机械设备行业深度研究:从三大经典传动到具身智能.pdf
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1、 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。1 证券研究报告 机械设备机械设备 从三大经典传动到具身智能从三大经典传动到具身智能 华泰研究华泰研究 机械设备机械设备 增持增持 (维持维持)研究员 倪正洋倪正洋 SAC No.S0570522100004 SFC No.BTM566 +(86)21 2897 2228 研究员 杨任重杨任重 SAC No.S0570522110003 +(86)21 2897 2228 研究员 杨云逍杨云逍 SAC No.S0570523070001 +(86)21 2897 2228 研究员 邵玉豪邵玉豪 SAC No.S05705221200
2、02 +(86)21 2897 2228 研究员 史俊奇史俊奇 SAC No.S0570522110002 SFC No.BTM901 +(86)21 2897 2228 联系人 张瑶珈张瑶珈 SAC No.S0570122090160 +(86)755 8249 2388 联系人 王自王自 SAC No.S0570123070064 +(86)21 2897 2228 行业行业走势图走势图 资料来源:Wind,华泰研究 2023年10月20日中国内地 深度研究深度研究 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(em
3、bodied 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。液压传动液压传动:机械大力士:机械大力士,关注国产化空间与电动化影响,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
4、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:电气传动:灵活灵活多面手,应用广阔市场分散多面手,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
5、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: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
6、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
7、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。(8)(3)3914Oct-22Feb-23Jun-23Oct-23(%)机械设备沪深300 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一
8、起阅读。2 机械设备机械设备 正文目录正文目录 从三大经典传动到具身智能从三大经典传动到具身智能.11 液压传动:机械大力士液压传动:机械大力士.14 液压系统:机械大力士,千亿市场大而不强.14 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.17 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.23 动力元件:机械能转化为液压能.23 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
9、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 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.39 电机取缔柴油机,或将带动液压系统应用变革.39 应对电动化之变,主机与核心零部件龙头积极布局.42 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:灵活多面手电气传动:灵活多面手.44 电气系统:灵活多面手,应用广阔市场分散.44 电气传动系统概览:灵活多面手.44 电机行业格局分散,国内电机“量增”到“质提”走向高端.45 电机技术:六大路线选择排列组合,
10、顺势而生各有千秋.47 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 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.62 典例:矿山机械/数控机床中多种电机“各司其职”.63 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”.63 数控机床:主轴多用
11、感应电机,进给电机中永磁伺服为主流.66 未来:定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向.67 在具身智能中的应用:特斯拉 Optimus 采用电气驱动.71 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。3 机械设备机械设备 机械传动:高精控制百宝箱机械传动: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.82 减速器:旋转
12、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 导向及支承机构:配合机械传动机构传递运动及动力.103 导轨:支承与引导运动部件沿确定轨迹运动.103 轴:支承旋转零件,传递力与力矩.107 轴承:支承旋转轴及其他运动体,引导运动并承受轴上载荷.109 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.114 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
13、落地具身智能: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.121 大模型使机器人理解自然语言,增强泛化能力.121 决策结果到运动控制映射方式改变,机器人实现“手脑协调”.124 感知层:聚焦力/触觉传感器应用,机器人知“轻重”懂交互.125 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总结:三大
14、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.137 图表目录图表目录 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.13 图表 8:液压千斤顶工作原理图.14 免责
15、声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。4 机械设备机械设备 图表 9:液压系统主要分类方式.15 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:流体传动中液压传动占比超过 70%.17 图表 13:全球液压市场规模 2011-2021 CAGR 3.1%.17 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).17 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
16、: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
17、 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.22 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).23 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.25 图表 37:各类液压泵性能参数比较及应用范
18、围情况.26 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.27 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:液压阀分类.29 图表 44:各类液压阀性能比较及适用场景.29 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:方向控制阀分类及工作原理概述.32 图表 48:皮囊式蓄能器工作原理概览.33 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。5 机械设备机械设备 图表 49:油管分类及特
19、点.33 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).36 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.38 图表 57:高空作业平台液压结构透视图.39 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
20、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.42 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
21、电机主要电机产品.46 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
22、现线圈受力方向变化.50 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.52 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
23、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 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。6 机械设备机械设备 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
24、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.58 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
25、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.61 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
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