人形机器人材料需求系列报告之三：磁组件：材料设计进入新时代

关节伺服电机是人形机器人运动能力核心，性能需求指导设计是未来发展重点。人形机器人采用电机作为动力源，存在独特且多元的功能诉求，例如高转矩密度、动态响应能力、轻量化、低噪音低振动等特性。无框力矩电机、空心杯电机因自身紧凑的结构，电机特性契合人形机器人功能诉求率先脱颖而出。而在实际应用中，不同位置上的关节处理方案是不同的，不同传动部件搭配电机形成的结构会赋予电机不同的特点，从而对于电机性能的要求存在差异；此外电机本身的结构和尺寸对电机输出性能也会产生差异。当前人形机器人的关节结构尚不完善，未来存在很大的改善空间。而由于人形机器人功能诉求的多元，以具体性能需求指导设计电机，可能是未来人形机器人运动核心发展重点，新材料的研发在这一过程中也起到重要的作用。 磁组件是伺服电机关键部件，设计适配或构筑核心壁垒。（1）磁组件属于稀土永磁材料精深加工环节。生产工序较为繁杂。在永磁电机的应用中，材料研制生产、精深加工各工序都会对磁组件的性能产生影响，从而对电机的性能产生影响。（2）永磁材料磁性能最为核心，牌号储备决定定制化能力。目前永磁材料中稀土永磁材料应用得到了广泛的应用，已发展至第三代，其产品的性能与品质重要衡量指标包括剩磁Br、磁极化强度矫顽力(即内禀矫顽力) Hcj、磁感应强度矫顽力Hcb、最大磁能积(BH)max等指标，根据内禀矫顽力和最大磁能积，永磁材料分为不同系列和牌号。目前烧结钕铁硼综合优势最为突出，其产量占所有稀土永磁材料的比重超过90%。对于磁材企业而言，材料性能体现公司工艺技术，牌号储备则体现公司定制化能力。（3）磁组件需要契合电机结构，才能充分发挥电机性能，包括转子结构、永磁体形状设计和摆放位置、磁钢的安装固定方法等都会影响电机性能，未来的适配设计将构筑壁垒。电机结构设计多样，对电机整体性能有较大的影响，包括摆放位置、用量、连接方式等等。不同转子结构对电机的转矩转速特性，损耗和效率等均有较大影响，也会对加工工艺复杂程度和永磁体的具体用量产生影响。同样，永磁体的设计同样是优化电机拓扑结构的方式之一，永磁体磁化方向长度、宽度、永磁体的夹角和圆心距都会对电机性能产生影响。合适的永磁体形状和参数可以节约稀土材料用量，同时提升电机性能，此外磁钢的固定方法也会影响电机的工艺成本和电机性能。因此，对于磁材企业而言，磁钢的形状设计和固定方法或是偏上游企业深度参与终端产品设计、更紧密贴近客户的重要途径，相关工序的产品附加值或更高，或是构筑企业在人形机器人领域壁垒所在。 投资建议：稀土永磁材料是人形机器人核心材料，基于机器人功能诉求驱动发展的背景下，磁组件的材料设计新时代或来临，我们推荐金力永磁，同时建议关注正海磁材、宁波韵升、英洛华、英思特。 风险提示：人形机器人放量不及预期，材料应用不及预期，原材料价格波动风险等。 重点公司盈利预测、估值与评级 1关节伺服电机：人形机器人运动能力核心 1.1电机驱动塑造人形机器人，具有独特的功能诉求 人形机器人采用电机作为动力源，存在独特的功能诉求。电驱动是目前人形机器人最常见的驱动方式，通常包括旋转驱动、直线驱动以及线驱动（腱绳驱动）。 在塑造机器人结构和动态运动场景下，其作为关键的动力部件，需要满足相关条件以符合人形机器人关节的功能诉求。例如： （1）由于机器人关节常在较低速输出大转矩，需要采用电机与传动部件配合构成关节执行器； （2）由于机器人关节在与环境进行物理交互的过程中涉及短接触时间内的高力矩输出，需要电机在短时间内具有极强的过载能力; （3）由于机器人关节处于频繁的加减速、往复旋转运动中，需要电机具有较好的动态响应性能； （4）由于机器人常与非结构化环境频繁地交互，需要电机具有良好的抗扰性能和抗冲击性能； （5）由于机器人特定的形体限制了其关节空间，需要电机具有较高的转矩密度和功率密度。 除了功能诉求外，机器人整体结构的对电机的尺寸和结构也提出了相关的要求。从目前应用来看，无框力矩电机和空心杯电机率先脱颖而出。 图1：人形机器人功能诉求对关节电机特征要求 无框力矩电机结构紧凑，重量低，性能出色，仅包括转子和定子两个组件，无轴、轴承和端部，高度契合人形机器人结构。无框力矩电机实质上是基于机电一体化的理念集成的一体化关节模组。其转子可直接与关节外壳、减速器或弹性元件集成，降低了轴向长度和重量，提高了伺服电机的转矩密度和响应速度。同时，由于紧凑的结构，可以安装于关节间连杆的腔体内，实现高转矩和高精度。目前，不同企业的技术路线差异较大、各有优势。国内的无框力矩电机产业起步较晚，在包括充磁/灌封/绕线技术、过载设计及轻量化设计方面存在一定的差距。 图2：一体化关节模组示意图 图3：无框力矩电机成品 表1：国内外无框力矩电机产品对比厂商Kollmorgen 的转子为无铁心的圆筒形绕组，转子的质量和惯量小、不存在铁耗和齿槽转矩。因此，空心杯电机具有转矩波动低、运行稳定、效率高和动态响应性好等优点。 空心杯电机的优势与特点可以很好的被高精尖的机电一体化系统所吸纳。从海里到地面，再到太空，普通环境及严苛外界条件的应用场景都离不开空心杯电机的身影。空心杯电机适用领域众多，为解决不同应用场景下的问题具有较大的实用价值。在人形机器人身上，则与手部的功能需求高度匹配。 目前，机器人关节用空心杯电机的直径主要集中在10mm左右，以小微型为主流。空心杯电机产业在国外发展较早，包括瑞士Maxon、德国Faulhaber、瑞士Portescap等厂商占据主要市场；国内的产业起步较晚、技术相对薄弱，尤其在小尺寸范围(8mm及以下)落后于国外企业 图4：空心杯电机组成图 表2：典型空心杯电机生产厂商 1.2性能需求指导设计是未来发展重点 在人形机器人全身关节解决方案中，不同位置上的关节处理方案并不相同，形成的相关结构存在差异。特斯拉Optimus全身伺服关节方案中，包括了旋转关节、直线关节、空心杯电机三大类，总共有14个旋转关节、14个直线关节和12个空心杯电机。旋转关节分布在肩部（6个），腕部（2个），髋部（4个），躯干（2个）； 直接关节分布在肘部2个，腕部4个，髋部2个，膝部2个，踝部4个；而空心杯电机均分布在灵巧手上。在旋转关节和直线关节上，主要采用了无框力矩电机结合不同的机械部件形成关节模组；而空心杯电机则应用在灵巧手上，并结合了其他的机械部件。从特斯拉的方案可以看出，全身不同处关节处理方案是不同的，结构也存在较大差异，本质上是由于全身各个关节承担的功能作用不同。 图5：特斯拉身体执行器分布 图6：特斯拉旋转关节执行器示意图 图7：特斯拉线性执行器示意图 不同传动部件形成的结构会赋予电机不同的特点，不同位置的关节执行器输出特性存在差异，从而对伺服电机的电磁性能、传感器需求和控制策略不同。按照传动部件类型分类，关节执行器主要可以分为三种类型，柔性执行器、弹性执行器和准直驱执行器。柔性执行器一般由“电机+高减速比减速器”构成，通过高减速比减速器大大提高了输出扭矩，因此对电机本身的转矩需求较低，但易引发机械谐振，从而影响控制精度。弹性执行器在柔性执行器的基础上增加了弹性元件，抗强冲击性能出色，同时能高效实现高峰值扭矩，因此对电机本身峰值转矩需求较低，但其动态响应性能较一般，难以实现机器人灵活的运动调整。准直驱执行器则一般由“高转矩密度电机+低减速比减速器”构成，低减速比减速器的非线性误差和静摩擦力都较小，可实现较高精度的转矩控制，但对转矩的提高有限，对电机本身的转矩需求要求较高。 此外，传动部件组合架构对伺服电机的尺寸、形状形成约束，导致整体性能输出特性也存在差异。目前机器人关节执行器的传动部件组合架构有如下三种类型： ①并轴级联式：电机输出轴与减速器沿径向排列，输出轴非同轴；②同轴串联式：电机与减速器沿同轴排列；③同轴内嵌式：电机与减速器同轴排列，减速器嵌入电机内。 图8：机器人关节执行器分类 除了执行器整体结构和组合架构对电机输出性能产生差异外，电机本身的拓扑结构也不同，从而对电机性能、尺寸等方面的要求也不同。不同拓扑结构类型的电机与不同的传动部件配合也会产生不一样的效果。目前，常见的机器人关节电机拓扑包括内转子径向磁通永磁电机、外转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机。此外，空心杯电机作为一种特殊的永磁电机也常用于机器人的微小型关节，而电机的拓扑结构实际上远远不止图中几种，其结构优化是实现电机性能提升的重要方式之一。 图9：三种机器人关节电机拓扑结构 图10：机器人关节电机拓扑结构分类 结合以上几部分，可以刻画出当前人形机器人关节电机的特征图谱，但仍然尚未有全面理想的解决方案，需要在某些功能特性上做出妥协。在当前人形机器人的应用中，可以发现在低径长比、直径为8~20 mm的关节中，以空心杯电机为主，主要应用场景为微型机器人、灵巧手；在中径长比、直径为30~80 mm的关节中，以内转子电机为主，主要应用场景为机械臂等机器人上肢关节；在高径长比、直径为100~180 mm的关节中，以外转子电机为主，主要应用场景为高动态腿足式机器人关节等机器人下肢关节。 图11：机器人关节用电机拓扑结构对比 图12：常见机器人类型与关节电机拓扑结构的特征型谱 相较于汽车等其他领域，由于人形机器人功能诉求更加多元化、系统化、因此从面向具体机器人的关节特性，有针对性地设计电机，以性能需求指导设计，可能是未来人形机器人运动核心发展重点。在汽车上，电机的功能诉求没有机器人那么多元，功率密度和转矩密度是衡量电机性能的关键指标，在电动汽车永磁同步电机发展过程中可以明显看到功率不断提升的趋势。但在机器人身上，参数并不是最重要的，而是需要从机器人性能需求出发，根据各个关节承担功能和实际应用场景，来指导关节电机设计和优化，以满足特定部件上人形机器人的功能诉求。 表3：国内外电动汽车永磁同步电机性能参数对比名称年份 2磁组件：伺服电机关键部件，设计适配或构筑关键壁垒 2.1磁组件是稀土永磁材料精深加工环节 磁组件属于稀土永磁材料精深加工环节。稀土永磁产业链包括上游稀土的开采、冶炼环节；中游为材料的精深加工环节；生产出的各种成品器件则应用于下游消费电子、新能源汽车、节能家电、风力发电等终端产品领域。 图13：磁组件器件属于稀土永磁材料精深加工环节 稀土永磁材料器件的生产包括坯料环节和成品工序，生产工序较为繁杂，不同企业的工艺路线不同，行业内既有全工序生产的企业，也有只做毛坯或者只做成品的企业。坯料工序是将镨钕金属、纯铁等原料按比例混合通过熔炼、制粉、压型等工序制成钕铁硼毛坯，属于制造钕铁硼成品的“前道工序”。成品工序是将钕铁硼毛坯按照终端产品的设计方案，通过精密加工、表面处理、智能组装等环节制造出钕铁硼成品器件，属于“后道工序”。天和磁材产品为烧结钕铁硼、烧结钐钴永磁材料，其产品生产工艺即为“前道工序”；中科磁业在毛坯基础上加工、充磁后获得的钕铁硼磁钢则为“后道工序”；而英思特由于主要面向消费电子领域，其在中科磁业的基础上又多了智能组装环节，最终的产品形式为磁组件应用器件。在以上几类企业工艺方式中，英思特的工艺最多，但也最接近终端需求。 图14：天和磁材烧结钕铁硼生产工艺流程图 图15：中科磁业钕铁硼磁钢生产工艺流程图 图16：英思特磁组件生产工艺流程图 磁组件的工艺流程复杂，以英思特的工业流程图看，可以分成四大环节：毛坯生产、精密加工、表面处理、充磁、智能组装几大部分。在永磁电机的应用中，材料研制生产、精深加工各工序都会对磁组件的性能产生影响，从而对电机的性能也会产生影响。 因此，若在前端磁组件生产过程中，结合人形机器人的功能诉求进行设计适配，则可发挥调节的空间就更大，实现材料、电机、连接方式、传动部件等集成化、系统化，打造更加全面的关节，提升人形机器人综合运动表现。 2.2永磁材料：磁性能最为核心，牌号储备决定定制化能力 磁性材料系由一系列可直接、间接产生磁性的物质形成的材料，元素铁、钴、镍及其合金等。根据磁化后再出现退磁的难易程度，