形式.. ....76
回转→移动：带传动、凸轮机构、螺旋机构较为常用. ...78
多运动形式变换：连杆机构..... .....81
典例：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠 ...
减速器：旋转运动核心传动装置，新型齿轮系空间逐步打开..... ................................................... ......82
丝杠：直线运动核心传动装置，滚动螺旋精密机械最为常用 ......................................................................93
轴：支承旋转零件，传递力与力矩..... .................................................. .......107
高精机械传动国产替代：材料、设备、工艺、验证缺一不可 ............................................................................ 114
材料：国产材料筑基不牢 .......
设备与工艺：淘金离不开卖铲人.... ......................................................... ...... 117
应用场景验证与积累：打造闭环的决定性环节. ....... 118
在具身智能中的应用：机械传动广泛存在于特斯拉 Optimus 中 . ................................................ .... 118
具身智能：多维度催化人形机器人落地... ........ 119
决策层：大模型赋予机器人“大脑”，具身智能迎来曙光......
六维力/关节扭矩传感器为力控核心，使人形机器人知“轻重” .... ....126
高价值高壁垒，六维力传感器面临动静态特性及解耦问题....... ................................................. ........128
触觉传感器：机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先 .. ........................................ ....132
执行层：刚性驱动器方案成熟，准直驱方案渗透率有望提高...... .............................................. ........134
总结：三大传动构建具身智能硬件，智能化决定人形机器人 0-1.... ............................................ ......137
风险提示.............
图表目录
图表 1：波士顿动力 Atlas 机器人主要采用液压驱动 . ... 11
图表 2：特斯拉机器人主要采用电气传动 ..... .... 11
图表 3：我国液压件进口额约为出口额 2 倍.. ... 11
图表 4：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比. ..... 11
图表 5：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景.. .....12
图表 6：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类.... ......................................... .......13
图表 7：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业提速..
图表 8：液压千斤顶工作原理图... ......14
图表 9：液压系统主要分类方式........
图表 10：液压系统组成概览... ......15
图表 11：液压传动与其他传动方式对比 . ................................................................ .....16
图表 12：
图表 13：全球液压市场规模 2011-2021 CAGR 3.1% .........
图表 14：我国液压市场规模 2011-2021 CAGR 4.7% ....17
图表 15：我国液压市场全球占比持续提升..... ......17
图表 16：中、美液压市场全球占比近 70%（2020）
图表 17：中国制造业增加值高于美国但液压销售占比偏低（2020） ....................................................................18
图表 18：国内液压市场下游应用场景相较美国更为集中（2019） .....18
图表 19：我国液压行业发展历程..... ..........................................................18
图表 20：我国液压件进口额约为出口额 2 倍... ..19
图表 21：液压油缸 2016 年起已实现贸易顺差，进口单价约为出口 2 倍 . .............................................. .....19
图表 22：液压马达2019年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口6倍....... ..........................................................19
图表 23：液压泵 2020 年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口 6倍.. ..20
图表 24：液压泵中仅齿轮泵 2022 实现贸易顺差 ... ............................................................... ....20
图表 25：液压阀 2022 年出口单价已高于进口，但贸易逆差最大 ............................................................................20
图表 26：主要液压元件国产化率估计（2021） ................................................... ....20
图表 27：液压系统产业链概览 ... ......................................... ..21
图表 28：液压企业与工程机械企业营收同比增速变动趋势相似 ......................................................................... ......21
图表 29：全球液压龙头及国内液压上市公司情况概览 ........
图表 30：全球液压行业 CR3 约 34%（2021） ....................................................... ...22
图表 31：内资上市液压公司仅恒立液压市占率超 10%（2021） ...22
图表 32：恒立液压国际收入占比约 20%（2022） ........
图表 33：博世力士乐海外收入占比约 80%（2022） ...23
图表 34：单柱塞液压泵工作原理... ...23
图表 35：液压泵主要分类形式 ...... ....24
图表 36：液压泵按挤子结构分类情况及工作原理概述
图表 37：各类液压泵性能参数比较及应用范围情况.....
图表 38：轴向柱塞式液压马达工作原理. ...................................................................... ...26
图表 39：液压马达与液压泵对比 .................
图表 40：各类液压马达性能参数比较及应用范围情况... ........................................................................... .....27
图表 41：双作用液压缸主要原理.... ............................................................................ .....28
图表 42：液压缸分类... ..28
图表 43：
图表 44：
图表 45：压力控制阀分类及工作原理概述 . ...30
图表 46：流量控制阀分类及工作原理概述 ..... ................................................................................................ .....31
图表 47：
图表 48：皮囊式蓄能器工作原理概览..... ........33
图表 49：油管分类及特点.......
图表 50：液压部分工作介质特性比较.... ................................................................................................. ......34
图表 51：油液主要类型、特点及应用场景. ......35
图表 52：液压挖掘机液压结构透视图（履带式）
图表 53：液压挖掘机传动路线（履带式） ....36
图表 54：装载机液压油缸结构透视图（轮式） ...37
图表 55：装载机液压阀结构透视图（轮式） ....37
图表 56：叉车液压结构透视图 .........
图表 57：高空作业平台液压结构透视图.........
图表 58：传统挖掘机能量流图及工程机械节能技术演变. ......40
图表 59：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比.... ....41
图表 60：工程机械电动化渗透率仍处于较低水平 .. ....42
图表 61：不同类型工程机械电动化渗透率差异显著.... ................................................................. .......42
图表 62：工程机械主机及核心零部件企业电动化布局概况........
图表 63：采用液压驱动的 Atlas 能够实现跑酷等高难度动作. .................................................. .....43
图表 64： Atlas 液压系统存在漏液等可靠性问题 .... ....43
图表 65：电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置 .........................................................44
图表 66：电气传动在运动控制及精确度方面优势显著，广泛应用于工业机械.. ....45
图表 67： 2020 年全球电机市场 1427 亿美元，汽车占比最高.. ...45
图表 68：预计 21-28 年全球电机市场 CAGR=6.4%,交流电机占比最大... ....45
图表 69：卧龙电驱主要电机产品.... ....................................................... ......46
图表 70：大洋电机主要电机产品.......
图表 71：外资品牌为国内电机生产商第一梯队，国内龙头在各自侧重领域走向高端 ...... ....46
图表 72： 2022 年中国电机进口金额为 42.34 亿美元，同比下降 6.2%... ......47
图表 73： 2022 年中国主要电机出口产品结构（按金额）（单位：%） .............................. .....47
图表 74：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景.. ....48
图表 75：直流电机与交流电机由于供电电源不同使得结构差异较大 . ...49
图表 76：直流有刷电机率先流行，交流电普及和控制元件发展使得交流电机和直流无刷快速发展成为主流..........49
图表 77：直流有刷电机通过换向器跟电刷的连接，实现线圈电流方向变化，实现线圈受力方向变化..........
图表 78：周围磁通密度超过阈值时霍尔传感器会检测到并产生电压 ...50
图表 79：霍尔效应传感器可判断出电机转子磁极的相对位置 ... ....50
图表 80：交直交变频器主电路工作原理...... ........51
图表 81：变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术.. ....51
图表 82：电机磁场的提供方式经过低性能磁铁—电磁体—高性能永磁体与电磁并行三个发展阶段 ...52
图表 83：高性能永磁电机效率高功率大，励磁电机制作成本低但效率较低...........
图表 84：电机常用永磁材料抗腐蚀性能、最高工作温度、加工性能、退磁曲线形状、价格对比............................53
图表 85：直流电机励磁方式分为他励、并励、串励、复励，主要区别为励磁绕组和电枢绕组供电方式的关系 ......53
图表 86：永磁体与励磁绕组均位于转子的混合励磁电机...... ....54
图表 87：永磁体位于转子，励磁绕组位于定子的混合励磁电机................. ........54
图表 88：异步电机与同步电机区别在于转子是否产生磁场、速度与定子旋转磁场速度是否一致....... ......... ......54
图表 89：同步电机功率密度与效率更高，异步电机成本低应用广泛 .... .......55
图表 90：磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理形成磁阻转矩，性能较好且成本较低......... ....56
图表 91：多家公司布局同步磁阻电机产品... ...56
图表 92：磁滞电机利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行，目前应用场景较少............................56
图表 93：三相电机采用相位差 120 度三相交流电源推转子 ....... .......57
图表 94：主流单相电机有主副两个线圈，互相垂直推动旋转 . ...57
图表 95：单相电机使用方便应用偏生活化，三相电机稳定高效工业场景应用居多.. .....57
图表 96：装配电容器单相电机的运行原理........
图表 97：使用罩极法单相电机的运行原理 .. ....58
图表 98：六相双 Y移 30°绕组空间分布图.. ......59
图表 99：六相电机可实现低电压大功率，相同负载转矩六相电流小 ....... ..................................................... .......59
图表 100：步进电机结构图.. ..59
图表 101：伺服电机结构图..... ....59
图表 102：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程 ....60
图表 103：步进电机相较伺服电机可靠性与控制精度较低，经济性较高. ...60
图表 104：西门子 1FK 系列永磁同步伺服电机订货最大功率 7.5kW..... .....61
图表 105：西门子 1PH 系列交流异步伺服电机最大功率 45kW ........................
图表 106：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程 ....61
图表 107：直线电机可认为是旋转电机径向剖开后的变形，结构及运行原理与感应电机相似 ...62
图表 108：直线电机具有高响应速度、高精度、加减速快等优势.... .......62
图表 109：短初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用.........
图表 110：直线电机用于激光微加工平台 ... .....63
图表 111：多家公司布局直线电机业务..... ....63
图表 112：直流电机，交流异步电机，永磁同步电机三种矿山机械应用电机对比....................................................64
图表 113：佳电股份矿用机械电机中三相异步电动机为主流，部分场景尝试永磁电机 . ....64
图表 114：大功率矿井提升机为代表的矿山电力传动发展历程... ....65
图表 115： ABB 矿井提升机.... .....65
图表 116：永磁内装式矿井提升机驱动原理... .....65
图表 117：数控机床电动机可分为进给电机和主轴电机，进给电机主流为永磁伺服，主轴电机主流为感应电机.....66
图表 118：卧龙电驱电主轴电机产品大多为交流异步电机.... ......66
图表 119： Akribis 机床专用直线电机 AKM 系列.. .....67
图表 120：直驱伺服响应速度更快.... .....67
图表 121：相比于传统的伺服电机+滚珠丝杆/齿轮齿条的驱动方式，直线电机驱动在机床方面应用优势明显 ........67
图表 122：传统圆线绕组存在较大空隙.. ...68
图表 123：
图表 124：多家企业布局扁线业务 .........................
图表 125：扁线电机工艺复杂、设备精度要求高. ....69
图表 126：博世（Bosch）的逆变器采用碳化硅半导体.... ............................................................................ ......69
图表 127：安森美半导体 650V SiC MOSFET ........
图表 128：碳化硅宽禁带优势. .......70
图表 129：特斯拉 Optimus 旋转执行器中使用无框电机 .............................
图表 130：特斯拉 Optimus 的手部模组... .....71
图表 131：机械传动系统的一般组成.. ....72
图表 132：各类传动机构可实现的运动、动力转换功能各异 ....................................................................................72
图表 133：机械传动与电气传动、流体传动对比..........
图表 134：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类. ...73
图表 135：牛头刨床机械传动系统包括带传动机构、齿轮机构、连杆机构、螺旋机构 ....... .....74
图表 136：各主要传动机构应用场景各异........
图表 137：齿轮传动分类 ...... ....76
图表 138：齿轮传动主要特点及适用范围. ....77
图表 139：轮系可分为定轴轮系、周转轮系、组合轮系三大类 ........ ................................................................ ......78
图表 140：带传动可分为摩擦型、啮合型两类. ...78
图表 141：带传动示意图 ..... ........................................................ ....79
图表 142：链传动示意图 .......... ..................................................... ........79
图表 143：凸轮机构按照凸轮形状可分为盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮 .. ...79
图表 144：螺旋传动可分为普通、滚动、静压螺旋传动三类..... ............................................................. .....80
图表 145：齿轮齿条由圆形齿轮与直线型齿条相互啮合 ...........................................................................................80
图表 146： “回转→移动”传动机构各有优缺点... ....81
图表 147：平面铰链四杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种形式 .. ...82
图表 148：常用减速器型式及特点和应用....... ........83
图表 149：
图表 150：摆线针轮行星减速器结构 ..... ....................................................................... ....83
图表 151：减速器下游应用领域繁多（2019） ....84
图表 152：
图表 153：工业机器人 BOM 表中减速器成本占比超过 30%... ...84
图表 154：多关节机器人应用最为广泛..... ...85
图表 155：谐波与 RV减速器在全球机器人用减速器中的销量占比较高. .....85
图表 156：行星、RV、谐波减速器应用场景各异...... .............................................................85
图表 157：
图表 158：国内龙头绿的谐波国内市占率已达 23%（2022） ....87
图表 159： 2022 年国内谐波减速器市场规模约 21 亿元..... ................................................................ ......87
图表 160：特斯拉擎天柱机器人旋转关节采用谐波减速器.... ................................................................. .....87
图表 161：国内企业谐波减速器营收规模及产能仍待提升...... ........................................................ .......88
图表 162： RV 减速器包括针轮层、齿轮层、芯轴层 . ..89
图表 163：纳博特斯克占据国内 RV 减速器超 50%的市场(2022).............................................................................90
图表 164： 2021 年国内 RV 减速器市场规模约 43 亿元 ...........
图表 165：国内企业 RV 减速器国产化进程仍待推进 . ...90
图表 166：行星传动机构可按齿轮啮合方式与基本构件组成进行分类 ............................................................. .....91
图表 167： NGW 型行星传动机构与行星减速器整体结构.........
图表 168： 2022 年我国行星减速器市场规模全球占比约 42% ........................................................................ .......92
图表 169：海外龙头仍居全球行星减速器优势地位（2022） .........92
图表 170：国内行星减速器公司市占率逼近海外龙头（2022） ...92
图表 171：国内行星减速器公司已形成一定规模. ....93
图表 172：滑动、滚珠、滚柱、静压丝杠性能及应用对比........................................................................................94
图表 173：滚珠丝杠由螺杆、螺母、滚珠等组成..........
图表 174：滚珠丝杠按滚珠循环方式可分位内循环结构、外循环结构 . ...95
图表 175： JIS 标准与国内标准精度等级对比...... .....95
图表 176：机床与工业机器人对滚珠丝杠副精度等级要求相对高（按国内标准）
图表 177：我国滚珠丝杠下游主要应用于机床（2020） ................................................ .....96
图表 178：全球滚珠丝杠下游主要应用于工业生产领域（2022） ...96
图表 179：滚珠丝杠在卧式车床中的应用........ ...................................................... ......96
图表 180：滚珠丝杠在前驱 SCARA 中的应用. ..96
图表 181：滚珠丝杠在机床中的价值量占比约 3%... ............................................................... ....97
图表 182：滚珠丝杠在工业机器人中的价值量占比约 2%........ ..............................................................................97
图表 183：我国滚珠丝杠市场规模超 300 亿元，全球占比约 20%. ...97
图表 184：经济型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约 52%采用国产... ......................................................... .....98
图表 185：中高档型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约 48%采用国产.....................................................................98
图表 186：国内汉江机床滚珠丝杠市占率居前，但营收规模远小于海外龙头... ....98
图表 187：行星滚柱丝杠滚动体为滚柱.... ....99
图表 188：行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种形式 ......................................100
图表 189：特斯拉擎天柱机器人线性关节采用行星滚柱丝杠........
图表 190：国内市场海外公司滚柱丝杠销售量占比约 80%（2021） .....101
图表 191：海外滚柱丝杠企业成立时间早、应用范围广，已建立领先优势 . ...102
图表 192：静压丝杠实物图.........
图表 193：静压丝杠剖面图... ...102
图表 194：普通滑动导轨综合性能一般，滚动导轨主要用于精密机械中. ...104
图表 195：导轨由运动件与承导件组成... ....104
图表 196：导轨在机床上的应用图例 ........ ..................................................................104
图表 197：直线运动滚动导轨可分为三角平开式、闭式、钢丝滚道三类......
图表 198：机床、半导体设备直线运动滚动导轨需求多为精密级及以上.. ......................................... .....106
图表 199： 2020 年全球直线导轨 CR5 78% .... ............................................................106
图表 200： 2020 我国直线导轨市场收入约占全球 26%.... ....................................................... ......106
图表 201：导轨配套丝杠应用，丝杠企业一般同时具导轨产能 ....... ......................................................... .......107
图表 202：轴可分为转轴、传动轴、心轴三类. ...107
图表 203：齿轮减速器轴应用图例（直角斜齿行星减速机）
图表 204：优质碳素钢为应用最广泛的轴材料...........
图表 205：中大力德齿轴毛坯采购成本占比约 9%.. ...109
图表 206：中高端机床、减速器企业轴加速自制..... ................................................................. .......109
图表 207：轴承需承受径向负荷和轴向负荷......
图表 208：滚动轴承与滑动轴承各有优缺，性价比角度滚动轴承应用更为普遍.. ...................................... ........ 110
图表 209：滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成（以深沟球轴承为例） ......... 111
图表 210：滚动轴承根据工作时所承受的载荷方向可分为向心轴承和推力轴承. ... 111
图表 211：主要滚动轴承及其特性与应用 .. ...... 112
图表 212：中国为全球最大轴承市场（2022）
图表 213：中国轴承行业市场营收已突破 2000 亿元...... ........................................................................ 112
图表 214：全球轴承市场概览. ... 113
图表 215： 2022 年中国轴承企业全球市占率达 25%... .................................................. ...... 113
图表 216：滚动轴承进出口价差仍大 ........................ .................................................................... 113
图表 217：国内轴承企业具有较强专业性，规模普遍偏低... .... 114
图表 218：国产柔轮断口上弥散分布着直径 3.0\~6.0μm 的 Al2O3 颗粒状夹杂物，影响柔轮抗疲劳性能. ...... 115
图表 219： SKF 通过持续收购壮大业务规模，首家收购公司即材料公司 Hofors Bruk .. ...... 116
图表 220：滚珠丝杠螺距精度受机床设备影响较大 . .. 117
图表 221：我国金属切削机床数控化率仍有提升空间.... .... 117
图表 222：谐波减速器为 Optimus 旋转执行器核心部件 . .............................................. ........ 118
图表 223：反式行星滚柱丝杠为 Optimus 线性执行器核心部件.. .. 118
图表 224：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业提速.. ....................................... ...... 119
图表 225：各大厂大模型快速发展，赋予机器人思考学习能力，推动具身智能发展 .............................................. 119
图表 226：特斯拉人形机器人实现快速迭代 ... ....120
图表 227：特斯拉人性机器人已实现流畅行走与抓取物品... ...120
图表 228：多家科技巨头布局人形机器人，加快技术进步推进商业化应用 .................................................... ........120
图表 229：中央和地方均推出相关政策加紧布局人形机器人............
图表 230： RT-2 帮助机器人在数据从未见过的场景完成多种任务 ..... ............................................ ......122
图表 231：搭载 VoxPoser 机器人无需示范可做开瓶、按开关等任务 ..... ....122
图表 232：命令 “选择已灭绝动物”，搭载 RT-2 机器人选择恐龙玩偶..........
图表 233：智元机器人可根据输入的自然语言命令完成动作... ....122
图表 234： VoxPoser 产生了 4 个“涌现能力”，机器人可以在任务过程中自主生成推理能力，掌握新方法 . ....123
图表 235： RT-2提高了机器人在未见过场景中的性能，从 RT-1的 32%提高到 62% . ....123
图表 236： CoT 能够帮助 RT-2 完成更复杂的任务........ .....123
图表 237：大模型决策结果到机器人动作控制的映射方式改变 .....
图表 238： RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息 . ....124
图表 239： Voxposer 工作过程为接受命令—LLM 生成与 VLM 交互—生成操作指示地图—运动规划器规划动作..125
图表 240：人形机器人需要多种传感器与真实世界交互.. .....125
图表 241：多种传感器帮助人形机器人识别自身的运动状态和环境状况.. .......126
图表 242： UCLA—Artmes 足部力觉传感器方案. ...126
图表 243：坤维科技关节扭矩传感器及六维力传感器........
图表 244：
图表 245：坤维科技腕部六维力传感器.. ...127
图表 246：坤维科技踝部六维力传感器.... .................................................................... ......127
图表 247：
图表 248：关节扭矩传感器感测各个关节扭力........ ......128
图表 249：国内六维力传感器市场第一梯队为 ATI、坤维科技、鑫精诚、宇立仪器. ...128
图表 250：国内外六维力传感器主要参与者及各家产品性能指标.... ...129
图表 251：六维力传感器根据传感元件的不同主要分为三种基本类型：应变片式、光学式以及压电/电容式 ........129
图表 252：硅应变传感器在稳定性、信噪比、刚度方面具有一定优势 . ....130
图表 253：十字型结构对称性好，兼顾横向和竖向的应变效果.... .....130
图表 254： Stewart 结构是一种球面连杆结构，整体较紧凑 .... .....130
图表 255：六维力传感器选型四个核心步骤为确定量程需求—确定使用环境—确定机械出线需求—确定通讯方式131
图表 256：六维力传感器标定装置.. .....131
图表 257：六维力联合加载标定才能使传感器的准度更好、串扰更低 . ....131
图表 258：动态性能补偿可以有效提高多维力传感器的响应速度.. .....132
图表 259：六个测量方向加载至各自的额定载荷总会出现串扰... ....132
图表 260：解耦算法可一定程度减少维间数据关联度.. ....132
图表 261：狭义触觉传感器工作原理多样..... .................................... .....132
图表 262： 2028 年全球触觉传感器市场空间有望达千亿元以上. ....133
图表 263：国内个别企业参数上国际领先.... ....134
图表 264： Atlas 采用液压驱动，Optimus 采用电驱动. ...134
图表 265：电驱经历从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程. ...134
图表 266：刚性驱动器由电机/减速器/编码器/力传感器和控制板等组成 . ...135
图表 267：刚性驱动器多数采用谐波减速器，力矩传感器非必需.. ...135
图表 268：弹性驱动器引入弹性元件变为欠驱动系统，运动控制精度低. ...135
图表 269： PEA可用于机器人髋关节和上肢外骨骼机器人. ..135
图表 270：准直驱型由高扭矩密度电机/行星减速器/编码器/控制板组成 ..136
图表 271：宇树科技新准直驱驱动器增加离合结构 .. ..136
图表 272：准直驱驱动器效率较高，但因其仍需后备电池所以多用于四足机器人. ...136
图表 273：三大传动构建具身智能硬件基础，智能化决定人形机器人 0-1.. ...137
图表 274：报告提及公司.... ....138

从三大经典传动到具身智能

人形机器人为具身智能理想载体，其硬件结构包含三大经典传动。在 ITF World 2023 半导体大会上，黄仁勋表示，人工智能的下一个浪潮将是具身智能（embodied AI），即能理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。我们认为人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，因为我们身处的世界是按照人类的生理结构设计的，人形机器人因其外形与人相仿，与物理世界互动的隐性成本最小。从波士顿动力的人形机器人 Atlas，到特斯拉推出的Optimus，我们发现人形机器人的硬件结构包含三大经典传动：液压传动、电气传动、机械传动。机械传动广泛存在于人形机器人的各类关节中；采用“驱动大力士”液压方案的 Atlas能够实现跑酷，后空翻等高难度动作；采用“灵活多面手”电气传动的 Optimus 正快速迭代。

图表1：波士顿动力 Atlas机器人主要采用液压驱动

资料来源：波士顿动力官网，华泰研究

图表2：特斯拉机器人主要采用电气传动

资料来源：特斯拉 2023 年股东大会，华泰研究

液压传动为“机械大力士”，高端国产化空间较大，电动化趋势下或仍为主要传动方式之一。液压传动主要用于实现机械能-液压能-机械能的转换，其突出优点在于输出较大的推力或转矩。液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质五大基本部分组成，其中液压泵阀技术难度较高。目前，全球液压工业已进入成熟发展阶段，我国为全球第一大液压市场，2021 年全球市场份额达 35%。国内市场规模接近千亿，高端市场具备较大国产替代空间。推动电动化以实现节能减排成为制造业发展大势所趋，我们认为，电动化或将带动液压元件应用结构变化，短中期影响或有限，但各类液压元件仍需结合电动化技术变化，需考虑与电气系统相协调能力。

图表3：我国液压件进口额约为出口额 2 倍

资料来源：国际流体动力统计委员会，普易咨询，华泰研究

图表4：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比

	电动缸	液压缸	气缸
传动媒介	丝杠、螺母	液压油	压缩气体
工作原理	伺服电动机驱动滚柱丝杠推动液压动力源输出高压油驱动液工作装置运动做功，实现了旋压缸做直线运动，工作装置的转运动向直线运动转换，工作速度、位移由油液流量和压力装置的速度、位移由电机控制	控制	空气压力差驱动活塞杆做直线运动，工作装置的速度、位移由气体流量和压力控制
工作温度	通常规定电动缸的工作温度范通常规定液压缸的工作温度范通常规定气缸的工作温度范围围为一30~80°C，工作性能受围为-40~120C，工作性能易受为5~60°C,工作性能易受温度温度波动的影响小。	温度波动的影响。	波动的影响。
驱动方式	由伺服电动机组成的驱动系统由液压泵、阀及液压管路组成由气泵、阀及气路管道等组成驱动，结构相对简单，占用空的液压驱动系统驱动，结构相的驱动系统驱动，结构相对复间较小	对复杂，占用空间较大	杂，占用空间较大
承载负荷能力	较低，抗冲击性较差	很高，具有抗冲击性	较高，具有很强的抗冲击性
系统控制性能	响应快，定位精度高，速度重复性较为稳定	响应较慢，定位精度一般	响应慢，定位精度较差
伸缩范围	较小	较大	较大
价格	较高	较低	低
系统特点	应用场合广，噪声小，无污染工作性能稳定，可靠性高	油泵，且性能受温度影响，需装置，污染小，工作性能会受要考虑液压系统热平衡问题	为避免污染环境需要配套的补噪声大，需要使用配套补气泵温度影响

资料来源：王超《液电混合驱动液压挖掘机铲斗和斗杆运行特性及能效研究》（2020），华泰研究

电气传动为“灵活多面手”，应用广阔市场分散，更高的功率和效率为未来方向。电气传动使用电动机将电能转换成机械能，带动各类型生产机械、交通车辆及运动物品。电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电动机行业呈现竞争格局分散，下游应用广泛的特点，其复杂性在于技术路径多样，对应电机不同的特性，适用于下游不同场景，人形机器人执行器就主要使用无框力矩电机和空心杯电机。我们总结电机有六大关键技术选择，分别是交流/直流、同步/异步、永磁/电磁、单相/三相、控制方式步进/伺服、直线/旋转。各种电动机产品是不同技术路线排列组合后的产物。未来电机将向着更高功率和效率不断发展，定子扁线化和碳化硅的应用是热门方向。

图表5：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景

资料来源：SMM 电机资讯公众号，华泰研究

机械传动结构类型繁多，高精控制为其核心优势。机械传动即用各种形式结构传递运动和动力，主要用于转变原动机输出的动力及运动形式以满足工作机需求。相较于液压、电气传动，机械传动主要优点包括：传动比准确、实现回转运动的结构简单、能传递较大的扭矩、传动效率高；但机械传动存在功率质量比低、响应速度较慢、无级变速结构复杂等缺点，故主要适用于速度不高的有级变速传动。典型机械传动装置包括主要用于旋转运动的减速器、主要用于直线运动的丝杠，两者均是人形机器人执行器的重要零部件。综合各类精密机械传动零部件技术壁垒及海外龙头发展历程，我们认为在高精机械传动国产替代的路上，材料、设备、工艺、验证缺一不可。

图表6：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

技术进步+巨头入局+政策激励下，包含三大传动的人形机器人产业提速发展。在决策层，大模型使机器人理解自然语言，泛化能力增强，RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息，实现了“手脑协调”。在感知层，六维力/关节扭矩传感器是人形机器人知“轻重”的力控核心，具备高价值和高壁垒，而触觉是机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先。在执行层，机械传动广泛存在于各关节中，电气传动中准直驱方案扭矩密度更高，未来渗透率有望提升。我们认为人形机器人是形如机器人的智能体，多模态大模型的快速发展将提升人形机器人的智能化水平，加快人形机器人产业化进程。

图表7：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023年人形机器人产业提速

资料来源：各政府官网，各公司官网，华泰研究

在后续的报告中，我们将系统分析三大经典传动——液压传动、电气传动、机械传动，并说明其在具身智能中的应用。

液压传动：机械大力士

液压系统：机械大力士，千亿市场大而不强

液压系统为动力传递与控制装置，用于实现机械能-液压能-机械能的转换。机械设备一般由原动机、传动装置、控制系统和工作机构等构成，其中传动装置的作用是把原动机输出的能量和动力经过各种形式的转换后传送给工作机构，实现机器对外做功。根据工作介质（传动件）区分，机械设备主要包括三种传动方式：机械传动、电气传动、流体传动。液压传动属流体传动范畴，以具有连续流动性的油液为工作介质，利用压力能进行动力的传递、转换与控制。除液压传动外，流体传动也包括气压传动。

液压系统基本原理为液体的静压传动：利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，经过各种控制阀与管路的传递，借助于液压执行元件（缸或马达）把液体压力能转为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动或回转运动。液压系统工作机构推力的大小，取决于油液的压力高低和液压缸活塞面积的大小，而工作机构运动速度的快慢取决于在一定时间内进入液压缸流量的多少。

图表8：液压千斤顶工作原理图

资料来源：张兴辉《快速看懂液压气动系统图》（2017），华泰研究

液压系统具多种分类方式。液压系统分类形式较多，如可根据油液循环方式分为开式、闭式；可根据用途分位固定机械用与行走机械用；可根据工作特点分为液压传动、液压控制、混合液压等。

图表9：液压系统主要分类方式

分类方式	系统名称	描述	应用领域
按执行元件速度调节与控制方式分类	阀控制系统	通过改变液压阀的节流口开度控制流量，从而控制执行元件的速度。由于存在节流和溢流损失，故通常效率较低。	各种液压机械
	泵排量控制系统	通过改变变量泵的排量进行速度无级控制，或通过多台定量泵组合供液来控制流量进行有级速度控制；由于无节流和溢流损失，故效率较高，但结构复杂、响应速度慢。	适合大功率而响应速度要求不高的机械设备使用，如压力加工机械、橡胶塑料机械等
	泵转速控制系统	泵转速控制系统即变频调速泵控制系统，是通过改变驱动泵的电动机转速改变泵的输出流量.实现系统的流量调节和执行元件的速度控制。尽管此种系统因变频器价昂，制造成本较高，但由于可以减小油箱容量和-介质消耗，能量损失小，运行成本较低，故应用日渐增多
	执行元件控制系统	通过改变变量液压马达排量(或通过多定量液压马达组合)工作或通过改变复合液压缸作用面积来控制流量，从而控制速度。与泵排量控制系统类似，此类系统由于无节流和溢流损失，故效率较高。	主要用于行走机械及压力加工机械等液压机械
按油液循环方式分类	开式系统	液压泵从油箱吸油，执行元件回油返回油箱。工作液在油箱中冷却及沉淀后再进入工作循环；系统需要较大容积的油箱；执行元件换向和调速一般采用液压阀。	应用最为普遍
按油液循环方式分类	闭式系统	执行元件排出的油液返回到泵的进口，系统效率较高，需用补油装置补油，并用冲洗阀换油进行热交换
按用途分类	固定机械用系统	固定机械用系统多为开式系统，包括用于各类工业机械如机床(工件夹紧、工作台进给、换向、主轴驱动)、压力机(压制、压边、换向、工件顶出)、压铸机及注塑机(合模、脱模、预塑、注射机构)甚至公共设施如如医疗器械、垃圾压榨等机械设备和工作装置中的系统	描述
	行走机械用系统既有开式系统也有闭式系统，包括用于车辆行驶(行走驱动、转向、制动及其工作装置)、行走机械用系统如描述物料传送装卸搬运设备(传递机构、转位机构)以及航空航天装置、船舰中的各种系统
按工作特征分类	一般为不带反馈的开环系统，以信息传递为次，追求传动特性的完善。系统的工作特性由各组成液压元件应用较为普遍，大多数工业机液压传动系统的特性和它们的相互作用来确定，其工作质量受工作条件变化的影响较大。械液压系统属于此类
	多为采用伺服阀等电液控制阀组成的带反馈的闭环系统。以传递信息为主，以传递动力为次，追求控制特高精数控机床及加工中心、冶液压控制系统性的完善。由于加入了检测反馈，故系统可用一般元件组成精确的控制系统，其控制质量受工作条件变化金、航空航天等领域应用广泛的影响较小。
	混合液压系统现代液压机械的动力传递和控制均较重要，液压传动系统和液压控制系统在具体结构上往往融为一体

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质五大基本部分组成。液压系统一般由液压元件（即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件）与工作介质两大部分组成，能够实现某种功能的液压元件组合在一起称为液压回路（按用途可进一步划分为压力控制、速度控制、方向控制和多缸动作控制等多种回路），多个液压回路按一定方式连接即组成液压系统。

图表10：液压系统组成概览

组成部分	示例	功能	主要产品
动力元件		将带动它工作的发动机、电动机或其他原动机输入的机械能转换成流动液体的压力能，向整个液液压泵压系统提供动力，是液压系统的心脏
控制元件		无级调节执行元件的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流动方向进行调节控制，保证执行元件完成预定的动作	各种压力、流量和方向液压阀及以上液压阀的集成系统
执行元件		将流动液体的压力能转换为机械能，驱动各工作部件作回转运动或直线往复运动提供必要的条件使液压系统得以正常工作：对液	液压马达、液压缸
辅助元件		压系统进行监测和反馈，保证液压系统可靠、稳油箱、过滤器、油管与管接定、持久地工作；用来存放、提供和回收工作介头、密封装置、蓄能器、热质（油液）；滤除介质中的杂质、保持系统正常交换器以及各种指示器和控工作所需介质的清洁度；实现元件之间的连接及制仪表等传输载能介质；显示系统压力、温度等
工作介质		液压系统用工作介质作为传递能量的介质，其性各种矿物油、乳化液和合成能会直接影响到液压传动的工作	型液压油

资料来源：艾迪精密，华泰研究

液压泵阀技术难度相对较高。根据恒立液压公告，各类液压元件中，泵阀相较于油缸而言成本占比、技术及价值含量更高；以挖掘机应用为例，高压油缸仅占液压系统成本的15%-18%，液压泵阀在液压系统的价值则占比高达 60%。此外，从各类产品国产化率情况来看（可参考图 17），液压阀国产化率仅为 4%，且贸易逆差最大，国产替代空间广阔。

大功率与自动化控制优势突出，液压传动广泛应用于工业机械

液压传动拖动负载及操纵控制优势显著，广泛应用于工业机械。相较于其他传动方式，液压传动主要优点包括：①相同功率下，液压传动装置的重量轻、体积小、结构紧凑，液压马达体积和重量只有同等功率电动机的 12%左右；②可在大范围内实现无级变速（调速范围可达 1：2000），也可在液压装置运行过程中进行调速；③运动件的惯性小，能够频繁迅速换向，往复回转运动可达 500 次/分，往复直线运动可达 1000 次/分；且传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸振，并能自动防止过载；④与电气配合，较容易实现自动化。其缺点主要在于：①液压传动效率较低，经过两次能量转换后，存在一定机械能与液压能的损失；②液压传动系统工作压力较高，控制元件制造精度高，系统成本较高；③系统工作过程中发生故障不易诊断，容易产生泄露；④因有泄露与弹性变形大，不易做到精确定比传动；⑤液压油液的性能及使用寿命受温度影响较大，适用的环境温度比机械传动小。液压传动突出优点在于其可输出较大的推力或转矩，可实现低速大吨位运动，基本所有工程领域均有应用液压传动，且在大功率、自动化控制时，液压传动优势显著。

图表11：液压传动与其他传动方式对比

传动特性

机械传动

电气传动

流体传动

液压传动气压传动

以有压液体或气体为工作介质，通过动力元件把原通过机械构件如杠杆、凸利用电力设备，通过调节动机输出的机械能转化为液体或气体的压力能，进轮、齿轮、轴、皮带、链电参数来传递或控制能量而借助管道和控制元件把有压液体或气体输送到执条等把能量和动力传送给和动力行元件，从而把压力能转换为机械能，驱动负载直工作机构线/回转运动

定义功率与质量比转矩与转动惯量比

小

大大高

中等中等

小

响应速度可控性负载刚度

低差

中等中等

低

好

中等

差

大大

调速范围小控制精度高优缺点总结杂；机械传动中齿轮传动应用典型应用场景最广，用于机器人等智能装备及各类机械装置中

中等

高

一般

优点：传动准确可靠、制造

优点：能量传递方便，信号

度调节容易，操纵省力等；点：温度影响较大，传动率低，传动精度较差；工程机械、压力机械等大功率应用场景；机床等需无级变速应用场景；航空工业等对功率与质量比较敏感应用场景

优点：结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失小等；缺点：空气易压缩，负载对传动特性的影响较大，工作压力低，只适合于小

容易、操作简单、维护方便

传递迅速，

易于实现自动化；缺点：运动平稳性差，易受缺外界负载影响，惯性大，起效

动及换向慢，成本较高等；所有工作机械均有应用

较高等；

机械传动中齿轮传动应用

功率传动电子工业、包装机械、食品机械等小功率应用场景

资料来源：李壮云《液压元件与系统》（2019），华泰研究

液压传动为最常见流体传动方式。虽同属流体传动，但液压传动相较气压传动在功率与质量比、转矩与转动惯量比、响应速度、可控性、负载刚度、调速范围等方面均具优势，应用更为广泛，在流体传动中占比超 70%，故讨论流体传动一般重点讨论液压传动。

图表12：流体传动中液压传动占比超过 70%

资料来源：中国液压气动密封件工业协会，华泰研究

国内液压千亿市场大而不强，高端液压件仍待进口替代

全球液压工业已进入成熟发展阶段，我国为第一大液压市场。根据国际流体动力统计委员会，2021 年全球液压市场规模已达 304 亿欧元（约合人民币 2000 亿）。我国液压市场规模全球占比持续提升，由 2010 年的 27%，提升至 2021 年的 35%，我国已成为全球第一大液压市场。

图表13：全球液压市场规模 2011-2021 CAGR 3.1%

资料来源：国际流体动力统计委员会，易普咨询，华泰研究

图表14：我国液压市场规模 2011-2021 CAGR 4.7%

资料来源：国际流体动力统计委员会，易普咨询，华泰研究

图表15：我国液压市场全球占比持续提升

资料来源：国际流体动力统计委员会，易普咨询，华泰研究

图表16：中、美液压市场全球占比近 70%（2020）

资料来源：国际流体动力统计委员会，华泰研究

我国液压传动渗透率有待提升，液压市场规模有望进一步增长。根据World Bank 与国际流体动力统计委员会 2020 年数据，美国制造业增加值仅约我国的 60%，但液压市场规模几乎与我国持平，对比中、美液压产品销售额与制造业增加值比，美国约为 0.52%，我国仅为 0.32%，表明我国液压传动制造业渗透率略低于美国。从应用场景来看，我国下游应用集中度较美国更高，第一大应用领域-工程机械占比超 40%（2019），而美国则仅为 26%，进一步验证我国下游应用场景犹待开发。整体来看，我国液压应用渗透率仍有提升空间，液压传动市场规模有望进一步增长。

图表17：中国制造业增加值高于美国但液压销售占比偏低（2020）

资料来源：World bank，国际流体动力统计委员会，华泰研究

图表18：国内液压市场下游应用场景相较美国更为集中（2019）

注：内圈为美国，外圈为中国
资料来源：NFPA，中国液压气动密封件工业协会，华泰研究

我国液压工业起步较晚，大而不强，高端产品仍待进口替代。海外视角，17 世纪中叶，帕斯卡提出静压传递原理，为液压传动发展奠定理论基础；20 世纪 30 年代，受益于工艺制造水平提升，液压元件开始生产，并首先应用于机床；20 世纪 50-70 年代，液压传动技术进入高速发展期，快速渗透进入下游应用领域。相较于海外，我国液压工业起步较晚，20世纪50年代才开始生产仿苏设备应用于机床，20世纪60年代才逐步产生独立的液压行业。尽管近年来我国液压行业发展迅速、市场规模持续扩大，但由于起步晚，我国液压产业持续落后于德国、美国、日本的液压产业体系，整体大而不强，下游主机厂商持续依赖进口，并形成恶性循环。

图表19：我国液压行业发展历程

资料来源：智能制造网，亿宇科技，华泰研究

图表20：我国液压件进口额约为出口额 2 倍

资料来源：国际流体动力统计委员会，普易咨询，华泰研究

主要液压元件贸易逆差逐步收窄，但进出口价差仍高。根据海关总署数据，我国液压油缸2016 年起即实现贸易顺差，液压马达 2019 年以来贸易逆差逐步收窄，液压泵 2020 年以来贸易逆差逐步收窄，液压阀 2022 年贸易逆差显著收窄。但从进出口价差上来看，2022 年液压油缸、液压马达、液压泵进口单价分别约为出口单价的 2.0 倍、5.9 倍、5.5 倍，进出口价差仍大，表明高端液压件仍部分依赖进口，液压阀进出口单价差异虽小，但贸易逆差最大，仍待国产替代。结合海关总署与国际流体动力统计委员会数据估算，2021 年我国液压缸、液压马达、液压泵、液压阀国产化率分别约为 89%、70%、60%、4%，但考虑到部分海外企业国内建厂、国内销售金额不统计于进口额中，实际国产化率或更低，结合进出口价差情况，实际的高端液压件国产化率也或处于较低水平。

图表21：液压油缸2016年起已实现贸易顺差，进口单价约为出口2倍

注：海关编码 84122100
资料来源：海关总署，华泰研究

图表22：液压马达2019年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口6倍

注：海关编码 84122910
资料来源：海关总署，华泰研究

图表23：液压泵 2020 年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口 6 倍

注：海关编码 84135031、84135039、84136022、84136032资料来源：海关总署，华泰研究

图表24：液压泵中仅齿轮泵 2022 实现贸易顺差

注：海关编码 84135031、84136022、84136032资料来源：海关总署，华泰研究

图表25：液压阀 2022年出口单价已高于进口，但贸易逆差最大

注：海关编码 84812010资料来源：海关总署，华泰研究

图表26：主要液压元件国产化率估计（2021）

注：海关编码 84135031、84136022、84136032、84812010资料来源：海关总署，国际流体动力统计委员会，中国液压气动密封件工业协会，华泰研究估算

钢材为主要原材料，工程机械为主要应用领域

液压件材料成本占比最高，钢材为主要原材料。液压系统上游包括原材料、配件、工作介质等配套。根据艾迪精密，2022 公司液压件成本结构中，直接材料成本占比达 65%。液压元件中液压缸、液压泵、液压阀、液压马达产品附加值高、价值量占比较大，分析邵阳液压、万通液压的液压泵、液压油缸原材料采购情况，钢材均为主要原材料。

图表27：液压系统产业链概览

注：液压件成本结构采用艾迪精密 2022 数据，液压泵成本结构采用邵阳液压 2020 原材料采购数据，液压油缸成本结构采用万通液压 2019 原材料采购数据；资料来源：艾迪精密，邵阳液压，万通液压，福士特，中国液压气动密封件工业协会，华泰研究

液压产品应用广泛，工程机械为最主要应用领域。液压传动可输出较大的推力，基本所有工程领域均有应用，根据中国液压气动密封件工业协会对 2022 年国内液压行业重点联系企业销售情况的统计，工程机械为液压产品最主要应用领域，应用占比达 60%。对比工程机械龙头、液压龙头销售情况，二者同比增速变动趋势亦基本一致；但液压件具备更高的市场与产品品类开拓弹性，液压企业上轮工程机械周期底部及本轮工程机械周期上行阶段表现均好于工程机械企业。

图表28：液压企业与工程机械企业营收同比增速变动趋势相似

注：工程机械营收增速采用三一重工、徐工机械、中联重科营收平均后的同比增速资料来源：Wind，华泰研究

国内恒立液压一枝独秀，龙头规模仍具提升空间

全球液压行业整体集中度较高，美日欧企业垄断高端市场。全球液压行业 CR3 约 34%，集中度较高，龙头公司集中于美、日、欧国家，主要为德国博世力士乐、美国派克汉尼汾、丹麦丹佛斯（2021 收购美国伊顿液压业务）、日本川崎重工、日本 KYB。海外龙头发展历程长、产品品类丰富、营收规模大，全球高端液压件市场亦基本被海外龙头垄断。

国内恒立液压一枝独秀，营收规模已逐步赶超海外。国内液压件企业规模普遍较小，上市公司中，目前仅恒立液压营收规模超 50 亿，市占率超 10%。2022 年恒立液压液压件相关业务收入 82 亿元，已超过日本川崎重工、日本 KYB 液压件相关营收。

国内液压企业产品品类、应用领域、销售市场仍待拓展，规模仍具提升空间。对比国内、海外龙头，国内龙头产品品类与应用领域相对单一，液压件主要应用于工程机械领域；此外，国内企业全球化布局能力偏弱，市场主要集中于国内。国内液压企业产品品类仍待拓展、国际市场有待开拓，规模仍具提升空间。

图表29：全球液压龙头及国内液压上市公司情况概览

国别	公司	代码	成立时间	总营业收入（2022）（亿元）	液压件营业收入	产品布局					综合
国别	公司	代码	成立时间	总营业收入（2022）（亿元）	(2022）（亿元）	液压泵	液压阀	液压马达	液压缸	液压辅件	毛利率
德国	博世力士乐	=	1795	522.4 未披露		△ △ △			△	△	未披露
美国	派克汉尼汾	PH. N	1917	1104.7	264. 36	▲ △ △			▲	△	28. 2%
丹麦	丹佛斯(2021收购伊顿液压业务)	1	1911(伊顿)
				761.3	377. 60		/		/
				761.3	377. 60		/		/	▲	32.2%
日本	川崎重工	7012. T	1878	903.5	80.11					△	19.3%
日本	KYB	7242. T	1919	225.8	72. 20				▲	△	19.8%
	恒立液压	601100. SH	2005	82.0	82.0				△	△	40. 6%
	艾迪精密	603638. SH	2003	20. 2 20.2							28.9%
	长龄液压	605389. SH	2006	9.0 6.5						△	24.5%
	邵阳液压	301079. SZ	2004	3.0 2.8		A		▲	▲		29.4%
中国	福事特	301446. SZ	2005	4.6	3.5					液压管路系统	38.1%
中国	万通液压	830839. BJ	2004	5.0	4.5		/				21.8%
	威博液压	871245. BJ	2003	3.0	3.0	▲	▲				20.2%
	利通科技	832225. BJ	2003	3.7	3.6	液压橡胶软管					38.0%
	唯万密封	301161. SZ	2008	3.4 2.5		液压密封件					38.5%
	海宏液压	A23128.SZ	1997	5.5 5.0		40.4%

注：液压件营业收入统计口径：派克汉尼汾采用多元化工业分部驱动系统+航空分部液压件营收；丹佛斯采用动力解决方案业务营收；川崎重工采用精密机械与机器人分部中液压件及系统营收；KYB 采用液压件营收；恒立液压采用总营收；艾迪精密采用总营收；长龄液压采用张紧装置+中央回转接头营收；邵阳液压采用液压柱塞泵+液压缸+液压系统营收；福事特采用液压管路系统营收；万通液压采用自卸车专用油缸+机械装备用缸营收；威博液压采用总营收；利通科技采用各类软管营收合计；唯万密封采用液压密封件、液压密封包营收；海宏液压采用液压阀营收；综合毛利率均采用最新财报数据。资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

图表30：全球液压行业 CR3 约 34%（2021）

注：同上，采用各公司液压件相关收入，其中，博世力士乐液压元件相关收入未披露，采用总营收口径；伊顿采用 FY2021 财报披露的液压件营收数据；资料来源：各公司官网，国际流体动力统计委员会，华泰研究

图表31：内资上市液压公司仅恒立液压市占率超 10%（2021）

注：因各公司规模较小，直接采用总营收口径资料来源：Wind，国际流体动力统计委员会，华泰研究

图表32：恒立液压国际收入占比约 20%（2022）

资料来源：Wind，华泰研究

图表33：博世力士乐海外收入占比约 80%（2022）

资料来源：博世力士乐官网，华泰研究

液压系统拆分：五大部分各司其职、相辅相成

如前所述，液压系统主要由动力元件、执行元件、控制元件、液压辅件、工作介质五大部分组成，根据中国液压气动密封件工业协会 2021 年数据，协会重点联系企业动力元件、执行元件、控制元件、液压辅件生产价值量占比分别为 16%、47%、12%、12%。

动力元件：机械能转化为液压能

动力元件主要为液压泵，以油液为介质传递动能。液压泵主要作用在于将原动机的机械能转变为液压能，以给液压系统提供具有一定压力和流量的压力油。液压泵均为容积式，主要依靠密封工作腔容积的变化实现吸油和压油。液压泵可按挤子结构、排量是否可调以及可输出油液方向进行分类，其中，按挤子结构，液压泵可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵，为最常见分类形式。液压泵主要性能参数包括压力（工作压力、额定压力、最高允许压力）、流量（流量=排量×转速）、效率（容积效率、机械效率、总效率）。

图表34：单柱塞液压泵工作原理

资料来源：王晓晶《新型液压元件及选用》（2020），华泰研究各类液压泵结构原理、运转方式、性能特点各异，应用场景差异较大。液压泵需与液压机的工况、功率大小、系统对工作性能的要求相适配。一般而言，负载小、功率小的机械设备，选择齿轮泵、双作用叶片泵；负载大、功率大的机械设备（如龙门机床）选择柱塞泵；精度要求较高的机械设备（如磨床）选择双作用叶片泵；辅助型液压系统（如送料设备）选择齿轮泵。工程机械领域主要应用柱塞泵，齿轮泵、叶片泵亦有一定应用，但场景存在差异，如中大型挖掘机主要应用容积效率更高的轴向柱塞泵作为主泵（给液压马达、液压缸供油，），用容积效率较低的齿轮泵作为先导泵（给分配阀供油）1，推土机、装载机及各种行走式起重机等工作环境较恶劣的工程机械亦有应用经济性好、耐用性强的齿轮泵。

图表35：液压泵主要分类形式

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

图表36：液压泵按挤子结构分类情况及工作原理概述

	简述	分类		示例	工作原理	优点	缺点
齿轮泵	齿轮泵是以成对齿轮啮合运动完成吸油和压油动作的一种壳体承压型定量液压泵，为液压泵中	外啮合齿轮泵			原动机通过传动轴3与键4带动主动齿轮2旋转，右侧吸油腔内的齿轮逐渐脱开啮合，密封工作腔容积增大形成真空，油液进入泵内，并随泵轴及齿轮的转动进入左侧压油腔；压油区由于齿轮逐渐进入啮合，密封工作腔容积不断减小，油液被挤压经压油口输出到系统中	结构简单、制造方便、价格低、体积小、重量轻、工作可靠、维护方便、自吸能力强，对油液污染不敏感	容积效率低、轴承及齿轮轴上承受的径向载荷大，不适合高压使用，此外，存在流量脉动大、噪声较大等问题
齿轮泵	结构最简单、价格最低、产量及用量最大的泵，有外啮合与内啮合两类，外啮合应用较多	内啮合齿轮泵		外出轮	与外啮合齿轮泵相似，随齿轮旋转，各密封腔容积发生变化，完成吸油、压油动作	结构紧凑、尺寸小、重量轻、使用寿命长、压力脉动和噪声都较小，高转速下可获得较大的容积效率	齿形复杂、加工精度要求高、造价贵
叶片泵	叶片泵是靠叶子、定子、转子间构成的密闭工作腔容积变化实现吸油、压油的一类壳体承压型液	双作用叶片泵			原动机经传动轴6带动转子2按照顺时针方向旋转，由于离心力与叶片槽底部所通压力油的作用，叶片3顶部紧贴定子内表面，起到密封作用。当叶片3从定子1内表面的小圆弧区向大圆弧区移动时，密封工作腔的容积逐渐增大，通过配油盘4上左上角和右下角的吸油窗口吸油；当从大圆弧区向小圆弧区移动时，密封工作腔的容积逐渐减小，通过配油盘4左下角和右上角的压油窗口吸油。转子2每转动一周，每一个叶片在槽内往复滑动2次	两个吸排油腔对称布置，转子上所受也压力相互平衡，轴和轴承寿命较长；	定子结构复杂；只能做定量泵
叶片泵	杂程度和制造成本介于齿轮泵和柱塞泵之间。按每转吸油、压油次数，分为双作用式泵和单作用式泵	单作用叶片泵			原动机经传动轴1带动转子2转动，处于压油区的叶片4在离心力及通入叶片根部压力油的作用下，叶片4顶部紧贴在定子3内表面，从而使两相邻叶片4、配油盘6、定子3、转子2间形成与叶片数量相同的若干个密封工作腔。转子2逆时针方向转动，右侧叶片从槽内向外伸出，工作腔容积逐渐增大，通过右侧的吸油口和配油盘6上的腰型窗口吸油；左侧的叶片向槽里缩进，工作腔容积逐渐减小，通过左侧配油盘的窗口和压油口排油。转子每转一次，完成吸油、压油动作各一次	运转平稳、压力脉动小、噪声小、结构紧凑、尺寸小、流量大	收到来自压油腔的单向液压力作用，轴和轴承寿命较短，不适合高压；对油液要求高，如油液中有杂质则叶片容易卡死；
柱塞泵	柱塞泵是靠柱塞在专门的缸体中往复运动进行吸油和压油的一类液压泵。其壳体只起到连接和支撑各工作部件的作用，属于壳体非承压型泵	轴向柱塞泵	斜盘式(直轴式）		当缸体旋转，在0°～180°范围内，柱塞3由上止点(对应0°位置)开始伸出，柱塞腔容积不断增大，直至下止点(对应180°位置)为止，在此过程中，柱塞腔刚好与配油盘5的吸油窗口相通，油液被不断地吸入到柱塞腔内，吸油过程完成。随着缸体的继续旋转，在180°~360°范围内，柱塞3在斜盘的约束下由下止点开始缩回腔内，柱塞腔容积不断减小，直至上止点为止，在此过程中，柱塞腔刚好与配油盘5的压油窗口相通，油液通过压油窗口排出，压油过程完成	结构紧凑、径向尺寸小、惯性小、容积效率高，	轴向尺寸较大，轴向作用力较大，结构复杂
		轴向柱塞泵	斜轴式		当原动机带动泵的传动主轴1旋转时，由连杆2-柱塞3副交替“拨动”缸体4，在具有腰形窗口的配油盘6上绕缸体中心做滑动旋转，柱塞3同时在缸体孔中做往复运动，使缸体孔中的密封腔容积不断发生变化。当柱塞3由下止点向上止点运动时便获得一个吸油行程，通过吸油口及配油盘6的腰形吸油窗口将油液吸入缸体；当柱塞3由上止点向下止点运动时，获得压油行程，将充满缸体孔里的油液经配油盘6和出油口排出	目前最高压力可达40MPa	轴向尺寸较大，轴向作用力较大，结构复杂
		径向柱塞泵			沿转子2的半径方向均匀分布有若干个柱塞缸，柱塞1可在其中灵活滑动。衬套与转子内孔是紧配合，随转子一起转动。配流轴5固定不动。当转子2转动时，由于定子4内圆中心和转子2中心之间有偏心距e，于是柱塞1在定子4内表面的作用下，在转子2的柱塞缸中作往复运动，实现密封容积变化，完成吸油压油过程	体积大，重量大，耐冲击性好	径向尺寸大，转动惯量大，结构较复杂，自吸能力差；配流轴受到较大径向载荷，易变形，磨损快，且配流轴上的封油区尺寸小，易漏油，限制了泵的工作压力和转速的提高；应用范围较小

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

图表37：各类液压泵性能参数比较及应用范围情况

性能参数	齿轮泵			叶片泵		柱塞泵
	外啮合	内啮合		双作用	单作用	轴向			径向输配油
	外啮合	摆线式	渐开线式	双作用	单作用	直轴端面配油	斜轴端面配油	阀配油	径向输配油
压力范围Mpa	≤25	1.6~16	≤30	6.3-32	≤6.3	≤10	≤40	≤70	10~20
排量范围（ml/r)	0.3~650	2.5~150	0.8~300	0.5~480	1~320	0.2~560	0.2~3600	≤420	20~720
转速范围（r/min)	300~7000	1000~4500	1500~2000	500~4000	500~2000	600~2200	600~1800	≤1800	700~1800
最大功率kw	120	120	350	320	30	730	2660	750	250
容积效率%	70~95	80~90	≤96	80~94	85~92	88~93	88~93	90~95	80~90
总效率%	63~87	65~80	≤90	65~82	64~81	81~88	81~88	83~88	81~83
功率质量比	中	中	大	中	小		大		中
最高自吸能力kPa	50	40	40	33.5	33.5	16.5	16.5	16.5	16.5
流量脉动%	11~27	≤3	1~3	≤1	≤1	1~5	1~5	<14	<2
噪声	中	小		中			大		中
污染敏感度	小	中		中		大	中大	小	中
流量调节		不能		不能	能	能
价格	最低	低中		中低	中	高
应用范围	-般常用于机床液压系统及低压大流量系统或控制系统。中高压齿轮泵常用于工程机械、航空、造船等领域			各类机床设备、注塑机、运输装卸机械、液压机、工程机械	多用于中、低压液压系统，常用于精密机床及功率较大设备上，如高精度平磨、塑料机械等，组合机床液压系统中使用较多	在各类高压系统中应用广泛，如冶金、锻压、矿山、起重机械、工程机械、造船			多用于10MPa以上的各类液压系统中，由于体积大，重量大，耐冲击性好，故常用于固定设备，如拉床、压力机或船舶

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），宁辰校《液压与气动技术》（2017），华泰研究

执行元件：液压能转化为机械能

液压执行元件将液压能转换为机械能，主要包括液压马达和液压缸。液压执行元件是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，主要依靠压力油液驱动与其外伸杆或轴相连的工作机构运动而做功，液压执行元件主要包括液压马达和液压缸。

液压马达：将液压能转换为回转运动机械能，液压泵的镜像应用

液压马达将液压能转换为回转运动机械能，依靠密封工作腔容积变化工作，与液压泵结构基本相同。液压马达是将液压能转换为回转运动机械能的执行元件，工作原理上，液压马达与液压泵类似，均依靠密封工作腔容积变化而工作，但由于能量转换方向不同，二者结构上互逆，液压马达为液压泵的镜像应用。与液压泵相似，液压马达按其结构类型也可分为齿轮式、叶片式、柱塞式，此外，按照额定转速可分为高速、低速两类；按照所能传递的转矩大小可划分为小转矩、中转矩、大转矩三类；按照每转中工作副的作用次数，可分为单作用式和多作用式两类。

图表38：轴向柱塞式液压马达工作原理

资料来源：宁辰校《液压与气动技术》（2017），华泰研究

当压力油输入时，处于高压腔中的柱塞伸出，压在斜盘1上。设斜盘1对柱塞2的反作用力为F，力F的轴向分力Fx与作用在柱塞上的液压力平衡，而径向分力Fy则使处于高压腔中的柱塞都对转子中心产生一个转矩，使缸体3和马达轴旋转。

图表39：液压马达与液压泵对比

	液压马达	液压泵
能量转换	将液压能转换成机械能，强调机械效率	将机械能转换成液压能，强调容积效率
动力	靠输入的液压动力来启动工作。输入的靠原动机（电动机或内燃机）带动。输入的是	是具有一定压力和流量的油液，输出转转速和转矩，输出的是具有一定压力和流量的
转向	速和转矩有正反转要求	油液一般为单向旋转
轴转速	变化范围大，有高有低	相对稳定，且转速较高
运转状态	有可能长时间运转或停止运转，温度变化大	通常为连续运转，温度变化相对小
进、出油口	进、出油口直径相同	进、出油口直径不同
配油机构	对称	不对称
自吸性	依靠压力油工作，不需有自吸能力	必须有自吸能力
防止泄露方式	马达双向旋转，高、低压油口相互交换。泵作马达时应外泄漏，以免回油背压过高，压力冲击损坏密封圈	常为内泄漏，内泄口直接与泵吸油口相通
效率要求	出转矩，满足拖动负载的要求	希望有较高的机械效率，以得到较大输一般要求有较高的容积效率，以减少泄漏，保持应有的工作压力

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），凤鹏飞《液压与气压传动技术》（2012），华泰研究

图表40：各类液压马达性能参数比较及应用范围情况

性能参数	齿轮式		叶片式		柱塞式
	外啮合	内啮合	单作用	双作用	轴向		径向
	外啮合	内啮合	单作用	双作用	斜盘式	斜轴式	径向
额定压力范围Mpa	16~20	14	16	16	31.5	31.5	25
最高压力范围Mpa	20~25	20	20	25	40	40	29.3
排量范围（ml/r)	5.2~160	80~1250	10~200	50~220	2.5~560	2.5~3600	188~6800
最小转速范围(r/min)	150~500	10	100	100	100	100	3~5
最大转速范围(r/min)	2500	800	2000	2000	3000	4000	500
容积效率%	85~94	94	90	90	95	95	>95
总效率%	77~85	76	75	75	90	90	90
启动转矩效率%	75~80	76	80	80	85~90	90	>90
噪声	较大	较小	中	较小	大	较大	较小
抗污染敏感度	较好	较好	差	差	中	中	较好
价格	最低	低	较低	低	较高	高	较高
应用范围	钻床、通风设备		磨床回转工作台、机床操纵机构		起重机、铰车、铲车、内燃叉车、数控机床、行走机械		塑料机械、行走机械、挖掘机、拖拉机、起重机、采煤机

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），凤鹏飞《液压与气压传动技术》（2012），华泰研究

液压缸：将液压能转换为往复直线运动机械能

液压缸将液压能转换为往复直线运动机械能，为应用最广执行元件。液压缸俗称油缸，是将液压能转换为往复直线运动或往复摆动机械能的执行元件，主要依靠压力油液驱动与其外伸杆相连的工作机构运动而做工。液压缸种类较多，一般按其结构特点划分为活塞式、柱塞式和组合式三类。液压缸常用性能参数为液压功率（压力、流量）和机械功率（输出推力、运动速度）。

图表41：双作用液压缸主要原理

资料来源：刘银水等《液压元件与系统》（2019），华泰研究

图表42：液压缸分类

类别和名称		简述
	活塞式液压缸	液压力推动活塞正向运动，反向运动依靠外力或弹簧力复位
	柱塞式液压缸	液压力推动活塞正向运动，反向运动依靠外力，其行程比较长有多个依次运动的柱塞，动作顺序按作用面积的大小进行，由外
	单作用式伸缩式单作用液压缸	力使柱塞返回，各级速度不同
	多级同步液压缸	有多个同步运动的柱塞，除了行程长以外，液压缸的总速度是各级柱塞速度之和
双作用式增压器	单活塞杆液压缸	液压力使活塞实现双向运动，带或不带缓冲功能，缓冲装置有可调式和固定式
	双出杆液压缸	液压力使活塞实现双向运动，带或不带缓冲功能，缓冲装置有可调式和固定式
	增压液压缸	伸缩式柱塞液压缸有多个依次运动的柱寒，行程比较长，特殊设计时也可同步伸缩由两个不同的压力室组成，提高小活塞腔中压力值
摆动液压缸	叶片式	液压力驱动叶片带动输出轴往复摆动
	活塞式	液压力驱动叶片带动输出轴往复摆动

资料来源：刘银水等《液压元件与系统》（2019），华泰研究

液压缸一般由缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置、排气装置五大部分组成：

缸体组件：缸体组件主要包括缸筒与缸盖（包括前端盖、后端盖）。缸筒、缸盖需承受油液压力，故耐压性、耐磨性、表面精度、密封性要求较高，一般用钢和优质铸铁制成：当工作压力<10MPa 时，一般使用铸铁缸筒；当工作压力为 10MPa\~20MPa 时，一般使用无缝钢管；当工作压力≥20MPa 时，一般使用铸钢或锻钢。

2) 活塞组件：活塞组件主要包括活塞、密封件、活塞杆、连接件。其中，活塞需受油液压力，并在缸筒内往复运动，须有较好耐压性与耐磨性，一般用耐磨铸铁或钢制造，活塞杆为连接活塞和工作部件的传力零件，强度和刚性要求较高，多用钢料制造。

3) 密封装置：密封装置主要用于防止油压工作介质的泄露，并防止外界异物进入。缸体组件、活塞组件、密封装置为液压缸必需组成部分。

4) 缓冲装置：缓冲装置用于防止在活塞行程结束时，活塞与缸盖发生撞击，引起破坏性事故或严重影响机械精度，大型、高速（>0.2m/s）、高精度液压设备中的液压缸必须设置缓冲装置。

5) 排气装置：用于排除液压缸工作时积留的空气，防止其影响液压缸及其带动的工作部件运动的平稳性。一般液压缸通常不设置专门排气装置，主要通过缸的空载往复运动将空气随回油带入油箱进行分离，直至运动平稳。

液压缸已形成标准化、系列化。我国各种系列液压缸的标准化工作稳步推进，目前重型机械、工程机械、农用机械、汽车、冶金设备、组合机床、船舶等均已形成标准或系列。

控制元件：控制油液方向、压力与流量

液压控制元件为控制油液方向、压力和流量的元件。液压控制元件简称液压阀，液压阀主要通过控制调节液压系统中油液的流向、压力和流量，使得执行元件及其驱动的工作装置达到预定运动方向、推力（转矩）及速度（转速）等，以满足不同动作要求。液压阀为液压技术产品中品种规格最多、应用最广泛、最灵活的元件。液压阀可按功用、控制信号形式、阀芯结构形式、连接和安装方式分类，最常见为按功用划分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。

图表43：液压阀分类

分类形式	类型	简述
按功用	压力控制阀	用来控制和调节液压系统中液流的压力或利用压力进行控制，主要包括溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀、压力继电器
	流量控制阀	用来控制和调节液压系统中液流流量，主要包括节流阀、调速阀、温度补偿调速阀、溢流节流阀、分流集流阀
	方向控制阀	用来控制和改变液压系统中液流方向，主要包括单向阀、换向阀、多路换向阀
按控制信号形式	开关或定值控制阀	最常见的一类液压阀，又称为普通液压阀。此类阀采用手动、机动、电磁铁和控制压力油等控制方式定值控制液流的压力和流量、启闭液流通路或控制液流方向
	伺服控制阀	根据输入信号(电气、机械、气动等）及反馈量成比例地连续控制液压系统中液流的流量和流动方向或压力的阀类，又称为随动阀。伺服控制阀具有很高的动态响应和静态性能，但价格昂贵、抗污染能力差，主要用于控制精度和频响要求很高的场合
	比例控制阀	比例控制阀又可分为普通比例阀和高性能比例阀。普通比例阀可以根据输入信号的大小连续、成比例、远距离地控制液压系统中液流的压力、流量和流动方向。它要求保持调定值的稳定性，一般具有对应于10%~30%最大控制信号的零位死区，多数用于开环控制系统。高性能比例阀是一种以比例电磁铁为电-机转换器的高性能比例方向节流阀，与伺服阀一样，没有零位死区，其频响介于普通比例阀和伺服阀之间可用于闭环控制系统
	数字控制阀	数字控制阀的输入信号是脉冲信号，它根据输入的脉冲数或脉冲频率来控制液压系统的流量或压力。数字控制阀具有抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠等优点。但由于数字控制阀按照载频原理工作故控制信号频宽较模拟器件低。数字控制阀的额定流量较小，只能用于小流量控制阀或作为先导级控制阀
按阀芯结构	滑阀	滑阀类的阀芯为圆柱形，通过阀芯在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量及方向的控制
	提升阀	提升阀类有锥阀、球阀、平板阀等，利用阀芯相对阀座孔的移动来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量及方向的控制
	喷嘴挡板阀	喷嘴挡板阀是利用喷嘴和挡板之间的相对位移来改变液流通路开口的大小，以实现控制的阀类。该类阀主要用于伺服阀和比例阀的先导级
按连接和安装方式	管式阀	管式阀阀体上的进出油口通过管接头或法兰与管路直接连接。其连接方式简单，质量轻，在移动式设备或流量较小的液压元件中应用较广。其缺点是阀只能沿管路分散布置，装拆维修不方便
	板式阀	板式阀由安装螺钉固定在过渡板上，阀的进出油口通过过渡板与管路连接。过渡板上可以安装一个或多个阀。当过渡板安装有多个阀时，又称为集成块，安装在集成块上的阀与阀之间的油路通过块内的流道沟通，可减少连接管路。板式阀由于集中布置且装拆时不会影响系统管路，因而操纵、维修方便，应用十分广泛
	插装阀	插装阀主要有二通插装阀、三通插装阀和螺纹插装阀
	叠加阀	叠加阀以板式阀为基础，结构更为紧凑。阀的上下两面为安装面，并开有进出油口。同一规格、不同功能的阀的油口和安装连接孔的位置、尺寸相同。使用时根据液压回路的需要将所需的阀叠加并用长螺栓固定在底板上，系统管路与底板上的油口相连

资料来源：刘银水等《液压元件与系统》（2019），华泰研究

图表44：各类液压阀性能比较及适用场景

性能	普通液压阀(压力阀、流量阀、方向阀)	特殊液压阀
性能	普通液压阀(压力阀、流量阀、方向阀)	叠加阀	插装阀	电液伺服阀	电液比例阀
压力范围Mpa	2.5~70	20~31.5	31.5~42	2.5~31.5	≤32
公称通径mm	6~80	6~32	16~160		6~63
额定流量L/min	~1250	~250	~18000	~600	≤1800
控制方式	开关控制			连续控制
连接方式	管式、板式	叠加式	插装式	一般为板式
抗污染能力	强			差	较强
价格	低	比普通阀略高		普通阀的10倍\|	普通阀的3~6倍
应用场景	一般液压传动系统	中等流量液压传动系统	高压大流量液压传动系统	自动化程度和综合性能要求较高的液压控制系统

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

压力控制阀：控制液压系统中液体压力

压力控制阀主要用于控制液压系统中的液体压力。压力控制阀的功用是控制液压系统中的油液压力，以满足执行元件对输出力、输出转矩及运动状态的不同要求。按功能与用途可以分为溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀等。压力阀基本原理为：根据阀芯受力平衡原理，利用受控液体的压力对阀芯的作用力（即液压力）与弹簧力的平衡条件，来调节阀的开口量以改变液阻的大小。

1) 溢流阀：调节、稳定或限定液压系统的工作压力，当液体压力超过溢流阀的调定压力值时，溢流阀阀口会自动打开，使油液溢回油箱（溢流）；溢流阀可以用来构成调压、安全保护及背压等液压回路。

减压阀：利用液流流过缝隙产生的压力损失，将较高的进口压力降低为所需的压力进行输出并保持输出压力恒定；减压阀主要用于减压回路中，使单泵供油液压系统中的某一部分油路具有比主回路低的稳定压力。

3) 顺序阀：利用油液压力作为控制信号控制油路通断，从而控制多个执行元件的先后顺序动作；顺序阀与溢流阀动作原理相似，其主要区别在于：①顺序阀的出油口一般与负载油路相通，而溢流阀的出油口要接回油箱；②溢流阀的弹簧腔可以与出油口沟通，而出油口与负载油路相通的顺序阀的泄油口应单独接回油箱以免使弹簧腔有油压；③溢流阀的进油口最高压力由调压弹簧来限定，并且由于液流溢回油箱，所以损失了液体的全部能量；而顺序阀的进油口压力由液压系统工况来定，进油口压力升高时阀口将不断增大，直至全开，出油口压力油对负载做功。顺序阀可用来构成双缸顺序动作回路及平衡回路等。

4) 平衡阀：用来防止液压缸活塞因负载自重而高速下落，即限制液压活塞的运动速度。工程机械领域主要应用液控限速平衡阀。

5) 压力继电器：利用液体压力与弹簧力的平衡关系来启、闭内置的电气微动开关触点。

图表45：压力控制阀分类及工作原理概述

溢流阀

减压阀

顺序

阀

平衡阀

压力继电器

作用体

溢流阀的作用是调节、稳定或限定液压系统的工作压力，当液压力超过溢流阀的调定压力值时，溢流阀阀口会自动打开，使油液溢回油箱 (溢流)

利用液流流过缝隙产生的压力损失，将较高的进口压力降低为所需的压力进行输出并保持输出压力恒定

利用油液压力作为控制信号控制油路通断，从而控制多个执行元件的先后顺序动作

用来防止液压缸活塞因负载自重而高速下

是利用液体压力与弹簧力的平衡关系来启、闭

落，即限制液压活塞的运动速度

内置的电气微动开关触点的液电转换元件

示例

自

压力油从油口P进入阀

压力油从进油口P进入，通过阻尼孔a后作用在导阀芯8上。当进油口的压力较

来自高压油路的压力油从P1口，经滑阀阀芯3的下端圆柱台肩与阀孔间形成的常开阀口

输出压力油进入主阀芯底部，并

进口压力油经内部流道a进入柱塞6下端面，产生向上的液压作用力，当该力小于弹簧2的预

由直动式顺序阀当和单向阀两部分入

体孔内的同时，经阻

低，导阀上的液压作用力不足以克服调

尼孔g进入阀芯底部，

压弹簧9的预调力时，导阀关闭，没有油

（开度x），从P2口流向低压

经阻尼孔9进入主

当作用于阀芯底端向上的液压力较小时，

液流过阻尼孔a，故主阀芯上、下两端的为压力相等，在较软的复位弹簧3的作用

支路，同时通过流道a流入阀

阀弹簧腔和导阀

调力时，阀芯5在弹簧

柱塞1下端的油

芯3的底部，产生一向上的液

阀芯在弹簧力作用下

下，主阀芯1处在最下端位置，溢流阀进压

作用力，该力与调压弹簧4的预调力相比较。当输出压力

芯3前腔，导阀上的液压力与调压

作用下处于下方，进、出油口不相通（亦即阀常闭）。当进口压力升

构成；压力油从液进口P1流入，从预

压力达到弹簧5调力设定的开

油口压力升高到导阀上的液压作用力大

低于阀的设定压力时，阀芯3

弹簧2的设定力相

高使柱塞6下端面上的

出口P2流出时，启

压力时，作用

工作

使阀芯底端向上的液

于调压弹簧9的预调力时，导阀打开，压

处于最下端，阀口全开（x最

原理压

力大于弹簧预调力

力油即通过阻尼孔a、导阀和油道d流回

大）；当输出压力达到阀的设

平衡并使导阀开启，主阀芯上

液压力超过弹簧预调力时，阀芯5便上移，使

与先导式溢流阀相似

单向阀关闭，顺在序阀工作。反

柱塞上的液压

时，阀芯上升，直至

油箱。由于阻尼孔a（直径为0.8～

定压力时，阀芯3上移，开度x

移，通计述乐口

进油口与出油口接通，

力克服弹簧力，

减小实现减压，并维持二次压力恒定，不随一次压力变化而

实现减压和稳压

油液便经顺序阀口从出油口流出，从而驱动另

人

顶杆2上移，使微

相通，压力油液经出

力小于下端的进口压力，当主阀上、下

端压力差作用在主阀芯上的力超过主阀弹簧力、轴向稳态液动力、摩擦力和主

油口T溢流回油箱，使油口P的压力稳定在溢

P2流入，从P1

P1流

动开关4的触点闭

调节螺钉7改变弹簧4的预调力

即可改变调压弹

动作。直动式顺序阀结

出时，单向阀开

流阀的调定值。通过

阀芯自重G的合力时，主阀芯1抬起（打

来设定；直动式减压阀结构简

启，顺序阀关闭信

合，发出相应电号

簧2的设定力从而

螺钉调节弹簧的预调

开），油液从进油口P流入，经主阀口由单

，只用于低压系统或用于产

改变减压阀的输

构简单、动作灵敏，主要用于低压（低于

出压力设定值

8MPa）场合，高压场合应采用先导式顺序阀

进口压力维持在某调定值上

先导式减压阀

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

流量控制阀：控制液压系统中液体流量

流量控制阀主要通过改变阀芯与阀口之间的节流通流面积的大小来控制阀的通过流量，从而调节和控制执行元件的运动速度。流量控制阀有节流阀、调速阀和分流集流阀等，节流阀是结构最简单、应用最广的流量阀。

1) 节流阀：最简单基本的流量控制阀，借助于控制机构使阀芯相对于阀体孔运动，以改变阀口的过流面积从而调节输出流量；节流阀主要用于节流调速回路。

2) 调速阀：由节流阀与定差减压阀串联组成的流量控制阀，主要目的在于克服节流阀因前后压差变化影响流量稳定的缺陷，一般减压阀串接在节流阀之前；调速阀流量稳定性好，但压力损失较大，常用于负载变化较大而对速度稳定性又要求较高的定量泵供油节流调速液压回路中。

3) 分流集流阀：用来保证液压系统中两个或两个以上的执行元件，在承受不同负载时仍能获得相同或成一定比例的流量，从而使执行元件间以相同的位移或相同的速度运动（即同步运动），故又称同步阀。

图表46：流量控制阀分类及工作原理概述

	节流阀普通节流阀滑阀压差式单向节流阀		调速阀
是一种最简单又最基本的流量控制阀，借助于控制机作用构使阀芯相对于阀体孔运动，以改变阀口的过流面积从而调节输出流量			调速阀是一种由节流阀与定差减压阀串联组成的流量控制阀，主要目的在于克服节流阀因前后压差变化影响流量稳定的缺陷，一般减压阀串接在节流阀之前
工作原理	油液从进油口P1流入，经孔道a和节流通道6进入孔道b，再	当油液从进油口流入，经过节流口从出油口流出	液压泵的供油压力亦即调速阀的进口压力p1由溢流阀4调定后基本不变，p1经减压阀阀口降至pm，并分别经流道f和e进入c腔和d腔作用在减压阀阀芯下端；节流阀阀
		时，压力油经阀体5上的斜孔和阀芯4上的径向孔分别进入活塞上腔和下腔，使作用在阀芯4及活塞上的轴
				通道6进入孔道
	从出油口P2流出（通	（通		向液压力基本平衡，以减小手轮的调节力矩。因此，该阀在带载下也能调节节流口的大小，进而调节流经阀的流量。当油液从出油口反向流入时，油压力克服弹簧6的弹簧力，使阀芯4下移，节流口全开，油液从进油口流出而不起节流作用，此时相当于单向阀
					道和进入
	向执行元件或油箱)。调节手把4通过推杆3使阀芯2轴向移动，即可改变节流口的通流面积，实现流量的调节	口又将pm降至p2，在进入液压缸3的无杆腔驱动负载F的同时，通过流道a进入弹簧腔b作用在减压阀阀芯1上端，从而使作用在减压阀阀芯上、下两端的液压力与阀芯上的弹簧力Fs相比较

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

方向控制阀：控制液压系统中液体方向

方向控制阀用于控制液流方向，以满足执行元件启动、停止及运动方向的变换。它主要有单向阀和换向阀两类。方向控制阀的应用回路有锁紧回路、换向回路与卸荷回路等多种。方向控制阀主要包括单向阀与换向阀两类。

单向阀：单向阀包括普通单向阀、液控单向阀两类，前者只允许液流沿一个方向通过，反向液流被截止；后者除普通单向阀功能外，还可按需要由外部油压控制，实现反向接通功能；单向阀主要应用于锁紧回路，该回路广泛应用于机床夹紧机构以及汽车起重机等起吊重物机械的支腿锁紧中。

2) 换向阀：通过改变阀芯在阀体内的相对工作位置，使阀体上的油口连通或断开，从而改变液流的方向，控制液压执行元件的启动、停止或换向；换向阀包括滑阀式、转阀式和球阀式三大类，其中滑阀式应用最为广泛；换向阀可组成执行元件换向回路，并可构成卸荷回路以及执行元件串联、并联控制回路和顺序动作回路等。

图表47：方向控制阀分类及工作原理概述

单向阀液控单向阀双液控单向阀(双向液压锁）

换向阀

普通单向阀

作用

只允许液流沿一个方向通过，反除向液流被截止

普通单向阀功能外，还可按需要由外部油压控制，实现反向接通功能

是当一个油腔正向进油时，另一个油腔为反向出油

通过改变阀芯在阀体内的相对工作位置，使阀体上的油口连通或断开，从而改变液流的方向，控制液压执行元件的启动、停止或换向；换向阀包括滑阀式、转阀式和球阀式三大类，其中滑阀式应用最为广泛

示例

工作原理

当液流从P1口流入时，阀芯上的液压推力克服作用在阀芯上的出口液压力、弹簧作用力及阀芯与阀体之间的摩擦阻力，顶开阀芯，并通过阀芯上的径向孔a和轴现正向流动。当压力油液从P2口流入时，在液体压力与弹簧力共同作用下，使阀芯紧紧压在阀座上，油口P1和P2被阀芯隔开，油液不能流过，实现反向截止

简式（内泄式）：当K未通控制压力油时，其原理与普通单向阀完全相同；当K中通入控制压力油时，使控制活塞顶开主阀芯 (锥阀)2，实现油液从P2口到P1口的流动，为反向开启状态；但反向开启控制压力较高；复式（外泄式）：主阀芯（锥阀）2下端开有一个轴向小孔并由卸载阀芯封闭。当P2口的高向孔b从P2口流出，构成通路，实压油液需反向流过P1口时（一般为液压缸保压结束后的工况），控制压力油通过控制活塞1

当液压系统一条油路的液流从A腔正向进入该阀时，液流压力自动顶开左阀芯2，使A腔与A1腔沟通，油液从A腔向A1腔正向流通，同时液流压力将中间的控制活塞3右推，从而顶开右阀芯4，使B腔与

当阀芯由驱动装置操纵向左端移动一定距离时，油口P与A相通，B与T相通，便使液压源的压力油从阀的P口经A口输向液压缸左腔，液压缸右腔的油液从阀的B口经T口流回油箱，液压缸的活塞向右运动；当阀芯向右端移动一定距离时，油口P与B相通，A与T相通，液流反向，活塞向左运动

P1口

腔通路上的油液经B腔排出。当A腔或B腔都没有液流时，1腔与B1腔的反向油液被阀芯锥面与阀座的严密接触面闭 (液压锁作用)

高压油瞬即从油道e及轴向小孔与卸载阀芯下端之间的环形缝隙流出，P2口的油液压力随即 A降低，实现泄压，然后主阀芯被控制活塞顶开，使反向油流顺利通过。适用于高压大流量封系统使用

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

液压辅件&工作介质：辅助执行，不可或缺

液压辅件：动力、执行、控制元件外的各类组成元件

辅件为液压系统必要构成。液压系统辅助元件主要包括油箱、滤油器、管件、密封件、压力表、热交换器、蓄能器等，液压辅件将影响液压系统的性能、效率、温升、噪声、寿命。

1) 油箱：油箱主要用于储存工作介质、散发油液热量、分离空气、沉淀杂质、分离水分及安装元件等，油箱通常可分为整体式油箱、两用油箱和独立油箱三大类：①整体式油箱即利用主机内腔作为油箱，结构紧凑、漏油易于回收，但结构复杂性高、散热条件一般，容易使主机产生热变形；②两用油箱即液压油与设备的其他目的用油的公用油箱，该类油箱可节省空间，但由于油液必须同时满足液压系统对传动介质的要求和工件淬火、导轨润滑等其他工艺目的的要求，设计难度较大；③独立油箱与主机分开，减少油箱发热和液压源振动对主机工作精度的影响，应用最为广泛，精密机械上一般采用该类油箱。

2) 过滤器：过滤器主要用于过滤混在液压油中的杂质，降低进入系统中的油液的污染度，维持系统正常工作。按过滤精度不同，过滤器可分为粗过滤器、普通过滤器、精过滤器和特精过滤器四种，分别能滤去公称尺寸＞100μm、10～100μm、5～10μm 和1\~5μm 的杂质颗粒。按照滤芯材料的过滤机制来分，可划分为表面型过滤器、深度型过滤器和吸附型过滤器三类：①表面型过滤器的过滤作用由几何面实现，滤芯材料具有均匀的标定小孔，可滤除比小孔尺寸大的杂质；②深度型过滤器的滤芯材料一般为多孔可透性材料，内部具有曲折通道，可吸附能够透过表面孔径的、较小的污染杂质；③吸附型过滤器的滤芯材料可直接将杂质吸附在表面。

3) 蓄能器：蓄能器主要用于储存油液多余的压力能，除了作为辅助动力源外，还可用于保持系统压力、作应急动力源及吸收液压泵脉动和冲击。按储能方式不同蓄能器主要分为重力加载式、弹簧加载式和气体加载式三种：①重力加载式蓄能器利用重锤的位能变化来储存、释放能量，常用于大型固定设备中；②弹簧加载式蓄能器利用弹簧构件的压缩和变形来储存、释放能量，常在低压系统中作缓冲装置用；③气体加载式蓄能器应用较多，它利用压缩气体（通常为氮气）储存能量，主要有活塞式、皮囊式和隔膜式等结构，其中皮囊式应用最为广泛。

图表48：皮囊式蓄能器工作原理概览

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

4) 热交换器：热交换器主要用于调节液压系统工作温度，若液压系统依靠自然冷却仍不能使油温控制在允许的最高温度以下，或是对温度有特殊要求，则应安装冷却器，强制冷却；反之，若环境温度太低，液压泵无法正常启动或有油温要求时，则应安装加热器，提高油温。冷却器主要包括水冷式及风冷式两种，前者一般应用于有固定水源的场景，后者则一般用于行走机械。液压系统中使用较多的是强制对流式多管冷却器。加热器一般使用结构简单、能按需要自动调节最高和最低温度的电加热器。

5) 管件：管件主要包括油管和管接头，主要用于连接各类液压元件、输送压力油。油管有硬管、软管两类，硬管流动阻力小，安全可靠性高且成本低，除非油管与执行机构的运动部分一起移动，一般使用硬管。管接头是油管与油管、油管与液压元件之间的可拆式连接件，焊接式、卡套式和扩口式管接头应用较为普遍。

图表49：油管分类及特点

种类		特点
硬管	钢管	价格低廉、能承受高压、刚性好、耐油、耐腐蚀，但装配时不能任意弯曲，常在拆装方便处用作压力管道。高压用无缝钢管；低压用焊接管。装配时易弯曲成各种需要的形状，但承压能力较低，一般不超过
硬管	紫铜管	6.5~10MPa，抗振能力较差，又易使油液氧化，常用于液压装置配接不便之处。
软管	黄铜管橡胶管	可承受25MPa的压力，但不如紫铜管易弯曲成形。高压管由几层钢丝编织或钢丝缠绕为骨架制成，钢丝网层数越多，耐压越高，价格较高；低压管是以麻线或棉纱编织体为骨架制成。橡胶管安装连接方便,适用于两个相对运动部件之间的管道连接,或弯曲形状复杂
	尼龙管	的地方。加热后可随意弯曲、变形，冷却后固定成形，承压能力因材料而异，为
	塑料管	2.5~8MPa，目前大多只在低压管道中使用。质轻、耐油、价廉、装配方便，但承压能力低，长期使用会变质老化，只适用于压力小于0.5MPa的回油、泄油油路。

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

6) 压力表：压力表主要用于观察液压系统各工作点压力，液压泵出口、压力阀处、蓄能器进油口等均应设置测压点。压力表类型较多，最常用压力表为弹簧管式压力表。

7) 密封装置：密封装置主要用于解决液压系统泄露问题，按照工作原理可划分为非接触式密封和接触式密封两类，前者为间隙密封，即依靠相对运动件配合面之间的间隙进行密封，间隙密封摩擦力小，但磨损后不能自动补偿，主要用于直径较小的圆柱面之间，如液压泵内的柱塞与缸体之间，滑阀的阀芯与阀控之间。后者为密封圈密封，主要利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧静、动配合面之间来防止泄露，常用材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨酯等，密封圈密封结构简单、制造方便，磨损后有自动补偿能力。

工作介质：液压系统的“血液”

液压工作介质是液压系统的“血液”，其主要功用是传递能量和工作信号，对元件进行润滑、防锈，冲洗系统污染物质及带走热量，提供和传递元件和系统失效的诊断信息等。液压系统所采用的工作介质主要有通用液压油液（包括矿物型液压油、环境可接受液压油、难燃液压液）及专用液压油液两大类，其中，矿物型液压油应用占比最高2，此外，亦有天然水液压介质，但润滑性、防腐性等均较差，目前应用较少。油液性能和质量的优劣对液压系统运转的可靠性、准确性和灵活性有着重大影响。

图表50：液压部分工作介质特性比较

	矿物型液压油	HFA	HFB	HFC	HFD	水
密度(15℃)(g/cm3)	0.86-0.92	~1	0.8~0.94	~1.05	1.1~1.4	1
含水量(%)	无	90-95	40	45	无	100
工作温度范围(℃)	-20~80	5-50	5~50	-20~50	-20~100	5-50
闪点	140~315	无	无	无	230~260	无
燃点	230~370	无	水蒸发后才燃烧	410~435	425~650	无
润滑性	良~优	劣~中	良	良	优	劣
对滚动摩擦的适应性	优	劣	良	劣	良	劣
粘度指数	70~140	高	130~170	140~170	低到高	高
抗燃性	可燃	不燃	难燃	难燃	难燃	不燃
防腐蚀性	优	中	中	中	中~良	差
对环境污染性	严重	少	严重	严重	很严重	无
相对价格(%)	100	10~15	150~200	250~500	500~800	0.01~0.02

注：闪点即加热时挥发的油液与空气混合物在接触明火时突然闪火的温度，闪点高表明油液所产生的低沸点可燃成分少，在高温下的安全性好；液压油通常只测定闪点；粘度指数表示油液粘度随温度变化特性，粘度指数高，油液粘度随温度变化较小，对液压系统工作影响小；资料来源：李壮云《液压元件与系统》(2019)，华泰研究

图表51：油液主要类型、特点及应用场景

分类				代号	特点与应用场合
通用液压油液	矿物型液压油		精致矿物油	L-HH	无抑制剂，适用于一般循环润滑系统、低压液压系统等
			普通液压油	L-HL	改善防锈性和抗氧化性的精致矿油，适用于低压液压系统
			抗磨液压油	L-HM	在L-HL基础上改善抗磨性的液压油，适用于低、中、高压液压系统
			低温液压油	L-HV	在L-HM基础上改善黏温性的液压油，适用于野外和在恶劣环境下工作的液压设备及低、中、高压液压系统，一般用于车辆和轮船设备
			高粘度指数液压油	L-HR	在L-HL油基础上改善其黏温特性的液压油，适用于数控机床液压系统和伺服系统
			液压导轨油	L-HG	在L-HM油基础上改善其黏滑特性的液压油，适用于液压和导轨润滑系统合用的机床，也适用于其他要求油有良好黏附性的机械润滑部位
	环境可接受液压油		天然脂肪液压油	L-HETG	基础液为植物油(甘油酸三酷)，不溶于水，适用于一般液压系统
			合成脂液压油	L-HEES	基础液为合成脂类油，不溶于水，适用于一般液压系统
			聚乙二醇液压油	L-HEPG	基础液为聚乙二醇(聚醚)，不溶于水，适用于一般液压系统
			合成烃液压油	L-HEPR	聚a烯烃和相关烃类产品(碳氢化合物)，不溶于水，适用于一般液压系统
	难燃液压液	乳化型	水包油型乳化液	L-HFAE	水包油型高水基液，通常含水80%以上，难燃性好，价格便宜；适用于煤矿液压支架静压液压系统和其他不要求回收废液和不要求拥有良好润滑性，但要求有良好难燃性液体的其他液压系统
		乳化型	油包水型乳化液	L-HFB	常含油60%以上，其余为水和添加剂；适用于冶金、煤矿等行业的中压和高压及高温和易燃场合的液压系统
		水-乙二醇型	水-乙二醇液	L-HFC	为水-乙二醇或含其他聚合物的水溶液，难燃性好；适用于冶金、煤矿等行业的低压和中压液压系统
		合成型	磷酸酯液体	L-HFDR	为无水的各种磷酸酯作基础油加入各种添加剂而制得，难燃性好，但黏温性差，可溶解多种非金属材料，适用于冶金、火力发电、燃气轮机等高温高压下操作的液压系统
专用液压油液	10、12号航空液压油液	10号12号航空液压油是深度精制的轻质石油馏分油。10号航空液压油具有良好的黏温特性，凝点低，低温性能和氧化安定性好，不易生成酸性物质和胶膜，油液高度清洁。应用于飞机的液压系统和起落架、减振器、减摆器等，也应用于大型舰船的武器和通信设备，如雷达、导弹发射架和火炮的液压系统等。部分寒区作业的工程机械规定冬季使用航空液压油；12号航空液压油主要在新机种及飞机制造工厂中使用
专用液压油液	合成锭子油	合成锭子油是由含烯烃的轻质石油馏分,经三氯化铝催化叠合等工艺制得的合成润滑油，再经白土精制并加添加剂调和而成。此品种低温性能好，相对密度大，黏度范围宽，质量稳定，安定性好，长期储存不易变质，适用于低温系统和普通液压油不能胜任的系统
	炮用液压油	炮用液压油由原油经常压蒸留、尿素脱蜡、白土精制所得的润滑油馏分作基础油，添加增黏剂、防锈剂、抗氧剂调和制成，呈浅黄色透明液体，具有良好的抗氧、防锈及黏温性能，凝点很低，可南北四季适用。用作各种炮液压系统工作介质
	汽车制动液	汽车制动液应用于汽车液压制动系统。合成汽车制动液是由各种类型制动液基础液加抗氧化、抗腐蚀、抗磨损和防锈等添加剂制成

资料来源：张利平《现代液压系统使用维护及故障诊断》（2017），华泰研究

典例：液压系统广泛应用于工程机械工作、回转、行走系统

工程机械为我国液压传动主要应用领域，根据福事特招股书，工程机械在液压传动中应用占比达 60%（参考图 20）。本节我们重点分析工程机械典型产品——液压挖掘机、装载机、叉车、高空作业平台液压系统使用情况。

液压挖掘机

液压挖掘机通过液压传动系统直接控制机体运动状态。液压挖掘机以机械式挖掘机为基础，与机械式挖掘机相比，两者的主要区别在于动力装置和工作装置不同，液压挖掘机动力装置与工作装置中采用容积式液压传动系统，直接控制各系统机构运动状态。液压挖掘机分为全液压传动和非全液压传动两种，前者挖掘、回转、行走均采用液压传动，反之则为后者。但一般而言，液压挖掘机工作装置、回转装置必须为液压传动，仅行走机构可选择机械传动。

全液压传动挖掘机涉及液压系统主要为三大部分3：

1) 工作装置：直接用来进行挖掘作业的施工工具，利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和转斗，接近于人手腕运动；工作装置由动臂、斗杆、铲斗及相应液压缸组成，包括动臂、斗杆、铲斗三个液压回路。

2) 回转系统：负责回转工作装置和上部转台，便于挖掘、卸料，主要通过回转马达完成。回转机构的运动占液压挖掘机整个工作循环时间的 50-70%，能量消耗占整机能量消耗的 25%-40%，回转系统的发热量占总发热量 30%-40%4。

3) 行走系统：支撑挖掘机整机质量并完成行走任务，一般采用履带式和轮胎式结构，主要通过行走马达完成。

图表52：液压挖掘机液压结构透视图（履带式）

资料来源：恒立液压官网，康杰《液压挖掘机动力系统功率匹配控制研究》（2022），华泰研究

图表53：液压挖掘机传动路线（履带式）

资料来源：东进液压，华泰研究

装载机

装载机一般采用液压传动与机械传动相结合。装载机行走部分需求功率较大，采用液压传动需用多泵和多马达系统，或增大系统成本，故一般采用液压传动与机械传动相结合，也即：柴油机动力一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构，实现装载机行使，另一方面通过液压泵驱动液压缸，实现转向和装载工作。

装载机液压系统主要包括工作装置液压系统与转向液压系统两类：

1) 工作装置：装载机工作装置主要用于铲、装、卸、运物料。轮胎式装载机工作装置多采用反转六连杆转斗机构，主要结构包括铲斗、动臂、连杆（或托架）、摇臂、动臂油缸、转斗油缸；履带式装载机多采用正转八连杆转斗机构，主要结构包括铲斗、动臂、拉杆、摇臂、弯臂、转斗油缸、动臂油缸。

2) 转向系统：控制机体转向，主要由转向盘、转向器、转向油缸、转向油泵、流量转换阀、溢流阀等组成。

图表54：装载机液压油缸结构透视图（轮式）

资料来源：银华机械，王翔宇《新型高能效直线驱动与控制技术及其在装载机中的应用》（2022），刘艳芳《816G 装载机优先阀转向系统能耗特性分析》（2019），华泰研究

图表55：装载机液压阀结构透视图（轮式）

资料来源：海宏液压，华泰研究

叉车

叉车动作功能系统基本采用液压传动。叉车的动作功能系统主要包括起升系统、门架倾斜系统、转向系统、行走系统等，各型号叉车前三类动作功能系统多采用液压传动，行走系统可采用液压传动或机械传动，与液压挖掘机相似，采用液压传动即称全液压叉车，又称静压传动叉车。但静压传动叉车价格较高、使用维护要求高，占比相对较低。

类比液压挖掘机，全液压叉车涉及液压系统主要包括三大部分：

1) 工作装置：叉车工作装置主要用于完成货叉的起升和门架倾斜操作，一般由货叉、叉架、链条和滑轮、起升液压缸、倾斜液压缸组成。

2) 转向系统：叉车转向装置主要用于完成叉车行走的转向操作，主要由液压泵、转向控制器、转向液压缸等组成。叉车转向系统非必须使用全液压式，也可使用机械式或液压助力式，一般起重量 1 吨以下的采用构造简单的机械式，起重量大于 2 吨的采用液压助力或全液压转向。

3) 行走系统：静压传动叉车行走系统主要执行元件为液压马达。

图表56：叉车液压结构透视图

资料来源：杨雯雯《电动静液压传动叉车行走速度控制与系统流量匹配研究》（2019），华泰研究

高空作业平台

高空作业平台上车臂架系统一般采用液压传动。高空作业平台可分为下车承载系统和上车臂架系统（即工作装置）两部分，下车承载系统主要为底盘部分及车架，上车臂架系统则主要用于支持高空作业平台满足工作幅度与工作高度要求，完成一系列高空作业任务。高空作业平台传动系统可分为液压机械传动系统与静液压传动系统两种，静液压传动系统即行走系统、工作装置均采用液压传动。

全液压系统高空作业平台涉及液压系统主要包括两部分：

1) 上车臂架系统：通常由多节臂架组成，通过臂架的伸缩或折叠使作业人员完成各种作业任务。作业平台是用来承载工作人员完成作业任务，工作平面在调平液压缸作用下始终保持水平状态，在回转支承作用下完成相应范围内任意旋转。上车臂架系统主要液压元件为调平液压缸、变幅液压缸。

2) 下车承载系统：主要承载作业装置、驱动系统。其中，支腿可以分担整车自重以及外部载荷，对高空作业车起到支撑效果，用于保证作业过程中整车的稳定性和安全性，一般通过液压油缸来实现支腿的伸缩及支撑。此外，驱动系统主要使用液压元件为液压马达。

图表57：高空作业平台液压结构透视图

资料来源：王政等《臂式高空作业平台的动力传动系统及未来发展趋势》（2021），陈鑫《直臂式高空作业车上车结构轻量化研究》（2022），华泰研究

工程机械电动化：或将带动液压系统应用变化，短期影响有限

“双碳”大背景下，电动化以推动节能减排成为制造业发展大势所趋，传统的低效柴油机逐步被电动机所取代。液压传动同样存在效率较低问题，市场普遍担忧电动化下液压传动被其他传动方式所取代。液压传动多用于大功率场景，工程机械为最为典型应用领域，本节我们以工程机械电动化为例分析电动化对液压传动的可能影响。

电机取缔柴油机，或将带动液压系统应用变革

工程机械电动化大势所趋，或将带来液压系统应用变革。传统工程机械主要使用柴油发动机，排量大、油耗高，环境污染较为严重，根据《中国移动源环境管理年报（2022）》，2021年非道路移动源（主要包括工程机械、农业机械、小型通用机械、船舶、飞机、铁路机车等）排放二氧化硫、HC、氮氧化物、PM 分别为 16.8 万吨、42.9 万吨、478.9 万吨、23.4万吨，其中工程机械排放 HC、氮氧化物、PM 占比分别为 26.5%、30.0%、32.1%，工程机械节能减排重要性不断提升，企业通过电喷内燃发动机、高效率液压柱塞泵等不断提升工程机械能量利用率，但工程机械动力源、液压系统、负载三者功率始终不能完全匹配，工程机械内燃发动机、液压系统能量损失各占总能量损失 35%左右，电动化可有效提升动力能效，成为工程机械节能技术大势所趋。作为液压系统下游第一大应用领域，工程机械电动化也或将带动液压系统应用变革，以恒立液压为代表的国内液压龙头亦积极布局电动化相关产品。

图表58：传统挖掘机能量流图及工程机械节能技术演变

资料来源：林元正《电动工程机械关键技术研究进展》（2021），张凯波《大型液压挖掘机液压系统热平衡研究》（2018），华泰研究

工程机械电动化即将主驱动单元由发动机替换为电机，工程机械电动化关键技术包括5：

1) 变转速动力协调控制技术：电机相较发动机调速特性好（目标转速响应时间缩短）、过载能力强（峰值功率可达额定功率 2 倍以上）、高效区间增加（电机 80%的工作区间效率高于 90%），传统液压控制技术也可相应有所革新，如液压泵供油控制方式不再局限于恒速变排量控制，可拓宽为定排量变转速控制、排量自适应-变转速控制以及变排量-变转速控制，大大增强液压动力源的供油匹配能力及控制灵活性；多路阀配流系统可进行优化，提高液压驱动系统的效率。

整机电液控制技术：可利用机电液一体化对电动工程机械系统构型和关键零部件进行改造，如分布式独立电液控制系统、电动缸技术、基于电动/发电机-泵/马达的闭式液压系统、新型电机直驱式油缸泵技术、电动/发电－泵/马达旋转四象限驱动与再生一体化系统以及新型电动机变转速控制型的液压变压器等。

3) 能量回收技术：电动工程机械可引入电储能单元，实现能量回收。

结合工程机械电动化关键技术，工程机械工作、回转、行走系统驱动模式分别可变为：

◆ 工作系统：

模式 1）蓄电池-电动缸：采用电动缸技术，无液压传递损失，能耗较低；

模式 2）蓄电池-电机-液压泵-阀-液压缸：保留传统阀控技术；

模式 3）蓄电池-电机-液压泵-液压缸：基于新型电液控制技术，进一步降低液压系统能耗；

工作系统三类驱动模式中，模式 1）不再使用液压系统，模式 2）3）均不影响液压泵、液压缸的使用（但或涉及技术变动），但模式 3）不再使用液压阀。具体来看：

模式 1）采用电动缸：电动缸即采用电动机带动各种螺杆（如滑动丝杠、滚珠丝杠）旋转，通过螺母转化为直线运动，并推动滑台沿各种导轨（如滑动导轨、滚珠导轨、高刚性直线导轨）做往复直线运动，属于机械传动，主要优点包括节能，寿命长，不受温度波动影响、具有较强的环境适应能力，传动效率高，定位精度高，结构简单、占用空间小、维护方便等，在直线传动可部分替代液压缸，但电动缸承载负荷能力较弱且价格较高，短期不适合应用于中大型工程机械。

模式 3）采用泵控液压系统：泵控液压系统主要液压泵的流量来控制执行元件的速度，与阀控技术相比，采用容积控制取代节流控制，消除了节流损耗，机电液一体化逐步完善之下，应用占比或将提升，或带来液压阀使用结构的变化。

整体来看，从应用视角上，短中期工程机械工作系统相关液压元件受电动化影响相对较小，但液压阀使用结构或会产生变化；长期来看，随电动缸技术迭代，不排除部分工作系统液压元件或被取代。

图表59：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比

电动缸		液压缸	气缸
传动媒介	丝杠、螺母伺服电动机驱动滚柱丝杠推动液压动力源输出高压油驱动液	液压油	压缩气体
工作原理	装置的速度、位移由电机控制	工作装置运动做功，实现了旋压缸做直线运动，工作装置的转运动向直线运动转换，工作速度、位移由油液流量和压力控制	空气压力差驱动活塞杆做直线运动，工作装置的速度、位移由气体流量和压力控制
工作温度	温度波动的影响小。	围为一30~80°C，工作性能受围为-40~120C，工作性能易受为5~60°C,工作性能易受温度温度波动的影响。	通常规定电动缸的工作温度范通常规定液压缸的工作温度范通常规定气缸的工作温度范围波动的影响。
驱动方式	间较小	驱动，结构相对简单，占用空的液压驱动系统驱动，结构相的驱动系统驱动，结构相对复对复杂，占用空间较大	由伺服电动机组成的驱动系统由液压泵、阀及液压管路组成由气泵、阀及气路管道等组成杂，占用空间较大
承载负荷能力系统控制性能	较低，抗冲击性较差响应快，定位精度高，速度重	很高，具有抗冲击性	较高，具有很强的抗冲击性
伸缩范围	复性较为稳定	响应较慢，定位精度一般	响应慢，定位精度较差
价格	较小	较大	较大
	较高	较低为避免污染环境需要配套的补噪声大，需要使用配套补气泵	低
系统特点	应用场合广，噪声小，无污染工作性能稳定，可靠性高	油泵，且性能受温度影响，需装置，污染小,工作性能会受要考虑液压系统热平衡问题	温度影响

资料来源：王超《液电混合驱动液压挖掘机铲斗和斗杆运行特性及能效研究》（2020），华泰研究

回转/行走系统：

模式 1）蓄电池-电机-减速器：直接电传动，类似新能源汽车，无液压系统损失；
模式 2）蓄电池-电机-液压泵-阀-液压马达-减速器：保留传统阀控技术；

模式 3）蓄电池-电机-液压泵-液压马达-减速器：采用泵控马达技术，液压系统能耗较低；

回转/行走系统驱动模式 1）不再采用液压系统，模式 2）3）均不影响液压泵、液压马达的使用（但或涉及技术变动），但模式 3）不再使用液压阀。根据《大型重载作业机器人电液控制技术》（2020），电动工程机械的行走系统中液压马达使用是否发生变化尚不明确，或需结合工况应用；回转系统中，考虑到功率重量比等要求，液压马达或仍为必须液压元件。

工程机械电动化或将带动液压系统设计变化。如前所述，短中期来看，由于工程机械功率等级较高，液压传动或仍为主要传动方式之一，但各类液压元件或需结合电动化技术变化而变化，如液压泵需向宽转速范围、四象限工作能力、更高转速方向迭代；多路阀需适应电动化后液压泵供油控制方式的改变等。故液压系统虽然仍为必须，但结构设计或将发生较大变化，需考虑与电气系统相协调的能力。

结合工程机械电动化关键技术，工程机械工作、回转、行走系统驱动模式皆可有所转变，其中：1）工作系统：短中期相关液压元件受电动化影响相对较小，但液压阀使用结构或因控制方式变化受到影响，长期来看，随电动缸技术迭代，不排除部分工作系统液压元件或被取代；2）回转系统：考虑到功率重量比等要求，液压马达或仍为必须液压元件；3）行走系统：液压马达使用是否发生变化尚不明确，或需结合工况应用，如挖掘机主要工作方式为定点作业，替换液压马达效用不明显。整体来看，工程机械电动化下，液压传动或仍为主要传动方式之一，但各类液压元件或需结合电动化技术变化，需考虑与电气系统相协调能力。与工程机械相似，农业机械、矿山机械等液压传动下游应用领域亦在推进电动化进程，类比工程机械电动化中液压系统的变化，我们认为，对于作业环境恶劣、抗冲击性要求严格、功率质量比要求较高领域短中期液压系统仍为不可替代的传动方式。

应对电动化之变，主机与核心零部件龙头积极布局

工程机械电动化处于起步阶段，产业链龙头领先布局。电动化为工程机械节能技术大势所趋，根据 BCG，纯电工程机械 2020 年国内渗透率不足 1%（不含叉车），预计 2025\~2026年将迎来纯电工程机械的爆发点，到 2035 年，纯电动工程机械的渗透率或将达到 30%。尽管电动工程机械当前渗透率较低、市场接受度有待提升，但工程机械产业链龙头均加速电动化布局，三一重工、徐工机械、中联重科、恒立液压等均已推出电动化相关产品。

图表60：工程机械电动化渗透率仍处于较低水平

注：BCG 统计口径中不含叉车
资料来源：BCG，华泰研究

图表61：不同类型工程机械电动化渗透率差异显著

注：混凝土搅拌车电动化率为 2021 年数据，装载机、叉车为 2022 年数据；资料来源：汽车智库，中国工程机械工业协会，中国工程机械工业协会工业车辆分会，华泰研究

图表62：工程机械主机及核心零部件企业电动化布局概况

类别	公司	电动化产品	优势电动化产品	电动化产品销售及规划	技术路线
主机	卡特彼勒	电驱动推土机、电力驱动卡车和电动机车、电动挖掘机、电动装载机、氢燃料发电机组、混合动力发电机组、氢燃料供电系统	未披露	未披露	纯电、混动、氢燃料电池
	小松	电动挖掘机、混合动力挖掘机	未披露	未披露	纯电动、混动
	三一重工	全面推进工程车辆、挖掘机械、装载机械、起重机械等产品的电动化	电动搅拌车、电动自卸车、电动起重机	2022年公司电动化产品销售额突破27亿元，营收占比约3%，销量超3500台	纯电、混动、氢燃料电池
	徐工机械	覆盖在售的汽车起重机、装载机、高空作业平台、环卫车辆、正面吊、压路机、摊铺机等几乎全部产品领域	臂式高空作业平台、装载机	2022年新能源产品收入占比约10%，公司计划2027年收入占比25%，2030年收入占比35%	纯电、混动、氢燃料电池
	中联重科	覆盖混凝土泵车、混凝土搅拌车、汽车起重机、高空作业平台、挖掘机、矿卡、叉车、应急车辆、农业机械等	电动直臂系列高空作业平台	未披露	纯电、混动、氢燃料电池
	柳工	电动装载机、电动挖掘机、电动宽体车、电动叉车、电动滑移装载机	电动装载机	2022年电动化产品收入约10亿元，营收占比约4%	纯电动、混动
零部件	派克汉尼汾	非道路移动机械电气化解决方案	N/A	未披露	N/A
	恒立液压	液压系统电动控制及执行装置、电动缸	N/A	未披露	N/A
	万通液压	电动缸，但主要为军用	N/A	未披露	N/A

资料来源：各公司官网，华泰研究

在具身智能中的应用：波士顿动力 Atlas 能够实现高难度动作

波士顿动力 Atlas 采用液压驱动，能够完成高难度动作，相较于电气传动存在可靠性问题。波士顿动力的人形机器人 Atlas 配备了紧凑的液压传动系统，全身共 28 个关节。液压传动大功率的优点使其能够完成跑酷、后空翻等高难度动作，但相较于电气传动，存在漏液等可靠性问题。

图表63：采用液压驱动的 Atlas 能够实现跑酷等高难度动作

资料来源：波士顿动力官网，华泰研究

图表64： Atlas 液压系统存在漏液等可靠性问题

资料来源：波士顿动力官网，华泰研究

电气传动：灵活多面手

电气系统：灵活多面手，应用广阔市场分散

电气传动系统概览：灵活多面手

电气传动使用电动机将电能转换成机械能，带动各类型生产机械、交通车辆及运动物品。电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，主要结构为定子和转子，其中定子为静止部分，包含定子铁心（电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组）、定子绕组（电动机的电路部分，产生旋转磁场）和机座（固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用）；转子为旋转部分，包括转子铁心（作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组）、转子绕组（切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转）。

图表65：电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置

资料来源：电工电气学习公众号，电气应用公众号，华泰研究

电气传动在运动控制及精确度方面优势显著，广泛应用于工业机械。相较于其他传动方式，电气传动的优点主要包括：1）易于实现自动化与远程控制，精确度高：电气传动根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计算机技术支持下，控制精度大大超过其他控制方式。2）节省能源：电能的获得和转换比较经济，传输和分配比较便利。3）改善环保水平：由于使用能源品种的减少及其优化的性能，减少污染源。4）降低噪音。5）节约成本：去除液压油的成本和引起的麻烦，没有硬管或软喉，无须对液压油冷却，大幅度降低了冷却水成本。但电动机运动平稳性较差，易受外界负载的影响；惯性大、换向慢；元件可能要耗用大量有色金属成本高；受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。

图表66：电气传动在运动控制及精确度方面优势显著，广泛应用于工业机械

传动特性	机械传动	电气传动	流体传动
传动特性	机械传动	电气传动	液压传动以有压液体或气体为工作介质，通过动力元件把原	气压传动
定义	通过机械构件如杠杆、凸轮、齿轮、轴、皮带、链条等把能量和动力传送给工作机构	利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制能量和动力	动机输出的机械能转化为液体或气体的压力能，进而借助管道和控制元件把有压液体或气体输送到执行元件，从而把压力能转换为机械能，驱动负载直线/回转运动
功率与质量比转矩与转动惯量比	小	小		中等
响应速度	小	小	大大高好	中等
	低	中等		低
可控性	差	中等		中等
负载刚度	中等	差	大	差
调速范围	小	中等	大	小
控制精度	高	高	一般	一般
优缺点总结	优点：传动准确可靠、制造容易、操作简单、维护方便、传动效率高；缺点：不能进行无级调速，远距离传动较困难，结构复	优点：能量传递方便，信号传递迅速，标准化程度高，易于实现自动化：缺点：运动平稳性差，易受缺点：温度影响较大，传动外界负载影响，惯性大，起效率低，传动精度较差：	优点：功率-质量比大，速度调节容易，操纵省力等：	优点：结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失小等：缺点：空气易压缩，负载对传动特性的影响较大，工作压力低，只适合于小
典型应用场景	杂：机械传动中齿轮传动应用最广，用于机器人等智能装备及各类机械装置中	动及换向慢，成本较高等：所有工作机械均有应用	工程机械、压力机械等大功率应用场景：机床等需无级变速应用场景：航空工业等对功率与质量比较敏感应用场景	功率传动电子工业、包装机械、食品机械等小功率应用场景

资料来源：《液压传动-机械大力士》（华泰机械，2023 年 8 月 8 日），华泰研究

电机行业格局分散，国内电机 “量增”到“质提”走向高端

2020 年全球电机市场千亿美元，交流电机占比 70%。Grandview Research 的研究数据显示，2020 年全球电机市场规模为 1427 亿美元，其中交流电机市场占比 70.7%。预计2021-2028 年全球电机市场规模复合增长率将达到 6.40%。2020 年下游细分市场中汽车占比最高，占 40.5%，其次为工业机械、HVAC 设备（供热、通风与空气调节）、空调、运输、家电等。电机市场中工业电机行业快速增长，根据 Mordor Intelligence 公布的数据，2021 年全球工业电机市场规模约为 214.1 亿美元，预计 2028 年可达 240.9 亿美元。根据前瞻产业研究院数据，2021 年中国工业电机市场规模为 765 亿元，占中国整体电机市场规模的 18%。

图表67： 2020年全球电机市场 1427亿美元，汽车占比最高

资料来源：Grandview Research，华泰研究

图表68：预计 21-28年全球电机市场 CAGR=6.4%,交流电机占比最大

资料来源：Grandview Research，华泰研究

电机行业总量大但单品产量小，定制属性强，机型及应用行业较分散。电机行业虽总量较大、但单品产量较小且定制属性较强，标准化的单品批量生产较少，各公司深耕于各个细分领域，应用于不同场景，占据不同细分市场份额，整体竞争格局高度分散。电机行业公司策略主要可以分为两类：1）深耕技术路径：同一种技术路径的电机应用于不同场景，部分公司深耕某种技术路径的电机，如空心杯电机或同步永磁电机，再根据场景进行调整和定制化；2）深耕行业：相同行业应用机型选择多，分别占据一定细分市场份额，部分公司瞄准单品销量较大的下游行业，如汽车电机、工程机械电机、洗衣机电机等，生产行业中主流应用电机，公司产品具有性价比优势。两种策略形成相同结果，即电机市场中产品多样，机型及应用行业都较为分散，各公司覆盖产品繁多。

图表69：卧龙电驱主要电机产品

资料来源：卧龙电驱官网，前瞻产业研究院，华泰研究

图表70：大洋电机主要电机产品

资料来源：大洋电机官网，华泰研究

外资企业占据高端位置，国内龙头在各自侧重领域走向高端。目前国内电机行业市场参与者数量众多，竞争激烈。市场第一梯队为以西门子、ABB和 Maxon 为代表的外资工业电机品牌生产商，其技术成熟并积累了丰富的客户资源，主要占据工业控制、航空航天、军工、精密医疗器械等领域的中高端市场。第二梯队为国内汇川技术、卧龙电驱、大洋电机、鸣志电器等龙头企业，各生产厂商在其侧重的领域占据部分中端市场并逐步走向高端，不断向第一梯队进发。第三梯队为以中小企业为主的中国本土工业电机生产商。该类企业所生产工业电机产品价格低廉，产品同质化相对严重，产品稳定性相对差。

图表71：外资品牌为国内电机生产商第一梯队，国内龙头在各自侧重领域走向高端

资料来源：观研报告网《中国工业电机行业发展深度研究与投资趋势预测报告（2022-2029 年）》，华泰研究

我国工业电机行业长期呈现贸易顺差，但出口产品较为低端。据前瞻产业研究院统计海关数据显示，中国工业电机进出口总额从 2017 年的 137.38 亿美元上升至 2020 年的 139.47亿美元，2020 年受疫情影响同比减少 1.66%；2017-2019 年贸易顺差呈现扩大趋势，从 61.9亿美元上升至 71.08 亿美元，2020 年受疫情影响有所下降，为 66.67 亿美元。随着国产电机技术不断进步，我国电机行业贸易顺差有望继续保持扩大趋势。从出口产品来看，2020年出口金额占比最大的产品是直流电动机及直流发电机，输出功率≤750W，出口金额为27.35 亿美元，占出口总额的比例达到 26.54%。其他单相交流电动机出口金额占比排名第二；而较为高端的多相交流电动机和微电机出口占比较小。

图表72： 2022年中国电机进口金额为 42.34亿美元，同比下降 6.2%

资料来源：前瞻产业研究院，华泰研究

图表73： 2022 年中国主要电机出口产品结构（按金额）（单位：%）

资料来源：前瞻产业研究院，华泰研究

电机技术：六大路线选择排列组合，顺势而生各有千秋

电动机核心为技术路线和结构的排列组合，多种类型适应下游多种应用场景。自 1821 年法拉第首次利用电流磁效应将电能转变为旋转运动的机械能以来，电动机在下游需求和技术突破的不断推动下，从最初诞生时的简单结构，发展到现在运用各种材料，不同原理的产品。各种技术路径的电机都有其优势及劣势，适用于下游不同的应用场景。我们总结电机技术有六大关键技术选择，分别是交流/直流、同步/异步、永磁/电磁、单相/三相、控制方式步进/伺服、直线/旋转。各种电动机产品其实是不同技术路线排列组合后的产物，对于一个电机产品，首先需要结合应用场景进行排列，决定其最重要的性能要求；之后选择多种技术路线的组合达到其最优方案。

图表74：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景

资料来源：SMM 电机资讯公众号，华泰研究

直流 or交流：换向/调速为核心问题，霍尔元件/变频器助推无刷替代有刷

直流电机与交流电机由于供电电源不同，结构差异较大。直流电机使用直流电作为电源，而交流电机使用交流电作为电源。电动机需要改变电流方向，产生交变的磁场获得力矩以维持电机的连续旋转。目前电机有三种方式达到该目的：1）直流电+换向器+电刷完成机械换向，对应直流有刷电机；2）直流电输入+电子换向器使直流电变为交流电完成电子换向，对应直流无刷电机；3）直接将交流电通入定子绕组产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，对应交流电机。不同原理使三种电机结构不同，直流有刷电机磁场固定不动，洛伦兹力驱动电机内转子旋转，配有电刷和换向器；直流无刷与交流电机结构相似，外围线圈通入交流电形成旋转磁场带动转子转动，直流无刷以霍尔元件取代碳刷换向。

图表75：直流电机与交流电机由于供电电源不同使得结构差异较大

	直流有刷电机	直流无刷电机	交流电机
	有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈] 传动原理旋转。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。	无刷直流电机通过霍尔元件，感知永磁体磁极交流电机通过交流电产生旋转磁场，转子绕组在的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时变化磁场中产生感应电流，随着旋转的磁场转切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的动。磁力，来驱动电机。
原理图
包含结构	转子、定子、电刷和换向器	电子换向器（位置传感器和电子开关线路）、转子、定子	转子、定子
构造图
优点	能产生强大的转矩 (旋转力)	型、高速模块化和集成化应用。	1、高功率密度，相比有刷电机性能更加稳定可靠；2、零部件磨损少，寿命长，不用更换刷子； 3、能够以较高转速运动，转速没有限制；4、具有高效率和较小的尺寸体积，适合于轻型、小
缺点	短、产生噪声及灰尘	体结合使用价格较高	结构复杂，有碳刷作为机械接触点，寿命有限的恒功率范围，控制复杂，大多数与永磁控制较为复杂，需要较为精准的控制算法和高精度传感器信息输入
应用场景	动玩具、电动牙刷、电动剃须刀等		对功耗要求不高的应用场景：比如儿童电工业投料机等轻工业、汽车空调、雨刮器、医广泛应用于工程机械、金属切削机床、轻工机械、疗器械、家用吸尘器、搅拌机矿井提升机、水泵、加工机械及日常生活器具。

资料来源：智能建筑电气技术杂志公众号，华泰研究

直流电源率先产生赋予直流电动机“先发优势”，交流电机受益于交流电系统和控制元件发展，后来居上成为主流。直流电源的发明使直流电机率先被研制完成，1832 年英国物理学家威廉·斯特金发明了换向器并制造了有刷直流电机，但由于其低功率输出，应用上受到严重限制。1834 年达文波特发明了第一台电池供电的直流电机，但仍无法摆脱功率和效率问题。19 世纪 80 年代直流输电技术发展遇阻，交流电系统因为传输损耗小、易变压等原因逐渐成为主流，交流电机也应运而生。1885 年特斯拉根据旋转磁场理论制成了第一台两相感应电动机。1889 年第一台三相鼠笼式感应电动机诞生。同时随着各种新型功率半导体器件和计算机控制技术的进步替代机械换向，无刷直流电机得到快速发展。

图表76：直流有刷电机率先流行，交流电普及和控制元件发展使得交流电机和直流无刷快速发展成为主流

资料来源：《电机史话》（戴庆忠，2016），华秋商城公众号，华泰研究

直/交流核心问题一：直流电机需完成换向，电刷从核心到桎梏限制直流电机应用场景。直流电机可以采用电刷完成机械换向，形成直流有刷电机；也可以使用电子换向器代替电刷形成直流无刷电机，换相的工作交由控制器中的控制电路（一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器）来完成。而交流电机直接产生旋转磁场无需换向器。直流电机的电刷面临磨损和噪音的问题，限制其应用场景。电刷和集电环之间存在机械摩擦，增加了工人的检修维护量，寿命短，需频繁更换刷子；磨损意味着直流电机的转速受到限制，无法满足高速运转的条件；此外机械换向会产生火花，打火不仅会造成电刷和换向器的烧蚀还会带来噪声，使直流电机无法应用在部分需要防爆、静音的工况中。

图表77：直流有刷电机通过换向器跟电刷的连接，实现线圈电流方向变化，实现线圈受力方向变化

图一中，电刷与外部电源引线连接，电流从电源正极出发，经过电刷，经过与电刷连接的换向器（深蓝色及浅蓝色圆环），经过绕组，经过电刷，回到电源负极。由于转子电枢线圈处于永磁体磁场中，通电线圈会在磁场中受到安培力的作用，使转子转动。红色箭头表示线圈的受力方向，蓝色箭头表示线圈的电流方向，线圈将会逆时针旋转。

当旋转由图一位置至图二位置时，电刷1和电刷2连接的电源的正负发生了对调，此时线圈中的电流方向也会发生变化，因此根据左手定则，可以判断出线圈受安培力的方向，这个力会让线圈继续保持逆时针旋转。

资料来源：电机驱动探索者公众号，华泰研究

取代电刷完成电子换向需要精确获得转子位置，霍尔元件提供低成本、易操作方案。20世纪中叶半导体与集成电路技术的发展推动了霍尔传感器发展，1962 年无刷直流电动机随之产生，其利用电子开关线路和霍尔传感器来代替有刷直流电机电刷和换向器，具有直流电机的良好调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花的优势。无刷直流电机需要监测转子位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电维持旋转。转子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。多数无刷直流电机在非驱动端上的定子中嵌入三个霍尔传感器，转子磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，根据电平时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。

图表78：周围磁通密度超过阈值时霍尔传感器会检测到并产生电压

资料来源：《磁场检测系统及其电源管理的研究与设计》（赵竞翔，2022），华泰研究

图表79：霍尔效应传感器可判断出电机转子磁极的相对位置

资料来源：《霍尔效应传感器设计》（吴颜飞，2022），华泰研究

直/交流核心问题二：直流电机方便调节转速，变频技术发展提升交流电机调速性能。直流电机可以方便地通过改变电压调节转速，并可以提供较大的转矩，适用于需要频繁调节转速的负载，如钢厂的轧机，矿山的提升机等。但随着变频技术的发展，交流电机同样可以通过改变频率来实现调节转速，使交流电机得到和直流调速一样优异的调速性能，并且其功率还不存在换向器的限制。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术，其中交直交变频器由整流器（交流变直流）、滤波系统和逆变器（直流变交流）三部分组成。交-交变频电路由正、负两组相控整流器组成。

图表80：交直交变频器主电路工作原理

资料来源：《电气传动中变频器应用技术研究》（许健，2020），华泰研究

交直交变频技术中 PWM 逆变为主流，交交变频效率较高。交直交变频器一般采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式。采用 PWM 逆变可以减少输出谐波，PWM逆变器使用 IGBT 和碳化硅器件后可提高开关频率。交直交变频控制简单，所用晶闸管元件少，利用率高，且频率调节范围宽，适合应用于要求精度高、调速性能较好、频率调节范围宽的场合。交-交变频电路由正、负两组相控整流器组成，通过适当的相位控制，使两组整流器轮流导通，正、负组整流器分别流过负载中的正向和反向输出电流。交交变频技术只通过一次变流，省略了直流转换的步骤，效率较高；但该技术调节频率最大输出频率较低，适合于低速大容量的调速系统，如轧钢、水泥、牵引等场景。

图表81：变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术

资料来源：《浅谈变频器及其采用的技术》（韩笑，2010），华泰研究

永磁 or励磁：交替并行发展，高性能永磁体提升电机功率和效率

电机磁场的提供方式经过低性能磁铁—电磁体—高性能永磁体与电磁并行三个发展阶段。永磁电机由永磁体提供电机的磁场，励磁电机由励磁线圈提供磁场。1821 年法拉第制造的第一台电机是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但其使用的永磁材料天然磁铁矿石磁能密度低，制成电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。电磁直流电机 1834 年由雅各比发明并在 1880 年普及，它的出现让性能不佳的永磁电机发生历史停顿，但同样存在功率密度偏低的问题。20 世纪 30 年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达 85 kJ/m3）和 50 年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积可达 40 kJ/m3）大大提升了磁体磁性能，提升电机功率和效率。随着钕铁硼等材料性能的提高和价格的降低，永磁电机应用领域不断扩大。

图表82：电机磁场的提供方式经过低性能磁铁—电磁体—高性能永磁体与电磁并行三个发展阶段

资料来源：智研咨询，深圳市海特力智能装备公众号，华泰研究

高性能永磁电机高效率大功率但成本较高，励磁电机易于调节但效率较低。永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、用铜量少质量轻、损耗小、效率高等显著特点，并且其形状和尺寸可以灵活多样，应用范围较为广泛。高性能钕铁硼永磁具有较高的磁性能指标，高剩磁及高矫顽力，可提升电机的电能转化效率。永磁同步电机能在低速情况下产生较大扭矩，功率系数高，在相同的功率和扭矩情况下重量和体积更小。但永磁体价格较为昂贵，根据中钨在线数据，2023 年 8 月 30日钕铁硼毛坯 55N 方块 235 元/千克；且高温退磁、磁场不可调节等问题限制了永磁电机在特定场合中的应用。励磁电机更易于调节，功率因数可控性好，但励磁损耗的存在一方面降低了电机效率，另一方面增大了温升过高的风险。

图表83：高性能永磁电机效率高功率大，励磁电机制作成本低但效率较低

资料来源：ittbank 公众号，华泰研究

稀土永磁高剩磁密度、高矫顽力提升电机效率与功率。永磁体根据材料不同主要可以分为铁氧体永磁、铝镍钴永磁、稀土永磁。根据一览众咨询数据，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36-160kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2-0.44T），限制了它们在电机中的应用范围。稀土永磁主要包括稀土钴永磁和钕铁硼永磁，具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能，体积更小效率更高，广泛应用于大型电站、矿山、石油、化工等行业所需的兆瓦级电机。未来永磁体可能向纳米复合永磁体等超材料方向发展。

图表84：电机常用永磁材料抗腐蚀性能、最高工作温度、加工性能、退磁曲线形状、价格对比

性能	铝镍钻	铁氧体	稀土钻	钕铁硼
剩磁/	1.3	0.42	1.05	1.16
矫顿力/(Ka/m)	60	200	780	850
退磁曲线形状	弯曲	上部直线、下部弯曲	直线	直线(高温下弯曲)
剩磁温度系数/(%/K)	-0.02	-0.18	-0.03	-0.12
抗腐蚀性能	强	强	强	易氧化
充磁	安装后充磁	充磁后安装(也有安装后充磁)	充磁后安装	充磁后安装
最高工作温度(C)	550	200	300	150
加工性能	少量磨削、电火花加工	特殊道具切片和少量磨加工	少量电火花加工	加工性能好
价格	中等	低	很高	高
应用场合	性高的场合	的场合	仪器仪表类等要求温度稳定性能和体积要求不高，价格要求低高性能、高温、高温度稳定性，价格高性能、体积要求高，温度不高不是主要考虑因素的场合	的场合

资料来源：一览众车公众号，华泰研究

不同电磁励磁方式具有不同机械特性，串励过载能力较强。电磁直流电动机的励磁方式主要有四种：1）串励：内部的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器串联；2）并励：内部的励磁绕组和转子绕组之间并联；3）他励：内部的励磁绕组接到独立的励磁供电，励磁电流较为恒定；4）复励：定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组。并励和复励电动机的机械特性较硬，而串励电动机具有软机械特性，轻载时转速增高，重载时转速降低，有较大的过载能力，有利于生产率的提高。串励电机没有理想空载转速，不能用于再生制动。但通过将串励电动机的励磁电路改接成并励或复励接法，可以获得较理想的空载转速机械特性，但励磁电路损耗也会增大。

图表85：直流电机励磁方式分为他励、并励、串励、复励，主要区别为励磁绕组和电枢绕组供电方式的关系

励磁绕组与电枢共用同一电源，并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为使励磁绕组中无大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗导线绕成，匝数较少。
资料来源：万泰电机官网，华泰研究

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

新兴混合励磁电机结合永磁与电励磁优势，宽调速应用场合前景广阔。美国科学家最早在1985 年提出混合励磁概念，混合励磁电机是永磁电机和电励磁电机的有机结合，通过改变永磁电机的局部结构，放入电励磁绕组，从而能够灵活地调节气隙磁场。混合励磁电机既有永磁电机功率密度高的优点，又可实现调节电机内磁场的目的，解决永磁电机调磁困难，恒功率调速范围窄的问题。但目前混合励磁电机仍然处于研究和发展阶段，电机的结构设计复杂，制造工艺过程复杂，由于电机结构和励磁方式的多样性，使得混合励磁电机的数学模型复杂多样，电机的控制过程中，可控变量增加，数学模型更加复杂，为使电机的控制更加灵活，同时控制算法也变得更复杂。

图表86：永磁体与励磁绕组均位于转子的混合励磁电机

资料来源：驱动视界公众号，华泰研究整理

图表87：永磁体位于转子，励磁绕组位于定子的混合励磁电机

资料来源：驱动视界公众号，华泰研究整理

同步 or 异步：同步电机节能高效高功率，异步电机具有成本优势

异步电机与同步电机区别在于转子是否产生磁场、速度与定子旋转磁场速度是否一致。同步电机和异步电机最大的区别在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致，电机的转子速度与定子旋转磁场相同称为同步电机，反之则称为异步电机。同步电机和异步电机的定子侧结构完全相同，都包含有定子铁心和定子三相对称绕组，区别为转子的结构不同。异步电机(感应电机) 转子中并不直接产生磁场，其通过定子的旋转磁场在转子闭合导体中激发感应电流，进而产生电磁转矩，其中只有转子的转速小于同步速 (小于同步速的差值是转差率)才能提供转子感应电流；同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或电励磁产生)，定子旋转磁场“拖着”转子磁场(转子)转动，因此转子的转速等于同步速。

图表88：异步电机与同步电机区别在于转子是否产生磁场、速度与定子旋转磁场速度是否一致

资料来源：中升奔驰远程诊断中心公众号，华泰研究

同步电机运行速度与负载无关精度更高，异步电机成本较低应用广泛。同步电机以同步速度运行，与负载无关，rpm(转速)＝120f(电源频率)/p(极对数)；异步电机的速度取决于它的负载，随负载增加而降低，且总是小于同步速度。rpm=120f/p-s，s 代表滑差。同步电机的精度高、效率高，但造工复杂、造价高、维修相对困难。异步电机虽然反应慢，但易于安装、使用，同时价格便宜。因此同步电机用于功率因数校正，恒速负载服务，传输线的电压调节，精密伺服机构等，也用于驱动大型机械如轧钢机、压缩机、球磨机等。异步电动机其容量从几十瓦到千瓦不等，广泛应用于工业、农业等行业驱动机械负载，比如工业传动中的中小型轧钢设备、金属切削机床、传送带，混合机，矿井提升机和通风机。

图表89：同步电机功率密度与效率更高，异步电机成本低应用广泛

永磁同步电机
过载能力	弱	强
峰值效率	95%-97%	94%-95%
10%负荷时效率	90-92%	79%-85%
成本	较高	较低
功率密度	较高	较低
转速范围	4000-10000	12000-20000
电动机重量和体积	较小	较大
滑差	0 三级能效的异步交流YX3电机比传统的普通Y2电机具有更高的效率和功率因数，而永磁同步电机比三级能效的YX3 电机的效率和功率因数还	1%~6%
节能效果	要高，因此节能效果更好。
部分负载能耗分析	异步交流Y2电机在80%负载以下效率下滑严重，功率因数下滑严重，永磁电机在20%～120%负载之间基本保持较高的效率和功率因数、在部分负载时永磁电机比Y2电机具有很大的节能优势，甚至节能超过50%。
应用	机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等采用新能源汽车、大型机械如轧钢机、压缩机、鼓风机、球磨机等的驱动电三相异步电动机；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器广泛使用机、电网的调相机调节电网无功功率单相异步电动机。
图示

资料来源：物业工程社区，磁易购资讯，中升奔驰远程诊断中心公众号，RIO 电驱动公众号，电器商城公众号，华泰研究

同步电机中永磁、磁阻和磁滞电机分别应用永磁转矩、磁阻转矩和磁滞转矩驱动电机。同步电机可分为永磁、磁阻、磁滞电机，其中磁阻电机、磁滞电机运行原理与永磁电机等传统的交直流电动机有根本区别。磁阻同步电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生磁拉力（即磁阻转矩）驱动电动机旋转。磁阻电机转子由钢片（铁磁性材料以及非铁磁性材料交替组成）冲压叠制而成，呈凸极形状，没有绕组或永磁材料，成本与异步机相当，但具有高效率高可靠性、节能、调速范围广等多种优点。特斯拉 Model 3 的新型 IPM-SynRM 电机是同步磁阻电机。磁滞电动机是利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行的小功率同步电动机，运行安静操作可靠。

图表90：磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理形成磁阻转矩，性能较好且成本较低

定子磁链方向与转子的直轴重合时，磁链沿着最小磁阻路径流动，且磁路上的总磁阻最小，因此不会产生磁阻转矩。

同步磁阻电动机本质是一种具有磁阻性质的同步电机，其运行原理遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩，这种转矩叫做磁阻转矩。有别于开关磁阻电动机的定子开关旋转磁场，同步磁阻电机的定子磁场为正弦波旋转磁场。

当转子和定子磁极不对齐时，它们之间的磁路具有很高的磁阻。当定子极对通电时，转子转动以与通电的定子极对齐，从而最大限度地减少磁路的磁阻。转子移动到最小磁阻点的这种趋势产生了所谓的磁阻转矩。

定子磁链方向与转子的交轴重合时，虽然此时总磁阻最大，但由于磁路中的磁力线分布对称，转子和气隙中的磁链不发生扭曲，只要转子稍有抖动就会发生转动，回到直轴与定子磁链方向重合位置。

特点及应用

》与交流异步电机相比，同步磁阻电机转子上没有绕组，则没有转子铜耗，提高了电机的效率。》与永磁同步电机相比，同步磁阻电机转子上没有永磁体，成本更低，无弱磁难和失磁的问题，长期使用，效率更稳定。》同步磁阻电机定子为正弦波磁场，控制简单，硬件平台成熟，从而降低了驱动控制系统的成本费用。》在变速场合可以替代感应电机和永磁电机，可以应用于风机、水泵、空压机、传送机、搅拌机等传统行业

资料来源：科汇股份公众号，华泰研究

图表91：多家公司布局同步磁阻电机产品

公司名字	磁阻电机产品描述
卧龙电驱	有同步磁阻电机产品。
新时达	持续研发，攻克噪声抑制、超高速控制、超高效电机控制、同步磁阻电机控制等系列难题。
孚日股份	已经成功开发IE5超高效同步磁阻电动机，并已开始推向船用电机市场。
佳电股份	公司与上海电科所联合开发的同步磁阻电机，正在样机试制阶段。
伟创电气	永磁同步电机和同步磁阻电机驱动器等产品都已在海外市场得到推广及应用。
科汇股份	同步磁阻电机功率范围为5.5-132kW
资料来源	名八司八牛华表研究

资料来源：各公司公告，华泰研究

图表92：磁滞电机利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行，目前应用场景较少

磁滞现象：磁滞指铁磁材料的磁化强度总是比外磁场的变化滞后。当外磁场作用于铁磁材料时，材料会被磁化，随着外磁场强度的增加，磁化强度在某一刻（下图中a点）将达到饱和。外磁场的变化和磁化强度的关系是一条曲线，如图中绿色曲线。当外磁场慢慢减小时，铁磁材料磁化强度并不会沿着原来的磁化路径返回，而是像图中蓝色曲线变化，当外磁场减为零时（图中b点），铁磁材料中还有剩磁只有当外磁场反向，并达到一定的强度时，剩余的磁化强度才会被完全抵消（图中c点），此时的外磁场强度被称为矫顽力。

》磁滞电机转子主要由旋转轴及轴外面包裹的铁磁材料构成，定子由堆叠的硅钢片及缠绕在其上的绕组构成，绕组通入交流电，用来产生旋转磁场。

》定子产生旋转磁场，施加在转子铁磁材料上，于是转子被磁化并产生磁极，由于磁滞现象，转子材料中的磁通密度将滞后于旋转磁场。

》定子磁极吸引转子磁极，转子跟随定子磁场旋转起来。

》磁滞电机在启动时，根据电磁感应原理，定子的旋转磁场在转子中会感应出涡流（EddyCurrents），涡流会产生转矩（因为电流在磁场中受力），但是涡流转矩远小于磁滞转矩，此时磁滞电机表现得像感应电机。

特点及应用

》随着速度的提高，电机在磁滞转矩和涡流转矩的双重作用下，慢慢进入同步运行状态。在同步条件下，定子磁场和转子磁场之间的相对运动消失，因此不再有感应现象，在转子中不会产生涡流，涡流转矩也就消失了。此时仅仅由磁滞转矩驱动，这时转子就像一个永磁体，磁滞电机又表现得像永磁电机。

》优点：无刷且转子内部没有绕组，结构简单；运行安静，操作可靠，同步平稳，在启动和运行过程中几乎恒定电流。

》缺点：转子材料成本较高，尽管通常转轴由普通钢制成，仅在其上固定硬磁材料制成空心圆柱体；电机产生的扭矩非常低，如果负载转矩增加到一定极限，则其速度下降，不再用作同步电机；磁化出磁极，效率较低，适用于小尺寸。

》磁滞电机的应用较少。由于运行安静，因此磁滞电机一般用于定时设备和精密音频设备；因为可恒速运行，磁滞电机也用于需要恒定速度记录和播放的唱机，录音机，电子钟等；也有研究者用磁滞电机来驱动并研究磁悬浮平台的精度。

资料来源：Electrical Academia 官网，《Fast Torque Computation of Hysteresis Motors and Clutches Using Magneto-static Finite Element Simulation》（G. Gallicchio，2019）华泰研究

单相 or三相：三相电机稳定高效，单相电机需使用电容器/罩极启动

三相电机和单相电机区别在于所供交流电的相位。三相电机需要三相交流电源，而单相电机则只需要单相交流电源。1889 年，世界上第一台三相鼠笼式感应电动机诞生；同年特斯拉设计带辅助相的单相感应电动机，解决了单相感应电动机的启动问题。运行原理方面，三相电机没有电容器，采用三相交流电源。定子绕组通入相位差为 120°的三相交流电产生旋转磁场，转子在旋转磁场中受到电磁力旋转。目前主流单相电机需要电容器，拥有相位相差 90˚的主副线圈，通过电容器移相使得正弦交流电相位一前一后给主副线圈供电，使线圈产生一前一后的磁场力发生旋转。

图表93：三相电机采用相位差 120 度三相交流电源推转子

资料来源：电气时代公众号，华泰研究整理

图表94：主流单相电机有主副两个线圈，互相垂直推动旋转

资料来源：电气时代公众号，华泰研究整理

单相电机使用方便应用偏生活化，三相电机稳定高效工业场景应用居多。单相电机需要启动电容，启动电流大，三相电机直接启动，启动电流小。三相电机更具有耐用性、可靠性和稳定性，因此能够带来高功率和高速度的表现，一般被用于大型工业设备中，例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等。单相电动机只需要单相交流电，具有使用方便、结构简单、成本低廉、噪声小、安装方便、对无线电系统干扰小等优点，但是功率和速度受限，适用场景相对狭窄，常用在功率不大的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器和小型动力机械中。

图表95：单相电机使用方便应用偏生活化，三相电机稳定高效工业场景应用居多

电机类型	应用领域	图示武花型
三相电机	机械制造领域：三相电机的高转矩和高效率带来了很好的驱动源，在机床、钢铁、矿山等领域得到广泛应用。	做心和范水意
	消防与物流领域：三相电机适用于驱动一些重型设备，例如：水泵、风扇、压缩机等。	三相秘线型转导修物
	环保与节能领域：三相电机在新能源设备、电动汽车、太阳能光伏等领域得到广泛应用。	王
	家用电器领域：单相电机在制冷、空调、洗衣机、照明等小型家电领域得到广泛应用。商业办公领域：单相电机在音响设备、打印机、扫描仪等领域得到广泛应用。

	科研与教育领域：单相电机在实验室、教学、科研环境中得到广泛应用，例如：搅拌器、真空泵、离心机等。

资料来源：德力西电气 e 电工公众号，华泰研究

目前使用电容器或罩极法两种路线解决单相电机启动问题。直流电机和三相电机加电后可以自行启动，并不需要专门的启动策略和装置。单相电机启动难度较大，因此直到 1889年特斯拉发明单相电动机的起动方法后才被生产出来。单相正弦电流通过定子绕组时，电机会产生交变磁场，该磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。目前主要使用安装电容器的方法或者罩极法使电机启动并持续旋转。

图表96：装配电容器单相电机的运行原理

单相电机共有两个线圈，主线圈和副线圈。当单相正弦电流通过主线圈时，主线圈会产生交变脉动磁场，该磁场强弱随时间作正弦电流变化而变化，方向一直是1-3。若没有其他线圈提供力，电机转90度后停止。所以须给转子加一个与主线圈方向垂直的力，由启动线圈（副线圈）提供。

采用电容移相，把电容串联在所需要移相的电路里，从而让电流相位改变。单相交流电移相后波形图如上图所示，通入副线圈使副线圈提供与主线圈方向垂直的力

电机接线图如上图所示。首先正弦交流电从A点进入，一部分给主线圈供电，另外一部分通过电容移相。由于两相电其相位一前一后，线圈产生的磁场力也一前一后。主线圈推一下后副线圈推一下，最后完成旋转。

资料来源：电气时代公众号，华泰研究

图表97：使用罩极法单相电机的运行原理

罩极电动机不需要启动装置和电容器，其使用短路铜环或短路线圈把磁极的1/3\~1/4部分罩起来，线圈中的电流延迟磁通量在磁极部分的相位，以便提供旋转磁场，旋转方向是从非罩极到罩极环。

罩极线圈（环）的设计使磁极的轴线偏离主极磁极的轴线，磁场线圈和附加的罩极线圈来产生微弱的旋转磁场。当定子通电时，磁极主体的磁通量在罩极线圈中产生电压罩极线圈充当变压器的二次绕组。变压器二次绕组中的电流与一次绕组中的电流不同步，罩极磁通量与主极磁通量不同步。

罩极电机转子被放置在一个简单的c型芯中，每根磁极的一半被一个罩极线圈覆盖，当交流电流通过供电线圈时，会产生脉动磁通。当通过遮光线圈的磁通量变化时，罩极线圈中会感应到电压和电流，从而与来自电源线圈的磁通量变化相对应。因此，罩极线圈下的磁通量滞后于线圈其余部分的磁通量。通过转子在磁通中产生一个小的旋转，从而使转子旋转。
资料来源：东莞市奇为电机科技有限公司公众号，华泰研究

多相电机可使用低功率等级器件进一步实现低压大功率调速。在冶金轧钢、矿井提升、机车牵引、船舶推进等应用场合，对于调速传动功率的需求不断增大，通常采用的手段是提高电压、增大电流。然而，受到功率开关器件耐压及耐流值的限制，一般需要采用多电平技术或者开关器件串、并联技术来实现大功率的三相变频调速。实现大功率传动的另外一种解决思路是增加电机的相数，降低对逆变器每相容量的要求。由于电力电子变频器的广泛应用，电机驱动完全可以不受三相供电系统限制，采用多相（相数多于三相）逆变器供电同样可以实现大功率交流传动。多相电机驱动系统可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速，减小电机的转动波动，此外多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。

图表98：六相双 Y 移 30°绕组空间分布图

资料来源：电气时代公众号，华泰研究整理

图表99：六相电机可实现低电压大功率，相同负载转矩六相电流小

资料来源：电气时代公众号，华泰研究整理

步进 or伺服：伺服闭环相较步进开环控制精度较高，经济性较低

伺服电机与步进电机主要结构差别在于有无编码器。伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。伺服来自英文 servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机需要伺服驱动器及编码器，驱动器根据编码器反馈值与目标值进行比较，驱动伺服电机调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。步进电机源于自英语单词“Step”，意为“走一步”，其电机轴（转子轴）并不连续旋转，而是以一定的旋转角度间歇旋转。步进电机根据脉冲信号，收到一次脉冲旋转对应的一个步距角，并可调整脉冲频率(一秒钟发送的脉冲个数)，精确地控制轴的旋转角度和旋转速度。但步进电机不需要编码器进行反馈，属于开环控制。

图表100：步进电机结构图

资料来源：鸣志电器官网，华泰研究

图表101：伺服电机结构图

资料来源：鸣志电器官网，华泰研究

步进电机和伺服电机都可作为控制系统使用。伺服电机是闭环控制，通过控制脉冲时间长短控制转动角度。步进电机则属于开环控制，通过控制脉冲个数以实现控制转动角度的目的，一个脉冲对应一个步距角。伺服电机在接收一个脉冲过程中, 将旋转一个脉冲对应角度,以此达到实现位移的效果。伺服电机通过编码器（旋转检测器）检测出旋转位置，并将编码器检测到的信息反馈给控制器来控制位置。因此能够实现高精度停止，即使是在旋转过程中停止，如果位置有偏差也能返回原来的位置。步进电机是把电脉冲信号转换成角位移或线位移的一种开环控制元件，其旋转角度与脉冲数成正比，驱动器通过从控制器接收脉冲信号来控制位置。因此步进电机不需要检测位置的机构，也无法识别位置偏差，可能会因意外的负载波动等原因而发生失步（指示的旋转角度与电机旋转不同步的状态）。

图表102：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程

资料来源：艾斯湃纳官网，华泰研究

步进/伺服电机伴随自动化需求及工业机器人进步快速发展。伺服电机技术随着工业机器人的进步而有显著发展。美国从 20 世纪 50 年代起重视工厂的自动化，并开始了以皮带输送机、自动化装置、工业机器人等为代表的自动化进程。初期自动化装置和工业机器人的执行器使用液压和气压定位，存在精度、使用稳定性、漏油漏气等问题。20 世纪 60 年代后直流伺服电机技术不断发展开始用于工业机器人，以替代液压和气压机构。20 世纪 80 年代交流伺服电机出现，顺应机器人更小更轻的趋势，如今交流伺服电机因其较高的实用性几乎应用在所有工业领域的设备类产品上。步进电机同样随着数字电路发展在 1977 年后被大规模应用于软盘驱动器和硬盘上。

步进电机相较伺服电机可靠性与控制精度较低，经济性较高。步进电机精度略低，可靠性较低；低速存在共振区，运行噪音较高；无过载能力，易失步；能量转化效率低，自身损耗及发热较高；动态响应慢，加减速低；但其调试较为简单，成本更低。伺服电机具有响应速度快、定位控制精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点，且转速范围宽、高速性能好、低速运行平稳，同时抗过载能力强，适用于对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合。但伺服电机需使用昂贵的旋转编码器和伺服驱动器，成本比步进电机更高。因此，伺服电机更适用于要求高效率、高速高响应、高可靠性的场合，如工业机器人和精密机械的控制；步进电机用于要求不高、成本敏感的场合，如复印机、光盘驱动器等。

图表103：步进电机相较伺服电机可靠性与控制精度较低，经济性较高

	伺服电机	步进电机
控制方式	控制脉冲时间的长短控制转动角度的	通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角，可以通过控制脉冲频率进行调速
控制系统	闭环系统，便于自动化控制	开环系统，动作不可控
工作流程	伺服电机为一个供电电源开关(继电器开关或继电器板卡)，一个驱步进电机是一个脉冲发生器，一个步进电机，一个驱动器(驱动器设定步动器、一个伺服电机。	距角角度，如设定步距角为 0.45°，这时给一个脉冲，电机走0.45°)。
低频特性	交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。步进电机在低速时易出现低频振动现象。
矩频特性		交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为 2000 或步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，
过载能力	3000r/min)以内都能输出额定转矩，在额定转速以上恒功率输出。所以其最高工作转速一般在 300~600r/min。交流伺服电机具有较强的过载能力。	步进电机一般不具有过载能力。
速度响应性能		交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W 交流伺服电机步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要
	为例，从静止加速到其额定转速 3000r/min。仅需几 ms，可用于 200~400ms。要求快速启停的控制场合。
价格	价格较高	价格低廉
应用场景	自动贩卖机、售票机、复印机、机器人、光盘驱动器（Blu-ray/DVD工业机器人的关节、人形（类人）机器人的关节、机械的控制装置、电等）、激光打印机、数码相机、空调导风板	动车辆等的自动门、液晶和半导体的检查装置等的X-Y工作台、冲压和辊式给料机、机床和检查装置的旋转工作台

资料来源：工业机器人公众号，华泰研究

伺服电机中交流逐渐替代直流，永磁同步交流伺服为主流之选。伺服技术持续由直流伺服系统转向交流伺服系统。目前国际市场几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在交流伺服系统中，电机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM）。其中永磁同步电机具备优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在低成本或大功率场合得到重视。例如西门子的伺服电机在功率为 30kW 以下多采用永磁同步电机 1FK、1FT 系列，而功率在30kW 以上多采用 1PH 异步电机。

图表104：西门子 1FK系列永磁同步伺服电机订货最大功率 7.5kW

资料来源：西门子官网，华泰研究

图表105：西门子 1PH系列交流异步伺服电机最大功率 45kW

资料来源：西门子官网，华泰研究

永磁同步电机伺服控制原理较交流异步电机更加简单。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理和坐标变换实现矢量控制，同时结合正弦波脉宽调制控制模式对电机进行控制。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，通过检测转子的实际位置就可得知电机转子的磁通位置；而对于异步电机而言，编码器采集的转子机械速度或位置信号并不是旋转磁场速度，不能代表磁通位置，因此无法直接进行磁场定向完成闭环控制，需要考虑转差。因此永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。

图表106：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程

资料来源：《交流异步电机伺服系统设计与研究》（王秀莲等，2012），万泰电机公众号，华泰研究

旋转 or直线：直线电机可视为旋转电机的结构变形，高速响应高精度

直线电机可认为是旋转电机径向剖开后的变形，结构及运行原理与旋转电机相似。电机诞生以来一直以旋转电机形式存在，本篇报告此前部分都基于旋转电机进行分类。直线电机是近年来快速发展的一种新型电机，直线电机运动形式是沿直线运动, 不同于旋转电机驱动直线运动时需要螺纹传动装置。直线电机主要由定子（初级）、动子（次级）、滑动导轨、位置测量系统和工作台组成。直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初级和次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

图表107：直线电机可认为是旋转电机径向剖开后的变形，结构及运行原理与感应电机相似

资料来源：《直线电机原理及其在精密工作台中的应用》（张乾等，2017），华泰研究

直线电机在线性运动中无需传动环节，可以达到高响应速度和高精度。旋转电机在实际运用到线性运动中时，需要一系列中间传动环节，如联轴节、丝杠等，这些部件在启动、加减速、反转、停车等动作时产生弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成运动的滞后和非线性误差，产生电能消耗。此外，这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。直线电机取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，在做线性运动时无需将旋转运动转化为线性运动附加装置，简化了电机结构，实现“直接传动”，也就是“零传动”，排除中间环节造成的各样误差，减少了电能损耗，因此直线电机在性能上有原旋转电机驱动方式无法达到的高精度、高速度、高加速度等性能指标和优点。

图表108：直线电机具有高响应速度、高精度、加减速快等优势

资料来源：电机新视界公众号，华泰研究

直线电机主要应用于高精度高端场景。直线电机凭借本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能优势，主要应用于高精度或节拍要求较高的场景，高速磁悬浮列车是直线电机实际应用中最典型的例子。选择发展直线电机的设备企业都采用扬长避短的手法，一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合，如汽车零部件加工机床，快速原型机及半导体生产机等；二是用于荷载低、工艺范围大的场合，例如电加工机床、等离子切割机、水切割机等。从应用行业角度来看，直线电机在 3C、半导体、锂电池、激光加工机床等领域应用较多，医疗（生命科学、医疗设备等）、航空（飞行控制系统、飞行员反馈系统等）等领域也可看到直线电机的应用。

图表109：短初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用

资料来源：《直线电机在轨道交通中的应用与关键技术综述》（吕刚，2020），华泰研究

图表110：直线电机用于激光微加工平台

资料来源：新日升传动公司公众号，华泰研究

图表111：多家公司布局直线电机业务

厂商	直线电机业务
Akribis 雅科贝思	AWM系列、AXD-ERA系列直线电机等。
大族电机	公司于2005年引进优秀海外团队组建而成，参与《永磁式直线电动机通用技术条件》GB/T34115-2017国
鸣志电器	家标准起草与制定，是大族激光的核心业务板块之一。产品有外部驱动式直线步进电机（包含螺纹丝杆和滚珠丝杆），贯穿轴式直线步进电机，推杆式直线步进电
	机，永磁式直线步进电机。最大推力可达1100N，标准导程从0.6到25.4mm，最高速度可达254mm/s。
德康威尔	DA-A60系列直线电机、DA-A82系列直线电机等。
智赢制造	公司以直线电机、直线电机模组、DD马达(力矩电机)、精密平台、工业机器人为主导产品。
泰科贝尔	LMU无铁芯直线电机系列、LMT有铁芯直线电机系列。

资料来源：电机新视界公众号，华泰研究

典例：矿山机械/数控机床中多种电机“各司其职”

矿山机械：交流电机为主流，永磁电机节能特性顺应“绿色矿山”

矿山机械行业中主要使用高性价比感应电机，永磁电机因其节能属性逐步开始应用。矿山机械传输设备主要使用同步或异步的交流电机。在矿井提升机为代表的矿山高性能调速应用中，交流同步电机的交-直-交变频调速方案占据主要市场。鼠笼电机的交-直-交变频调速系统更容易实现防爆设计，适应矿山开采现场大量灰尘，空气潮湿的恶劣环境，所以在控制性能要求不高的井下皮带输送、暗井提升、水泵和辅助运输系统中占据主流。开关磁阻电机变频传动主要应用于采煤机牵引和矸石山绞车等应用中。永磁同步电机因其节能特性及其他优异性能，在矿井皮带机、刮板输送机和辅助运输胶轮车等得到初步应用。

图表112：直流电机，交流异步电机，永磁同步电机三种矿山机械应用电机对比

资料来源：电气传动公众号，华泰研究

图表113：佳电股份矿用机械电机中三相异步电动机为主流，部分场景尝试永磁电机

资料来源：佳电股份官网，华泰研究

矿山电力传动由低调速能力交流传动到直流传动再到“交直交变频调速”交流电动机主导，变频器发展助推演变过程。我国矿山电力传动系统发展历程主要包括：

阶段一：十九世纪五、六十年代，我国矿山大功率电力传动系统一般采用交流传动方式。优点是技术简单，设备及安装费用低，建筑面积小，运行维护容易。缺点是电气调速性能差，需要另外增设传动装置，增加设备投资和系统的复杂性。

阶段二：十九世纪七十年代后，矿井规模变大深度变深，交流传动控制方法不成熟且受到电动机和控制设备制造容量的限制，所以对提升容量大、速度快的大型矿井，一般采用直流传动装置。矿山大功率直流传动系统主要采用晶闸管变流器—电动机传动方式，动作速度快、调速平滑稳定，但它产生较大的起动压降，对电网的无功冲击大；运行功率因数低效率低；电机费用高。

阶段三：随着微电子技术、交流传动控制理论的进一步发展，矿山大功率传动的发展方向开始重新转向交流传动，交流变频传动正式开始占据市场主体。我国从 1985 年起引进交-交变频设备，主要用于轧机和矿井提升机。三相交-交变频的同步电机调速系统是低速、大功率、高性能传动领域的选择方案之一，并取得了良好的技术经济效益。但交-交变频器需要为数众多的晶闸管，在深控时功率因数低，对电网注入大量谐波，影响矿井电网质量，需要附加滤波器进行无功补偿，增加了投资成本、占地面积和维护量。

阶段四：随着交-直-交功率变换拓扑控制策略的成熟以及高压大功率全控器件进入商品化时代，性能更为优异的交-直-交大功率中高压变频器作为交-交变频器的替代者并迅速确立其主导位置。单元串联型多电平高压变频器及中点箝位型三电平 NPC 变频器助推交流电机传动逐渐成为矿山电气传动的主流方案。

图表114：大功率矿井提升机为代表的矿山电力传动发展历程

资料来源：电气传动杂志公众号，华泰研究

矿井提升机：变频调速助力下，交流电机凭借低成本和高安全性逐渐成为主流应用。起升机构的基本要求是速度平稳、转速范围低、初始成本低、加减速特性平滑、起动和拉出力矩大、可靠性好。电矿井提升系统一般使用直流或三相感应电机作为驱动器，如何选择取决于矿井提升要求、电力供应和成本，其中感应电机更为主流。直流电机可接受独立加载，适应矿井提升机速度和转矩的多样性。感应电机结构简单、坚固、施工成本低，鲁棒性好，可靠性高，鼠笼感应电机更易进行防爆设计。感应电机在矿井提升机应用中的调速问题随变频器发展得到解决，2006 年国产四象限背靠背式 NPC 中压变频调速系统首先在矿井提升机领域得到应用，TKD 系统进一步优化调速方案。目前部分矿井也使用性能更加优良、节能属性突出但成本昂贵的永磁内装式矿井提升机。

图表115： ABB矿井提升机

资料来源：ABB 官网，华泰研究

图表116：永磁内装式矿井提升机驱动原理

资料来源：《永磁内装式矿井提升机应用技术研究》（李玉强等，2019），华泰研究

数控机床：主轴多用感应电机，进给电机中永磁伺服为主流

驱动电动机是数控机床的执行元件，用来完成进给运动和主轴驱动。机床所使用的驱动电动机大致可以分为进给电动机和主轴电动机两类，当几个坐标的进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。用于驱动数控机床各个坐标轴进给运动的称为进给电动机，操纵相应的手柄和转盘，即可获得所需要的进给量。而主轴电动机通常是旋转运动，不需要丝杠或其他直线运动装置。一般进给电机需要对刀具进行精准控制，使用步进电机或伺服电机；主轴电机主要使用三相交流异步电动机，部分也使用直流电动机。

图表117：数控机床电动机可分为进给电机和主轴电机，进给电机主流为永磁伺服，主轴电机主流为感应电机

资料来源：沈阳中捷众创智能装备有限公司公众号，卧龙电驱官网，登奇机电官网，华泰研究

交流异步电机性价比较高，为主轴电机主流应用。主轴电机强调力量，转速高，较多情况没有位置控制要求，速度精度要求不高。主轴电机主要需要满足：1）电动机功率大，并且在大的调速范围内，速度要稳定；2）在断续负载下，电动机转速波动要小；3）调速范围较高但低于进给电机，保证数控机床合用于各种不同的刀具、加工材质；4）过载能力较强。目前机床主轴和主轴电机通常打包生产，融合后称为电主轴，其中主轴电机大多使用性价比较高且具有过载能力的交流异步电机。但因为和伺服系统的适配以及良好性能，高速永磁交流伺服在部分高端机床应用上开始逐步取代异步变频驱动，提高效率和速度。

图表118：卧龙电驱电主轴电机产品大多为交流异步电机

资料来源：卧龙电驱官网，华泰研究

机床进给电机精度控制要求较高，永磁伺服电机为主流应用。进给电机更强调精度与效率，突出高速、高精、高动态、高刚性的特点。进给电机主要要求有：1）机械特性要求伺服电机的速降小、刚度大；2）快速响应，在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格；3）调速范围大，使数控机床合用于各种不同的刀具、加工材质，适应各种不同的加工工艺；4）一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。因此高端数控机床进给电机主要使用高功率密度永磁伺服电机，满足高速、高精、高响应、高密度的装备需求。

进给电机的新方案为直线电机驱动数控工作台，达到高效率快响应目的。根据雅科贝思数据，传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式进给速度一般为 30-48m/min，反响间隙大于等于 3μm，难以满足部分高速高精度情况的加工需要。直线电机驱动工作台做直线运动时无需机械传动结构，降低误差和磨损，提升精度、响应速度和寿命，其速度大于 60m/min，反响间隙约等于 0；直线机床精度寿命可达 10 年；直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。

图表119： Akribis 机床专用直线电机 AKM 系列

资料来源：Akribis 公众号，华泰研究

图表120：直驱伺服响应速度更快

资料来源：Akribis 公众号，华泰研究

图表121：相比于传统的伺服电机+滚珠丝杆/齿轮齿条的驱动方式，直线电机驱动在机床方面应用优势明显

对比项	传统旋转电机	直线电机
快移速度	36-48m/min	≥60m/min
定位精度	0.005-0.1mm	0.002-0.005mm
反响间隙	≥3um	~0
机床精度寿命	2-3年	10年

资料来源：Akribis 公众号，华泰研究

未来：定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向

扁线定子设计通过增加槽满率提升电机效率、功率密度、散热能力。传统的永磁同步电机使用圆线电机，圆线电机中线圈绕组在电机内部线圈槽内，相邻三根圆线之间会有空隙，空间利用率低，功率密度偏低，动力偏弱。扁线电机定子绕组所用的导线形态发生变化，从多根细的圆线转变成几根粗的矩形导线，根据汇川联合动力数据，相比圆线电机，扁线电机槽满率提升 20%以上，磁场强度和电机功率明显提升。胡昊波 2022 年在论文《电动汽车用扁线永磁电机交流铜耗计算与分析研究》中提到，采用不同截面配比的扁线缠绕可以在高频 1000 Hz 工况下进一步减少 23.5%的铜耗。综合相比传统原线电机，扁线电机具有高功率密度、高能量转换效率、良好的 NVH 性能（电磁噪音低）、优异散热性能等优势。

图表122：传统圆线绕组存在较大空隙

资料来源：《电动汽车用扁线永磁电机交流铜耗计算与分析研究》（胡昊波，2022），华泰研究

图表123：矩形扁线绕组空间利用率更高

资料来源：《电动汽车用扁线永磁电机交流铜耗计算与分析研究》（胡昊波，2022），华泰研究

扁线电机目前主要应用于新能源汽车，多企业布局扁线业务。扁线电机还没有进入大规模应用阶段，当前主要应用为电动汽车市场，其中特斯拉、广汽、蔚来、比亚迪、吉利、上汽等相继采用扁线电机。2020 年以来理想 ONE、蔚来 ES6 等车型开始采用扁铜线绕组永磁同步电机，2023 年比亚迪海豚、仰望 U8 等车型也采用扁线永磁电机。根据 NE 时代数据，2022 年新能源车扁线电机出货量达 276.2 万套，市场占比 47.6%。目前由于研发能力及技术水平的不同，各个厂家在扁线电机的布局进度不尽相同，扁线电机厂商中按照出货量排序，弗迪动力领先，特斯拉、联合电子排名二、三名。国内汇川技术、方正电机、大洋电机等企业都在持续研发扁线绕组技术，目前都已量产出货。

图表124：多家企业布局扁线业务

企业	扁线业务发展情况
弗迪动力	2015年启动扁线电机技术自主研究，2017年扁线电机首样成功，国内率先实现6层扁线设计，次年实现产业化，现如今已实现扁线电机研发设计、生产设备、生产工艺的自主化。
特斯拉中国	特斯拉拥有5种型号的驱动电机，包括3台圆线电机和2台扁线电机。2021年，特斯拉换装国产扁线电机 3D6，带动渗透率大幅提升。
方正电机	2018年，方正电机引入牛名奎博士后，系统开发了扁线电机以及自动化生产设备，目前已经小批量供应。
联合电子	2021年，联合电子首次提出X-Pin 绕组概念，并于2023年6月率先实现批产应用，首批500件X-Pin 样件在联合电子太仓工厂下线。
大洋电机	2021年7月，大洋电机在投资者互动平台上表示，扁线电机技术已在48VBSG总成产品上实现应用和量产。
汇川联合动力	苏州汇川联合动力扁线电机已在多个客户车型上批量，2022年发货20万台以上。

资料来源：行家说动力总成公众号，华泰研究

扁线电机工艺复杂、设备精度要求高，限制大规模量产。扁线电机虽然性能较强但大规模应用不易，主要因为扁线电机制造工艺复杂、设备精度要求高，必须依赖专业的高端设备才能实现大规模量产。扁线电机装配可分为定子、转子、合装三大工艺环节，其中转子线和合装线相对简单，而定子装配线有多道复杂工序，对设备精度和工艺一致性要求极高。扁线电机生产三个核心工艺为 PIN 成型（将扁漆包线放卷、矫直、去漆皮、去毛刺、牵引、裁断、移载以后，通过折弯或冲压的方式制成绕组，主要为制成 H Pin）、扭转（将插好 PIN的定子端部的 PIN 脚按照先外层后内层的顺序进行交错扭转变形）、动平衡（对电机转子进行动平衡检测并切削加工）。

图表125：扁线电机工艺复杂、设备精度要求高

工艺定义		难点	解决方案 (以汇川技术为例）
PIN成型	PIN 成型指将扁漆包线放卷、难点在于放卷张力控制和冲压矫直、去漆皮、去毛刺、牵引、成型要求高精度；去漆皮、去毛裁断、移载以后，通过折弯或刺、牵引、裁断要求既保证功能冲压的方式制成HPin。	实现，又需要尽可能降低机械冲击和伺服负载率。	汇川技术PIN成型解决方案通过闭环转矩放卷控制，达到精度±1N，同时通过卷径计算和牵引速度控制和 PID输出控制双控制，保证恒张力牵引线速摆杆放卷机主牵引	去漆皮、去毛刺、牵引、裁断采用追剪凸轮控制，将间歇式加工变为连续加工，效率提升30%，同时动作更柔和	丝杆模细	冲压成型采用位置+力矩转换控制，定位迅速，保压精度0.1%。电机传器
扭转	电机定子一般有 48 槽，每槽耦合成同步曲线。 4~8 层扁线。扭转过程中，Z 轴持续匀速下降，扭转盘动作由外而内依次进行，并与乙轴保持一定同步关系。	扭转指将插好PIN 的定子端部工艺难点在于根据材料特性分的PIN脚按照先外层后内层的析数据建立扭转模型仿真，输出顺序进行交错扭转变形。扁线形变过程的离散位置和角度点，	电位器起	e		初位切换位 EUY 保压位
动平衡	动平衡即对电机转子进行动平电机转速高达几万转，因此对电衡检测并切削加工。	快捷。机转子的尺寸均匀分布要求很高	中进行分析处理，给出切削位置和切削量，并进行切削处理。		汇川解决方案中扭转过程更加接近材料特性，仿真输出离散Z轴位置和C轴角度，拟合成凸轮曲线，动作更平滑，成型效果更好；同时配方切换时，工艺的参数变更操作也更灵活、动平衡检测设备通过一个主动轴经过皮带，带动被测电机转子高速旋转。旋转过程中，若转子有偏心的情况，则会引起皮带波动，最终通过传感器将波动信号传输到高速采集模块

资料来源：汇川技术公众号，华泰研究

碳化硅为电机提升能效提供新方向。当前电机能效普遍可达 90%以上，若想在现有基础上继续提升电机能效，付出成本将倍数级增加。因此，提高电机控制单元中的主逆变器能效成为提升整个电驱系统能效的新方向。主逆变器是电机控制单元中的核心部件，其能效将直接影响整个电驱系统的能效。目前，主流的逆变器模块采用的是 IGBT 模块，虽然 IGBT模块成本较低，但其效率较低，导致整个电驱系统的能效无法达到最优。而采用 SiC（碳化硅） MOSFET 模块可以实现从电池到电机路径的效率提升，给所带动机械省去能耗。

图表126：博世（Bosch）的逆变器采用碳化硅半导体

资料来源：智芯通公众号，华泰研究

图表127：安森美半导体 650V SiC MOSFET

资料来源：安森美半导体公众号，华泰研究

碳化硅属于宽禁带材料，介电击穿强度和热导率高，开关速度更快。SiC 是一种半导体材料，它的带隙(3.26 eV）比硅（1.12 eV）大，作为电机控制单元的核心器件具有许多优点。首先，碳化硅体积较小，有利于封装和集成，可以为电机控制单元的设计提供更多的灵活性。其次，碳化硅开关/导通响应快且损耗更小，能够大大提高电机的效率，从而降低机械设备的能耗。再次，碳化硅的耐压值高，是硅基的 10 倍，可以使用更高的电压，从而提高电机的功率密度，提高设备的续航能力和性能。此外，碳化硅导热率高，热导率比硅高三倍，利于散热，可以进一步提高电机的效率和稳定性。碳化硅 SiC MOSFET 的优点使其成为电机控制单元的理想选择。

图表128：碳化硅宽禁带优势

资料来源：安森美半导体公众号，华泰研究

碳化硅目前发展的痛点主要在于规模迅速扩大及高效降本。虽然碳化硅晶体管带来更大价值，但仍面临一些技术性和商业性的挑战。材料衬底方面，由于碳化硅衬底生产效率低，成本比硅晶片高出许多，再加上后期的外延、芯片制造及器件封装等低成品率，导致碳化硅器件价格居高不下。三安光电董事长特别助理、北京三安光电有限公司总经理陈昭亮在2022 年 3 月中国电动汽车百人会论坛发表演讲表示，根据行业预测，目前碳化硅器件批量化价格仍是硅基 IGBT 的 3-5 倍。

在具身智能中的应用：特斯拉 Optimus采用电气驱动

特斯拉人形机器人执行器中主要使用无框力矩电机和空心杯电机。旋转执行器、线性执行器、灵巧手共同构建人形机器人全身关节，目前人形机器人驱动主流方案都需电机完成电气传动。相比液压驱动方案，电气传动方案可靠性和精度高、安静、高效、成本低。人形机器人具有结构紧凑、关节扭矩大的特点，因此目前身体关节选用无框力矩电机，无框力矩电机一般为直流或交流的永磁电机；而手部电机要求体积小、精度高，主流应用为空心杯电机。

图表129：特斯拉 Optimus旋转执行器中使用无框电机

资料来源：Tesla AI Day 2022，华泰研究

图表130：特斯拉 Optimus的手部模组

资料来源：Tesla AI Day 2022，华泰研究

机械传动：高精控制百宝箱

机械传动：高精确度的转矩、转速变换器

机械传动即用各种形式机构传递运动和动力，主要用于转变原动机输出的动力及运动形式，以满足工作机需求，多种基本传动机构组合即构成机械传动系统。按零件功能进行拆分，一般的机械传动系统主要由传动类零件、导向支承类零件、连接类零件与箱体四大部分组成：1）传动类零件用于传递运动和动力，如齿轮、带、带轮等；2）导向支承类零件用于导向、支承传动零件，如轴、轴承等；3）连接类零件用于将两个及两个以上零件连接成一个整体，如键、联轴器等；4）箱体用来支承和固定传动零件，为传动零件提供密封的工作空间。

机械传动特性包括运动与动力特性。机械传动系统运动特性主要包括转速、传动比、变速范围等，其中，传动比为主动件转速与从动件转速之比，传动比＞1为减速传动，传动比＜1 为增速传动，传动系统总传动比为各级传动比的乘积。动力特性主要包括功率、转矩、机械效率、变矩系数等，机械传动系统总效率即为传动机构、轴承、联轴器等组成部分效率的连乘积。

图表131：机械传动系统的一般组成

资料来源：潘传九《化工设备机械基础》（2018），华泰研究

图表132：各类传动机构可实现的运动、动力转换功能各异

传动机构		运动的变换				动力的变换
传动机构	形式	形成	方向	速度	大小	形式
丝杠螺母	▲				A
齿轮				D
齿轮齿条
链轮链条
带、带轮
缆绳、绳轮
杠杆机构
连杆机构
凸轮机构
摩擦轮
万向节
软轴
蜗轮蜗杆
间歇机构

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

传动比精确为机械传动核心优势，主要用于中低速有级变速传动。作为三大传动方式之一，相较于液压传动、电气传动，机械传动主要优点在于：1）传动比准确，适用于定比传动；2）实现回转运动的结构简单，并能传递较大的扭矩；3）故障容易发现，便于维修；4）传动效率高。但机械传动一般情况下不够平稳，制造精度不高时，振动和噪声较大，实现无级变速的机构较复杂，成本高，故机械传动主要用于速度不太高的有级变速传动中。

图表133：机械传动与电气传动、流体传动对比

传动特性	机械传动	电气传动	流体传动
传动特性	机械传动	电气传动	液压传动	气压传动
定义	通过机械构件如杠杆、凸轮齿轮、轴、皮带、链条等把能量和动力传送给工作机构	利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制能量和动力	以有压液体或气体为工作介质，通过动力元件把原动机输出的机械能转化为液体或气体的压力能，进而借助管道和控制元件把有压液体或气体输送到执行元件，从而把压力能转换为机械能，驱动负载直线/回转运动
功率与质量比转矩与转动惯量比	小	小	大	中等
响应速度	小	小	大高	中等
	低	中等		低
可控性	差	中等	好	中等
负载刚度	中等	差	大	差
调速范围	小	中等	大	小
控制精度	高优点：传动准确可靠、制造优点：能量传递方便，信号	高	一般优点：功率-质量比大，速度	一般优点：结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失
优缺点总结	容易、操作简单、维护方便传递迅速，标准化程度高，、传动效率高；缺点：不能进行无级调速，远距离传动较困难，结构复外界负载影响，惯性大，起效率低，传动精度较差；杂；	易于实现自动化；缺点：运动平稳性差，易受缺点：温度影响较大，传动动及换向慢，成本较高等；	调节容易，操纵省力等；	小等；缺点：空气易压缩，负载对传动特性的影响较大，工作压力低，只适合于小功率传动
典型应用场景	机械传动中齿轮传动应用最广，用于机器人等智能装备所有工作机械均有应用及各类机械装置中		工程机械、压力机械等大功率应用场景；机床等需无级变速电子工业、包装机械、食品机应用场景；航空工业等对功率械等小功率应用场景与质量比较敏感应用场景

资料来源：李壮云《液压元件与系统》（2019），华泰研究

根据原理差异，机械传动可分为摩擦、啮合、推压传动三类。其中，摩擦传动主要包括带传动、绳传动等；啮合传动主要包括齿轮传动、螺杆传动、螺旋传动、链传动、同步带传动等，推压传动主要包括凸轮机构、连杆机构等。此外，机械传动也可按照传动比是否改变划分为固定传动比（摩擦轮机构、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动）、可调传动比（有级变速传动、无级变速传动）、变传动比（连杆机构、非圆齿轮传动、不完全齿轮传动、凸轮机构、槽轮机构、棘轮机构）；按照能量流动路线划分为单流传动与多流传动等。

图表134：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

不同应用场景传动机构需求不同，一般组合应用。机械传动的选择一般考虑 7大因素6：

执行系统的工况及工作要求与原动机机械特性的匹配程度：若原动机性能完全适合执行系统的工况和工作要求，可采用无滑动的机械传动使两者同步，若执行系统要求输入速度能调节，应选择能调速的传动系统；

2) 工作要求传递的功率：如蜗杆传动工作时发热情况较为严重，传递功率不宜过大；摩擦轮传动须有足够的压紧力，不宜用于大功率传动；带传动和链传动若需增大传递功率，则需增大链的排数和带的根数，会引起载荷分布不均；齿轮传动在传递大功率方面优于其他传动，应用最广。

3) 工作要求传递的运转速度：若要求较高的运转速度，一般采用高精度直齿圆柱齿轮传动、同步带传动、齿形链传动；普通 V 带传动速度太大、离心力过大，会缩短带的工作寿命，因此带传动的最大允许速度应低于 40m/s；链传动存在运动不匀性，不适用于高速传动场合。

4) 机械传动机构的效率：满足传动比、功率等指标的前提下，一般选用单级传动，缩短传动链，提高传动效率。

5) 结构布置与外廓尺寸：传动尺寸紧凑，一般选用齿轮传动、蜗杆传动、行星齿轮传动；传动距离较远，一般采用带传动、链传动。

6) 机械运转环境与安全性：如工作环境恶劣，一般选用链传动。

7) 考虑经济性。

结合各应用场景机械传动机构的选择，凸轮、连杆、齿轮机构较为常用，其中齿轮机构传动精确、强度大、负载高、结构紧凑、摩擦力小、效率高，在生产活动中最为常用。此外，螺旋机构中滚珠丝杠传动摩擦损失小、传动效率高、精度高、可保障高速进给与微进给，在工具机械与精密机械中最为常用。但当前生产环境较为复杂，为实现执行构件的运动形式、运动参数及运动协调关系，机械传动机构一般组合应用。

图表135：牛头刨床机械传动系统包括带传动机构、齿轮机构、连杆机构、螺旋机构

资料来源：周桂英《机械基础》（2016），华泰研究
6 《机械设计（上册）：机器与机构分析和设计》

图表136：各主要传动机构应用场景各异

类型	运动形式变换	图例	功率/kW	效率/%	优点	缺点	应用
机构	回转、摆动、平面连杆往复移动→回转、摆动、往复移动		大、中、小	较高	结构简单、制造方便；行程较大；连接处为面接触，磨损较轻，能承受较大载荷		常用于重型机械、轻工一般不宜高速运动机械、农业机械及机床、仪表等
凸轮机构	回转→往复移动、摆动		小	较低	可实现从动件的任意凸轮制造复杂；高运动规律	速时冲击较大	常用于自动机床的进给机构、印刷机、内燃机、纺织机等
棘轮机构	摆动→间歇回转或移动		中、小	较低	结构简单，角位移调节方便	平稳性差；高速时噪声大；传递动力不宜过大	常用于间歇转动角度很小或常需调节转角大小的场合，如牛头疱疮工作台的进给机构
槽轮机构	回转→间歇回转		中、小	较高	结构较简单，工作可靠；运动较平稳	不小于45°	间歇运动转角不可多用于不需经常调节转调；每次槽轮转角角的转位运动，如自动机床上的转动刀架
V带传动机构	回转→移动		≤100	94~97	能远距离传动；工作平稳；能吸振缓冲；过载打滑起保护作用；结构简单、成本低	传动比不准确	常用于机床、运输机、农业机械、纺织机械等，通常置于传动系统的高速级
链传动机构	回转→移动		≤100	92~97	可在高温、油、酸等距离传动	恶劣环境下工作；远瞬时传动比有波动机械和起重机械等。通	常用于农业、化工、石油、矿山机械以及运输常置于传动系统的低速级
圆柱齿轮回转→回转(两机构	轴平行)		≤750(直齿) ≤50000(斜齿）96~99(斜齿)	95~98(直齿)	适用的功率和速度范	噪声大，制造精度矿山机械、起重机械、	常用于各类机床、冶金
构	锥齿轮机回转→回转(两周垂直相交)		≤500	95~98	围广、寿命长、效率高、传动比准确	要求高	汽车、船舶、轻工机械、化工机械、仪表等
蜗杆机构	回转→回转(两周垂直相交)		≤50	70~82	传动比大而尺寸小；传动平稳	效率低；因摩擦大，部分涡轮需用价格较贵的青铜制造	）常用于车床溜板箱、铣床分度头、手动辗鲈
滑动螺旋机构	回转→移动		中、小	30~60	工作平稳；运动精度较高；尺寸紧凑；降速、增力效果好	效率低、易磨损	常用于机床的进给机构和机械的调速装置、起重升降装置等

资料来源：李会文等《机械分析应用基础（第 2 版）》（2017），华泰研究

传动原理：“回转→回转”、“回转→移动”等运动形式

机械传动可实现“回转→回转”、“回转→移动”等运动形式的变换，本章从机械传动可实现的运动形式变换角度出发，对主要机械传动机构分类及原理进行分析。

回转→回转：齿轮传动应用最为广泛，轮系为主要应用形式

齿轮机构通过一对齿轮的齿面依次啮合来传递空间两任意轴之间的运动和动力。根据两轴线间的相对位置和轮齿齿向，齿轮传动可分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动三大类。齿轮传动一般应用于回转→回转运动过程中，但部分结构，如齿轮齿条传动（属于渐开线齿轮传动），主要用于实现回转→移动变换。齿轮传动种类多样，渐开线圆柱齿轮应用最广，可用于船舶、矿山、轻工、建材等领域。

图表137：齿轮传动分类

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

图表138：齿轮传动主要特点及适用范围

种类		图例	主要特点	应用
渐开线圆柱齿轮传动			传动的速度和功率范围很大；传动效率高，一对齿轮可达0.98~0.995；精度愈高，润滑愈好,效率愈高；对中心距的敏感性小，互换性好；装配和维修方便；可以进行变位切削及各种修形、修缘，从而提高传动质量；易于进行精密加工，是齿轮传动中应用最广的传动	高速船用透平齿轮，大型轧机齿轮，矿山、轻工、化工和建材机械齿轮等
圆弧圆桂齿轮传动	单圆弧齿轮传动		接触强度比渐开线齿轮高；弯曲强度比渐开线轮低；跑合性能好；没有根切现象；只有做成斜齿，不能做成直齿；中心距的敏感性比渐开线齿轮大；互换性比渐开线齿轮差；噪声稍大	轧机减速器，矿井卷扬机减速齿轮，鼓风机、制氧机、压缩机减速器
圆弧圆桂齿轮传动	双圆弧齿轮传动		除具有单圆弧齿轮的优点外，弯曲强度比单圆弧齿轮高(一般高40%~60%)，可用同一把滚刀加工一对互相啮合的齿轮，比单圆弧齿轮传动平稳，噪声和振动比单圆弧齿轮小	轧机减速器，矿井卷扬机减速齿轮，鼓风机、制氧机、压缩机减速器
摆线针轮传动			有外啮合(外摆线)内啮合(内摆线)和齿条啮合(渐开线)三种型式。适用于低速、重载的机械传动和粉尘多、润滑条件差等工作环境恶劣的场合，传动效率n=0.9~0.93(无润滑油时)或n=0.93~0.95(有润滑油时)。与一般齿轮相比,结构简单加工容易、造价低、拆修方便	起重机回转机构，球磨机传动机构，磷肥工业用回转化成室，翻盘式真空过滤机底部传动机构，工业加热炉用台车拖鬼机构，化工行业
非圆齿轮传动			非圆齿轮可以实现特殊的运动和实现函数运算，对机构的运动特性很有利，可以提高机构的性能，改善机构的运动条件；如应用在自动机器中，可使机器的工作机构和控制机构具有变速运动，可以协调平行工作的机构的循环时间，用非圆齿轮带动较链连杆机构的主动件时，使较链连杆机构的运动特性具有所需的形式	自动机器仪器仪表、纺织机械绕线托架机构等
锥齿轮传动	直齿锥齿轮传动		比曲线齿锥齿轮的轴向力小，制造容易	机床、汽车、拖拉机等机械中轴线相交的传动
	斜齿锥齿轮传动曲线齿锥齿轮传动		比直齿锥齿轮总重合度大，噪声较低	机床、汽车
	斜齿锥齿轮传动曲线齿锥齿轮传动		比直齿锥齿轮传动平稳，噪声小，承载能力大，但轴向力较大	汽车驱动桥传动、拖拉机及机床传动
交错轴斜齿轮传动			是由两个螺旋角不等(或螺旋角相等，旋向也相同)的斜齿齿轮组成的齿轮副，两齿轮的轴线可以成任意角度，缺点是齿面为点接触，齿面间的滑动速度大，所以承载能力和传动效率比较低，故只能用于轻载或传递运动的场合	用于空间传动机构
准双曲面齿轮传动			比曲线齿锥齿轮传动更平稳，利用偏置距增大小轮直径，可增加小轮刚性，传动效率比直齿锥齿轮低	最广泛用于越野及小客车，也用于卡车，可用以代替蜗杆传动
蜗杆传动	普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动		传动比大，工作平稳，噪声较小，结构紧凑，在一定条件下有自锁性，效率低	多用于中小负荷间歇工作场景，如小型转炉倾动机构
			接触线形状有利于形成油膜，传动效率及承载能力均高于普通圆柱蜗杆传动	用于中小负荷间歇工作场景，如轧钢机压下装置
			有利于形成油膜，承载能力大，一般比普通圆柱蜗杆传动大2-3倍，但制造工艺较复杂	轧机压下装置，各种绞车、冷挤压机、转炉、军工产品以及其他冶金矿山设备等
	锥面蜗杆传动		同时接触齿数多，齿面可得到较充分的润滑和冷却，易于形成油膜，传动比较平稳，效率较普通圆柱蜗杆传动高，设计与制造较复杂	结构要求比较紧凑的场合

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

轮系为齿轮机构主要应用形式。齿轮传动适用的圆周速度与功率范围广，效率高，传动比稳定，寿命较长，工作可靠性较高，可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动，但不适宜于远距离两轴间传动。为弥补齿轮传动缺陷，生产中多采用一系列互相啮合的齿轮将输入轴、输出轴相连接，即轮系。轮系可一定程度弥补一对齿轮的劣势，实现较远距离传动、从动轴多种变速与换向、较大传动比，以及合成或分解运动等，应用广泛的特殊轮系如摆线针轮行星轮系、谐波齿轮系等，变速箱、差速器、齿轮减速器等均采用轮系。根据轮系运转时各齿轮轴线的几何位置是否固定，轮系可分为定轴轮系、周转轮系、混合轮系三大类。

图表139：轮系可分为定轴轮系、周转轮系、组合轮系三大类

轮系	定轴轮系	周转轮系	组合轮系
图例	1—固定轴线	1-太阳轮；2-行星轮；3一系杆	1-定轴轮系；2-周转轮系
特点	运转时轮系中所有齿轮的几何轴线相对于机架都是固定的，各齿轮绕自身的轴线旋转，轴线不做任何运动，为相对简单的轮系	轮系运行时，太阳轮转动，带动行星轮绕自己的轴线转动（自转)，同时还在系杆的带动下随同其轴线绕太阳轮的轴线转动(公转)；周转轮系根据机构自由度差异可分为差动轮系、行星轮系两类	由定轴、周转轮系组成

资料来源：陈霖等《机械设计基础（第 3 版）》（2017），华泰研究

回转→移动：带传动、凸轮机构、螺旋机构较为常用

带传动：主要用于高速级、圆周力较小场合

带传动即两个或多个带轮之间用带作为中间挠性零件的传动，通过带与带轮之间的摩擦或啮合来传递运动和动力。根据带传动传递力的方式不同，带传动可分为摩擦型带传动与啮合型带传动两类。摩擦型带传动由主动轮、从动轮、挠性传动带组成，传动带紧套在两个带轮上，主动轮旋转时，依靠摩擦力使传动带运动而驱动从动轮转动，主要包括平带传动、V带传动、多楔带传动、圆带传动四类，其中，V带传动在同样张紧力下，较平带传动可产生更大的摩擦力、更高的承载力、更大的传动功率，且标准化程度高、传动比大、结构紧凑，应用最为广泛。啮合型带传动由主动同步带轮、从动同步带轮、环形同步带组成，主要靠传动带与带轮上的齿相互啮合来传递运动和动力，同步带传动为最典型的啮合型带传动。相较于摩擦型带传动，啮合型带传动传递功率大、传动比准确，多用于录音机、数控机床等要求传动平稳、传动精度较高的场合。

图表140：带传动可分为摩擦型、啮合型两类

分类		摩擦型			啮合型
	平带	V带	多楔带	圆带	同步带
图例	/
特点	1)由多层胶帆布构成；2)横截面形状为扁平矩形；3)工作面是与轮面相接触的内表面；4)结构简单、带轮制造	1)横截面形状为等腰梯	1)以平带为基体，内表面		1)综合了带传动、链传2)工作面呈齿形；3)具有传递功率大、传动精准等特点；
		形；2)工作面是与轮槽相接触 2的两侧面，V带与底槽不接触；3)V带较平带能产生更大的摩擦力，可传递较大的克	排布等距纵向槽(梯形);)工作面为梯形楔的侧面；3)兼有平带弯曲应力小和V带摩擦力大的优点，可服多根V带传动受力不均的缺点；			制成；3)结构简单，但传动功率很小；
				棉绳

	容易；	功率且结构更紧凑；
应用	传动中心距较大的场合应用较多。一般平带是	允许的传动功率比较大、中心距较小、外廓尺寸小，且V带无接头，传动较平稳，故应用最广	常用于传递功率较大且结构要求紧凑及速度较高的场合，特别是要求V带根数多和轮轴垂直地面的场合	常用于低速轻载的仪器或家用机械，如缝纫机、真空吸尘器、磁带盘等	常用于录音机、数控机床等要求传动平稳、传动精度较高的场合
	有接头的橡胶布带，运转不平稳，不适于高速运转；在某些高速机械(如磨床、离心机等）中常用无
	接头的高速环形胶带、丝织带和锦纶编织带等

资料来源：陈霖等《机械设计基础（第 3 版）》（2017），李会文等《机械分析应用基础（第 2 版）》（2017），华泰研究带传动多用于高速级、圆周力较小场合。带传动具备传动平稳、噪声小，过载保护，传动中心距较大，制造简单等优点，但带传动缺点亦较为明显：①带传动工作时会产生弹性滑动，不能保持准确传动比，传动进度较低；②带传动轮廓尺寸大、传动效率低；③带的寿命较短，对环境要求较高。故带传动主要用在传递功率不大、速度适中、传动比要求不严格且中心距较大场合，在多级传动系统中，带传动多置于高速级，起过载保护作用，同时减小其结构尺寸与重量。

链传动与带传动同属挠性传动，但链传动应用范围相对少。链传动与带传动结构相似，由主、从动链轮以及绕在两轮上的挠性链条组成。相较带传动，链传动没有弹性滑动和打滑，需要的张紧力小，作用在轴和轴承上的压力较小，传递功率大，传动效率高，能在潮湿、多尘、高温、有油污等恶劣条件下工作；但链传动瞬时链速和瞬时传动比不恒定，故传动平稳性差，工作时冲击、振动和噪声较大，且载荷变化大，急速反向转动时性能差。基于链传动特性，其应用场景较带传动范围小，主要用于中心距较大、要求平均传动比准确的传动，环境恶劣的开式传动，以及低速、重载传动和润滑良好的高速传动中，如农业机械、矿山机械、机床及摩托车等。

图表141：带传动示意图

资料来源：潘传九《化工设备机械基础（第三版）》（2018），华泰研究

图表142：链传动示意图

资料来源：潘传九《化工设备机械基础（第三版）》（2018），华泰研究

凸轮机构：主要用于小传力往复移动场合

凸轮机构主要适用往复移动场合。凸轮机构主要由凸轮、从动件及机架三个基本构件组成，其中，凸轮为具有曲线轮廓或沟槽的构件，在其运动时，通过轮廓或沟槽驱动从动件运动。凸轮结构简单、紧凑，设计方便，但凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，故多用于传力不大而需要实现特殊运动规律的场合，如自动机床的进给机构、上料机构、内燃机配气机构、印刷机和纺织机中的有关机构等。凸轮有多种分类方式，按凸轮形状可分为盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮，其中，盘形凸轮、圆柱凸轮主要用于实现回转→移动运动切换。

图表143：凸轮机构按照凸轮形状可分为盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮

资料来源：李会文等《机械分析应用基础（第 2 版）》（2017），华泰研究

螺旋机构：广泛应用于精密仪器仪表

滚动螺旋机构在精密机械中最为常用。螺旋机构又称丝杠螺母机构，其利用螺杆与螺母组成的螺旋副将旋转运动转换成直线运动（也可反之将直线运动转换成旋转运动），同时传递转矩和动力，并可调整零件的相对位置。螺旋机构传动结构简单，工作连续平稳，承载能力大，传动精度高，但存在摩擦损失大、传动效率低等缺点，滚动螺旋传动应用大幅改善螺旋传动缺点，在精度要求较高的机械设备、仪器仪表中广泛应用。

图表144：螺旋传动可分为普通、滚动、静压螺旋传动三类

分类及特点				应用
分类及特点				场景	示例螺旋千斤顶托盘
普通螺2）摩擦阻力大，传动效率旋传动低（30%-40%）；	1）结构简单，制造方便，运转平稳，易于自锁； 3）有侧向间隙，反向有空行程，低速有爬行；	传力2）用较小的力转动螺杆(或螺母)， 3）要求较高的强度和自锁性；	1）以传递动力为主；螺旋产生较大的轴向力，形成轴向运动；旋千斤顶 1）以传递运动为主，有时也承受较	举重或挤压机构，如螺		机床工作台移动机构
		传动大的轴向载荷；	螺旋 2）要求有较高的传动精度和传动效率，常采用多线螺纹提高效率；	机床刀架与工作台的进给机构	托盘螺母	手柄工作台台虎钳
		能和精度；	1）用来调整并固定零件或部件之间调整的相对位置，一般在空载下调整; 螺旋 2）受力较小，要求有可靠的自锁性	工具、夹具、车床的手动调整机构		固定螺母 W
滚动螺旋传动		滚珠循环装置	1）传动效率高(>90%)，具传动可逆性，运转平稳，低速不爬行； 2）经调整预紧，可获得很高的定位精度和较高的轴向刚度； 3）结构复杂，抗冲击性能差，不具有自锁性，多由专业厂制造；		1）数控机床、精密机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋； 2）飞行器、船舶等自动控制系统的传动螺旋；
静压螺旋传动	油	网a 节流	1）传动效率高(可达99%)，具传动可逆性，运转平稳，无爬行现象； 2）反向时无空行程，定位精度高，摩擦阻力极小，磨损很小； 3）螺母结构复杂，需有一套要求较高的供油系统，仅用于要求高效传动螺旋率、高精度的重要传动;			精密机床的进给、分度机构的

资料来源：周克媛等《机械基础（第 3 版）》（2017），李会文等《机械分析应用基础（第 2 版）》（2017），华泰研究

其他：齿轮齿条——可实现“回转→移动”的齿轮传动机构

齿轮齿条为齿轮传动中用于实现“回转→移动”的机构。如前所述，齿轮传动一般应用于“回转→回转”的运动形式变换，但部分机构可实现“回转→移动”，典例即为齿轮齿条。齿轮齿条由圆形的齿轮和直线形的齿条相互啮合，将加载在齿轮上的旋转运动转换为齿轮与齿条间相互的直线运动。齿轮齿条传动的承载力大，传动精度较高，可无限长度对接延续，传动速度可以很高。但若其加工安装精度差，传动噪声与磨损或较大。齿轮齿条典型用途包括大版面钢板、玻璃数控切割机等。

图表145：齿轮齿条由圆形齿轮与直线型齿条相互啮合

资料来源：深圳鸿泰兴官网，华泰研究

“回转→移动”传动结构各有优缺，适用场合差异性较大。可实现“回转→移动”的各类机构中，同步带传动、滚动螺旋传动、齿轮齿条传动较为常见，其中，同步带传动承载力较大，加宽传动带可以提高负载承载力，传动精度较高，但较长的传动带会产生弹性变形和振动，故工作行程有限；滚动螺旋传动不能自锁，传动效率高，精度高，噪声低，适合高速往返传动，但是水平传动跨距若较大时要考虑极限转速和自重下垂变形，对于工作行程较大的大型数控机床，一般采用齿轮齿条结构进行替代；齿轮齿条传动定位精度、传动效率低，但承载能力强、行程不受限制，多用于长距离、大载荷传输。

图表146： “回转→移动”传动机构各有优缺点

机构	优点	缺点	适用场合
同步带传动	短距离传动速度可以很的弹性变形和振动，大距离传高，传动精度较高，噪动不适合精确定位、连续性运音低	承载力较大，大负载需加宽皮带，传动长度过大需考虑较大动控制，可用于伺服电机到传动齿轮或伺服电机到丝杠的短距离传动	小型数控设备、某些打印机
齿轮齿条传动	承载力大，传动精度较限长度对接延续，传动大，磨损大速度可以很高，>2m/s	高，可达0.1mm，可无若加工安装精度差，传动噪音控切割机，建筑施	激光/玻璃/钢板数工升降机可达30层楼高
滚动螺旋传动	不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动	水平传动跨距大需考虑极限转速和自重下垂变形，传动长度不可过长；长时间使用传动间隙变大，精度变差；成本高	数控机床，小版面数控切割机；机电一体化设备行程6m 以下的直线传动系统使用最为广泛的传动形式

资料来源：上海会通自动化官网，华泰研究

多运动形式变换：连杆机构

连杆机构可实现的运动形式变换较为多样，可实现由“回转、摆动、往复移动→回转、摆动、往复移动”。连杆机构由若干构件用低副（转动副/移动副/螺旋副/圆柱副/球面副即球销副）链接构成，按构件的相对运动关系，连杆机构可分为平面连杆机构（组成构件均在同一平面或相互平行的平面内运动）与空间连杆机构（组成构件不在同一平面内或不在相互平行的平面内运动）。连杆结构多用所含构件数命名，如含四个构件的连杆机构称为四杆机构。

连杆机构应用广泛，优缺点均较为显著：

◆ 优点：1）运动副一般均为低副。低副中两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；有利于润滑，磨损较小；运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造，易获得较高的制造精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，而凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。2）可实现多种形式的运动变换和运动规律。在连杆机构中，当原动件的运动规律不变时，改变各构件的相对长度可使从动件得到不同的运动规律。3）具有丰富的连杆曲线。在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（即连杆曲线），其形状随着各构件相对长度的改变而改变，可满足不同轨迹的设计要求。

◆ 缺点：1）传递运动的累积误差比较大，机械效率低。由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，降低了机械效率。2）不适用于高速运动的场合。在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷，容易使机构在运动中产生振动和冲击，严重时还会影响机械产品的工作精度与寿命，所以连杆机构不适于高速运动的场合。3）机构设计复杂，难以实现精确的轨迹。虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地得以满足。

平面四杆机构为平面连杆机构基础。平面连杆机构中，结构最简单且应用最广泛的是平面四杆机构，其他机构可看成是由平面四杆机构演化而来。平面四杆机构基本形式为铰链四杆机构，即全部用转动副相连。铰链四杆机构可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

图表147：平面铰链四杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种形式

曲柄摇杆机构		双曲柄机构	双摇杆机构
特点	两连架杆中一个能作整周转动，另一个只能作往复摆动两连架杆均能作整周转动的的机构;当曲柄为原动件，摇机构；当主动曲柄连续等速杆为从动件时，可将曲柄的转动时，从动曲柄一般不作连续转动转变为摇杆的往复等速转动，而作变速转动摆动		速两连架杆均不能作整周转动的机构
机构示例	连杆 B 连架杆连架杆曲柄 -摇杆机架	连架杆 C 曲柄连杆机架 D 连	连架杆摇杆 B 机架连杆 A 连架杆 -摇杆
应用举例	颚式破碎机、雷达天线俯仰机构、缝纫机脚踏板机构	惯性筛	鹤式起重机、汽车前轮转向机构

资料来源：郭润兰《机械设计基础》（2018），华泰研究

典例：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠

机械传动机构众多，本章我们重点分析“回转→回转”与“回转→移动”两大运动变化形式的代表性机械传动装置：减速器（旋转运动）、滚珠/行星滚柱丝杠（直线运动）。

减速器：旋转运动核心传动装置，新型齿轮系空间逐步打开

减速器为以齿轮为主要传动机构的传动装置。减速器即由封闭在箱体内的齿轮、蜗杆蜗轮等传动零件组成的传动装置，为齿轮传动齿轮系的最终应用形态，主要用于降低转速、增大转矩，在现代机械中应用广泛。减速器种类较多，按传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按传动级数可分为单级和多级减速器；按齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器等。

图表148：常用减速器型式及特点和应用

名称特点及应用
单级圆柱齿轮减速器		轮齿可做成直齿、斜齿和人字齿。直齿用于速度较低、载荷较轻的传动;斜齿轮用于速度较高的传动，人字齿轮用于载荷较重的传动中，箱体通常用铸铁做成，单件或小批生产有时采用焊接结构。轴承一般采用滚动轴承，重载或特别高速时采用滑动轴承。其他型式的减速器与此类同。结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。用于载荷比较平稳的场合。高速级一般做成斜齿，低速级可做成直齿。
	展开式
两级圆柱齿轮减速器	分流式	结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀、轴承受载较均匀。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿。减速器横向尺寸较小，但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，使沿齿宽载荷分布不均匀。高速轴的承载能力难以充分利用。每对啮合齿轮仅传递全部载荷的一半。输入轴和输出轴只承受转矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴颈尺寸可以缩小。
两级圆柱齿轮减速器	同轴式
	同轴分流式
三级圆柱齿轮减速器	展开式	同两级展开式。同两级分流式。轮齿可做成直齿、斜齿或曲线齿。用于两轴垂直相交的传动中，也可用于两轴垂直相错的传动中。由于制造安装复杂、成本高，所以仅在传动布置需要时才采用。特点同单级圆锥齿轮减速器，圆锥齿轮应在高速级，使其保持适度的尺寸。蜗杆在蜗轮下方啮合处的冷却和润滑都较好，一般用于蜗杆圆周速度r<10m/s的场合。蜗杆在蜗轮上方，蜗杆的圆周速度可高些，但蜗杆轴承润滑不便。蜗杆在蜗轮侧面，蜗轮轴垂直布置，一般用于水平旋转机构的传动。传动比大，结构紧凑，但效率低。有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种形式。前者结构紧凑，而后者传动效率高。与普通圆柱齿轮减速器相比，尺寸小，重量轻，但制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动中应用广泛。同单级行星齿轮减速器。传动比大；传动效率较高；结构紧凑，相对体积小，重量轻；通用于中、小功率，适用性广，运转平稳，噪声低。结构复杂，造精度要求较高，广泛用于动力传动中。同单级摆线针轮减速器。传动比大，范围宽；在相同条件下可比一般齿轮减速器的元件少一半，体积和重量可减少20%~50%；承载能力大；运动精度高；可采用调整波发生器达到无侧隙啮合运转平稳；噪声低；可通过密封壁传递运动；传动效率高且传动比大时，效率并不显著下降。主要零件柔轮的制造工艺较复杂。主要用于小功率、大传动比或仪表及控制系统中。结构紧凑，体积小，重量轻；传动比大；效率高，单级为92%~98%；噪声低。过载能力强。承载能力高，输出转矩高达400kN·m。不用输出机构，轴承直径不受空间限制。使用寿命长。零件种类少，齿轮精度要求不高，无特殊材料，且不采用特殊加工方法就能制造，造价低、适应性广、派生系列多。
三级圆柱齿轮减速器	分流式		同两级分流式。
单级圆锥齿轮减速器
两级圆锥-圆柱齿轮减速	器
三级圆锥-圆柱齿轮减速	器
	蜗杆下置式
单级蜗杆减速器	蜗杆上置式
	蜗杆侧置式
两级蜗杆减速器
两级齿轮-蜗杆减速器
行星齿轮减速器	单级
	两级
摆线针轮减速器	单级
	两级
谐波齿轮减速器
三环减速器

资料来源：闻邦椿《现代机械设计实用手册》（2015），华泰研究

减速器结构各异，但一般包括：①传动零件：圆柱齿轮、锥齿轮、蜗杆蜗轮、行星轮等；②支承零件：转轴组件、滚动轴承、轴承密封件等；③箱体零件：箱体、箱盖；④联接零件：螺栓、键、销等；⑤减速器附件：定位销、观察孔盖板、通气器、油面指示器、放油螺塞、起盖螺钉、起吊装置等。

图表149：单级圆柱齿轮减速器结构

资料来源：王庆海《机械基础》（2010），华泰研究

图表150：摆线针轮行星减速器结构

资料来源：王庆海《机械基础》（2010），华泰研究

机器人渗透率加速提升，已成为减速器需求增长核心驱动。减速器应用领域广泛，涵盖起重运输、水泥建材、矿山冶金、电力、机器人等，其中，减速器在机器人 BOM 表中占比达35%，远高于其他领域，此外，工业机器人渗透率加速提升、人形机器人产业化稳步推进，机器人领域已成为减速器需求增长核心驱动力，本章亦重点讨论机器人用减速器。

图表151：减速器下游应用领域繁多（2019）

资料来源：前瞻产业研究院，中国机械工业联合会，华泰研究

图表152：工业机器人每个回转运动关节均需应用减速器

资料来源：龚仲华《ABB 工业机器人应用技术全集》（2020），华泰研究

图表153：工业机器人 BOM 表中减速器成本占比超过 30%

注：工业机器人减速器成本占比来源 36kr 研究院 2022 年报告数据；辊压机减速器成本占比选取利君股份招股书 2010 年原材料采购减速机占比；工程机械减速器成本占比选取徐工机械收购徐工有限报告书 2021 年材料采购传动材料占比；起重运输机减速器成本占比选取法兰泰克招股书 2015 年原材料采购减速器占比；
资料来源：徐工机械，利君股份，法兰泰克，36kr 研究院，华泰研究

谐波、RV减速器为工业机器人两大主要减速器。机器人关节采用的电机能够直接输出旋转运动，但其输出力矩通常小于关节需求力矩，输出转速大于关节需求转速，故减速器为机器人所有回转运动关节必须使用的关键部件，且决定了机器人的运动速度、定位精度与承载能力。通用减速器较难满足机器人高精度、大比例减速的要求，故特殊减速器：滤波齿轮减速器、摆线针轮减速器、精密行星减速器、谐波减速器、RV 减速器 5类减速器成为机器人用主要减速器，其中，关节应用占比较高的谐波减速器与 RV减速器占据主流地位。

图表154：多关节机器人应用最为广泛

资料来源：前瞻产业研究院，华泰研究

图表155：谐波与 RV减速器在全球机器人用减速器中的销量占比较高

资料来源：中商产业研究院（2023 年报告），GGII，纳博特斯克，华泰研究

图表156：行星、RV、谐波减速器应用场景各异

	行星减速器 RV减速器		谐波减速器
图例			－H 4B
传动效率	>95%	>80%	>75%
温升	≤30℃	≤45℃	≤40℃
噪声	≤65db	≤70db	≤60db
减速比	3-512	30-192.4	30-160
额定转矩下使用寿命	>20,000h	>6,000h	>8,000h
额定输出转矩扭转刚性	40-1,200 Nm	101-6,135 Nm 20-1,176 Nm/arc min	6.6-921 Nm 1.34-54.09 Nm/arc min
技术特点	10-370 Nm/arc min 体积比较小，主要包括行星轮、太阳轮和内齿圈。精密行星减速器单级传	通过多级减速实现传动，一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器	通过柔轮的弹性变形传递运动，主要由柔轮、刚轮、波发生器三个核心零部件组成。与 RV 及其他精密减速器
产品性能	动比都在10以内，且减速级数一般不会超过3级。传动效率高、性价比较高	的后级组成，组成的零部件较多。大体积、高负载能力和高刚度	相比，谐波减速器使用的材料、体积及重量大幅度下降。体积小、传动比高、精密度高
应用场景	直角坐标机器人	多关节机器人中机座、大臂、肩部等重负载位置	机器人小臂、腕部或手部
终端领域	电子、机械、汽车、能源、包装、印囓汽车、运输、港口码头等行业中通常刷、食品等	使用配有RV减速器的重负载机器人	3C、半导体、食品、注塑、模具、医疗等行业中通常使用由谐波减速器组

资料来源：绿的谐波招股书，科峰智能招股书，华泰研究

谐波减速器：多关节机器人手腕驱动主要减速器

谐波减速器主要用于轻负载精密部件。谐波减速器即谐波齿轮传动装置，具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点。与一般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，但谐波减速器的负载轻，容许力矩负载在 1,500Nm 以内，故主要应用于机器人小臂、腕部、手部等轻负载精密部件领域。

谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部件组成。刚轮、柔轮、谐波发生器可任意固定其中 1 个，其余 2 个部件一个连接输入（主动），另一个即可作为输出（从动），以实现减速或增速。

◆ 刚轮：圆周上加工有连接孔的刚性内齿圈，其齿数比柔轮略多（一般多 2或 4 个），为了减小体积，在薄形、超薄形或微型谐波减速器上，刚轮或与减速器轴承设计成一体，构成谐波减速器单元。

◆ 柔轮：可产生较大变形的薄壁金属弹性体，可被制成水杯形、礼帽形、薄饼形。弹性体与刚轮啮合的部位为薄壁外齿圈。

◆ 谐波发生器：一般由椭圆形凸轮和可弹性变形的滚珠轴承构成。凸轮装入轴承内圈后，轴承将产生弹性变形成为椭圆形，并迫使柔轮外齿圈变成椭圆形；从而使椭圆长轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全啮合，短轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全脱开。当凸轮连接输入轴旋转时，柔轮齿与刚轮齿的啮合位置可不断变化。

图表157：谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部分组成

资料来源：绿的谐波招股书，华泰研究

齿形、柔轮、波发生器均存较高技术壁垒。其中，齿形对谐波减速器的效率、精度、刚性、寿命等关键指标均有较大影响，各公司齿形设计各异，如哈默纳科的“IH齿形”、绿的谐波的“P 齿形”、川机器人的“RS齿形”；柔轮成型工艺技术壁垒最高，由于需在承受较大交变载荷的情况下不断变形，且为减小磨损必须要有很高的硬度，故柔轮对材料的材质、抗疲劳强度、加工精度、热处理等要求均较高，制造工艺复杂；波发生器核心部件为柔性轴承，与柔轮相似，轴承对材料及其加工过程要求较高。

哈默纳科为全球龙头，国内技术已取得突破。谐波减速器 1955 年由美国发明家马瑟发明，最初称为变形波发生器，1957 年获美国发明专利，1960 年美国 United Shoe Machinery(USM)率先研制出样机，1964 年，日本长谷川齿车株式会社(Hasegawa Gear Works, Ltd.)和 USM 合作，开始对其进行产业化研究和生产，谐波减速器正式获名，1970 年，长谷川齿车和 USM 合资，在东京成立了 Harmonic Drive (哈默纳科)公司，哈默纳科由此奠定先发优势，随后通过不断改善材料性能与结构巩固竞争优势，2013 年之前在机器人领域几乎处于垄断地位。近年来，国内企业生产工艺不断突破，国内市占率持续提升，2022 年，国内谐波减速器龙头绿的谐波国内市占率已超 20%。

谐波减速器人形机器人应用占比较高，空间可期。人形机器人精度要求高而负载要求低，谐波减速器应用占比提升，如特斯拉擎天柱机器人的旋转关节即采用谐波减速器。根据中商产业研究院，2022 年我国谐波减速器市场规模约 21 亿元，随人形机器人产业化推进，谐波减速器市场空间可期。

图表158：国内龙头绿的谐波国内市占率已达 23%（2022）

资料来源：GGII，华泰研究

图表159： 2022 年国内谐波减速器市场规模约 21 亿元

资料来源：中商产业研究院，华泰研究

图表160：特斯拉擎天柱机器人旋转关节采用谐波减速器

资料来源：TESLA 2022 AI DAY，华泰研究

图表161：国内企业谐波减速器营收规模及产能仍待提升

国别	公司	母公司	成立时间	业务范围	2022减速器营收(亿元)	2022减速器毛利率	年产能及规划	产业化情况	下游应用
日本	哈默纳科		1970	整体运动控制，含减速器、执行元件、电机等	37.5	36%	2023年初产能198万台（不含车载)，计划新增48万件产能 (不含车载)	成熟	工业机器人、人形机器人、卫星、半导体设备等
中国	绿的谐波		2011	精密传动装置，含谐波减速器、机电一体化执行器、微型电液伺服装置、智能自动化装备等	4.16	49%	2022年产能33万台，IPO募投 59万台，定增募投项目2017 年达产后产能预计159万台	项目2023年达产后产能预计已与国内机器人生产商达成合人、数控机床、医疗器作	工业机器人、服务机器械、半导体生产设备、新能源装备等
日本	新宝(现尼得科传动)	尼得科	1952	减速机、冲床	22.1	未披露	未披露	成熟	机器人、包装机械、半导体设备工业机器人、服务机器
中国	来福谐波	1	2013	高精密谐波减速器	未披露	未披露	2022年产20万台	未披露	人、医疗器械、高精密自动化设备等
中国	同川科技	汉宇集团（参股）	2012	精密谐波减速机，伺服电机，机电一体化模块等	未披露	未披露	能扩充计划	2022年产能约10万个，有产实现谐波减速器产品的批量生产及销售已在国内头部工业机器人企业	工业机器人、机床
中国	大族精密	大族激光		精密减速器及装置、机 2015 器人系统、机电一体化设备	未披露	未披露	产能或超15万套	实现大批量交付销售，国外头部工业机器人企业也在同步进行测试验证	工业机器人
中国	川机器人		2012	机器人核心零部件以及基于机器人本体的智能制造系统整体解决方案	0.21	13%	2023年产能10万台	2019年开始试销售，2022年出货4.1万台，2023-2025出货量目标分别是6、8、10万台	机器人
中国	国茂精密	国茂股份	2021	谐波减速器、RV减速器等精密减速器	未披露	未披露	2022年产能3万台谐波减速器生产线3Q23处于	未披露	机器人工业机器人、服务机器
中国	丰立智能	1	1995	小模数齿轮、精密减速器及相关零部件	0.00	N/A	设备安装状态，尚未形成产能，投产后预计形成3.5万件产能 2022年产能约3.6万台，IP0	于实验室测试阶段	小型精密谐波减速器2Q23已处人、机械臂、医疗器械、数控机床、雷达、天文望远镜
中国	科峰智能			机械传动与控制应用领 2010 域关键零部件，含行星减速器、谐波减速器等	0.12	24%	计划募投建设高精密减速机建设项目，达产后将形成5万台谐波减速器年产能	已实现规模化销售	于机器人、数控机床、医疗器械、新能源装备等
中国	双环传动		2005	机械传动齿轮及其相关零部件	未披露	未披露	未披露智能执行单元生产基地项目	已形成多个型号产品的批量供货已具备批量生产能力和销售能	机器人
中国	中大力德		2006	机械传动与控制关键零部件	2.03	13%	已于2022年底达到预定可使用状态，新增精密减速器(未拆分谐波减速器)产能30万台	力，计划向模组化方向进行研究与发展	机器人
中国	昊志机电			电主轴领军企业，同时 2006 生产转台、直线电机、减速器等核心零部件	0.89	未披露	2023年产能15万台	2014年开始研发，已形成批量销售，主要应用于公司各类机器人和自动化设备中	机器人、自动化设备等高端装备

注：哈默纳科采用总营收与综合毛利率；昊志机电采用机器人相关营收；其余公司采用减速器相关营收与毛利率；采用 2022 年 12 月 30 日汇率；资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

RV 减速器：多关节机器人机身驱动主要减速器

RV 减速器主要用于重负载部位。RV 减速器即旋转矢量减速器，其传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力；但其重量重、外形尺寸较大，无法向轻便、灵活的轻负载领域发展，主要应用于机器人大臂、机座等重负载部位。此外，RV减速器零部件数量多、制造和装配难度大，不利于大规模生产。

RV 减速器结构复杂，由针轮、RV 齿轮、芯轴三层构成。RV 减速器在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展而成。RV减速器径向结构可分为 3 层，由外向内依次为针轮层、RV齿轮层、芯轴层，每层均可独立旋转。

◆ 针轮层：针轮为内侧加工有针齿的内齿圈，外侧加工有法兰和安装孔，可用于减速器固定或输出连接。针轮和 RV 齿轮间安装有针齿销，当 RV 齿轮摆动时，针齿销可迫使针轮与输出法兰产生相对回转；

◆ RV 齿轮层：RV 齿轮层由 RV 齿轮、端盖、输出法兰和曲轴组件等组成，RV 齿轮、端盖、输出法兰为中空结构，内孔用来安装芯轴。其中，输出法兰内侧有 2～3 个连接脚，用来固定端盖；端盖和法兰的中间位置安装有 2 片可摆动的 RV 齿轮，并可在曲轴的驱动下作对称摆动（又称摆线轮）；曲轴组件由曲轴组件、前后支承轴承、滚针等部件组成，数量与减速器规格有关，小规格减速器一般布置 2 组，中大规格减速器布置 3 组，曲轴组件对称分布在圆周上，用来驱动 RV齿轮摆动；

◆ 芯轴层：芯轴安装在 RV 齿轮、端盖、输出法兰的中空内腔，芯轴可为齿轮轴或用来安装齿轮的花键轴。芯轴上的齿轮称太阳轮，它和套在曲轴上的行星齿轮啮合，当芯轴旋转时，可驱动 2～3组曲轴同步旋转，带动 RV齿轮摆动。用于减速的 RV减速器，其芯轴通常用来连接输入，故又称输入轴。

针轮层、RV 齿轮层、芯轴层三层叠加，推动 RV 减速器实现 2 级变速：1）第一级变速：芯轴上的太阳轮和套在曲轴上的行星齿轮间的变速，称正齿轮变速；2）第二级变速：通过RV齿轮的摆动，利用针齿销推动针轮的旋转，称差动齿轮变速。

图表162： RV减速器包括针轮层、齿轮层、芯轴层

资料来源：龚仲华《工业机器人技术及应用》（2019）华泰研究

RV 减速器壁垒主要在于工艺与装配。RV 减速器需在承受大负载的同时保持高精度，故需具备较高的材料成形技术、精密加工及装配技术。材料成形方面，RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性，对于材料成形过程提出了较高要求，尤其是材料化学元素控制、表面热处理等工艺；加工与装配方面，RV减速器的减速比较高，具备无侧隙、微进给的特点，需要特殊部件加工和精密装配技术。RV 减速器组成结构更为复杂，较谐波减速器设备投入更高，更难实现规模化。

RV减速器国产差于谐波减速器，海外龙头国内市占率超 50%。RV 减速器由日本 NabtescoCorporation（纳博特斯克）的前身帝人制机（Teijin Seiki）于 1985 年率先研发，并获得了专利；1986年帝人制机开始推动RV减速器商品化生产和销售；2003年帝人制机和NABCO合并，成立了 Nabtesco Corporation，继续进行精密 RV减速器的研发生产。由于 RV减速器更高的设备投入与加工、装配要求，RV减速器单位价值量更高，国产化程度低于谐波减速器，2022 年海外龙头纳博特斯克国内市占率超 50%，国内龙头环动科技（上市公司双环传动子公司）市占率仅 13%。根据中商产业研究院，2021 年我国 RV减速器市场规模约 42.9亿元，预计 2025 年将达到 60 亿元。

图表163：纳博特斯克占据国内 RV 减速器超 50%的市场(2022)

资料来源：GGII，华泰研究

图表164： 2021 年国内 RV 减速器市场规模约 43 亿元

资料来源：中商产业研究院，华泰研究

图表165：国内企业 RV减速器国产化进程仍待推进

国别	公司	母公司	成立时间	业务范围	2022减速器营收（亿元）	年产能及规划	产业化情况	下游应用
日本	纳博特斯克		2003	精密减速器、液压机器、铁路车辆用设备、航空机械等	46.95	2022年减速器产能106万件，预计2024年达到149万件，2026年达到206万件，2030年达到234万件	成熟	机器人
中国	环动科技		双环传动 2020	机器人关节高精密减速器、高精密液压零部件	4.57	2022年RV减速器年产能约10万台，产能有扩充计划	产品已基本覆盖国内主流机器人客户	机器人
中国	珠海飞马		2008	谐波减速器、工业机械用减速器、齿轮/轴等零部件	未披露	未披露	已形成批量生产	机器人
日本	住友重机械			船舶、环境设备以及各种工业 1888 机械(减速机、塑料加工机、工业起重机等)	未披露	未披露	成熟	机器人和自动化领域
中国	秦川机床	二	1998	机床、减速器、滚动功能部件等	未披露	2023年机器人关节减速器产能为6-9万套	国内唯一的全系列（5Kg- 800Kg）RV减速器产品供应商，在中大规格领域的优势明显	机器人
中国	中大力德	1		2006机械传动与控制关键零部件	2.03	智能执行单元生产基地项目已于2022年底达到预定可使用状态，新增精密减速器(未拆分RV减速器)产能30万台；大型RV减速器生产线项目项目预计2025 年底达产，可新增5000台大型RV减速器产能；公司拟发行可转债投入机器人本体组件、配件及智能执	RV减速器以微小型为主，同时正在研制大规格型号，可用于大负载工业机器人	工业机器人和工业自动化领域
中国	南通振康			焊接送丝装置、高精度工业机 1993 器人及核心部件等精密自动化产品	未披露	行单元生产线项目，继续扩充RV减速器产能 2018年产能3万台，当前产能未披露，2023年3月年产10万台精密RV减速机项目开工		未披露
中国	智同科技		2015	高精密摆线减速机	未披露	2022年RV减速器产能7万台，2023年完成股权融资，用于年产50万台机器人用高精密减速机数字化智能	已实现产业化应用	机器人
中国	巨轮智能		2001	轮胎模具、液压式硫化机和机器人及智能装备	未披露	制造基地及工程技术研发中心项目建设未披露	已取得技术突破，是国内首批获得CR认证的两家企业之一	机器人
中国	领鹏智能	领益智造2020	充电器业务的全产业链	精密功能件、结构件、模组及	未披露	未披露	已与香港汉森机器人签署谅解备忘录，将就人形机器人的设计优化升级、量产测试等方面	以机器人为代表的高端制造领域
中国	昊志机电		2006台、直线电机、减速器等核心零部件	电主轴领军企业，同时生产转	0.00	未披露	展开合作在研，尚未形成销售	机器人

注：纳博特斯克采用精密减速器营收；环动科技采用双环传动减速器及其他营收；中大力德采用精密减速器营收；昊志机电采用机器人相关营收；采用 2022 年 12 月30 日汇率；

资料来源：Wind，GGII，各公司官网，华泰研究

行星减速器：多用于直角坐标机器人

行星减速器精度偏低，工业机器人中应用占比相对低。相较于谐波减速器与 RV 减速器，行星减速器传动效率较高、寿命长，但传动精度不足、传动比低，故工业机器人中应用占比较低，多用于结构较为简单的直角坐标机器人。

行星减速器采用行星轮系制成，核心组成为太阳轮、行星轮、行星架。只有一个自由度的动轴线轮系称为行星轮系，行星减速器核心即为行星轮系，行星轮系可按照齿轮啮合方式与基本构件组成情况进行分类。行星轮系主要由太阳轮、行星轮、行星架组成，以结构最简单的 NGW 型行星轮系为例：装在动轴线上的齿轮在自转的同时绕固定几何轴线公转，称为行星轮；装有行星轮并绕固定轴线转动的构件即为行星架；与行星齿轮啮合且几何轴线固定的齿轮为中心轮（包括太阳轮与内齿轮）。行星减速器基本原理为：原动机驱动太阳轮旋转，太阳轮与行星轮的啮合驱动行星轮产生自转；同时，由于行星轮另外一侧与减速器壳体内壁上的环形内齿圈啮合，最终行星轮在自转驱动下将沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动，形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动；行星轮通过公转驱动行星架旋转，行星架与输出轴联接，带动输出轴输出扭矩。

图表166：行星传动机构可按齿轮啮合方式与基本构件组成进行分类

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

图表167： NGW 型行星传动机构与行星减速器整体结构

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），科峰智能招股书，华泰研究

全球行星减速器市场规模不足百亿，人形机器人应用有望释放市场空间。根据 QY Research，2022 年全球行星减速器销量为 540 万台，销售金额为 12.03 亿美元，其中中国境内销量为232 万台，销售金额为 5 亿美元，我国行星减速器市场规模全球占比约 42%。由于工业机器人中关节机器人占比较高，故行星减速器整体工业机器人应用比例较低，但考虑到性价比与体积重量比优势，行星减速器或有望在人形机器人取得一定应用，如智元机器人、宇树科技等均有搭配行星减速器，人形机器人产业化或有望打开行星减速器市场空间。

图表168： 2022 年我国行星减速器市场规模全球占比约 42%

资料来源：QY Research，科峰智能招股书，华泰研究

行星减速器具较高技术与工艺壁垒，高端精密行星减速器国产化率较低。行星齿轮传导装置设计始于德国，1920s，行星齿轮传动装置首次量产，1950s，德国首次研发成功高速大功率行星齿轮减速器，1960s，意大利、英国、苏联等国家也陆续研发出低速重载行星减速器。伴随工业自动化的进程，德国、意大利等国又研制出精密行星减速器。我国行星减速器略滞后于海外，1960s，我国开始研制应用行星减速器，1970s 首次制订了 NGW 型渐开线行星齿轮减速器标准，生产了多种高速大功率行星减速器，1980s 开始生产低速大转矩的行星减速器，但由于行星减速器，尤其高端精密行星减速器技术难度与工艺壁垒较高，海外龙头在材料、设计水平、质量控制、精度、可靠性和使用寿命等方面仍具相对优势，国产化率仍较低。根据 QY Research，2022 年尼得科传动（原新宝）、纽卡特、威腾斯坦全球市占率合计 35%，其中，尼得科传动中国市占率约 20%。

图表169：海外龙头仍居全球行星减速器优势地位（2022）
图表170：国内行星减速器公司市占率逼近海外龙头（2022）

资料来源：QY Research，华泰研究
资料来源：QY Research，华泰研究

图表171：国内行星减速器公司已形成一定规模

国别	公司	母公司	成立时间	业务范围	2022减速器营收（亿元）	2022减速器毛利率	年产能及规划	产业化情况	下游应用
日本	新宝(现尼得科传动)	尼得科	1952	减速机、冲床	22.1	未披露	未披露	成熟	机器人、包装机械、半导体设备
德国	纽卡特	1	1928	行星减速器等	8.9	未披露	未披露	成熟	机器人、包装设备、食品行业、自动化、机床
德国	威腾斯坦		1949 (1979 开始布局行星减速器)	机电一体化传动装置，含高精密行星齿轮箱、完整的机电一体化传动系统、交流伺	38.5	未披露	未披露	成熟	人、机床、医疗技术、航空
德国	赛威传动	-	1931	服系统和电机减速器、电机等	未披露	未披露	未披露	成熟	未披露
中国台湾	精锐科技	1	1987	减速器、齿轮齿条、机械手臂等	未披露	未披露	未披露	已实现规模化销售	未披露
中国大陆科峰智能		1	2010	机械传动与控制应用领域关键零部件，含行星减速器、谐波减速器等	2.95	45%	2022年产能约54万台， IPO计划募投建设高精密减速机建设项目，达产后将形成35万台精密行星减速器、0.8万台工程机械		移动机器人、新能源设备已实现规模化销售、高端机床、电子设备、智能交通等
中国大陆纽氏达特		1	2007	精密行星减速器	未披露	未披露	用行星减速器未披露	已实现规模化销售	未披露
中国台湾	利茗	-	1969	减速马达及螺旋齿轮减速机、蜗杆蜗轮减速机、行星式减速机	未披露	未披露	未披露	已实现规模化销售	未披露
中国大陆	中大力德	1	2006	机械传动与控制关键零部件	2.03	13%	未披露	已实现规模化销售	工业机器人和工业自动化领域
中国大陆重庆豪能		豪能股份	2012	汽车零部件	未披露	未披露	未披露	主要用于新能源汽车领域，已在与潜在机器人客户进行交流讨论	新能源汽车
中国大陆兆威机电		1	2001	微型传动系统	7.08	26.02%	当前产能未披露，东莞产业园已建成投产，苏州工业园在建，预计2024年- 2025年建成投产	已实现规模化销售	汽车电子、智慧医疗、消费电子、工业装备、智能家居等
中国大陆	杭齿前进	-	1997	船用齿轮箱及船舶推进系统、工程机械变速箱等	未披露	未披露	未披露	使用	试制完成后已投入船舶、工程机械、矿山港口等
中国大陆	宁波东力		1998	齿轮传动设备、电驱动设备、门控系统	未披露	未披露	未披露	未披露	注塑机电熔胶、矿山、水利、环保等
中国大陆	丰立智能		1995	小模数齿轮、精密减速器及相关零部件	未披露	未披露	未披露	未披露	电动工具、家居、医疗、汽车座舱，机器人等
中国大陆	英洛华	1	1997	钕铁硼永磁材料、电机系列产品以及康复器材产品	未披露	未披露	未披露	未披露	智能家电、工业自动化、机械制造等

注：纽卡特、威腾斯坦均采用集团总营收；科峰智能采用精密行星减速器营收与毛利率；中大力德采用精密减速器营收与毛利率；兆威机电采用微型传动系统营收与毛利率；海外公司采用 2022 年 12 月 30 日汇率；
资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

丝杠：直线运动核心传动装置，滚动螺旋精密机械最为常用

丝杠即丝杠螺母副，也即前文所述螺旋机构，可分为普通（滑动）、滚动、静压螺旋传动三类。其中，滑动螺旋机构结构简单，制造工艺方便，应用最广；滚动螺旋机构摩擦损失小、传动效率高，在精密机械中应用广泛；静压螺旋机构性能优异，但技术复杂，应用相对较少。根据滚动体类型不同，滚动螺旋机构又可进一步分为滚珠丝杠、行星滚柱丝杠。

图表172：滑动、滚珠、滚柱、静压丝杠性能及应用对比

	滑动丝杠	滚珠丝杠	滚柱丝杠	静压丝杠
接触方式	面接触	点接触	线接触	无接触
摩擦力	大	小	较小	极小
自锁性	完全自锁，与导程角大小和工作面粗糙度有关	无自锁性，需加装制动装置	无自锁性，需加装制动装置	不能自锁
承载能力	小	较大	丝杠的3倍	大，一般载荷可达同规格滚珠较大，与供油压力成正比，与转速无关
传动效率	低，一般为26%-46% 低，标准精度	高，一般可达92%-98%	较高，摩擦力较小时可达90%	可达99%
	导程精度 ±250um/300mm，最高精度 ±75um/300mm	3um/100mm	较高，常为毫米级，最高精度高，定位精度优于1um，最高可达C0级，即3.5um/100mm	可以达到极高的定位精度，极小的导程
速度	慢，一般转速不超过3000RPS	较快，额定转速在3000- 5000RPS	快，转速可达6000RPS，直线速度可达2m/s以上，加速度可达到3g	摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零，加速度可达10g
使用寿命	磨损快，寿命短	磨损小，寿命长	寿命相较于同规格滚珠丝杠提高15倍	极长
微进给	现象	小	难以实现，滑动运动存在爬行可实现，滚珠运动的启动力矩可实现，滚柱运动的启动力矩小	可实现
经济成本	较低	较高	较高	初期成本投入高
国产化率	充分	达60%以上	仍处于起步阶段	仍未得到广泛应用，国产化率极低
适用场景	一般用于没有较高定位要求且不长时间连续使用的场景，如普通机床的进给传动，一般机械的丝杠传动等	常作为数控机床传动系统的核天、医疗设备、食品加工设备天、武器装备、石油化工等	心部件，应用广泛，主要用于适用于环境恶劣、高负载、高多用于对精度、定位准确度、精确定位、汽车转向、航空航速等场景，如机器人、航空航传动效率等要求较高的重载大	型机械传动

资料来源：观研报告网，中国丝杠行业发展趋势分析与未来前景预测报告（2023-2030 年），杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》（2021），张全美《机械零部件设计第 2 版》（2022），华泰研究

滚珠丝杠：工具机械与精密机械中应用最广泛的机械传动

滚珠丝杠为工具机械与精密机械中应用最广泛机械传动机构。滚珠丝杠为滚珠丝杠螺母副的简称，属于滚动螺旋传动机构（滚动螺旋传动多数采用钢球，少数采用滚子，一般指滚动螺旋传动即指滚珠丝杠传动），由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器和防尘器等组成，完整的滚珠丝杠传动系统另包括导轨、轴承、联轴器等零部件。滚珠丝杠传动效率和传动精度高，为数控机床、工业机器人等机电一体化设备行程 6m 以下的直线传动系统使用最为广泛的传动形式。滚珠丝杠主要包括内循环、外循环两类结构。

图表173：滚珠丝杠由螺杆、螺母、滚珠等组成

资料来源：NSK，华泰研究

图表174：滚珠丝杠按滚珠循环方式可分位内循环结构、外循环结构

	内循环结构		外循环结构
特点	滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触的循环方式称为内循环方式。内循环方式滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高，径向尺寸小，其缺点是反向器加工困难，装配、调试不容易，承载小，主要用于微型滚珠丝杠副或普通滚珠丝杠副，适用于高灵敏、高精度、高刚度的进给定位		滚珠在循环的过程中，有一段离开丝杠的表面，这种循环的方式称为外循环。外循环承载大，结构制造工艺简单，使用较为广泛，但缺点是滚道接缝处很难做得平滑，形响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大，一般适用于重型载荷、高速运动及精密定位系统，在大导程、多头螺纹中独具优势
螺母尺寸	系统，不宜用于重载传动小		大
二级分类	固定式浮动式反向器1与滚珠螺母上的安装孔滚珠在循环的过程中始有0.01~0.15mm 的配合间隙，		螺旋槽式插管式端盖式在螺母3上钻出纵向孔作为用一弯管1代替螺纹凹
基本原理	终与丝杠表面保持接触。在螺母1的侧孔内装有接通相邻滚道的反向 4，外有弹套2借助片的弹力，器3。利用反向器引导滚珠4过丝杠2的螺顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同而对反向器起到自定位作用。一螺母上装有 2~4个反浮动反向器的优点是，在高额向器(称为2~4列)，反向器沿螺母周圈方向均分市	并在反向器外圆弧面上车出对称圆弧槽，槽内安装拱形片管始终给反向器一个径向推力，使位于回珠槽内的滚珠始终与丝杠3表面保持一定的压力。从而使槽内滚珠代替了定位键面浮动中达到回珠槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适于高灵敏度和高刚度的精密进给系统	在螺母2的外圆表面上铣槽，弯管的两端插入出螺纹槽,槽的两端钻出与螺纹滚道5相切的两两个与媒纹滚道相切的个孔内，用弯管的端通孔。媒纹滚道内装有部引导滚珠4进人弯两个挡珠器4引导滚珠3 管，构成滚珠的循环通过这两个孔，应用套1 回路，再用压板2和螺盖住构成滚珠的循环回钉将弯管固定。插管路。这种结构的特点是式结构简单、容易制工艺简单,径向尺寸小、造，但是径向尺寸较易于制造，但是挡珠器大，弯管端部用作挡刚性差、易磨损珠器比较容易磨损	滚子回程滚道，在螺母两端的端盖4上铣出短槽与螺纹滚道和纵向通孔相切，引导滚珠进出通道构成滚珠循环回路。滚道半径为滚珠直径的1.4-1.6倍，端盖式结构紧凑，工艺性好，承载大，但滚道吻接和弯曲处圆角不易做雅确而影响其性能，故应用较少常以单螺母形式用作升
图例	1一媒母： 2一丝： 3一反向： —家 14	1-反列器2-伸策1-丝4-流形片	1-套： 2-集号， 3一床：一 5一丝 1-弯管：2-压板：3-杠： 4-珠；5-纹道	降传动机构 1—： 2一 3-母： 4一端

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），华泰研究

滚珠丝杠的精度、刚度为重要选用指标。精度方面，丝杠精度标准主要分为国内标准与 JIS标准，前者将滚珠丝杠精度等级分为 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，7 个等级，1 级精度最高。后者将丝杠的精度分为 C0、C1、C3、C5、C7、C10，6 个等级，其中 C0、C1、C3、C5，4 个等级为精密滚珠丝杠、C7、C10，2 个等级为普通滚珠丝杠，台湾还包括 C2、C6 两个等级。刚度方面，滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大刚度好，但直径大转动惯量也增大，故需兼顾二者选取最佳直径。一般而言，小型加工中心采用32mm、40mm 的滚珠丝杠，中型加工中心选用 40mm、50mm 的滚珠丝杠，大型加工中心采用 50mm、63mm 的滚珠丝杠。此外，滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷（径向载荷来自卧式丝杠的自重），螺母座结构、丝杠两端支承形式、丝杠与机床的连接刚度亦会影响丝杠精度与刚度。除精度、刚度外，滚珠丝杠选用也需综合考虑其使用条件、负载、速度、加速度、最大行程、寿命等因素。

图表175： JIS标准与国内标准精度等级对比

任意300行程内行程变动量（um）
JIS	co	C1	C3	C5	C7	C10
JIS	3.5	5	8	18	60	210
GB/T	P1	P2	P3	P4	P5	P7	P10
GB/T	6	8	12	16	23	52	210
2π弧度内行程变动量（um）
JIS	co	C1	C3	C5	C7	C10
JIS	3	4	6	8
GB/T	P1	P2	P3	P4	P5	P7	P10
GB/T	4	5	6	7	8

注：滚柱丝杠精度可用导程精度评价，导程精度取决于行程偏差和变动量，涉及指标较多，本表仅列示任意 300 行程内与 2π弧度内行程变动量以作对比参考；
资料来源：南京工艺，银泰科技，华泰研究

图表176：机床与工业机器人对滚珠丝杠副精度等级要求相对高（按国内标准）

主机类型

坐标

精度等级

主机类型

坐标轴

精度等级

主机类型

坐标

精度等级

轴 X

2/345710

切削

▲

2/345710

通用/专用器械

轴

▲

12/3457

车床

▲ △ ▲

▲

机床

xy uv

A ▲

曝光设备

▲

电火花 CNC

▲

磨床

▲

机床

△ A

▲

化学处理设备

△

▲ A

机床

激光加

▲

△

半导体引线焊

锂床

△ A

工机床

▲

/印刷接机

▲

普通通用机床

▲ ▲

板制造探测器

▲

△

三坐标测量机

△ A

△

坐标

xy Z

▲ △

A ▲

直角坐

装配

▲ ▲

设备电子零件插孔机

CNC 锂床

▲

标型

其他

△

▲ A

印刷板

机床

▲ /

▲

工业垂直多

装配

▲ ?

铣床

X Z

▲ D

机器关节型

其他

△

▲

开孔机冶金设备

▲

人圆柱坐

电动注塑机

钻床

标型

三位测量仪

■

NC 绘图机

橡塑机械

加工

xy ▲

▲

机械冲压机xy

A ▲

中心

▲

一般机械

图像处理设备

▲

资料来源：秦大同等《现代机械设计手册》（2019），南京工艺官网，华泰研究

滚珠丝杠下游主要应用于机床、机器人等领域，价值量占比约 2%\~3%。根据 2020 金属加工论坛，机床为滚珠丝杠下游主要应用领域，占比约 21%，此外，机器人、航空航天、汽车等应用占比亦较高。结合数据可获取性与时效性，我们选取车床领军企业浙海德曼、国内机器人领军企业埃斯顿分析滚珠丝杠价值量占比，综合来看，滚珠丝杠价值量整机占比约 2%\~3%。

图表177：我国滚珠丝杠下游主要应用于机床（2020）

资料来源：2020 金属加工论坛，华泰研究

图表178：全球滚珠丝杠下游主要应用于工业生产领域（2022）

资料来源：Verified market research，华泰研究

图表179：滚珠丝杠在卧式车床中的应用

资料来源：赵晶文《金属切削机床（第 3 版）》（2019），华泰研究

图表180：滚珠丝杠在前驱 SCARA中的应用

资料来源：龚仲华《ABB 工业机器人应用技术全集》（2020），华泰研究

图表181：滚珠丝杠在机床中的价值量占比约3%

注：采用浙海德曼 2017-2019 年各类原材料采购占比平均；浙海德曼招股书披露公司主轴部件、刀塔部件、尾座部件实现自产，实际丝杠价值量占比或略低于 3%资料来源：浙海德曼公告，华泰研究

图表182：滚珠丝杠在工业机器人中的价值量占比约 2%

注：采用埃斯顿 2021-2022 年各类原材料采购占比平均，剔除电子元器件、磁钢、其他（主要为工业授权费）三类非工业机器人零部件相关原材料支出，但公司自动化核心部件及运动控制系统实现自产，丝杠实际价值量占比或低于 2%资料来源：埃斯顿公告，华泰研究

我国滚珠丝杠市场规模超 300 亿元，全球占比约 20%。根据观研报告网，2022 年，全球滚珠丝杠市场规模约为 230.5 亿美元，我国滚珠丝杠市场规模全球占比 21%，达 47.5 亿美元，按照 2022 年平均汇率计算，约合人民币 320 亿元。

图表183：我国滚珠丝杠市场规模超 300 亿元，全球占比约 20%

注：采用 2022 年平均汇率计算；
资料来源：观研报告网，华泰研究

滚珠丝杠过半市场仍待国产化。根据 Gartner Intelligence，我国为全球机床产值最大、消费规模最大国家，滚珠丝杠下游最大应用领域即为机床，机床行业高端化有望提升中高端滚珠丝杠需求。根据 2020 金属加工论坛，滚动功能部件采用比例在 40%以上的企业中，经济型滚动功能部件国产化率约为 52%，中高档型滚动功能部件国产化率约为 48%，考虑到金属加工论坛样本局限性，过半市场或仍待国产替代。

图表184：经济型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约 52%采用国产

资料来源：2020 金属加工论坛、华泰研究

图表185：中高档型滚珠丝杠采用比例＞40%的企业约 48%采用国产

资料来源：2020 金属加工论坛、华泰研究

图表186：国内汉江机床滚珠丝杠市占率居前，但营收规模远小于海外龙头

国别	公司	成立时间	业务范围	2022营收规模（亿元）	综合毛利率	产能建设与产业化情况	下游应用领域
日本	THK	1971	直线运动系统	206.1	27%	未披露	半导体设备、机床、工业机器人等
日本	NSK	1916	轴承、汽车零部件、精密机械产品、电子应用产品等，为日本第一大轴承企业	491. 2	20%	计划滚珠丝杠2026年产能达到 1000万个	电刹车
日本	Kuroda	1925	驱动系统(滚珠丝杠等)、模具系统、机工·计量系统	11.9	24%	未披露	未披露
美国	Nook	1969	线性运动解决方案工业和行走机械自动化解决方	未披露	未披露	未披露	未披露
德国	Bosch Rexroth	1795	案	522.4	未披露	未披露	自动化、搬运、工程设计、医疗技术机床、放电加工机、线
中国台湾	银泰	1990	滚珠导丝杆、精密丝杆花键、线性导轨、滚珠花键和线性模组，精密机械关键性零部件	未披露	未披露	未披露	切割机、塑胶注塑机、半导体设备、精密定位
中国台湾	上银科技	1989	传动控制产品与系统	67.1	37%	未披露	及其他各式设备与机器未披露
中国大陆	南京工艺	1952	滚动功能部件	未披露	未披露	未披露汉江机床具备年产各类滚珠丝五轴机床、新能源汽车	未披露
中国大陆	秦川机床 (汉江机床)	(汉江机床)	三五计划时期机床、减速器、滚动功能部件等(丝杠市占率国内第一)	41.0	19%	杠20万副、滚珠直线导轨10万米的生产能力(官网2014年数统)、自动化等高端制造	(转向、刹车、驻车系领域
中国大陆博特精工		1966	滚动功能部件	未披露	未披露	据）未披露滚珠丝杠副、直线导轨副等产	未披露高端机床领域、半导体
中国大陆	贝斯特 (宇华精机)	机）	2022(宇华精精密零部件和智能装备及工装产品	11.0	34%	品首台套已实现成功下线，部装备产业、自动化产业分产品已在送样验证过程中项目在建，达产后将形成年产	、机器人领域
中国大陆	恒立液压	1990	液压元件、精密铸件、液压系统	82.0	41%	能10.4万根标准滚珠丝杆电动缸、4,500根重载滚珠丝杆电动缸、750根行星滚柱丝杆电动缸、10万米标准滚珠丝杆、10万	未披露
中国大陆	恒而达	1995	金属切削工具及配套智能数控装备、高精度滚动功能部件	4.8	29%	米重载滚珠丝杆未披露	未披露
中国大陆	鼎智科技	2008	微特电机为主要构成的定制化精密运动控制解决方案	3.2	55%	未披露	未披露
中国大陆	长盛轴承	1995	自润滑轴承及高性能聚合物	未披露		产能未披露；已经取得商用车未披露主机厂定点，其他乘用车客户正在开发过程中	商用车变速箱，乘用车制动、转向及驻车系统

资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究
注：NSK 产能规划为 2021 年报披露，汉江机床产能为官网披露（官网页面创建时间为 2014），贝斯特产能数据为 2023 半年报披露，恒立液压产能数据为定增预案披露；采用 2022 年 12 月 30 日汇率；

行星滚柱丝杠：性能更佳的螺旋传动机构，人形机器人打开市场空间

行星滚柱丝杠为性能更佳的螺旋传动。除滚珠丝杠外，行星滚珠丝杠也属滚动摩擦螺旋传动，其与滚珠丝杠的主要区别在于负载的传递单元使用螺纹滚柱，而非滚珠。相较滚珠丝杠，行星滚柱丝杠主要优点包括：1）接触点数量多，能够承受更高的静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的 3 倍，寿命为滚珠丝杠的 15 倍；2）具有更强的刚度和抗冲击能力；3）可以提供更高的转速及更大的加速度，加速度最高可达 3g；3）螺纹传动螺距设计范围更广，导程更小，一般导程可做到 1mm，微分丝杠可以到 0.1mm 或更低。行星滚柱丝杠性能显著优于滚珠丝杠，但行星滚柱丝杠技术复杂，加工精度要求高，制造难度大，目前主要用于精度与负载要求较高的航空航天、汽车、油气等领域。根据 Acute Market Research，2021年，航空航天、汽车为滚柱丝杠全球主要应用领域，应用占比达 45%。

图表187：行星滚柱丝杠滚动体为滚柱

资料来源：杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》（2021），华泰研究

标准式行星滚柱丝杠应用最为广泛。按照结构和运动特点，行星滚柱丝杠可分为标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠和轴承环式行星滚柱丝杠五种形式，其中，标准式为目前应用最广泛类型，其他 4 种类型均是为适应于不同应用环境而在其基础上演变而来。

图表188：行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种形式

	标准式行星滚柱丝杠	反向式行星滚柱丝杠	循环式行星滚柱丝杠	差动式行星滚柱丝杠	轴承环式行星滚柱丝杠
图例		保	柱持轮环	母－灌柱 ~挡圈 ~丝杠 ~保好架	作力轴承请针承红
结构	丝杠通常作为动力输入端，只绕自身轴线转动；螺母通常与负载连接，只沿自身轴线移动；滚柱在丝杠的作用下在螺母和丝杠之间做行星运动和轴向移动；内齿圈固连在螺母上，滚柱端齿与内齿圈啮合保证滚柱在螺母上为滚动，滚柱与螺母相对轴向位移为零，与螺母一起沿轴向移动	与标准式行星滚柱丝杠的差别在于螺母作为动力输入构件，绕自身轴线旋转，丝杠作为执行部件，沿轴向移动；丝杠两端增加齿轮替代内齿圈与滚柱端齿啮合，保证滚柱在丝杠上为滚动，滚柱与丝杠没有相对轴向位移，一起沿轴向移动	别在于取消了滚柱端齿和内齿圈，两端增加了凸轮环；螺母在凸轮位置沿轴向开有凹槽。滚柱在丝杠和螺母之间做行星运动和轴向移动，滚柱每绕丝杠轴线旋转一周在凸轮的作用下被挡入螺母凹槽与丝杠脱开啮合，然后在轴向上回到起始位置再重新与丝杠啮合，如此循环往复，凸轮的作用类似滚珠丝杠返回器的作用	与标准式行星滚柱丝杠的差别在于取消了滚柱端齿和内齿圈，滚柱为分段形式，两段螺纹直径不同，分别与螺母和丝杠啮合，而且滚柱和螺母螺纹的螺旋升角为零，即为环形槽结构，所以滚柱和螺母之间没有相对位移，在丝杠作用下同时沿轴向移动，结构上相对以上几种类型更加简洁	丝杠将动力传给滚柱，再由滚柱传给螺母，螺母可以绕轴线自由转动，两端与推力圆柱滚子轴承连接，动力由推力圆柱滚子轴承传到与壳体固定连接的端盖上。滚柱不做行星运动只绕轴线固定旋转，两端轴颈通过滚针轴承安装在两端端盖的轴承座孔中
特点	滚柱支架安装在螺母上，高精度大负载、高速、高加速度，且适用于环境恶劣场合	可通过较小的导程实现更高的额定负载，从而降低驱动扭矩，可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计；但滚柱支架与丝杠固定，滚柱相对于螺母轴向运	滚柱安装在保持架上，定位可以获得更小的导程；但在承载能力高、减小了各构件精度、刚度、负载力高，适其运动过程中，螺纹会产生间的磨损，增大了传动效用于中低速；但其凸轮环结滑动现象，在重载情况下，构会产生振动冲击，存在噪容易产生磨损，导致精度丧径向尺寸大，制造成本高等音问题	失，可靠性降低等问题	率；但其存在着结构复杂，缺点
应用领域	各种重载、高速、高加速度、尺寸空间紧凑的应用场合，如精密机床、机器人、军工装备等领域，是目前应用最广泛的类型	动，行程受限于螺母长度主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，如一体化的电动缸	主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合，如医i 疗器械、光学精密仪器等领域	适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合	其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域

资料来源：王家健《行星滚柱丝杠设计》（2020），柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》（2020），华泰研究

行星滚柱丝杠技术壁垒较高，工件材料、热处理工艺、磨削工艺等均影响加工质量。滚柱丝杠加工难度较大零件主要为丝杠、滚柱、螺母、内齿圈；螺纹加工、齿轮加工为最重要制备步骤，工件材料、热处理方式、磨削工艺参数、刀具材料、磨削力变形及磨削热变形等因素均会影响加工质量。

◆ 工件材料：行星滚柱丝杠的丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性的振动、冲击及摩擦，故应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高及温度适应性较好的材料，此外，不同零部件需针对性选材。

◆ 热处理工艺：可分为两大类：预备热处理和最终热处理，前者改善丝杠切削性能、消除残余应力以及为最终热处理做准备，主要工艺包括调质、退火、正火、时效处理等；后者提高螺纹的表面硬度以及耐磨性。热处理工艺直接影响行星滚柱丝杠的精度及可靠性。

◆ 磨削工艺：行星滚柱丝杠螺纹牙经过热处理后拥有较高硬度，螺纹加工通常采用磨削方法，用砂轮代替车刀、铣刀。螺纹磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及数控磨床综合性能等因素的影响，故对相关设备、工装及磨削工艺方案要求均较高。

行星滚柱丝杠全球市场规模仅约 3亿美元，人形机器人有望打开天花板。根据 persistencemarket research，2023 年全球行星滚柱丝杠市场规模预计可达 3.0 亿美元，预计 2033 年将达到 5.6 亿美元。长期维度，行星滚柱丝杠承载高、精度高、抗冲击能力强、转速与加速度大，有望广泛应用于人形机器人，特斯拉 Optimus 线性关节即采用行星滚柱丝杠，随人形机器人渗透率提升，行星滚柱丝杠市场空间有望打开。

图表189：特斯拉擎天柱机器人线性关节采用行星滚柱丝杠

资料来源：TESLA 2022 AI DAY，华泰研究

全球行星滚柱丝杠市场集中度较高，海外龙头占据主要市场份额。全球行星滚柱丝杠市场集中度较高，根据 Acute Market Report，龙头企业占据全球行星滚柱丝杠约 60%-70%份额。国内市场亦基本由国外企业主导，根据《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》，2021年海外龙头国内市占率约 80%。相较于海外龙头，国内公司产品研制及应用尚处于起步阶段，产业化程度犹待提升。

图表190：国内市场海外公司滚柱丝杠销售量占比约 80%（2021）

资料来源：王有雪《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》（2022），华泰研究

图表191：海外滚柱丝杠企业成立时间早、应用范围广，已建立领先优势

国别	公司	成立时间	业务范围	行星滚柱丝杠种类	研制进程	下游应用
瑞士	Rollivis SA （GSA收购）	1970	行星丝杠	标准式、循环式、反向式、微分式	已批产	机器人、航空、火箭、卫星、国防、能源、医疗、机床
瑞士	GsA	1982	滚柱丝杠	标准式、循环式、反向式	已批产	机床、机器人、汽车、航空航天
瑞典	Ewellix(隶属 SchaeffIler)	原SKF线性传动事业部，成立超50年	线性运动及驱动解决方案	标准式、循环式、反向式	已批产	塑料成型、拉床、阀门、机床、钢铁工业、轮胎工业、军飞、坦克、火箭、雷达、船舶、核工业
德国	Rexroth	1795	工业和行走机械自动化解决方案，覆盖液压系统、线性传动等	未披露	已批产	自动化、搬运、工程设计、压力
中国大陆	南京工艺	1952	滚动功能部件	标准式	未披露	机未披露
中国大陆	博特精工	1966	滚动功能部件	未披露	未披露	未披露
中国台湾	优仕特	未披露	行星滚柱丝杠	未披露	已批产产能在建，预计将形成	航空航天
中国大陆	恒立液压	1990	液压元件、精密铸件、液压系统	未披露	750根行星滚柱丝杆电动缸产能	未披露
中国大陆	秦川机床 (汉江机床)	1965	机床、减速器、滚动功能部件等	未披露	未披露	未披露
中国大陆	新剑传动	1999	蜗轮、蜗杆传动部件和精密零部标准式、循环式、反件	向式、差动式	建有国内行星滚柱丝杠首条批量化生产线， 2022年3月实现批量化生产，产能约350万套	汽车行业、人形机器人、石油滚珠增压泵行业、工程机械、叉车转向液压缸、注塑机液压缸
中国大陆	鼎智科技	2008	微特电机等定制化精密运动控制解决方案	未披露	微型行星滚柱丝杠已取得一定进展	机器人、飞机起落架、部分工业场景
中国大陆	贝斯特(宇华精机）	1997	各类精密零部件及工装夹具	未披露	暂未实现产业化应用	高端机床领域、半导体装备产业自动化产业、机器人领域等

注：恒立液压产能数据为定增预案披露；采用 2022 年 12 月 30 日汇率；
资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

静压丝杠：多用于重载大型机械传动，技术壁垒较高

静压丝杠即将静压原理应用于螺旋传动中。静压丝杠通过油压/气压在丝杠和螺母的接触面之间产生一层保持一定厚度且具有一定刚度的压力油膜/气膜，使丝杠和螺母之间的摩擦大幅降低，也可将静压丝杠理解为采用静压流体润滑的滑动丝杠。静压丝杠螺纹牙型与标准梯形螺纹牙型相同，但牙型高于同规格标准螺纹的 1.5\~2 倍，以获取良好油封并提高承载能力。

根据支撑流体不同，静压丝杠可分为液体静压丝杠与气体静压丝杠。液体静压丝杠的丝杠与螺母以油膜相隔，气体静压丝杠则以气膜相隔，由于空气的可压缩性较强，气膜厚度比油膜小，因此气体静压丝杠定位精度更高，但刚度和承载能力相应降低；此外，相较于液体静压丝杠，气体静压丝杠装置简单，不存在回流装置，也无环境污染。但气体静压丝杠精度要求高，加工较液体静压丝杠更为困难，应用较少。

图表192：静压丝杠实物图

资料来源：Hyprostatik Schönfeld 官网，华泰研究

图表193：静压丝杠剖面图

资料来源：Hyprostatik Schönfeld 官网，华泰研究

液体静压丝杠具摩擦因数小、机械效率高等优点，但尺寸限制其多用于重载大型机械传动。液体静压丝杠主要优点包括：1）摩擦因数很小，仅为 0.0005，小于滚珠/滚柱丝杠，故动力矩很小，传动灵敏，可避免爬行；2）油膜层可以吸振，提升运动平稳性；3）油液流动可散热并减少热变形，提高机床加工精度和表面粗糙度值；4）油膜层有一定的刚度，可减小反向间隙；5）油膜层对误差起到“均化”作用，使得丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差；6）螺纹表面不直接接触，可长期保持工作精度；7）承载能力与供油压力成正比，与转速无关。但静压丝杠需配备供油系统、尺寸受限、成本较高，且螺母结构复杂、加工困难，故多用于对精度、定位准确度、传动效率等要求较高的重载大型机械传动。

静压丝杠技术难度较高，国内产业化程度处于较低水平。由于加工要求较高，静压丝杠国内生产企业相对较少，根据赖志锋《基于液体静压丝杠与液体静压导轨的超精密运动系统研究》（2016）与 Robert Schönfeld《静压丝杠：重型机加工中直线电机的替代方案》（2021），虽然国内具备一定流体静压丝杠研究基础，也有一定的应用和产品，但仍未实现规模化生产，而国外已经有了相对成熟的液体静压丝杠生产制造技术，产业化程度相对较高，全球静压丝杠主要生产企业包括 Hydrostatik Schönfeld、Zollern 等。

导向及支承机构：配合机械传动机构传递运动及动力

导向及支承机构为机械系统各运动装置安全、准确完成特定方向运动提供保障。完整的机械传动装置除机械传动机构外，还需导向与支承机构提供辅助，以确保各运动机构得到安全的支承，并能准确地完成其特定方向的运动。导向支承机构的精度、刚度、抗振性、热稳定性等因素都会影响整个系统的精度、动态特性和可靠性。完成导向及支承功能的主要部件包括导向支承部件、旋转支承部件等，导轨、轴、轴承为核心零部件。

◆ 导向支承部件：支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，一般称为导轨副，简称导轨。

◆ 旋转支承部件：旋转支承中的运动件相对于支承导件转动或摆动，按照其相互摩擦的性质可分为滑动、滚动、弹性、气体（或液体）摩擦支承。旋转支承一般由轴系零件完成。

导轨：支承与引导运动部件沿确定轨迹运动

导轨为用于支承和引导运动部件沿确定轨迹运动的装置。导轨主要由承导件（工作时固定不动）与运动件（工作时相对承导件作直线或回转运动）组成，按导轨接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨等。对导轨的一般性能要求为：导向精度高、刚度大、运动轻便平稳、耐磨性好以及结构工艺性好。

图表194：普通滑动导轨综合性能一般，滚动导轨主要用于精密机械中

滑动导轨普通滑动导轨镶装式				滚动导轨
							普通滚动导轨	滚动体循环导轨
				整体式	镶装式	贴塑式	普通滚动导轨	滚动体循环导轨
工作原理和摩擦特性	导轨副工作面是混合摩擦状态，静、动摩擦因数相差较采用镶铜有色金属或塑料板，改变导轨基体的摩擦特性，增加耐大，低速时摩擦因数随速度磨性增加而减小		由工程塑料做成动导轨表面，与金属制静导轨的摩擦因数较小，只随着速度增加面略有增大，但承载能力较差	在导轨面间放置钢球，圆柱滚子或滚针使导轨副形成滚动摩擦，适用于高速、高灵敏度的机械或仪器		标准部件，滚动体循环运动
导向精度	采用精铣、磨削或刮削可达较好的几何精度			导向精度与导轨面和滚动件的精度有关，可达较高精度		导向精度与导轨面和滚动件的精度有关，可达较高精度
灵敏度和定位精度	较差、不采用减摩措施时，定位精度为0.01~0.02mm	一般好于整体式	用聚四氟乙烯软带时，定位精度可达0.002mm	适当预加载荷，定位精度可达0.1~0.2um		适当预加载荷，定位精度可达0.1~0.2pm
低速运动平稳性	低速时(1~60mm/min)易产生爬行	一般	无爬行	低速时无爬行，但如预加载荷，可造成灵敏度低，甚至出现爬行		低速时无爬行，但如预加载荷，可造成灵敏度低甚至出现爬行
精度保持性	导轨表面淬火可将耐磨性提高12倍	一般好于整体式	好	维护良好时寿命长，滚动体一般可运行10^5-10'8m,淬火钢导轨修理周期为12-15年		维护良好时寿命长，滚动体一般可运行10^5-10^8m，淬火钢导轨修理周期为12-15年
抗震性和稳定性		好		较差		交叉
特点	结构简单，制造容易，维护简单，成本低		结构简单，制造容易，维修简便，制造成本较低，静导轨常用镶钢式	制造复杂，导轨尺寸越大，成本越高，使用维护简单，对脏物敏感，必须有较好的防护措施		有多种型号，制造较简单
应用	广泛用于普通精度的机械	广泛用于精密和重型机械，也常用于旧机器导轨的大修		用于精密机械导轨用于精密机械导轨
		滑动导轨		其他导轨
	静		动压导轨	滚动贴塑复合式	弹簧导轨	磁浮导轨
	液体	气体	液体	滚动贴塑复合式	弹簧导轨	磁浮导轨
工作原理和摩擦特性	压力油通过节流器进入导轨承压面，在任何速度下均为内液体摩擦状态；油膜承载能气力大	用压缩空气经节流器进入导轨面腔，形成厚约0.02~0.025mm的垫，比液体静压导轨摩擦因数小，承载能力低	利用导轨面间的相对运动形成压力油楔，将动导轨浮起，形成液体摩擦	综合了滚动贴塑-镶钢导轨的优点，既有灵敏度高又有塑料导轨黏性阻尼的特性	利用弹簧的弹性变形来控制微小的位移，其摩导擦极小.工作平稳可靠	利用磁场的相互作用，将轨浮起，导轨面不接触，无摩擦
导向精度	油膜有均化误差的作用.精度可达0.001~0.006mm/1000mm	空气介质有很好的冷却作用，减小导轨热变形,导向精度可达0.00025mm/300mm	有浮升现象，导向精度一般	高一般		较高
灵敏度和定位精度	微量位移定位精度为0.002mm，摩擦因数很小，约为混合摩擦的百分之一	灵敏度很高，定位精度可达0.125um，重复精度0.025um	一般	较高	高	高
低速运动平稳性	低速运动时无爬行，定位精平稳性很好，低速无爬行确，速度均匀		不能用于低速	无爬行	好	好
精度保持性	导轨无磨损，精度保持性好导轨副无金属接触，还可以用空起气起净化作用		动和停止时速度低，不能建立动压，有磨损	好	无磨损	好
抗震性和稳定性	油膜有吸振能力	可以采用花岗岩做机座，隔振性很好，由于气隙很小，在很小振幅下已产生接触，阻尼性强	油膜有吸振能力	好	低
特点	制造复杂，调整较难，需要一套较复杂的供油系统	需要一套供气系统，承载能力低，空气不需回收，不污染环境，结构比液体静压导轨简单
应用	用于重型、大型和精密机多用于数控机床三坐标测量机等械，如数控机床		只适用于高速运动的主运动导轨，如立式车床的圆周运动导轨	用于大型精密机械用于微小位移精密机械用于航天仪器及磁浮列车

资料来源：吴宗泽等《机械设计师手册》（2019），华泰研究

图表195：导轨由运动件与承导件组成

资料来源：恒而达官网，华泰研究
资料来源：黄荣亿《数控机床原理与维护》（2010），华泰研究

图表196：导轨在机床上的应用图例

精密机械主要应用滚动导轨，直线运动滚动导轨配合丝杠完成高精度传动。普通滑动导轨静摩擦系数大，并且动、静摩擦系数差值也大，低速易爬行，较少应用于数控机床等对精度要求较高的设备。滚动导轨摩擦因数小，动、静摩擦因数接近，运动轻便灵活、所需功率小，摩擦发热少、磨损小、精度保持性好、低速运动平稳性好、移动精度和定位精度均较高，广泛应用于各类精密机床、仪器中，如低速运动的坐标镗床、数控机床、工具磨床等。滚动导轨按运动形式可分为直线运动导轨与回转运动导轨，其中，直线运动滚动导轨与滚珠丝杠组成的机械传动系统在精密机械中应用最为广泛。直线运动滚动导轨可进一步按结构分为三角平开式、闭式与钢丝滚道导轨，三角平开式导轨主要用于机床工作台，闭式导轨、钢丝滚道导轨多用于仪器。三角平开式导轨中，滚柱导轨承载力高，多用于大型机床，滚针导轨则多用于尺寸要求较高的机器。

图表197：直线运动滚动导轨可分为三角平开式、闭式、钢丝滚道三类

三角平开式导轨

滚珠导轨

滚珠和滚柱导轨

滚柱或滚针导轨

交叉滚柱导轨

简图

结构特点

1)结构简单，2)对温度变化3)摩擦阻力小4)承载能力小

制造容易；

1)结构简单，制造精度高，导轨表面可互 1)

三角形导轨面上相邻滚柱的

相研配;2)刚度和承载能力比滚珠大，但比相同尺

轴线相互成90交叉排列，能承

受左右两方向的水平力，承载能力高，导向性好；2)采用空心滚柱时，抗振性好，并可减小压痕；

不敏感；；，刚度较低；

寸的滑动导轨稍低(约低25%)；

能力高，导

向偏移和滑动，直径越大越显著；

4)多采用淬火钢导轨。无冲击载荷，运动

3）

不额繁，防护条件较好时可用铸铁导轨；

度高；

应用

常用于轻载机械和仪器，如磨床砂轮架，工具磨床工作台导轨等

滚柱可用于数控机床、大型数控钻铣台、复合加工中心；滚针可用于尺寸有限的机器导轨

用于大型坐标镗床工作台等的导轨

闭式导轨

钢丝滚道导轨

双三角形

双圆弧

交叉滚柱

简图

导轨面略不同，结构同双三角形

结构特点

1)用镶条调整间院或预紧，刚度比开式好，结构简单；2)能承受不大的倾覆力矩；3)摩擦阻力较大，对温度变化较敏感；

1)将截面为双三角形的直线导1轨面改为圆弧，增加了接触面积，减小了接触应力；2)可在较长的时间内保持导向精度；3)加工较难;

)在三角形导轨而上相邻滚柱的轴线互成 190°交叉排列，各方向的承载能力相同，能承受较大的倾覆力矩；2)刚度好，尺寸紧凑，水平方向刚度高；3)三角形导轨面要求的制遗精度高，导轨面不能互相研配；

)滚道是由淬火钢丝制成的细圆杆，其有较高的导向精度；2)导轨磨损后容易调整；3)工作寿命长，可以设计成开式或闭式；4)承载能力较小;

精度高

应用

常用于仪器，应用较广泛

常用于仪器

资料来源：吴宗泽等《机械设计师手册》（2019），华泰研究

直线运动滚动导轨对导轨直线度及滚动体尺寸精度要求较高。直线运动滚动导轨为点接触或线接触，对导轨的直线度和滚动体的尺寸精度要求较高，如精密级机床要求导轨直线度在 10μm/m 以内，两导轨之间的平行度误差小于 3μm/250mm，滚动体直径差小于 1μm，滚柱锥度小于 0.5μm，精密仪器要求则更高。

图表198：机床、半导体设备直线运动滚动导轨需求多为精密级及以上

注：N 为一般级，H 为高级，P 为精密级，SP 超高级，UP 为最顶级；
资料来源：恒而达官网，华泰研究

我国直线导轨市场收入全球占比 26%，但中高端仍依赖进口。根据 QY Research，2020年全球直线导轨市场收入约 20.1 亿美元，CR5（THK, Hiwin, NSK, Bosch Rexroth,Schaeffler）达 78%，我国 2020 年直线导轨市场收入约 5.2 亿美元，约占全球 26%。而根据恒而达 2022 年 10 月投资者关系活动记录表，我国直线导轨产品特别是中高端产品严重依赖进口，高端产品主要来自日本、瑞士、德国等国家，中端产品来自中国台湾；同等规格的直线导轨产品，外资价格约为中国台湾厂商的 3 倍，中国台湾厂商则约为国产厂商的 3倍，直线导轨国产替代空间较大。

图表199： 2020 年全球直线导轨 CR5 78%

资料来源：QY Research，华泰研究

图表200： 2020我国直线导轨市场收入约占全球 26%

资料来源：QY Research，华泰研究

图表201：导轨配套丝杠应用，丝杠企业一般同时具导轨产能

国别	公司	成立时间	业务范围	2022总营收2022综合规模（亿元）	毛利率	产能情况	下游应用领域
日本	THK	1971	直线运动系统轴承、汽车零部件、精密	206.1	27%	未披露	半导体设备、机床、工业机器人等
日本	NSK	1916	机械产品、电子应用产品等，为日本第一大轴承企业	491. 2	20%	未披露	机床、半导体制造装置、普通产业机器、医疗
德国	Bosch Rexroth	1795	工业和行走机械自动化解决方案传动系统和底盘应用的高	522.4	未披露	未披露	自动化、搬运、工程设计、医疗技术
德国	Schaeffler	1883	精度组件和系统、工业应用的滚动/滑动轴承解决方	1173.5	23%	未披露	未披露
中国台湾	上银科技	1989	案传动控制产品与系统滚珠导丝杆、精密丝杆花	67.1	37%	未披露	未披露
中国台湾	银泰	1990	键、线性导轨、滚珠花键和线性模组，精密机械关键性零部件	未披露	未披露	未披露	未披露
中国大陆	恒而达	1995	金属切削工具及配套智能数控装备、高精度滚动功能部件	4.8	29%	部分规格、系列、型号产品已小批量生产；高精度滚动功能部件产业化项目截至1H23已形成直线导轨年产能74.5万米，滑块年产能134万块	未披露
中国大陆	贝斯特 (宇华精机)	2022 (宇华精机)	精密零部件和智能装备及工装产品	11.0	34%	滚珠丝杠副、直线导轨副等产品首台套已实现成功下线，部分产品已在送样验证过程中	高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业、机器人领域
中国大陆	秦川机床 (汉江机床)	三五计划时期 (汉江机床)	机床、减速器、滚动功能部件等(丝杠市占率国内第	41.0	19%	汉江机床具备年产各类滚珠丝杠20 万副、滚珠直线导轨10万米的生产能力(官网2014年数据)	五轴机床、新能源汽车(转向、刹车、驻车系统)、自动化等高端制造领域
中国大陆	博特精工鼎智科技	1966	滚动功能部件微特电机为主要构成的定	未披露	未披露	未披露	未披露
中国大陆	（一和起）	2023(一和起)	制化精密运动控制解决方案	3.2	55%	未披露	未披露
中国大陆	南京工艺	1952	滚动功能部件	未披露	未披露	未披露	未披露

注：采用 2022 年 12 月 30 日汇率；
资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

轴：支承旋转零件，传递力与力矩

轴主要用于支承轴上零件转动，传递力与力矩。轴为机械设备中受轴承支承的重要零件，直接支承旋转零件，并能传递运动和动力，齿轮、车轮、铣刀等均需安装于轴上才可实现特定功能。按照承载情况不同，轴可分为转轴、传动轴、心轴三类，其中，转轴在机械中最为常用。

图表202：轴可分为转轴、传动轴、心轴三类

分类	简图	特点轴只受弯矩不受转矩，转动心轴受变应力，固定心轴受静应力；随转动零件一起转动的心轴为转动心轴，不随转动零件转动的心轴为固定心轴
转动心轴心轴固定心轴	铁路机车轮轴
转动心轴心轴固定心轴	自行车前轮轴前轮轴前叉前轮轮
转轴	齿轮减速器输出轴	轴同时承受转矩和弯矩，机械中最常用
传动轴	汽车传动轴	轴主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小

资料来源：金旭星《机械设计基础》（2017），华泰研究

图表203：齿轮减速器轴应用图例（直角斜齿行星减速机）

资料来源：涟恒精密官网，华泰研究

轴的材料需满足强度、刚度、耐磨性、耐蚀性要求，可选用碳素钢、合金钢、铸铁。轴工作时多需应对周期性交变应力，故轴的材料必须具备较高的强度、刚度和韧性，且对应力集中的敏感性低；此外，轴与轴承发生相对运动的表面应具有足够的耐磨性。轴的常用材料为碳素钢、合金钢、球墨铸铁。

图表204：优质碳素钢为应用最广泛的轴材料

材料	牌号	热处理	毛坯直径 /mm	硬度HBW	力学性能/MPa				许用弯曲应力/Mpa				用途
材料	牌号	热处理	毛坯直径 /mm	硬度HBW	抗拉强度	屈服强度	弯曲疲劳极限	剪切疲劳极限	O+1	0	0-1		用途
普通碳素钢	Q235A	热轧或锻后空冷	≤100		400~420	250	170	105	125	70	40		用于不重要或载荷不大的轴
			>100~250 ≤100	1 170~217	375~390 590	215 295	255	140
优质碳素钢	45	正火回火	>100~300	162~217	570	285	245	135	195	95		55	应用最广泛
		调质	≤200	217~255	640	355	275	155	215	100		60
	40Cr	调质	≤100	241~286	735	540	355	200					用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴
	355SiMn		>100~300 ≤100	241~286 229~286	685 785	490	335	185					性能接近于40Cr钢，用于中小
	(42SiMn)	调质	>100~300	219~269		510 440	355 335	205		245	120	70	型轴
40MnB					735			185					性能接近于40Cr钢，用于重要
		调质	≤200	241~286		490	345	195					的轴
40CrNi		调质	≤100	270~300	900	735	430	260	285		130	75	低温性能好，用于很重要的轴
合金钢			>100~300	240~270	785	570	370	210
38SiMnMo		调质	≤100	229~286	735	590	365		275		120	70	性能接近40CrNi钢，用于重载荷轴
20Cr		掺碳	>100~300	217~269	685	540	345	195
20CrMnTi		淬火	≤60	渗碳56~62HRC	640	390	305	160	215		100 165	60	用于要求强度和韧性均较高的镇
30Cr13		回火	15	渗暖56~62HRC	1080	835	480	300	365			100	用于腐蚀条件下的轴
		调质	≤100	≥241	835	635	395	230
			≤60	293~321	930	785	440	280		275	125	75	用于要求高的耐磨性、高强度，且热处理(渗氮)变形很小
	38CrMoAIA	调质	>60~100	277~302	835	685	410	270					的轴
			>100~160	241~277	>85	590	370		220
铸铁	0T450~10	1	二	160~210	450	310	160		140 185	110		1	用于曲轴、凸轮轴、水轮机主
	QT600~3	1	1	190~270	600	370	215			150		1	轴等复杂外形的轴

资料来源：吴宗泽等《机械设计师手册》（2019），华泰研究

不同领域轴应用差异较大。轴种类繁多，不同应用领域成本占比、国产化率差异较大，如转轴（铰链）为折叠屏手机关键零部件，技术仍待突破；一般减速器转轴多可实现国产；机床主轴多替换为电主轴，2020 年低/中/高端国产化率分别为 82%/65%/6%7，龙头企业加速自制进程。

图表205：中大力德齿轴毛坯采购成本占比约 9%

注：采用中大力德 2014-2016 年各类原材料平均采购成本占比数据资料来源：Wind，华泰研究

图表206：中高端机床、减速器企业轴加速自制

公司	轴情况	主要采购品牌
创世纪	主轴、刀库、转台等方面已实现自主化
海天精工	公司自制零部件主要包括电主轴、附件头刀库等，数控系统需要外采
纽威数控	车床主轴全部自主研发；加工中心主轴部分自主研发	罗翌、惟隆、健椿
国盛智科	数控系统，主轴、丝杆、线轨等传动部件，转台、刀库、摆头、光栅尺、编码器等功能部件需外采，但直角头、转台、主轴、齿轮箱等专业化、个性化的核心功能部件公司逐步采用自制模式	，日绅
浙海德曼	已经实现主轴、刀塔、尾座三大核心部件全部自制
科德数控	关键功能部件包括电机、电主轴、传感系统、铣头、转台等实现自产
宇环数控	磨头、电主轴等部件能够实现自制
秦川机床	行星架、行星齿轮、偏心轴、针齿壳、摆线轮全部为自制
绿的谐波	原材料采购不包含轴
中大力德	齿轴毛坏外采	未披露

资料来源：Wind，华泰研究

轴承：支承旋转轴及其他运动体，引导运动并承受轴上载荷

轴承可分为滑动与滚动轴承，后者应用更为广泛。轴承为用来支承轴或轴上旋转零件的部件，同时承受轴向负荷与径向负荷，主要用于保持轴的旋转精度、减小摩擦和磨损，被称为“机械的关节”、“机械工业的润滑剂”。按工作时摩擦性质的不同，轴承可划分为滑动摩擦轴承（滑动轴承）和滚动摩擦轴承（滚动轴承）两类。前者结构简单、易于制造、成本低，承载能力大，有良好的耐冲击性和吸振性，工作平稳、回转精度高；但摩擦损耗大，润滑和维护要求较高，且轴向尺寸较大。后者摩擦阻力小，起动灵活，工作稳定，效率高，能够在较广泛的载荷、转速及工作温度范围内工作，但抗冲击能力较差，高速、重载下寿命较低，且易出现振动、噪声，径向外廓尺寸较大。滑动轴承一般为非标件，在高速、高精度、重载、径向尺寸受限或结构上要求剖分等场合下性能较为突出，多在内燃机、机床、蒸汽机等重型机械，以及球磨机、滚筒清砂机、破碎机等低速冲击性大的机器中使用；滚动轴承则多为标准件，使用较滑动轴承更为方便，应用更为广泛，一般指轴承即指滚动轴承。

图表207：轴承需承受径向负荷和轴向负荷

资料来源：SKF 官网，华泰研究

图表208：滚动轴承与滑动轴承各有优缺，性价比角度滚动轴承应用更为普遍

性质	滚动轴承	滑动轴承
性质	滚动轴承	不完全液体润滑轴承	完全液体润滑轴承动压滑动轴承	静压滑动轴承
图例
承载能力与转速关系	-般无关，特高速时，流动体的离心力要降低承载能力	随转速增高而降低	随转速增高而增大	与转速无关
受冲击载荷的能力	不高	不高	油层有承受较大冲击力的能力	良好
高速性能	及轴承的温升	一般，受限于流动体的离心力不高，受限于轴承的发热和高，受限于油膜震荡及润	滑油的升温	高，用空气做润滑剂时极高
启动阻力	低	磨损高	高	低
功率损失	般不大，但如润滑及安装不当时将剧增	较大	较低	轴承本身功率损失不大，但油泵功率损失较高，总损失或超过液体动压轴承
寿命	有限，受限于材料的点蚀	有限，受限于材料的磨损	长，载荷稳定时理论上寿员命无限，但实际受限于轴瓦的疲劳破坏	理论上无限
噪声	较大	不大	定时基本无噪声	工作不稳定时有噪声，稳轴承本身的噪声不大，但油泵有噪声
轴承刚性	高，预紧时更高	一般	一般	一般到最高
旋转精度	较高	较低	一般到高	较高到最高
轴承径向	大	小	小	小
尺寸轴向	(0. 2-0.5) d	(0.5-4)d	(0.5-4) d	中等
使用润滑剂	油、脂或固定	油、脂或固定	液体或气体	液体或气体
润滑剂用量	一般很小，除非高速	一般不大	较大	最大
维护要求	油质需洁净，油脂润滑时只需定期维护	要求不高	油质需洁净	油质需洁净，且需经常维护润滑供油系统
更换易损零件	很方便，一般不需修复轴颈	需修复轴颈	时需修复轴颈	轴承轴瓦需经常更换，有时轴承轴瓦需经常更换，有轴承轴瓦需经常更换，有时需修复轴颈
价格	中等	批量生产价格不高	较高	连同供油系统，价格较高
应用	应用广泛	高速、高精度、重载、径向尺寸受限或结构要求剖分等场合下性能较为突出，多在内燃机、机床、蒸汽机等重型机械，以及球磨机、滚筒清砂机、破碎机等低速冲击性大的机	器中使用

资料来源：中轴协轴承工业官网，西北工业大学机电学院课件，SKF 官网，华泰研究

滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成，整体材料要求较高。外圈和内圈统称为轴承套圈，是具有一个或几个滚道的环形零件，其中，外圈是指滚道在内表面的轴承套圈，通常装配于轴颈，并与轴一同转动，内圈是指滚道在外表面的轴承套圈，通常装配于轴承座孔内起支承作用。滚动体即装在内外圈滚道之间的球或滚子，承受来自内外圈之间的载荷，实现轴承的滚动运动，与内外圈点/线接触。保持架将滚动体均匀隔开，减小滚动体的摩擦和磨损。由于滚动体与内外圈为点、线接触，接触应力较大，故内外圈及滚动体的材料需具备较高硬度、接触疲劳强度以及良好的耐磨性和冲击韧性，一般采用高碳铬钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等轴承钢，陶瓷、塑料、石墨和碳纤维等非金属材也可作为轴承材料。保持架材料包括钢板、铜合金、酚醛层压布管、玻璃纤维增强酚醛树脂等。

图表209：滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成（以深沟球轴承为例）

资料来源：NSK 官网，华泰研究

轴承种类繁多，深沟球轴承为最常用滚动轴承。根据轴承工作所能承受的载荷方向，将滚动轴承分为向心轴承和推力轴承，向心轴承主要承受径向载荷，推力轴承主要承受轴向载荷，向心轴承、推力轴承按照滚动体形状又可进一步分为向心/推力球轴承、向心/推力滚子轴承，其中，滚子轴承与轴承套圈线接触，接触区域大、摩擦大、速度低，但承载能力更高，球轴承则为点接触，性能相反。在各类轴承中，隶属于向心球轴承的深沟球轴承应用范围最为广泛。

图表210：滚动轴承根据工作时所承受的载荷方向可分为向心轴承和推力轴承

资料来源：五洲新春招股书，华泰研究

图表211：主要滚动轴承及其特性与应用

类型	图例	高速性能	特性及应用	类型	图例	特性及应用
深沟球轴承		主要用于承受径向载荷，也可承受少量双向良机、工程机械等领域使用，对称安装。适用于高速、高精度场合	的轴向载荷。摩擦阻力小，极限转速高，结构简单，价格便宜，应用最多但承受冲击载荷能力差。适用于高速场合，高速低载时可代替推力球轴承，如汽车、家电、电机、农属于深沟球轴承变形结构，能同时承受径向与单向轴向载荷，也可承受纯轴向载荷，接触角越大，轴向承载能力也越大。通常成对	圆柱滚子轴承	能力高。但只能用于刚性较大、对中良好的轴。内圈、外圈可分离，安装、拆卸方便，良尤其是当要求内、外圈与轴、轴承座孔都是过盈配合时更突显其优点。主要应用于大型电机、机床、工程机械、汽车等领域能承受较大的径向载荷和单向的轴向载荷，内、外圈可分离，装拆方便，可以调整轴承的径向和轴向游隙，通常成对使用，对称安装。单列圆锥滚子轴承承受轴向负荷的能力
		主要用于承受径向载荷，也可承受少量双向良机、工程机械等领域使用，对称安装。适用于高速、高精度场合		圆柱滚子轴承
		主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷，不适用于承受纯轴向载荷。外圈滚道为球面，其曲率中心与轴承中心一致，内圈、球、保持架可以在轴承中心周围自由旋转，具有自动调心性能。适用于多支点轴、弯曲刚度小的轴以及难于精确对中的支	滚针轴承	只能承受径向载荷，且径向承载能力高，在同样内径条件下，与其他类型轴承相比，径良向结构紧凑，内圈、外圈可分离，工作时允许内、外圈有少量轴向移动。常用于转速较低而径向尺寸受限制的场合
推力球轴承		承，如纺织机械、粮食机械等领域只能承受轴向载荷，且作用线必须与轴线相重合，单列承受单向推力，双列承受双向推差力；高速情况下，因滚动体离心力大，球与保持架摩擦发热严重，寿命较短。可用于轴	调心滚子轴承	特性与调心球轴承相同，但具有较大承载能力，适合在重载或振动载荷下工作。调心滚子轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良差好，能补偿同轴度误差。一般来说调心滚子轴承所允许的工作转速较低。主要应用于工

资料来源：李会文等《机械分析应用基础》（2017），NSK 官网，SKF 官网，人本股份招股书，华泰研究

中国轴承市场规模全球领先，营收突破达千亿。根据 SKF 2022 年报口径，2022 年全球轴承市场规模约 3000 亿元，其中，中国市场占比近 1/3，为全球第一大轴承市场。根据中国轴承工业协会口径，2021 年中国轴承行业主营业务收入达 2,278 亿元。

图表212：中国为全球最大轴承市场（2022）

资料来源：SKF 官网，华泰研究

图表213：中国轴承行业市场营收已突破 2000亿元

资料来源：中国轴承工业协会，华泰研究

图表214：全球轴承市场概览

区域	2022市场规模(亿元)	2022全球占比	2022 增速	市场特征描述	最大市场	最大下游
欧洲、中东、非洲	633~699	23%	中	西欧市场规模相对大，但长期增速较低，OEM行业主要为轻型汽车、轻型车辆，可再生能源，工德国、意大业传动和卡车；东欧、中东、非洲高度依赖工业与汽车后市场，规模虽小，但需求长期增速较高	利、法国	工业、轻型车辆、汽车后市场、工业传动、新能源
美洲	566~633	21%	高	美国市场贡献主要需求，轻型汽车、非公路、航美国(75%)、轻型车辆、工业、汽车空航天OEM需求旺盛；拉丁美洲较依赖于工业和墨西哥、巴后市场、非公路、工业汽车后市场，增速略高于北美	西	传动
中国、东北亚	1332~1465	48%	中	该区域为深沟球轴承最重要的单一市场。此外，该区域拥有全球最高的轻型车辆、卡车、可再生能源、电梯和自动扶梯的轴承需求		中国(70%)、轻型车辆、工业、工业日本、韩国传动、电气、新能源
印度、东南亚	200~266	8%	高	两轮车市场的轴承需求最高，印度市场贡献主要需求，约占区域需求的55%，占全球需求的5%。东南亚在很大程度上依赖于工业和汽车后市场	印度 (50%)	工业、汽车后市场、轻型汽车、两轮车

资料来源：SKF 官网，华泰研究

国内轴承企业竞争力增强，但中高端国产化率仍有待提升。根据 SKF 官网，中国各类轴承企业全球市占率由 2018年的 20%提升至 2022年 25%，全球六大轴承企业（SKF, SchaefflerGroup, Timken, NSK, NTN and JTEKT）市占率则从 60%降至 55%。中国轴承企业竞争力有所增强，但销售市场仍主要在亚洲区域，且从轴承进出口情况来看，进口轴承价格远高于出口，表明中高端市场或仍为海外企业主导，国产化率有待提升。

图表215： 2022年中国轴承企业全球市占率达 25%

注：内圈为 2018 年，外圈为 2022 年资料来源：SKF 官网，华泰研究

图表216：滚动轴承进出口价差仍大

注：海关编码：84821010、84821020、84821030、84821040、84821090、84822000、84823000、84824000、84825000、84828000、84829100、84829900；资料来源：海关总署，华泰研究

图表217：国内轴承企业具有较强专业性，规模普遍偏低

国别	公司	成立时间主营业务	下游应用	主要销售区域(2022营收占比)	2022营业收入（亿元）	轴承产品营业收入（亿元）	综合毛利率	轴承毛利率
瑞典	SKF	，轴承、密封件、润滑系统等，为轨交、重工业轴承 1907 龙头	应用较为广泛	欧洲/中东/非洲(42%)、美洲 (27%）、中国及东北亚(22%)、印度及东南亚(9%)	645.5	未披露	25%	未披露
	德国 Schaeffler	传动系统和底盘用高精度部件及系统、工业用滚动 1918 /滑动轴承解决方案	应用较为广泛	欧洲(42%)、美洲(22%)、中国 (23%)、其他亚太(13%) 美国(44%)、除美国外美洲	1173.5	未披露	23%	未披露
美国	Timken	1899 工程轴承、工业运动产品(直线运动产品、自动润滑系统、驱动系统等)	应用较为广泛	(11%)、欧洲/中东/非洲(22%) 、中国(14%)、除中国外的亚太地区(9%)	313.2	216.1	29%	未披露
日本	NSK	工业机械轴承、精密机械和零件、汽车轴承、汽车 1916 组件、维修及后市场服务轴承、传动轴、轮毂轴承、汽车电气化零件等；轮	应用较为广泛	日本(33%）、美洲(18%）、中国 (20%)、欧洲(14%)等	491. 2	未披露	20%	未披露
日本	NTN	1918 毂轴承市场份额全球第一，传动轴市场份额全球第二	应用较为广泛	日本(26%)、美洲(32%)、欧洲 (20%）、亚洲(22%)	405.2	未披露	16%	未披露
日本	JTEKT	1921 电动助力转向、轴承、机床等	应用较为广泛	日本(38%)、北美(24%)、欧洲 (11%)、亚太(26%)	878.6	184.0	15%	未披露
日本	NACHI	轴承、液压设备、机器人、刀具、汽车液压、机床 1928 等	应用较为广泛	日本(47%）、美洲(14%）、欧洲（6%）、中国（19%）、东盟(14%）	135.1	44.2	31%	未披露
日本	minebea Mitsumi	1951 机械组件、电子设备及组件等，微小型滚珠轴承市场份额全球第一	应用较为广泛	日本(28%）、中国(18%)、美国 (17%)、欧洲(11%)、泰国(6%）、其他	676.6	103.3	17%	未披露
中国	万向钱潮	汽车零部件，含万向节、传动轴、等速驱动轴、轮 1994毂单元、轴承、制动器等；万向节及轮毂单元产品居全球领先，国内行业第一	汽车	中国(88%)	140.15	未披露	13%	未披露
中国	人本股份	1997 轴承轴承（含以航天轴承为代表的特种轴承、精密机床	汽车、轻工机械、重型机械及重大装备等	中国(85%) (2021)	91. 2(2021)	78.5(2021)3	32%(2021） 33%(2021)
中国	国机精工	2001 轴承、重型机械用大型轴承、机床用电主轴等）、磨料磨具	国防军工、机床、风电、冶金	中国(71%)	34.4	9.8	24%	38%
中国	五洲新春	轴承、精密机械零部件和汽车安全系统、热管理系汽车、工业机械、新能源、航空航 1999 统零部件	天	中国(55%)	32.0	18.9	18%	18%
中国	新强联	2005 大型回转支承、环锻件、锁紧盘	风力发电机组、盾构机、港口机械、海工装备，工程机械	中国(99%)	26.5	21.4	28%	30%
中国	瓦轴b	，轴承，为国内最大的轴承技术与产品研发和制造基 1997 地关节轴承、圆锥滚子轴承、齿轮/变速箱、电脑针	铁路、冶金、矿山等	中国(91%)	23.5	20.5	19%	19%
中国	龙溪股份	1997 织机械，为国内最大的关节轴承供应商和最大出口商	工程机械、载重汽车主机市场及航空航天等	中国(78%)	17.2	8.5	24%	45%
中国	光洋股份	1995 新能源与燃油汽车精密零部件、高端工业装备及智能机器人零部件及电子线路板、电子元器件	、汽车发动机、变速器、离合器、重卡车桥、底盘轮毂及新能源汽车电机、减速机	中国(90%)	14.9	7.2	3%	12%
中国	襄阳轴承	1993 轴承及其零部件，为国内主要的汽车轴承专业生产基地之一 1995	汽车工程机械、汽车、能源、港口机械	中国(47%)	11.3	7.9	6%	3.57%
中国	长盛轴承	自润滑轴承及高性能聚合物 2000	、塑料机械、农业机械等汽车制造、工程机械、液压系统、	中国(57%)	10.7	8.7	29%	未披露
中国	双飞股份	供自润滑轴承解决方案、自润滑材料，汽车轴承，含轮毂轴承、轮毂轴承单元、圆锥轴承	模具等	中国(79%)	7.2	4.8	26%	28%
中国	雷迪克	2002 、离合器分离轴承、涨紧轮 1998 滚针轴承、超越离合器、单向滑轮总成和机械零部汽车零部件制造、工程机械、电动	汽车	中国(65%)	6.5	3.7	29%	未披露
中国	南方精工	件等，为国内滚针轴承龙头 1980	工具、摩托车零部件制造汽车、工业自动化、高端装备、机	中国(70%)	5.9	3.6	31%	33%
中国	苏轴股份	滚针轴承轴承、船舶电器	器人等石油机械、冶金轧机、重载汽车、	中国(59%)	5.6	5.0	33%	34%
中国	宝塔实业	1996	轨道交通、铁路货车等高速、重载、高精度、大功率的机	中国(99%)	2.5	1.8	2%	-5%
中国中国	申科股份	1996 厚壁滑动轴承及部套件 1950 轴承，为我国三大轴承生产基地之-	械设备航空、航天、航海、精密机床等	中国(92%)	2.3	1.1	20% 未披露	未披露未披露
中国	哈轴洛轴	1954 轴承，为我国三大轴承生产基地之一	风力发电、轨道交通、汽车摩托车	未披露未披露	未披露未披露	未披露未披露	未披露	未披露
中国		轴承	、矿山冶金等汽车、轨交、新能源、船舶、机械					未披露
中国	浙江天马力星股份	2013 2000 精密轴承滚动体	等 -	未披露中国(70%)	未披露 9.8	未披露 9.7	未披露 17%	17%
中国	金沃股份	2011		中国(55%)	10.4	10.0	13%	13%
		轴承套圈

注：MinebeaMitsumi 轴承相关营收及毛利率采用机械组件业务营收及毛利率；采用 2022 年底汇率；资料来源：各公司官网，Wind，华泰研究

高精机械传动国产替代：材料、设备、工艺、验证缺一不可

材料：国产材料筑基不牢

材料为高精度机械传动机构制备基础。综合各类精密机械传动系统组成零部件，材料选择均具较高要求，如：

◆ 谐波减速器：需使用高强度、高弹性特种材料制作，尤其是柔轮、轴承材料，一方面需承受较大交变载荷并不断变形，另一方面还需具较高的硬度以降低磨损，材料材质、疲劳强度要求均较高。根据中大力德 23 年 6月公告，公司谐波减速器的柔轮、刚轮材料仍需日本进口。

滚珠丝杠：高精度滚珠丝杠的要求材料有良好的强度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性、冲击韧性、抗疲劳性和高温性。

◆ 行星滚柱丝杠：丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性的振动、冲击及摩擦，故应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高及温度适应性较好的材料，此外，不同零部件需针对性选材。

◆ 轴承：滚动体与内外圈点、线接触，接触应力较大，内外圈及滚动体的材料需具备较高硬度、接触疲劳强度以及良好的耐磨性和冲击韧性，一般采用高碳铬钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等轴承钢。

材料筑基奠定龙头企业领先优势，国内材料质量仍有待提升。如，全球轴承龙头斯凯孚 1907年成立，在积极扩产、加速研发进程的同时持续通过收并购树立并巩固龙头地位，公司收并购开始于1916年，首家并购企业即瑞典历史最悠久的采矿和矿石冶炼公司Hofors Bruk，借 Hofors Bruk 冶炼优势，斯凯孚推动轴承用钢研制，开发出领先世界的纯净钢生产工艺；根据 Hofors Bruk 官网，目前 Ovako Steel AB 已成为世界领先的滚珠轴承钢制造厂。全球谐波减速器龙头哈默纳科在柔轮材料上使用疲劳强度较大的特殊钢，并采用轻合金材料制造波发生器与减速器壳体，材料创新进一步巩固公司竞争优势。国内材料已可实现国产化，但在冶金质量的稳定性、材料的纯净度、材料的均匀性等方面仍与海外存在一定的差距。

图表218：国产柔轮断口上弥散分布着直径 3.0\~6.0μm 的 Al2O3 颗粒状夹杂物，影响柔轮抗疲劳性能

资料来源：张朝磊等《谐波减速器特殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析》（2018），华泰研究

图表219： SKF 通过持续收购壮大业务规模，首家收购公司即材料公司 Hofors Bruk

公司成立

采矿和矿石冶炼公司： Hofors Bruk(瑞典) 轴承公司： Hess-Bright(美国) 轴承公司： Gronkvists Mekaniska Verkstad(瑞典)

1918

轴承公司： Nordiska Kullager AB(瑞典)

轴承公司： Seven German(德国) 机床公司 Lidkopings Mekaniska Verkstads AB(瑞典)

冷轧机公司：工具公司： J.N.Eberle(德国) Malcus AB(瑞典)

工具公司： Malcus AB(瑞典) 1975

1907

1916 ?

1928 1925 滚珠公司：

1938 1929 Compagnie d'Applications Mecaniques

1957 1954

1975 1966 1966 螺旋钻/钢铁公司： Sheffield Twist Drill and Steel

螺旋钻/钢铁公司： Sheffield Twist Drill and Steel Company

Atlas(美国) 密封件公司： Goetze Elastomere 大利) GmbH

(CAM)(法国) 工具公司:Cofler & C.S.p.A.(意密封件公司:CR Industries 油封件公司:Italian Gallino

轴承公司： Malicet et Blin(MAB)(法国) 轴承公司：轴承公司： Steyr Walzlager MRC Bearings(美国) Ges.m.b.H.(奥地利)

炼钢厂/冷轧厂： Hellefors(瑞典) 挡环/卡环公司： Anderton International(英国)

Company 挡环/卡环公司： Anderton International(英国)

1976 1994 1990

Gomma S.p.A.(意大利) 振动监控公司:Dymac(美国) 钢材高速切割工具公司:Union Butterfield Corp(美国) 激光量测仪公司:Fixtur- Laser(瑞典) 1989 1988

飞机用滑动轴承公司： AMPEP P.L.C.(英国) 1987

1985 1986 塑料品公司：

1984 1983

1976 1983

纺纱机高速主轴公司： SMM(瑞士) 轴承公司： FLT Poznan(波兰)

滚动轴承状态监测： Palomar Technology International(美国) 机床主轴公司：电主轴/滚珠丝

3家直线运动公司： Jacob AG(瑞士) Transmatic(瑞典/挪威) Ateco(荷兰) 轴/滚珠螺杆公司： Gamfior(意大利) 伺服系统公司：

Stellana Plast AB(瑞典) 挡圈/扣环公司： Waldes Truarc Inc(美国) 机电一体化公司：

Fagersten &Co(瑞典) 收购多家公司，包括：

汽车部件/备件公司： McQuay- Norri(美国) 收购Macrotech Polyseal Inc剩余股权

1997 ? 1995

Russell T. Gilman(美国) 2000 1998 ?

杠公司： Gamfior S.p.A.(意大利) 大利亚) 2002 2001 2003 维修工程咨询公司:Development 2家可靠性系统服务公司：Delta

Scandrive Control Jaeger Industrial AB(瑞典) Ltd(中国台湾) 铁路轴承公司：润滑系统分销商： Rolling Stock Supply Vogel(瑞典) &Service Pty Ltd(澳 2004 2005

台湾直线导轨公司、法国磁性轴承公司、美国测试与诊断仪公司、加拿大移动交通设备公司、美国预测性维修服务公司 2006 2008 2007

2009

PT Logam Sari 精确集合校准公司：Machine SupportBV(荷兰) Bearindo(印尼) 密封系统公司：Machine Support 轴承公司： BV(瑞典) LutskBearing 诊断设备公司：Diagnostic Plant(乌克兰) Instruments Ltd(苏格兰) 机电一体化公司:Electrac S.A(法国)

机电一体化公司：Magnetic 密封件公司： Group（瑞士）安徽希尔(中国) 2家轴承公司:Aerospace Bearings(英国）；SBB（保加利亚）滚珠丝杠公司：TheTwentieth Century Machine Co.(美国)

密封件公司:Macrotech Polyseal Inc(北美）：航空/机床轴承公司：SNFA SAS(法国）：机床旋转轴修理升级公司:Precision Balancing&Analyzing(美国) 预测性维修公司:Monitek(澳大利亚) 密封件公司:Economos Austria Gmbh(奥地利)

美国QPM Aerospace 的金属杆业务集中式润滑系统公司： Cirval S.A.(阿根廷)

清洁技术公司： RecondOil Sweden AB(瑞典) 人工智能预测性维护公司：

Blohm + Voss Industries Gmb; Kaydon Corporation

2021 工业咨询公司： AB(瑞典) 滤系统公司：

Presenso Ltd. 2014 2019 Rubico Consulting 工业润滑和机油过 EFOLEXAB(瑞典)

2012 2013 轴承公司： General Bearing GLOi; Hofmann Engineering Corporations(阿根廷)

资料来源：SKF 官网，华泰研究

设备与工艺：淘金离不开卖铲人

设备性能与工艺积累决定零部件加工精度。高精机械传动零部件的加工均需较为复杂的工艺流程，如：

◆ 谐波减速器：柔轮成型工艺技术壁垒最高，柔轮对材料的加工精度、热处理等要求均较高，制造工艺复杂；

◆ RV减速器：工艺与装配为核心壁垒，RV减速齿轮对材料表面热处理等工艺要求较高，且需特殊部件加工和精密装配技术，以满足无侧隙、微进给的特点；

◆ 滚珠丝杠：加工工序繁多，极易产生误差影响螺距精度，相关误差包括机床传动误差、机床几何误差、机床系统误差、工件系统误差等；

◆ 行星滚柱丝杠：螺纹是实现传动的核心机械要素，提高螺纹的加工性能是整个工艺流程的重点；螺纹加工、齿轮加工难度较大，热处理、磨削等工艺要求较高；

◆ 轴承：精度、性能和可靠性为三大特征质量指标；其中，精度、性能需要先进生产设备实现，可靠性则一方面取决于材料，另一方面受材料加工工艺，如热处理、锻造工艺等的影响。

机床为关键设备，龙头淘金者亦不乏卖铲人。机床为机械传动零部件加工的关键，我国虽为全球第一大机床生产国，但整体大而不强，机床数控化率、机床平均加工精度仍有待提升。如前文列示，全球精密机械传动零部件制造龙头多为日（哈默纳科、纳博特斯克等）、美（NOOK、穆格等）、德（博世力士乐、舍弗勒等）企业，无独有偶，全球机床领军企业亦多集中于日美德国家，高端机床或对零部件加工精密度的提升起到关键作用。精密机械传动零部件同样为机床实现高精度加工的关键，机床与核心精密零部件可相互促进，国内精密机械传动零部件多需进口，一方面反映先进设备与工艺的欠缺，另一方面也不利于实现中高端机床的国产替代。此外，部分海外机械传动零部件龙头公司同时具机床业务，如滚珠丝杠企业黑天精工（Kuroda）同时开展磨床业务、轴承企业捷太格特（JTKET）同时开展磨床、加工中心和齿轮磨削中心等机床业务、减速器企业尼得科传动（原新宝）同时开展冲床等机床业务，也或可反向验证机床与机械传动零部件间的相互促进关系。

工艺重在积累，国产替代任重道远。综合国内外核心企业发展，海外龙头成立时间普遍较早，我国企业虽呈现起步晚、但发展迅速的特征，但工艺积累仍需不断的迭代验证，技术人员实践经验仍有不足，赶超海外龙头仍需时间。

图表220：滚珠丝杠螺距精度受机床设备影响较大

资料来源：王宝飞《精密滚珠丝杠磨削加工热变形误差及其试验研究》（2021），华泰研究

图表221：我国金属切削机床数控化率仍有提升空间

注：计算口径：数控金属切削机床产量/金属切削机床总产量；资料来源：Wind，华泰研究

应用场景验证与积累：打造闭环的决定性环节

应用-反馈-迭代为国产替代关键环节，国内应用验证有序推进。机械传动零部件种类繁多，各类零部件应用验证进程各异，但综合来看，产业化程度较高的零部件，龙头企业下游应用场景已打开，国产替代进程有序推进。此外，2023 年 9 月 1 日，工信部等 7 部门印发《机械行业稳增长工作方案（2023—2024 年）》，提出“鼓励‘整零’协作，引导整机企业与基础零部件企业构建成果共创、路径共探、风险共担、利益共享的新型合作机制，在零部件研发、试验检测等方面实现技术研发与制造工艺提升相结合，增强协同制造能力，共同推动产品产业化，实现提质降本增效”“重点提升工业母机用丝杠、导轨、主轴，农业机械用精密排种器，工程机械用数字液压件，工业机器人用精密减速器等专用零部件，高端轴承、精密齿轮等通用基础零部件可靠性、一致性、稳定性”，机械传动零部件为政策支持重点，应用-反馈-迭代进程有望提速。

在具身智能中的应用：机械传动广泛存在于特斯拉 Optimus 中

机械传动广泛存在于 Optimus 中，谐波减速器和丝杠分别为旋转和线性执行器核心部件。特斯拉 Optimus 人形机器人的旋转关节中包含电气传动和机械传动，电气传动主要由上文提到的无框电机完成，而机械传动主要由谐波减速器完成。Optimus 线性执行器中同样包含电气传动和机械传动，电气传动也由无框电机完成，而机械传动涉及到将旋转运动转换为直线运动，所以主要由反式行星滚柱丝杠完成。

图表222：谐波减速器为 Optimus 旋转执行器核心部件

资料来源：特斯拉 2022 年 AI Day，华泰研究

图表223：反式行星滚柱丝杠为 Optimus 线性执行器核心部件

资料来源：特斯拉 2022 年 AI Day，华泰研究

具身智能：多维度催化人形机器人落地

技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业发展。2023 年 ChatGPT 等大语言模型超预期发展，增强人形机器人交互能力，拓宽其应用领域；硬件方面，特斯拉等科技公司纷纷入局，有望加快产业链技术进步。我们认为人形双足机器人为通用机器人的最优解，因为人类社会的种种事物都按照人类的生理结构进行设计，贴近人类形态的双足机器人更能适应种类多样的任务，达到通用的目的，隐形成本较小。随着科技龙头入局、ChatGPT 等 AI 技术加速、相关政策密集落地，作为“具身智能”理想载体的人形机器人在多种因素的推动下有望快速发展。

图表224：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业提速

资料来源：各政府官网，各公司官网，华泰研究

大模型帮助机器人思考学习，推动具身智能发展。英伟达创始人兼 CEO 黄仁勋在 ITF World2023 半导体大会上表示，AI 下一个浪潮将是“具身智能”，即能够理解、推理物理世界并与物理世界互动的智能系统。微软、Google、英伟达等大厂均积极开展具身智能相关研究。微软基于 ChatGPT 的强大自然语言理解和推理能力生成控制机器人的相关代码；英伟达VIMA 基于 T5 模型，将文本和多模态输入交错融合，结合历史信息预测机器人的下一步行动动作；英伟达 OPTIMUS 使用任务运动规划器来自动生成足够的机器人轨迹数据，然后训练 Transformer 视觉-运动策略，进而预测机器人动作；谷歌 RT-2 则通过 VLM与机器人数据的结合，赋予机器人语义理解和基本推理能力。大模型不断进步提升人形机器人交互能力，推动具身智能发展。

图表225：各大厂大模型快速发展，赋予机器人思考学习能力，推动具身智能发展

资料来源：《RT-2：谷歌具身智能新突破》（华泰计算机，2023 年 8 月 3 日），华泰研究

特斯拉机器人快速迭代，24 年有望在工厂投入使用。2021 年特斯拉在 AI Day 上首次提出其人形机器人 Optimus 的渲染图；2022 年 AI Day 上，特斯拉推出原型机，在没有外接线缆的情况下实现了缓慢行走与挥手；2023 年 5 月股东大会上，特斯拉人形机器人已经可以实现流畅的行走与抓取物品，灵活度较原型机大大提高。2023 年 7 月 20 日，马斯克表示，目前特斯拉人形机器人擎天柱的制造数量为 10 台左右，将会在 2023 年 11 月左右对特斯拉自己设计的执行器进行行走等测试，明年人形机器人有望率先在内部工厂投入使用。在应用场景方面，除了工厂以外，公司还考虑将人形机器人与 Neuralink 结合，为残障人士提供义肢应用场景有望不断拓展。

图表226：特斯拉人形机器人实现快速迭代

资料来源：特斯拉 2022 年 AI Day，华泰研究

图表227：特斯拉人性机器人已实现流畅行走与抓取物品

资料来源：特斯拉 2023 年股东大会，华泰研究

多方玩家布局人形机器人，百舸争流加快硬件变革。除特斯拉外，国内外多家公司积极研发人形机器人并取得快速进步。2019 年波士顿动力机器人 Atlas 掌握“体操”技巧，能够连续的跳跃、翻滚；2022 年 8 月，小米发布人形机器人“Cyberone”；2023 年 4 月 1Xtechnologies 机器人 EVE 应用于美国和欧洲部分地区的商业场景；优必选、傅利叶所生产机器人都具备行走，与人协同完成动作等功能；三星宣布将于2023年10月阐述其“Semicon人形机器人”计划。各高校实验室也在积极尝试各种技术路径研发人形机器人，清华大学交叉信息研究院陈建宇团队机器人“小星”采用准直驱力控方案，可完成多种动作。多方玩家并驱争先，有望加速人形机器人硬件升级。

图表228：多家科技巨头布局人形机器人，加快技术进步推进商业化应用

公司	型号	功能及应用场景
特斯拉	Optimus	为植物浇水、移动金属棒、环境感知和记忆力较好、力度控制较精准
小米	Cyberone	重建真实世界、实现运动姿态平衡、感知人类情绪
波士顿动力	Atlas	行走、奔跑并穿越多种复杂地形、空翻、手部灵活能完成抓取等动作。
Agility Robotics	Digit	移动手提袋或包裹、卸货、行走交付
1X technologies	EVE	安保、护理、调酒等，目前在售
Engineered Arts	Ameca	与人类互动时检测情绪和年龄，并可以用常见的表情进行交流；可应用于实验研究、展览、接待、教育
优必选	Walker X	复杂地形自适应、动态足腿控制、手眼协调操作、柔顺物理交互、U-SLAM视觉导航、自主路径规划等；主要应用于科技展馆、影视综艺、商演活动、政企展厅
傅利叶	Fourier GR-1	具备直腿行走、快速行走、敏捷避障、稳健上下坡、应对冲击干扰、与人协同完成动作等功能；可用于工业、康复、居家、科研等场景
达阔	Cloud Ginger 2.0	应用场景主要包括卖场促销、直播卖货、教育科研、清洁打扫、康养陪护、迎宾导览
追觅	追觅通用人形机器人	可以完成单腿站立；完成室内三维环境的建模；能够适应不同路面，实现自主避障。

资料来源：各公司官网，华泰研究

政策密集出台，加速人形机器人产业化进程。2023 年 6 月 28 日，北京印发《北京市机器人产业创新发展行动方案（2023-2025 年）》，强调要对标国际领先人形机器人产品，支持企业和高校院所开展人形机器人研发和工程化，目标在 2025 年前实现百台（套）级人形机器人原型机的生产，并在 3-4 个典型场景中开展示范性应用。十四五以来，中央和地方陆续推出支持人形机器人产业发展的政策，如《“十四五”机器人产业发展规划》、《“机器人”应用行动实施方案》、《山东省制造业创新能力提升三年行动计划（2023-2025 年）》、《深圳市加快推动人工智能高质量发展高水平应用行动方案（2023-2024 年）》等。多地利好政策有望推动人形机器人加快工程化和产业化。

图表229：中央和地方均推出相关政策加紧布局人形机器人

时间	相关部门	文件名称	相关内容
2023/6/29	北京市人民政府办公厅		《北京市机器人产业创新发展行动方案到2025年，培育100种高技术高附加值机器人产品、100种具有全国推广价值
		(2023—2025年)》	的应用场景，万人机器人拥有量达到世界领先水平。机器人核心产业收入达到 300
			亿元以上。对标国际领先人形机器人产品，支持企业和高校院所开展人形机器人整机产品、关键零部件攻关和工程化，加快建设北京市人形机器人产业创新中心。
2023/5/31	人民政府办公厅	高水平应用行动方案(2023一2024年)》域，实施人工智能科技重大专项扶持计划，重点支持打造基于国内外芯片和算法	中共深圳市委办公厅、深圳市《深圳市加快推动人工智能高质量发展聚焦通用大模型、智能算力芯片、智能传感器、智能机器人、智能网联汽车等领
			的开源通用大模型；支持重点企业持续研发和迭代商用通用大模型；开展通用型
			具身智能机器人的研发和应用，优必选科技已获批筹建广东省人形机器人制造业
	上海市人民政府办公厅	创新中心。《上海市推动制造业高质量发展三年行到 2025年，规模以上制造业企业数字化转型比例达80%以上，工业机器人使用
2023/3/13		动计划（2023-2025年）》	密度力争达360 台/万人。
		景推荐目录》	上海市经济和信息化委员会《上海市智能机器人标杆企业与应用场支持推动以机器人为代表的智能终端产业发展，培育一流营商发展环境。力争到
			2025年，本市将打造10家行业一流的机器人头部品牌、100个标杆示范的机器
			人应用场景、1000亿元机器人关联产业规模。
2023/1/19		工业和信息化部、教育部等十《“机器人+”应用行动实施方案》
			到2025年，制造业机器人密度较2020年实现翻番，服务机器人、特种机器人行
	七部门		业应用深度和广度显著提升。聚焦10大应用重点领域，突破100 种以上机器人
			创新应用技术及解决方案，推广200个以上具有较高技术水平、创新应用模式和
		显著应用成效的机器人应用场景。

资料来源：各政府官网，华泰研究

决策层：大模型赋予机器人“大脑”，具身智能迎来曙光

大模型使机器人理解自然语言，增强泛化能力

大模型为机器人装上“大脑”，提升其理解能力与泛化能力。谷歌 DeepMind 于 2023 年 7月 28 日推出全球首个控制机器人的视觉-语言-动作(VLA)模型 RT-2；斯坦福大学李飞飞教授研究团队于 2023 年 7 月 12 日推出 VoxPoser，通过大语言模型加视觉语言模型指导机器人行动。搭载此类模型的机器人可以像 ChatGPT 一样被操纵，可理解自然语言指令并且无需预定义的运动原语或额外的数据和训练，具身智能迎来曙光（具身智能指具有身体并支持物理交互的智能体，可借助智能算法实现理解推理并与物理世界互动）。大模型的发展使机器人更容易理解人类指令并执行动作以完成更好的交互，人形机器人产业化进度有望加快。

图表230： RT-2 帮助机器人在数据从未见过的场景完成多种任务

资料来源：《RT-2: Vision-Language-Action Models Transfer Web Knowledge toRobotic Control》（Google DeepMind，2023），华泰研究

图表231：搭载 VoxPoser 机器人无需示范可做开瓶、按开关等任务

资料来源：《VoxPoser: Composable 3D Value Maps for Robotic Manipulationwith Language Models》（李飞飞等，2023），华泰研究

RT-2/VoxPoser 实现自然语言编程，机器人“善解人意”。RT-2/VoxPoser 的一大突破是使机器人可以理解自然语言指令，无需复杂的编程语言便可完成人机交互。RT-2 模型建立在视觉-语言模型（VLM）的基础上，赋予机器人语义理解和基本推理能力，使其可以听懂并自主推理出已灭绝动物（恐龙）和哪种饮料最适合疲惫的人(能量饮料)；李飞飞团队VoxPoser 模型只需接收到“打开上面的抽屉，小心花瓶！”类似的指令即可执行任务；在前华为天才少年彭志辉创业公司智元机器人所发布的视频中，机器人也可根据简单的文字或语音指令对桌面上不同颜色的方块进行选取、调位和叠放等操作。

图表232：命令 “选择已灭绝动物”，搭载 RT-2机器人选择恐龙玩偶

资料来源：Google Deepmind，华泰研究

图表233：智元机器人可根据输入的自然语言命令完成动作

资料来源：智元机器人公众号，华泰研究

无需训练即可完成复杂指令且产生涌现能力，未知场景下 RT-2模型泛化能力翻倍。新模型的另一大突破是无需预定义的运动原语或额外的数据和训练，模型泛化能力增强，加速机器人通用化。过去算法下实现机器人扔垃圾的动作需训练机器人区分、捡起、扔掉垃圾各个步骤，而 RT-2 可以将网络相关知识传给机器人，使其无需明确的训练即可学会扔垃圾。面对之前从未见过的任务情形，RT-2 成功率达到 62%，泛化性能较 RT-1 提高一倍。而VoxPoser 用大模型指导机器人如何与环境进行交互，达到在无需额外数据和训练的情况下完成各种任务，并且涌现出了 4 种行为能力，可以自主分步完成任务，掌握评估方法，根据最新要求做出判断进而调整输出动作。

图表234： VoxPoser产生了 4个“涌现能力”，机器人可以在任务过程中自主生成推理能力，掌握新方法

评估物理特性：给定两个质量未知的方块，利用可用的工具进行物理实验，确定哪个方块更重。

Which block is heavier?

You'reoffby1cmtotheleft.
行为常识推理：比如在摆餐具的任务中，告诉机器人“我是左撇子”，它就能通过上下文理解其含义

lamleft-handed.

细粒度语言校正：对于需要高精度的任务，比如“给茶壶盖上盖子”，用户可以给机器人准确的指令，比如“你偏离了1厘米”。

Open the drawer precisely by half.

多步视觉程序：给定一个任务“将抽屉精确地打开一半”，由于没有对象模型导致的信息不足，机器人可以根据视觉反馈提出多步操作策略，即首先完全打开抽屉同时记录手柄位移，然后将其推回至中点就可以满足要求。
资料来源：《VoxPoser: Composable 3D Value Maps for Robotic Manipulation with Language Models》（李飞飞等，2023），华泰研究

图表235： RT-2 提高了机器人在未见过场景中的性能，从 RT-1 的 32%提高到 62%

模型	已知场景	未知物品情况		未知背景情况		未知环境情况		未知场景平均值
模型	已知场景	(Unseen Objects)		(Unseen Backgrounds)		(Unseen Environments)		未知场景平均值
		Easy	Hard	Easy	Hard	Easy	Hard
R3M (Nair et al.,2022b)	45	32	14	13	9	0	2	12
VC-1 (Majumdar et al.,2023a)	63	34	10	13	3	0	0	10
RT-1 (Brohan et al.,2022)	92	31	43	71	9	26	14	32
MOO (Stone et al.,2023)	75	58	48	38	41	19	3	35
RT-2-PaLI-X-55B (ours)	91	70	62	96	48	63	35	62
RT-2-PaLM-E-12B (ours)	93	84	76	75	71	36	33	62

资料来源：《RT-2: Vision-Language-Action Models Transfer Web Knowledge to Robotic Control》(Deepmind,2023)，华泰研究

RT-2 泛化能力还体现在其思维链（CoT）助其进行多阶段语义推理，完成更复杂任务。DeepMind 研究团队展示了将思维链推理纳入 RT-2中使其能够进行多阶段语义推理，他们用少量的“增强”数据微调一个 RT-2-PaLM-E 变种，增强数据中加入了“Plan”步骤，使得 VLM 首先用自然语言描述机器人将要采取的动作的目的，然后再给出预测的机器人动作标记。例如：“指示：我饿了。计划：选择 rxbar 巧克力。行动：1 128 124 136 121 158 111255。”通过实验结果可以观察到，具有思维链推理的 RT-2 能够回答更复杂的命令。

图表236： CoT 能够帮助 RT-2 完成更复杂的任务

资料来源：《RT-2: Vision-Language-Action Models Transfer Web Knowledge to Robotic Control》，Google（2023），华泰研究

决策结果到运动控制映射方式改变，机器人实现“手脑协调”

此前大模型产出的策略需要借助低级别策略或 API 才能完成对机器人的运动控制。视觉语言模型生成的结果到机器人动作的映射方式，主要取决于该预测结果的层级。之前模型中预测结果处于高级别设计层级：以 Google PaLM-E 和微软 ChatGPT for Robotics 为例，PaLM-E实现了对具身任务的决策方案预测，但不涉及机器人动作的实际控制，需要依赖低级别的现成策略或规划器来将决策方案“翻译”为机器人动作。微软默认提供控制机器人的低层级 API，ChatGPT 输出是更高层级的代码，需调用到机器人低层级的库或 API，从而实现对机器人动作的映射和控制。RT-2和VoxPoser预测结果已经到了低级别动作层级，不需要再经过复杂的翻译即可将高层级设计映射到低层级动作。

图表237：大模型决策结果到机器人动作控制的映射方式改变

资料来源：《RT-2：谷歌具身智能新突破》（华泰计算机，2023 年 8 月 4 日），华泰研究

RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息。RT-2 动作控制采用的方法是将机器人动作表示为另一种语言，即文本 token，并与Web规模的视觉-语言数据集一起训练。代表机器人动作的文本字符串可以是机器人动作 token 编号的序列，例如「1 128 91241 5 101 127 217」，该字符串以一个标志开始，该标志指示机器人是继续还是终止当前情节，然后机器人根据指示改变末端执行器的位置和旋转以及机器人抓手等命令。由于动作被表示为文本字符串，因此机器人执行动作命令就像执行字符串命令一样简单。这种表示方式允许谷歌对现有的视觉-语言模型进行微调，并将其转换为视觉-语言-动作模型。

图表238： RT-2输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息
RT-2从互联网规模的VQA和机器人动作数据中获得预训练模型，使用了RT-1的演示数据，这些数据是由 13个机器人在办公室、厨房环境中收集的，历时17个月。

RT-2将机器人动作表示为文本字符串，该字符串以一个标志开始，指示机器人是继续还是终止当前情节，然后机器人根据指示改变末端执行器的位置和旋转以及机器人抓手等命令。有了这种表示就可以直接对现有的VLM模型进行微调，并将其转换为VLA模型。
资料来源：《RT-2: Vision-Language-Action Models Transfer Web Knowledge to Robotic Control》（Google DeepMind，2023），华泰研究

Voxposer 规划结果直接为机器人运行轨迹。Voxposer 的动作控制实现过程是首先给定环境信息（用相机采集 RGB-D 图像）和自然语言指令，之后 LLM（大语言模型）根据这些内容编写代码，所生成代码与 VLM（视觉语言模型）进行交互，指导系统生成相应的操作指示地图（3D Value Map），之后动作规划器将生成的 3D 地图作为目标函数，直接合成最终操作轨迹。在用 LLM 和 VLM将语言指令映射为 3D 地图的过程中，系统利用“感兴趣的实体(entity of interest)”来引导机器人进行操作，也就是通过 3D Value Map 中标记的值来反应哪个物体是对它具有“吸引力”的，哪些物体是具有“排斥性”，比如在打开抽屉的例子中，抽屉就是“吸引”的，花瓶是“排斥”的。

图表239： Voxposer 工作过程为接受命令—LLM 生成与 VLM 交互—生成操作指示地图—运动规划器规划动作

资料来源：《VoxPoser: Composable 3D Value Maps for Robotic Manipulation with Language Models》（李飞飞等，2023），华泰研究

感知层：聚焦力/触觉传感器应用，机器人知“轻重”懂交互

人形机器人需借助多种传感器识别自身运动状态和环境状况，收集多模态数据以供交互。具身智能重点在于具有身体体验的能力，与环境交互获得视、听、触觉等多模态数据再做出反应，需要模型与传感器等硬件相互配合。李飞飞教授团队在介绍 Voxposer 的论文中提到，具身智能依赖于外部感知模块，在需要整体视觉推理或理解细粒度物体几何形状的任务中具有局限性，需要更高级的视觉传感器或其他传感方式。因此人形机器人产业化不仅需要大模型完成决策，还需要传感器等硬件不断升级进行配合，提供多模态数据。

图表240：人形机器人需要多种传感器与真实世界交互

资料来源：Yole，华泰研究

图表241：多种传感器帮助人形机器人识别自身的运动状态和环境状况

位置	传感器种类	作用
头部	视觉传感器	视觉成像，建图定位，导航
	麦克风传感器	语音识别，进行语音交互
	红外相机或红外传感器	感知物体存在
表面	接近传感器	超声波雷达或TOF用来测距
	光电开关或压力薄膜	直接感知碰撞
内部	温度传感器	监测温度，帮助散热
	湿度、压力传感器	检测机器人体征
	IMU惯性导航模组	平衡和稳定行走的关键传感器。典型IMU传感器有三轴加速度计、三轴陀螺仪。
力控传感器	足部力控	通过气压传感器或压力传感器检测足底，成本较低可保证基本功能
	手部力控	检测握力，触觉等，控制手部电机
	关节力控	检测关节输出扭矩

资料来源：中国机器人网，华泰研究

六维力/关节扭矩传感器为力控核心，使人形机器人知“轻重”

力传感发展仍处初期，六维力传感器和关节扭矩传感器是核心。在机器人多种感知中，力觉感知及对应的力传感器发展较慢，但其在人形机器人的运动控制中起重要作用，可以增强机器人本体感知及获取环境物理信息的能力。力传感器是人形机器人感测力和力矩信息的主流选择，可协助机器人完成精细和智能的操作任务。人形机器人力感知主要包括两种模式，一种使用末端的六维力传感器，一种使用关节扭矩传感器。人形机器人旋转、线性执行结构类似于人类关节，对于力的感知相对简单，可采用关节扭矩传感器；而对于人形机器人末端执行器（如腕部、踝部）在执行操作的过程中，力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，测量需要精确处理，六维力传感器更符合需求。

图表242： UCLA—Artmes 足部力觉传感器方案

图表243：坤维科技关节扭矩传感器及六维力传感器

资料来源：《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot（2023）》（TaoyuanminZhu，2023），华泰研究
资料来源：坤维科技公众号，华泰研究

六维力传感器精度高、获取力信息最全面。六维力传感器是一类可以同时检测 X、Y、Z 三轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩的传感器，目前已应用于协作机器人和康复医疗机器人中，可以增强机器人与人协同的安全性。六维力传感器测量维度最高，可以提供最全面的力觉信息，其具有高精度、高灵敏度、快速响应、高耐用性和可靠性的特点，可以轻松检测到微小的力的变化，实时记录和传输数据，满足各种应用的需求。相较于三维力传感器，六维力传感器适用于力的作用点离传感器标定参考点距离较远，且随机变化，测量精度要求较高的情况。同时机器人可以利用获得的力矩信息推算受力部件的姿态，监测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。

图表244：六维力传感器可测量 X、Y、Z三轴力和力矩

资料来源：国际自动化网，华泰研究

六维力传感器主要用于人形机器人腕部及踝部。六维力传感器可装载于机器人的腕部、踝部等核心关节处，让机器人知“轻重”、懂交互，真正实现类人的运动能力。双足机器人由于有脚掌的存在，其在落足时会产生力矩，测量该力矩的大小和方向是运动控制中的重要一环。六维力传感器可搭载于双足机器人脚踝处，测量各方向的力和力矩，并由控制器通过分析传感器输出的各维度数据，得出落脚时的受力状态，从而对机器人姿态进行调整。六维力传感器还适用于人形机器人手腕关节处，机械手在执行抓取或装配工作时，会受到各方向的力，有六维力传感器作为感知元件，机器人才能精准执行这些工作，甚至做到“穿针引线”。

图表245：坤维科技腕部六维力传感器

资料来源：坤维科技公众号，华泰研究

图表246：坤维科技踝部六维力传感器

资料来源：坤维科技公众号，华泰研究

关节扭矩传感器增强机器人本体感知。关节扭矩传感器将扭转力矩引起的物理变化转换成精确的电信号，从而形成对机器人单关节力矩的测量和记录。机器人本体感知依赖关节扭矩传感器感测各个关节扭力，获得各个部位受力情况，提供机器人整体的姿态及位置信息。关节扭矩传感器可以实时反馈高质量扭矩信号，迅速识别接触并立即降低力和速度，因为该传感器距离电机较近，避免了机器人机械本体动态特性的干扰，带宽更高，动态响应更快。关节扭矩传感器本质测量一维力，但要抵抗五维力的干扰，抗干扰能力要求高。

图表247：机器人各关节处需关节力矩传感器反馈力信息

资料来源：松诺盟科技有限公司公众号，华泰研究

图表248：关节扭矩传感器感测各个关节扭力

资料来源：泰科电子官网，华泰研究

高价值高壁垒，六维力传感器面临动静态特性及解耦问题

进口六维力传感器价格昂贵，国内外产品在多方面仍存在差距。2022 年，在接受高工机器人采访时，坤维科技创始人熊琳表示：“一台高性能的进口力传感器的价格顶得上国内一台协作机器人的价格，导致国内机器人行业用不起，加之标校能力和生产方式等多方面的约束，国内多数六维力传感器厂商无法满足产能需求，阻碍了第三代工业机器人的发展。”高性能六维传感器价格从几千到上万不等，价值量较高。国内参与者主要是鑫精诚、宇立仪器（安川电机、KUKA、ABB的力传感器合作商）、坤维科技（供货给节卡、遨博、睿尔曼、大族等国内协作机器人厂商），但国产六维力传感器与外资主流传感器在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面仍存在差距。

图表249：国内六维力传感器市场第一梯队为ATI、坤维科技、鑫精诚、宇立仪器

资料来源：GGII，华泰研究

图表250：国内外六维力传感器主要参与者及各家产品性能指标

企业	总部	准度(%FS)	公司简介
坤维科技	中国	0.5%	坤维科技成立于2018年，是一家致力于提供高精度力觉传感器(六轴力传感器)及力控解决方案的企业。公司主营智能力觉传感器的研发、制造、销售及技术推广，开发面向机器人及其他智能装备行业的力觉传感器产品,为机器人及其它智能装备、工业
鑫精诚传感器	中国	1%-3%	过程监控、产品质量检测、科研测试测量等领域提供力觉测量解决方案及相关产品。深圳市鑫精诚科技有限公司成立于2009年，公司专注于微型压力、称重、多轴力、扭力等多样化的智能传感器及控制仪表的工业级产品研发和创新。为3C 自动化设备、精密医疗、农业、新能源锂电、机器人、半导体、航空铁路、高校等领域提供
宇立仪器	中国	1%-5%	力控系统解决方案与技术合作。宇立仪器有限公司(SRI)是一家集生产、研发于一体的技术密集型企业，是原美 FTSS(现Humanetics ATD)总工黄约博士于 2007年创立，公司在多轴力传感器设计领域积累了20年经验，在汽车行业和工业机器人领域具有竞争优势。
蓝点触控	中国	1.5-2%	蓝点触控(北京)科技有限成立于2019年，是一家专业从事高精度、高性能力传感器以及力控产品研发和生产的高新技术企业。公司在多维力传感器、关节扭矩传感器、机器人力控技术等方面拥有深厚的经验积累和技术优势，现已形成了Wrist六维力传
海伯森	中国	1%-2%	感器、Joint关节扭矩传感器、力控应用软件包等多个产品系列。海伯森技术(深圳)有限公司成立于2015年，公司始终专注工业传感技术的创新，并在光学精密测量、工业 20/3D 检测、机器人智能应用等领域形成了成熟的产品矩阵,主营产品包括3D闪测传感器、3D线光谱共焦传感器、点光谱共焦位移传感器、超
			高速工业相机和六维力传感器等。
帕西尼感知科技柯力传感	中国中国		公司核心为多维度大阵列传感器，有应用于机器人关节的六维力传感器产品。公司研发和生产的六维传感器处于小批量试制阶段。
ATI	美国	0.5%-2%	ATI工业自动化公司是世界领先的多维力传感器制造商，1989 年以来，ATI工业自动化公司一直致力于开发最先进的产品和
SCHUNK	德国	2%	解决方案，在世界各地得到了成千上万的成功应用。公司主营业务包括机器人快速转换装置及力传感器。德国雄克公司(SCHUNK)创建于1945年，主营产品包括精密夹具和自动化抓取系统、传感器等。公司的产品主要应用于机械
Robotiq			和自动化领域。 Robotiq公司成立于2008年，总部位于加拿大魁北克，主营产品包括机器人末端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。
OnRobot	丹麦	加拿大3% 3%	OnRobot是一家全球性公司，由丹麦OnRobot、匈牙利OptoForce 和美国Perception Robotics 合并而成。主营产品包括机器
Sintokogio	日本	1%-3%	人未端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。 Sintokogio 成立于1934年，是一家总部位于日本的公司，主营业务分为五个部门。铸造部门生产和销售绿砂成型机、绿砂处理系统、化学粘合砂系统等。表面处理部门生产喷气机和喷丸机。环境设备部门生产集尘器、废气净化器、废水处理系统等。
WACOH-TECH日本1%-3%			物料搬运设备部门提供剪刀式升降机、输送机等。特种设备部门为外围行业生产设备,包括机电一体化、模具和成型。该公司业务遍及全球，亚洲、北美和欧洲是其前三大市场。 WACOH-TECH成立于2007年，总部位于日本，主营业务包括力传感器和MEMS 传感器(加速度、陀螺仪)产品的开发、生

资料来源：GGII，柯力传感投资者问答，华泰研究

应变片式为当前六维力传感器主流，硅应变传感器在稳定性、信噪比、刚度方面表现较好。根据 GGII，六维力传感器根据传感元件的不同主要分为三种基本类型：应变片式、光学式以及压电/电容式。应变片式可分为金属电阻应变片和硅应变片，当基体受力发生应力变化时，应变片也一起产生变形，使应变片的阻值发生变化。压电/电容式中，电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。光学式则通常使用光栅或其他光纤技术检测光功率并将其转换为电能。目前市场应用的大部分是基于应变片式的测量，其具有灵敏度高、测量范围大、可靠性高、技术成熟等优点。其中硅应变传感器在稳定性、信噪比、刚度方面有比较优势。

图表251：六维力传感器根据传感元件的不同主要分为三种基本类型：应变片式、光学式以及压电/电容式

传感元件类型	图示	原理及特点代表企业
应变片式	画	发生形变进而转化为阻值变化	通常采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚传感器、海伯森、神源生智能、 Sintokogio、Bota Systems AG、SCHUNK、埃力智能
光学式		通过光纤、光栅反映形变，再转化成力	OnRobot、OptoForce
压电/电容式		电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通 Robotiq、Robotous、WACOH-TECH、Kistler 过形变改变电荷。

资料来源：《六维力传感器标定技术研究》（陈俊昌，2022），菁特智能科技，Robotiq 官网，华泰研究

图表252：硅应变传感器在稳定性、信噪比、刚度方面具有一定优势

资料来源：leaderobot，华泰研究

应变片式传感器的弹性体结构是关键，一体化和 Stewart 并联为主流。应变片式六维力传感器的弹性体结构设计是核心问题，传感器的结构受到其应用场合的限制，而力敏感元件的形式和布置直接影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等，很大程度上决定传感器性能的优劣。六维力传感器的典型结构设计主要是一体化结构（竖梁、横梁）和Stewart 并联结构。以 Waston 腕力传感器为典型代表的竖梁结构横向效应好、结构简单、承载能力强，但竖向效应差、维间干扰大、灵敏度较低；十字横梁结构灵敏度高、易加工，易于标定，但存在维间耦合和径向效应；Stewart 平台中弹性体采用复合式结构，该类传感器具有结构紧凑、承载能力强、误差不累积等优点。

图表253：十字型结构对称性好，兼顾横向和竖向的应变效果

图表254： Stewart 结构是一种球面连杆结构，整体较紧凑

资料来源：《多维力传感器的静动态性能研究》（付立悦，2021），华泰研究
资料来源：《多维力传感器的静动态性能研究》（付立悦，2021），华泰研究

六维力传感器选型难度大，技术难点集中于保持优良的静态性能、动态性能和低维间耦合。六维力传感器选型难点在于应用多样性、复杂性。由于传感器量程和精度成反比关系，选择合适量程的传感器才能使精度达到最大；同时在复杂应用场景下，传感器本体是否能适应应用场景也需要考虑；此外还要综合考虑精密机构当中的传感器如何安装在狭小空间内，如何与机构融为一体等问题。六维力传感器选型四个核心步骤为确定量程需求——确定使用环境——确定机械出线需求——确定通讯方式。六维力矩传感器技术难点集中于需兼顾优良的静态性能、动态性能和低维间耦合。未来六维力矩传感器需要六维联合加载标定设备等先进仪器、动态特性优化和矢量运算中的解耦算法解决技术难点。

图表255：六维力传感器选型四个核心步骤为确定量程需求—确定使用环境—确定机械出线需求—确定通讯方式

资料来源：leaderobot，华泰研究

难点一：六维力传感器非线性特性显著，需要更为复杂的六维联合加载标定。标定是指通过加载理论值的载荷并同时记录传感器输出的对应原始信号的方式，获得六维力传感器内部算法的各个参数，建立传感器原始信号和受力之间的映射关系。标定解耦是六维力传感器提高精度的主要方法，因此标定工作在传感器的研发过程中扮演着重要角色。现有标定装置存在较多局限性，如加载载荷有限、无法进行复合加载、无法加载所有维度正负方向、维间耦合较大等。这些局限性因素限制了六维力传感器标定的有效性，影响其最终使用精度，只有采用六维力联合加载标定，才能使传感器的准度更好、串扰更低。

图表256：六维力传感器标定装置

资料来源：《六维力传感器标定技术研究》（陈俊昌，2022），华泰研究

图表257：六维力联合加载标定才能使传感器的准度更好、串扰更低

资料来源：坤维科技公众号，华泰研究

难点二：实际应用条件复杂，动态性能优化算法仍需提升。六维力传感器使机器人实现柔顺化、智能化控制，因此在动载荷下性能指标要求更高。在实际的力/力矩测量过程中，被测信号大多是动态信号，如机器人打磨抛光时的接触力、物体高速运动过程中的称重和炮弹发射过程时的后座力等，这些信号属于快速时变信号，动态性能较差的传感器跟踪测量这些信号难度较大。且当前动态性能的分析方法很难获得完全意义的冲击信号和阶跃信号，造成感应系统的精度下降。当前业界主要使用优化自身结构、形状等方法提高动态性能，学者还尝试利用动态补偿滤波器、遗传算法、神经网络算法等智能算法来提高传感器的动态性能。

图表258：动态性能补偿可以有效提高多维力传感器的响应速度

资料来源：《多维力传感器的静动态性能研究》（付立悦，2021），华泰研究

难点三：维间耦合问题无法彻底避免，解耦算法纷繁复杂。理想的六维力传感器，每一方向输出通道的电压值仅取决于该方向作用力/力矩的大小，与其余五个方向作用力/力矩大小无关。但是由于传感器的结构设计、机械加工的精度、贴片技术、应变片横向效应与检测方式等方面的原因，几乎每一维作用到传感器上的力/力矩分量都会对传感器的各路输出信号产生影响，造成维间耦合问题。因此需要解耦算法来对六维力传感器的输出进行解耦，消除维间干扰，提高传感器的测量精度。但当前对于多维力传感器的解耦问题并没有统一的处理方法，需根据实际情况及传感器结构进行选择和优化。

图表259：六个测量方向加载至各自的额定载荷总会出现串扰

载荷组

标定载荷（理论真值）

测试结果

100%FS

O%FS

0%FS

99.8%FS

1.2%FS

2.3%FS1

.7%FS

2.6%ES

29%FS

0%FS

100%FS

0%FS

0.3%FSS1

001%FS

2.7%FS

1.1%FS2

.7%FS1

.4%FS

0%FS

100%ES

0%FS

0%ES

0%FS

1.8%FS

1.2%FS

99.7S

1.9%FS

2.6%FS2.7%

0%FS

100%FS

0%FS

2.1%FS

1.6%FS

2.1%FS100.5%

2.6%FS1.2%

0%FS

100%FS

0%FS

1.2%

2.1%FS

1.6%FS

17%FS

1006

2.5%FS

0%FS

0%ES

100%FS

1.3%FS

1.3%S

2.5%FS

23%FS2

.6%FS99.9%

备注：FSFullscaleFS表示六维力传感器各方向的额定量程。
资料来源：坤维科技公众号，华泰研究

图表260：解耦算法可一定程度减少维间数据关联度

资料来源：《多维力传感器耦合分析及解耦方法的研究》（曹会彬等，2011），华泰研究

触觉传感器：机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先

触觉为机器人另一重要感知力，狭义的触觉仅包括力觉。触觉类传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等，多被称为电子皮肤。狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。主流触觉传感器根据其作用原理主要分为电容式、电感式、光电式、压阻式、压电式五类。

图表261：狭义触觉传感器工作原理多样

检测原理	优点	缺点
电容式	测量量程大，线性好；制造成本低；实时性高	物理尺寸大，不易集成化；易受噪声影响，稳定性差
电感式	制造成本低；测量量程范围大	磁场分布难以控制，分辨率低；不同接触点的一致性差
光电式	灵敏度高；响应快；较高的空间分辨率；电磁干扰影响较小	多力共同作用时，线性较差；数据实时性差；标定困难
压阻式	较高的灵敏度；过载承受能力强	压敏电阻电流稳定性差；体积大；功耗高；易受噪声影响；接触表面易碎
压电式	动态范围宽；有较好的耐用性	易受热效应影响
资料来源：《触觉传感器的现在与未来》（朱宏伟，2019)，华泰研究

2028 年全球触觉传感器潜在市场空间有望达千亿元以上。触觉传感器可用于人形机器人、复合式机器人、扫地机器人、智能家居、游戏控制器等领域，配备了触觉传感器的扫地机器人可以检测是否与墙壁、家具等障碍物接触，从而避免碰撞和损坏。据 VMR 预测，2028年触觉传感器市场将达到 260.8 亿美元，潜在市场空间千亿元以上。作为触觉传感技术领域的后来者，中国在高端触觉传感器的研发、制造、应用、市场等方面，跟传统触觉传感器强国相比均处于明显弱势地位。触觉传感器也是我国重点攻坚的 35 项“卡脖子”技术之一。

图表262： 2028年全球触觉传感器市场空间有望达千亿元以上

资料来源：帕西尼感知公众号，华泰研究

国外厂商占据主导地位，国内个别厂商参数上国际领先。据帕西尼感知官网，2022 年，80%以上的高端触觉传感器市场把握在国外厂商手中。触觉传感器难点主要有三个：

1）传感器生产封装一致性：触觉传感器具有很高的柔弹性，通常需要装配于机器人末端、可穿戴设备内或者覆盖在形态各异的三维表面。这对于面向产品的阵列式触觉传感器生产的一致性要求很高；

2）可拓展性：为了模拟人类皮肤，触觉传感器阵列需要具有良好的拼接性，以适应不同尺寸和形状的测量表面。这就要求触觉传感器具备可以自由扩展的特性；

3）触觉传感器的多维力阵列标定工程：阵列式触觉传感器能为机器人控制以及感知物体环境间相互作用带来丰富的表面三维力场信息。但是由于其表面柔性和阵列式特质，如何通过标定工程解耦各个感知单元之间的耦合信号是十分复杂的，触觉传感器的标定和数据分析机制远比其它类型传感器难度大。

我国触觉传感器厂商帕西尼感知科技已能够生产满足工业生产耐久度的阵列式触觉传感器产品，并在参数上处于国际领先。

图表263：国内个别企业参数上国际领先

	帕西尼感知科技	Gelsight Inc	斯坦福大学鲍哲南团队	钛深科技
原理	霍尔磁阻效应	光学	电容	离电式 (电容)
分辨力	0.01N	0.01N	0.01N	0.01N
最大动态检测范围	150N	10N	1N	10N
通信标准数	5种	1种	1种	1种
采样率	2000Hz	60Hz	10Hz	50Hz
数字分辨率	16bit	8bit	8bit	12bit
多维度量测	六维	三维	一维	一维
能效比	高	低	高	高
线性程度	线性	线性	非线性	非线性
重复性	高数据重复性	高数据重复性	低数据重复性	中数据重复性
迟滞性	低	高	高	中
模组化程度	高	低	无	中
工艺制造一致性	高	中	低	高
温飘抑制技术	温度传感器	无	算法补偿	有
	动态算法补偿
寿命传感器单元尺寸	300万次 5mm²	低 25mm²	低 100mm²	低

资料来源：帕西尼感知科技，华泰研究

执行层：刚性驱动器方案成熟，准直驱方案渗透率有望提高

特斯拉采用成熟的刚性驱动器方案，未来准直驱方案渗透率有望提高。机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。液压虽然功率高，但可靠性和精度低，噪音大，成本高；气动柔顺性好，安全性高，但精度差，时滞高。电驱因其精度、安静、高效方面的优势逐渐成为主流，其经过 30 多年的发展，经历了从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程。特斯拉采用的是最早推出，也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下，在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速，未来有望替代传统的刚性驱动器。

图表264： Atlas 采用液压驱动，Optimus 采用电驱动

资料来源：特斯拉官网，波士顿动力官网，华泰研究

特斯拉Optimus机器人电驱动

图表265：电驱经历从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

刚性驱动器技术相对成熟，整体设计较难创新。1983 年，早稻田大学研究出刚性驱动器（TSA），自此 TSA 在双足仿人机器人上广泛应用。结构上，TSA 是常规无刷电机驱动高传动比减速器，有些在电机端增加刹车，在减速器和输出端增加高刚性力矩传感器。力矩测量上，TSA 是基于电流或应变片式力矩传感器。控制上，TSA 控制简单，精度高。功率和效率方面，TSA 无功率可调，效率较低，安全性较差。TSA 整体设计方面已经较难有创新，在合适工作区间内的最大输出功率密度只能到 200-300W/kg，远没有达到动物肌肉的500W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，目前的研究集中在优化设计上。

图表266：刚性驱动器由电机/减速器/编码器/力传感器和控制板等组成

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

图表267：刚性驱动器多数采用谐波减速器，力矩传感器非必需

马达+割绝对式力矩1 整体刚性驱动器型号滑环通信方式减速器车编码器传感器M 控制
Robotis DynnmixelPro Series CAN,RS-485
Harmonic Drive CanisDrive X 大 x. X
RoboDeive RD5070/85-HD X X
KinovaActatorsK-58K-75 X V RS-485
Schunk Powercube,PDUPR, X X X N CAN,Profbs
RoboSimian Actuator X X x X EtherCA，RS-485
NREC Drive Joint	CAN
DLR LWRII Joint Unit	X X X SERCOS
ARMAR-4 Sensor-Actuator Unit		CAN
KITSensor-Actuator-ControllerUnit			EtherCAT

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

弹性驱动器技术路线多样，多数结构和控制复杂。动物利用刚柔并济的肌肉骨骼系统在运动过程中储存和释放能量，调节能量在时间和功率密度上的不匹配，提高关节爆发力，同时能够实现落地缓冲。1995 年，MIT 推出弹性驱动器来模拟肌肉系统功能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性，目前已演化出 SEA、PEA、CEA 和 MEA 多种结构。弹性驱动器多在刚性执行器的基础上串联或并联弹性体。力矩测量上与刚性传感器较为类似。控制上，多数弹性驱动器方案结构与控制复杂，精度一般。综合来看，由于弹性体引入，系统为欠驱动，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，机器人整机的运动控制比较难实现。

图表268：弹性驱动器引入弹性元件变为欠驱动系统，运动控制精度低

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

图表269： PEA可用于机器人髋关节和上肢外骨骼机器人

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

准直驱驱动器是新兴技术，编码器和电机功率密度为其主攻方向。受限于工艺和技术，电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因此，2016 年Wensing 等推出准直驱驱动器（PA），采用电机加低传动比减速器（如行星减速器）的方案，实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。2023 年 UCLA也采用了类似的方案设计了不同于特斯拉的新型人形机器人结构。结构上，PA主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。力矩测量上，PA应用电流环检测。控制和效率上，PA精度高，效率高。安全性上，PA由于具有反驱特性，安全性好。PA未来主攻方向是编码器技术的创新和电机功率密度的提高。

图表270：准直驱型由高扭矩密度电机/行星减速器/编码器/控制板组成

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

图表271：宇树科技新准直驱驱动器增加离合结构

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

刚性驱动器 VS准直驱驱动器，成熟系统 VS高效新解法。结构布局方面，刚性驱动器是常规无刷电机驱动高传动比减速器，直接带动输出端，有些设计在电机端增加刹车，在减速器和输出端增加高刚性力传感器，准直驱驱动器是高扭矩密度电机驱动低传动比减速器，输出端具有小惯量特性；力矩测量方面，刚性驱动器是基于电流或应变片式力矩传感器，准直驱驱动器是应用电流环检测；控制方面，刚性驱动器控制相对简单，精度高，准直驱驱动器控制简单，精度相比刚性驱动器来说较低；能量特性方面，刚性驱动器的效率较低，而准直驱的效率较高。安全性方面，刚性驱动器的安全性比较差，准直驱驱动器由于具有反驱特性，安全性好。

图表272：准直驱驱动器效率较高，但因其仍需后备电池所以多用于四足机器人

类型	TSA	SEA	PEA	CEA	MEA	PA
结构配置	电机	电机	电机	电机	SEA 和PEA组合	高扭矩密度电机
	高传动比减速器	高传动比速	高传动比减速器	高传动比减速器		低传动比减速器
	高刚性力传感器	弹性体	高刚性力传感器并联弹性体	离合机构
	编码器或应变片原理应变片原理或电流				编码器或应变片原理	电流
控制特点	力矩测量方式应变片原理或电流简单、精度高	复杂、精度低	简单、精度高	编码器或应变片原理复杂、精度一般	复杂、精度一般	简单、精度一般
功率特点	无功率调制	功率调制好	功率调制好	功率调制好	功率调制好	无功率调制
能量效率	效率低	效率一般	效率高	效率非常高	效率非常高	效率高
安全性	安全性差	安全性好	安全性差	安全性一般	安全性好	安全性好
应用	精密系统：如精密机床，安全性系统，协作机器非对称载荷或自支撑平衡系双足或四足机器人				效率、安全特性	四足机器人，小型双足机
	仪器仪表，传统人统				器人
					器人

资料来源：《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（石照耀、丁宏钰等，2021），华泰研究

总结：三大传动构建具身智能硬件，智能化决定人形机器人 0-1

人形机器人为具身智能最佳载体之一，三大经典传动构建其硬件结构。具身智能（embodiedAI）是一个能够理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，因为我们身处的世界是按照人类的生理结构设计的，人形机器人因其外形与人相仿，与物理世界互动的隐性成本最小。从波士顿动力的人形机器人 Atlas，再到特斯拉推出的 Optimus，我们发现人形机器人的硬件结构包含三大经典传动：液压传动、电气传动、机械传动。机械传动广泛存在于人形机器人的各类关节中；采用“驱动大力士”液压方案的 Atlas 能够实现跑酷，后空翻等高难度动作；采用“灵活多面手”电气传动的Optimus 正快速迭代。

智能化水平是人形机器人 0-1 的关键因素。我们认为人形机器人是形如机器人的智能体，与工业机器人的竞争要素有所不同，智能化水平才是人形机器人发展的关键。2023 年 7 月12 日，Voxposer 等模型的发布帮助人形机器人理解自然语言指令，无需复杂的编程语言便可实现人机交互。2023 年以来，DeepMind 发布的机器人领域通用大模型 RT-2 和 RT-X，使机器人具有更好的泛化能力和工作性能。多模态大模型的快速发展将提升人形机器人的智能化水平，不同厂家将会有不同的竞争策略。

图表273：三大传动构建具身智能硬件基础，智能化决定人形机器人 0-1

资料来源：傅利叶官网，达闼官网，华泰研究

风险提示

国产替代不及预期：高端市场国产化率提升为众多企业增长核心驱动之一，若国产化进程不及预期，或影响相关企业投资价值。

原材料价格波动风险：传动结构和零部件上游主要原材料为铜、钢等商品，若原材料价格发生波动，或影响企业盈利能力。

工程机械电动化导致部分液压元件被取代：工程机械电动化或推动电动缸等的技术迭代，或取代部分液压元件的应用。

电机技术路径发生改变：目前电机技术发展仍在不断进行，可能出现新兴技术替代目前的技术路径。

人形机器人产业化进程不及预期：行星滚柱丝杠、谐波减速器、RV减速器等机械传动零部件当前市场规模偏小，若人形机器人产业化推进不及预期，相关零部件市场空间扩张将不及预期。

图表274：报告提及公司

股票代码	简称	股票代码	简称	股票代码	简称	股票代码	简称
300124CH	汇川技术	未上市	宇立仪器	603809 CH	豪能股份	600592 CH	龙溪股份
600580 CH	卧龙电驱	未上市	蓝点触控	003021 CH	兆威机电	002708 CH	光洋股份
688698 CH	伟创电气	未上市	傅利叶机器人	601177 CH	杭齿前进	000678 CH	襄阳轴承
603728 CH	鸣志电器	未上市	神源生智能	002164 CH	宁波东力	300817 CH	双飞股份
300660 CH	江苏雷利	未上市	大族精密	000795 CH	英洛华	300652 CH	雷迪克
000922 CH	佳电股份	未上市	Robotous	6481 JP	THK	002553 CH	南方精工
300503 CH	昊志机电	未上市	Kistler	6471 JP	NSK	430418 CH	苏轴股份
002249 CH	大洋电机	未上市	遨博	未上市	赛威传动	000595 CH	宝塔实业
688160 CH	步科股份	未上市	鑫精诚传感器	7726.T	Kuroda	430499 CH	中科股份
TSLA US	特斯拉	603638 CH	艾迪精密	未上市	银泰	未上市	哈轴
GOOGL US	谷歌	601100 CH	恒立液压	2049.TW	上银科技	未上市	洛轴
MSFT US	微软	BOSCHLTD.NS	博世力士乐	未上市	南京工艺	未上市	浙江天马
005930 KS	三星电子	PHUS	派克汉尼汾	000020.TJS	博特精工	300421 CH	力星股份
H01869 HK	优必选	未上市	丹佛斯	300580 CH	贝斯特	300984 CH	金沃股份
1810 HK	小米集团	7012 JP	川崎重工	873593 CH	鼎智科技	未上市	精锐科技
NVDA US	英伟达	7242 JP	KYB	300718 CH	长盛轴承	002896 CH	中大力德
6339 JP	Sintokogio	605389 CH	长龄液压	871312 CH	新剑传动	6268JP	纳博特斯克
ABBN SIX	ABB	301079 CH	邵阳液压	未上市	优仕特	未上市	珠海飞马
A23067 CH	节卡股份	301446 CH	福事特	未上市	GSA	未上市	住友重机械
6506 JP	安川电机	830839 CH	万通液压	未上市	Rollivis SA	000837 CH	秦川机床
KU2 DF	库卡	871245 CH	威博液压	SHA.DF	舍弗勒	未上市	南通振康
002527 CH	新时达	832225 CH	利通科技	300946 CH	恒而达	未上市	智同科技
002083CH	孚日股份	301161 CH	唯万密封	300083 CH	创世纪	002031CH	巨轮智能
688681CH	科汇股份	A23128 CH	海宏液压	601882 CH	海天精工	002600 CH	领益智造
002196 CH	方正电机	未上市	银华机械	688697 CH	纽威数控	未上市	智元机器人
未上市	弗迪动力	600031 CH	三一重工	688558 CH	国盛智科	未上市	宇树科技
未上市	大族电机	000425 CH	徐工机械	688577 CH	浙海德曼	未上市	纽卡特
未上市	联合电子	000157 CH	中联重科	688305 CH	科德数控	未上市	威腾斯坦
未上市	德康威尔	CAT US	卡特彼勒	002903 CH	宇环数控	未上市	Agility Robotics
未上市	智赢制造	6301JP	小松	603667 CH	五洲新春	未上市	1X technologies
MOG_AUS	Moog	688017 CH	绿的谐波	TKR US	Timken	未上市	坤维科技
300503 CH	Maxon	A23248 CH	科峰智能	SKFB.ST	SKF	未上市	达阔
SIEGY FWB	西门子	未上市	大族谐波	6474 JP	NACHI	未上市	追觅
未上市	泰科贝尔	未上市	新宝	000559 CH	万向钱潮	未上市	Engineered Arts
未上市	雅科贝思	未上市	来福谐波	A22238 CH	人本股份	未上市	松诺盟
未上市	科尔摩根	未上市	同川科技	002046 CH	国机精工	未上市	OnRobot
600703 CH	三安光电	835015 CH	川机器人	300850 CH	新强联	未上市	WACOH-TECH
未上市	OptoForce	603915 CH	国茂股份	未上市	瓦轴	未上市	睿尔曼
未上市	波士顿动力	301368 CH	丰立智能	未上市	ATI	未上市	Robotiq
未上市	海伯森	002472 CH	双环传动	未上市	SCHUNK	未上市	帕西尼感知科技
603662CH	柯力传感

资料来源：Wind，华泰研究

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评级说明

投资评级基于分析师对报告发布日后 6 至 12个月内行业或公司回报潜力（含此期间的股息回报）相对基准表现的预期（A 股市场基准为沪深 300 指数，香港市场基准为恒生指数，美国市场基准为标普 500 指数），具体如下：

行业评级

增持：预计行业股票指数超越基准

中性：预计行业股票指数基本与基准持平

减持：预计行业股票指数明显弱于基准

公司评级

买入：预计股价超越基准 15%以上

增持：预计股价超越基准 5%\~15%

持有：预计股价相对基准波动在-15%\~5%之间

卖出：预计股价弱于基准 15%以上

暂停评级：已暂停评级、目标价及预测，以遵守适用法规及/或公司政策

无评级：股票不在常规研究覆盖范围内。投资者不应期待华泰提供该等证券及/或公司相关的持续或补充信息

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