机器人研究-机器人前瞻技术专题（一）：电机：高扭高温需求驱动，谐波磁场电机迎曙光

敬请参阅最后一页特别声明 1 投资逻辑 机器人电机高温高扭需求迫切：高转矩密度+低转矩波动+强过载能力+散热属性是电机的核心能力指标。机器人在各种复杂环境中完成搬运、抓取、行走等任务，需要较大的力矩来驱动，如智元远征A2 Max机器人关节峰值扭矩达450Nm。而受限于机器人尺寸较小，关节电机则需要拥有单位密度下较高的转矩输出能力。在工业机械臂、手术机器人等需要完成精密操作的机器人系统中，关节电机对低齿槽转矩的要求很高。在诸如腿足关节等与环境频繁交互的关节中，电机常处于周期性的短时高过载工况，峰值转矩需求高达额定转矩需求的 5-10 倍。同时当电机处于过载工况时，绕组具有极高的损耗密度，短时内会产生巨大的热量。因此，高性能机器人关节电机需要拥有良好耐高温和散热属性。 1、 谐波磁场电机迎曙光： 打破传统电机磁路设计桎梏，高功密下体积减小+扭矩提升。谐波磁场磁路设计源自“磁场调制效应”，打破传统电机励磁和电枢单元的极对数必须相等的限制。基于该效应下，磁场调制电机在外特性上与机械减速齿轮箱类似，转矩新增放大系数“极比”，从而可在相同材料选型和散热条件下大幅提升电机转矩密度。目前谐波磁场技术产学研结合不断加速，工业及机器人场景实现落地。东南大学团队与南京某公司共同开发了基于谐波磁场原理的直驱式锻压伺服电机。与传统设计方案相比，新电机转矩密度提高了 34%，转矩脉动仅为 0.35%。国内某龙头电机公司已发布一系列谐波磁场专利，谐波磁场相关技术实现产业化落地。在保持功率密度不变的情况下，谐波磁场磁路设计将电机体积缩小一半，实现功率密度的跃迁，有望持续打开工业及人形机器人应用空间。 2、第四代磁材钐铁氮商业化开启： （1）高温性能是钐铁氮最核心优势之一。钐铁氮作为第四代稀土永磁材料，拥有比钕铁硼材料更高的耐温性，居里温度约达 470°C，更为宽泛的高温环境中保持稳定的工作状态。 （2）谐波磁场电机对磁材磁性需求下降。磁能积最高可达 40MGOe，剩磁可达到 650-1500mT，略低于钕铁硼，但远高于铁氧体。谐波磁场电机能够大幅度提升功率密度，对磁材磁性需求边际下降。 （3）钐铁氮成型工艺迭代迅速，有效磁性提升快速。钐铁氮磁体此前受困于制备及成型工艺难点，多用于中低端应用场景。主要有两种成型技术路线：粘结磁体和烧结磁体。目前衍生出低温成型工艺和低熔点金属粘接剂辅助成型两类改进成型方法。两类改进成型方法有效解决了氮高温易分解，磁性能低等问题，为钐铁氮量产提供了技术支持。 （4）钐铁氮应用空间打开。随着机器人等对电机扭力和耐温要求的提升以及谐波磁场电机的商业化，钐铁氮有望大规模普及。从市场空间来看，当前钕铁硼仍是最主要的稀土永磁材料，烧结钕铁硼和粘结钕铁硼生产总量占每年稀土永磁材料的 98%以上。分下游看，稀土永磁材料主要应用于新能源汽车（19.8%）、风力发电（15%）、节能电梯（14.6%）和工业机器人（8.72%）等领域，其中大部分场景磁能积需求低于 40MGOe，当前钐铁氮永磁材料已可满足其性能要求。我们测算，2030 年钐铁氮磁体替代空间有望达到 122 亿元。以人形机器人 100 万台产量计算，单台伺服电机数量为40 个，假设全部采用钐铁氮电机方案，远期将给谐波磁场电机带来 80 亿元以上市场空间。 投资建议 机器人对高扭高温电机需求驱动下，谐波磁场电机商业化有望加速，同时第四代磁材钐铁氮应用空间打开，关注重点谐波磁场电机和钐铁氮产业链。 风险提示 技术路线迭代不及预期风险，稀土及其制品出口限制风险，机器人发展不及预期风险。 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 扫码获取更多服务 内容目录 一、机器人电机：高扭高温需求迫切................................................................ 5 1.1 机器人高性能需求，电机选型设计标准明确 .................................................. 5 1.1.1 传动部件类型：柔性执行器、弹性执行器和准直驱执行器 .................................... 5 1.1.2 传动架构类型：并轴级联式、同轴串联式、同轴内嵌式 ...................................... 6 1.2 电机按拓扑结构分为径向磁通、轴向磁通和空心杯电机 ........................................ 7 1.3 高性能机器人电机需求：高转矩密度+低转矩波动+强过载能力+散热属性 ......................... 9 二、高功密需求牵引，谐波磁场电机迎来曙光....................................................... 10 2.1 机器人电机新技术：谐波磁场打破传统电机磁路设计桎梏..................................... 10 2.2 谐波磁场核心优势：平均转矩大，转矩脉动小，功率密度跃升................................. 12 2.3 谐波磁场电机应用领域：工业场景已有应用，机器人关节和灵巧手具备潜力 ..................... 16 三、谐波磁场电机放量叠加工艺进步，钐铁氮供需边际加速........................................... 18 3.1 高温性能优异+成本优势显著， 钐铁氮应用广阔 ............................................. 18 3.2 供给边际：制备、成形工艺进步拓宽钐铁氮应用边界 ......................................... 22 3.3 需求边际：谐波磁场电机进一步打开钐铁氮渗透率空间 ....................................... 24 四、投资建议................................................................................... 26 五、风险提示................................................................................... 30 图表目录 图表 1： 机器人关节电机需要强爆发性、可靠性及自适应性 ........................................... 5 图表 2： 不同关节执行器对电机的需求产生差异 ..................................................... 6 图表 3： 机器人关节执行器按传动部件组合架构分类 ................................................. 6 图表 4： 径向磁通电机和和轴向磁通