高端装备制造产业研究深度：机器人需求驱动下，新技术落地加速

为企业客户提供全方位的“产业+金融”研究服务！ 核心要点 人形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。在各种复杂环境中完成搬运、抓取、行走等任务，机器人需要较大的力矩来驱动，如智元远征A2Max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。 当前人形机器人电机主要分为无框力矩电机和空心杯电机。无框力矩电机具有低转速、高扭矩、性能稳定等优点，可用于模仿关节的活动和模拟肌肉的拉伸，能够为人形机器人提供强劲的肢体力量，支撑其整体运动与负载能力；空心杯电机的尺寸小、更轻巧，因此具有更高的功率密度和能量转化效率，适用于灵巧手等高精度场景，使得人形机器人的操作性更灵敏。 谐波磁场电机打破传统电机磁路设计桎梏，高功密下体积减小且扭矩提升。其磁路设计源自“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。未来的发展会是一个从概念验证、工业应用到高端突破的渐进过程。 当前人形机器人电机多种方案并行，长期看核心竞争要素在于成本和量产能力。电机作为人形机器人中价值量大、技术壁垒高的重要环节，未来将围绕更优的性能、更低的成本不断迭代。重点关注电驱新技术发展，如磁场调制技术、电机一体化技术等。相关公司短期内将聚焦于通过技术创新实现性能突破，长期竞争力取决于性能达标后的规模化量产与成本控制能力。 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。 分析师及联系人 1/33陈传红SAC:S1130522030001chenchuanhong@gjzq.com.cn 苏晨SAC:S1130522010001suchen@gjzq.com.cn 内容目录 一、电机：人形机器人动力之源....................................4 执行器是关节运动核心.........................................4电机是执行器核心部件.........................................5常见电机分类与应用...........................................6 二、无框力矩电机：人形机器人关节的力量基石.....................10 大扭矩+紧凑散热+中空走线，商业化成熟........................10技术壁垒较高，国内市场呈集中趋势............................13 需求驱动明确，成本成为关键..................................14海外主导，国产替代加速进行..................................18 四、谐波磁场电机：未来人形机器人电机技术方向...................19谐波磁场电机或打破传统电机磁路设计..........................19核心优势：平均转矩大，转矩脉动小，功率密度跃升..............20应用领域：工业场景已有应用，机器人关节、灵巧手具备潜力.......21第四代永磁材料：高温性能优异+成本优势显著...................22永磁与谐波磁场驱动产业化加速................................26 图表目录 图表1：不同关节执行器对电机的需求产生差异............................................5图表2：机器人关节电机需要强爆发性、可靠性及自适应性.........................6图表3：径向磁通电机和和轴向磁通电机拓扑结构........................................7图表4：空心杯电机结构...................................................................................8图表5：机器人用电机拓扑结构对比...............................................................9图表6：常见机器人类型与电机拓扑结构的特征型谱..................................10图表7：无框力矩电机结构组成.....................................................................11图表8：特斯拉Optimus执行器包括旋转执行器和线性执行器...................12图表9：国内外无框力矩电机产品对比..........................................................13图表10：上市公司在无框力矩电机领域业务情况........................................14图表11：空心杯电机属于无齿槽电机...........................................................15图表12：线圈绕组方式包含斜绕、叠绕、直绕、马鞍绕和同心绕等.........16图表13：空心杯电机属于无齿槽电机...........................................................17图表14：电机未来的趋势是缩小体积和提升功率密度................................18图表15：空心杯电机生产厂商典型产品对比................................................18图表16：上市公司空心杯电机产品与技术....................................................19图表17：谐波磁场电机打破励磁和电枢单元的极对数相等限制.................20图表18：谐波磁场电机的主要两项性能指标为平均转矩和转矩波动.........21图表19：谐波磁场工业应用：直驱式锻压伺服电机....................................22图表20：电机主要性能对比...........................................................................22图表21：钐铁氮在永磁材料中的竞争优势....................................................24 图表22：永磁材料分类对比...........................................................................25图表23：中端钐铁氮和钕铁硼低端最大磁能积范围有重合........................26图表24：上市公司在钐铁氮和调制磁场电机领域........................................27 一、电机：人形机器人动力之源 执行器是关节运动核心 执行器是驱动机器人关节运动的核心部件，按驱动形式可分为旋转驱动和直线驱动（其驱动源本质仍为旋转电机）。由于传动部件（如减速器、弹簧等）与驱动电机在功能和结构上紧密耦合，电机设计必须综合考虑传动特性与机械架构。根据传动部件类型及其与电机的组合方式，机器人执行器可分为三类： 1)柔性执行器(FlexibleActuator，FA)，由电机结合高减速比减速器组成，其核心特征体现在三个方面：①高转矩密度：通过高减速比减速器设计显著提升输出转矩，实现较高的转矩密度。②具有机械谐振：由于谐波减速器中柔轮、齿隙及摩擦等弹性连接因素，系统存在多阶振动频率的机械谐振现象。③低力透明度和弱反驱性能：高减速比结构会增大反射惯量和反射摩擦等机械阻抗，从而导致力透明度降低和反驱性能减弱。 2)弹性执行器(Elastic Actuator，EA)在柔性执行器基础上集成弹性元件，主要包括串联弹性、可变刚度和可变阻抗等类执行器型，主要特征表现为：①强抗冲击性能：弹性元件作为缓冲介质有效隔离冲击载荷，显著增强抗冲击能力。②高效率、高峰值转矩：通过被动储能机制实现高效率能量转换和高峰值转矩输出。③低力控制带宽：由于弹性元件刚度通常小于10000Nm/rad，系统呈现较低输出阻抗，力控制带宽相对受限。 3)准直驱执行器(QuasiDirectDrive，QDD)采用高转矩密度电机配合低减速比减速器的结构配置，其典型特征包括：①高力透明度和强反驱性能：通过降低减速比有效减小非线性误差和静摩擦力，从而获得优异的力透明度和反驱 性能。②强抗冲击性能：减速器减速比的降低同时减少了机械阻抗，使系统具备良好的抗冲击能力。③低转矩密度：由于减速比对转矩的放大作用较弱，导致整体转矩密度提升幅度有限。 不同传动部件使关节执行器呈现差异化特性，导致对关节电机的需求也产生差异。柔性执行器虽降低了对电机的转矩需求，但需解决机械谐振问题；弹性执行器减小了峰值转矩要求，却需要提升力控制的动态响应能力；准直驱执行器仅通过电流环就能实现高精度转矩控制，但面临着提高转矩密度的挑战。 电机是是执行器核心部件 机器人通过与外界场景进行交互来完成各项任务，而外界场景具有动态性和非结构性，交互具有频繁性，这对机器人执行器提出了严格要求。从机器人的需求角 度分析，电机具有如下特征：（1）模块化设计：通过电机与传动部件集成，实现低速大转矩输出，以应对重载交互需求；（2）强过载能力：在动态场景中快速响应时效性任务，需支持短时高力矩爆发输出；（3）优异动态响应：适应频繁加减速及往复运动，确保复杂动作执行的精准性；（4）高可靠性能：抵御频繁交互带来的冲击扰动，保障系统运行可靠性；（5）高功率/转矩密度：在有限关节空间内实现高转矩/功率密度，可满足机器人轻量化需求。 相较于传统工业应用中的伺服电机，机器人电机更需加强短时输出的爆发性、提高未知环境中的可靠性，并适应机器人自身结构所带来的限制。 常见电机分类与应用 目前，常见的机器人电机按拓扑分类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灵巧手的微小型关节。 内转子径向磁通永磁电机是主流永磁电机，根据永磁体安装方式可分为表贴式和内嵌式两种。由于表贴式结构结构简单、成本低廉，加之关节电机转速要求不高，使得表贴式结构成为机器人关节的首选方案。随着机器人负载能力和动态性能的持续提升，对关节电机的转矩输出要求也相应提高，内转子逐渐被其他电机类型替代。 外转子电机凭借其结构优势，在特定应用场景中逐步替代内转子电机。该类型电机在同等外径条件下能提供更大输出转矩，兼具扁平内转子电机的特性优势，同时实现了更高的峰值转矩密度和速比性能。另外，外转子电机增大的气隙直径有利于采用更多极对数设计，有效抑制转矩脉动，这种特性使其在低减