一、机器人电机：高扭高温需求迫切
1.1 机器人高性能需求，电机选型设计标准明确
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。 我们认为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。
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，执行器可进行如下分类：
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
机器人执行器按传动部件类型可分为三类： (1) 柔性执行器(flexible actuator，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(quasi direct drive，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。
1.1.2 传动架构类型：并轴级联式、同轴串联式、同轴内嵌式
机器人执行器的传动架构主要分为三类：（1）并轴级联式采用电机与减速器径向排列但输出轴非同轴布置，（2）同轴 串联式实现电机与减速器沿同轴排列，（3）同轴内嵌式将减速器集成于电机内部形成同轴排列。这些架构直接影响电 机尺寸约束和系统输出特性。
传动部件的差异直接影响电机的电磁特性、传感器要求和控制策略；传动部件的组合架构则约束着电机的尺寸和外形。 基于这两种分类维度，可系统分析特定机器人关节对伺服电机的性能需求，为关节电机的选型设计提供明确依据。
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
目前，常见的机器人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速比关节执行器中更为适配。基于上述优 势，外转子电机主要应用于直接驱动机器人，或构成 QDD 用于准直驱机器人。 轴向磁通电机与传统径向磁通电机相比，具有轴向尺寸紧凑、转矩/功率密度高、空间利用率高的优点。其结构特点 使其能够在相同外径条件下，具有更大永磁体空间和更多磁极数量，从而更易实现低速大转矩输出。然而该类型电机 在实际应用中仍面临两大技术瓶颈：第一，该电机在持续高扭矩工况下会出现严重发热；第二，该电机工艺复杂性和 材料利用率偏低，不利于批量化生产。 空心杯电机作为一种特殊永磁伺服电机，采用无铁心圆筒形绕组转子结构，具有转子惯量小、无铁耗和齿槽转矩的特 点。该设计使其具备转矩波动小、运行平稳、效率高和动态响应快的优势，适合应用于对体积、精度和灵活性要求高 的机器人灵巧手领域。但由于空心杯电机输出转矩有限，实际应用中需要配合高减速比减速器及滚珠丝杠、蜗轮蜗杆 或腱绳等传动机构组成级联式柔性执行器系统。
通过分析机器人电机的峰值转矩密度与尺寸参数关系，可建立典型应用型谱：空心杯电机适用于 8-20mm 直径的低径 长比微型关节，主要应用于灵巧手等精密部件；内转子电机主导 30-80mm 直径的中径长比关节，主要应用于机械臂等 上肢系统；外转子电机则适配 100-180mm 直径的高径长比关节，适合腿足式机器人等高动态下肢需求。轴向磁通电机 具有高转矩密度特性，但由于其存在散热问题，当前实际应用有限。
机器人产业的发展推动了内转子无框力矩电机、外转子电机、空心杯电机这三种主流电机的市场快速成长。 Valuates Reports 数据显示，2022 年全球无框力矩电机市场规模已达 6.7 亿美元，预计 2029 年将增长至 11.7 亿美 元。国际厂商在该领域具有先发优势，主要企业均已推出面向机器人关节的系列化产品。相比之下，国内产业起步相 对较晚，在关键制造工艺如充磁、灌封和绕线技术，以及过载能力和轻量化设计等方面仍存在提升空间。
近年来外转子电机及其 QDD 模组发展迅猛。国际代表厂商包括 Maxon 和 Westwood Robotics 等，国内主要有 CM、SW、 宇树科技、银弗科技、本末科技和灵足时代等企业。当前市场格局呈现明显差异化特征：在大尺寸外转子电机及集成 QDD 模组领域，国内产品占据主导地位；而在小尺寸高精度外转子电机方面，则以国外厂商的技术优势更为突出。
目前机器人关节应用的空心杯电机以 10mm 左右的小微型产品为主流。该领域国外厂商如瑞士 Maxon、德国 Faulhaber 和瑞士 Portescap 等凭借先发优势占据市场主导地位，而国内产业起步较晚，在 8mm 及以下小尺寸产品的技术水平上 与国际领先企业仍存在差距。
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
相比传统电机，机器人电机具有材料利用率高、工况复杂、环境多变的特点，其内部多物理因素交互作用形成的耦合效应，导致电磁兼容、散热、机械强度等问题突出，传统电机结构难以适用。机器人高性能关节电机需具备四大核心 性能特征：高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和优异散热性能，这是实现复杂作业任务的关键技术保障。
高转矩密度是机器人电机的核心性能指标。机器人需在复杂工况下执行搬运、抓取和行走等任务，这些动作通常 依赖较大驱动力矩。同时机器人结构尺寸紧凑，要求关节电机在单位体积内实现更高转矩输出，从而满足小型化 设计与高功率输出的双重需求。
低转矩波动是影响运动精度的关键因素。电机转矩波动主要由齿槽效应、磁路不对称、电流谐波、电枢反应及控 制延时等因素导致，需通过优化槽极配合、调整永磁体参数、采用斜极斜槽设计或增设辅助槽等措施来抑制转矩 波动，提高机器人运行精准性。
强过载能力是应对突发负载的核心保障。永磁电机的过载转矩主要由电枢反应和定子铁心饱和引起，可通过优化 极槽配合、齿宽、定子裂比及永磁体厚度等参数来降低磁饱和并减小交直轴电感，从而提升过载转矩输出。此外， 大电流导致的绕组温升也会制约过载能力，需结合铜损耗系数定量分析极限热负荷下的持续工作时间。
高效散热设计是确保可靠运行的基础。机器人关节伺服电机在过载工况下，绕组因高损耗密度会迅速积聚大量热 量。而由于机器人电机通常采用全封闭式结构以适应复杂工作环境，其内部散热能力受限，导致短时间内出现急 剧温升，严重影响电机的输出性能和运行可靠性。 当前，机器人电机主流方案仍无法满足机器人关节对高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和散热属性的需求，导致 机器人运动性能难以提升，动作精准度较低，甚至在长时间高强度运行过程中会因热量过高导致电机损害，严重影响 了机器人整体工作的可靠性，机器人关节电机方案仍有待改进。
二、高功密需求牵引，谐波磁场电机迎来曙光
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
电机作为一种机电能量转换的核心装置，自 19 世纪初诞生以来便得到了广泛关注。以直流电机、永磁同步电机等为 代表的传统电机得到快速发展。该类电机普遍具有励磁和电枢 2 个功能单元，且 2 个功能单元的极对数相同。随着研 究深入，相关学者发现该电机除电枢和励磁 2 个功能单元包含的初始磁密谐波外，还由于凸极转子、定子开槽等不均 匀气隙结构，引入了气隙磁导谐波。在气隙磁导谐波作用下，电机产生了与电枢和励磁初始磁密谐波极对数、幅值、 频率、相位不同的磁密谐波。这种特殊的电磁现象与调制过程类似，称为电机领域的“磁场调制”现象。 谐波磁场电机就是基于这样新结构和新原理工作的磁场调制电机。其励磁和电枢单元的极对数不等，需新增调制单元 进行磁场极对数转换，这种特殊的电磁现象称为“磁场调制效应”。在该效应下，谐波磁场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”（电机旋转部分极对数和电枢绕组极对数之比），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，具有广阔应用前景。
磁场调制电机的基本原理源自磁力传动的齿轮。D.Howe 教授在 2001 年提出了一种径向充磁型磁齿轮，该磁齿轮主要 包含三部分：低速转动的外转子、保持静止的调磁环和高速转动的内转子，通过调磁环的调制作用实现动力传递。研 究表明，该磁齿轮具有转矩传递能力，转矩密度高达 100kN·m/m3，并具有自我过载保护能力。该磁齿轮的提出让众多 学者展开了对磁场调制原理和磁齿轮复合电机研究，一系列磁齿轮样机被制造出来。 1999 年，一种新型的永磁游标电机（Permanent Magnet Vernier Machine，PMVM）被提出。该电机采用了定子开槽以 及转子表贴永磁体的设计方案，将电枢绕组安装在定子槽内，当转子旋转时，永磁体产生的旋转磁场经过定子齿对磁 场进行调制，并与定子电枢磁场形成耦合，从而传递转矩。学者通过对磁导函数的推导分析，证明了永磁游标电机具 有较高的转矩密度。该电机通过磁场调制原理，实现了转子永磁体的极数多于定子绕组极数和槽数，相较于传统的永 磁同步电机，该电机具有低速高转矩的特点。
磁场调制电机具备“励磁-调制-电枢”3 个功能单元，在拓扑结构上具有更高的设计自由度，从而形成丰富的磁场调 制电机族。根据各功能单元运动关系，可将无刷磁场调制电机分为 3 大类，即调制单元静止型、励磁单元静止型和三 单元旋转型。在此基础上，可根据各功能单元的励磁方式划分出具体拓扑。
磁场调制电机与传统电机的工作原理不同在于其电枢与励磁磁场要经过磁场调制单元的调制后才能相互作用产生转 矩。当气隙内加入调制单元后，在永磁体和某一个导磁块中心线对齐时，由于铁磁材料导磁性远大于空气，所以磁场 都穿过导磁块，导致该导磁块对应气隙内的磁密提升；而当永磁体中心线逐渐偏离导磁块中心线时，这种导磁效果会 逐渐削弱，直到永磁体中心线开始靠近下一块导磁块的中心线，并在两者重合时，该导磁块对应的气隙磁场重新达到 峰值。因此当气隙中加入导磁块后，气隙磁场会由于其导磁作用变得不规则，从空间谐波的角度分析，可以预测新的 磁场谐波分量被引入。
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
电机作为机电能量转换装置，其性能体现在“电”与“机械”两个方面。机械端口的主要指标是平均转矩与转矩波动， 而电端口的主要指标为电压、电流、功率因数、电压畸变程度等。根据电机学理论，电机的电压与电流可以通过线匝 数调节，因此其内在的性能仅为功率因数与电压畸变程度两项。由于电压畸变程度主要在转矩波动中体现，所以谐波 磁场电机的主要两项性能指标为平均转矩和转矩波动。
各类磁场调制电机的工作原理可统一表述为：励磁单元对应的励磁磁动势谐波经调制单元对应的气隙磁导谐波调制， 产生与电枢单元对应的电枢磁动势谐波极对数、旋转速度和旋转方向均相同的励磁磁密谐波，即励磁磁密工作谐波， 该励磁磁密工作谐波与电枢绕组交链，进而贡献平均转矩。在各类无刷磁场调制电机中，游标永磁电机及轴向磁通永 磁电机拥有最大的平均转矩，达到 2pu 以上。
转矩波动是电机的关键指标之一，关乎电机转速稳定性、定位精度、动态控制性能等。转矩波动主要由励磁转矩波动、 齿槽转矩波动和磁阻转矩波动构成。 励磁转矩波动可直接借助空载反电势计算，转矩波动指标（torque ripple index，TRI）可用于快速比较不同极比游 标永磁电机的转矩波动，其物理意义为反电势谐波与基波的比值，TRI 越小转矩波动越小。以游标永磁电机为例，其 同时空载反电势基波中包含两个主要成分，但谐波反电势只有一个主要成分，因此其 TRI 值必然显著低于常规永磁电 机。随着极比增加，基波反电势中的调制分量占比提升，使得 TRI 值随极比升高而下降，励磁转矩波动减小。
电机的齿槽转矩可以视为空载时内部磁场储能的变化所引起。根据《电工术语-旋转电机》定义：齿槽转矩（Cogging Torque）是无供电的永磁电动机由于其转子和定子有自行调整至磁阻最小位置的趋势而产生的周期性转矩。齿槽转矩 是永磁电机固然存在的非理想转矩，它是转矩脉动的一部分，并会引起电机的非必要振动、噪声等问题。齿槽转矩在 一个自身转矩周期内正负对称分布，故净合成值为零，因此它难以被利用，在工程与研究上总是想办法将其削弱。 谐波磁场的磁路设计可以大幅改善传统永磁电机齿槽转矩脉动过大的问题。以 8 极 24 槽的永磁电机为例，由于其整 数槽集中绕组结构，转子磁动势的 5 次和 7 次谐波参与齿槽转矩产生，因此有较大的齿槽转矩，初始设计方案的齿槽 转矩达到最大值 2.17Nm。通过谐波磁场磁路优化设计，仿真结果显示其齿槽转矩可有效减少约 89.5%。
磁场调制电机的转子有三种，即表贴式永磁转子、内置式永磁转子和凸极磁阻转子。谐波磁场电机采用表贴式结构时 磁阻转矩恒为零，采用内置式结构时高极比下磁阻转矩波动亦较小；永磁磁通反向电机由于等效气隙大磁阻转矩波动 同样可忽略；仅永磁开关磁链电机在特定极槽配合下可能产生较大的磁阻转矩波动。
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
新型的磁场调制电机具有独特的调制单元，永磁体和电枢磁场经过调制在气隙中产生大量谐波磁场，导致电机的损耗 进一步增加。因此，如何合理利用谐波能量，并将谐波能量转化为与基波能量类似的电机有效输出能，是谐波磁场研 究的关键，相关研究已逐渐拥有产业化落地趋势。 东南大学程明老师团队与南京某公司在伺服电机领域开展产学研合作，利用磁场调制电机高转矩密度的特点适合于低 速大转矩应用，开发了直驱式锻压伺服电机。该应用场合需要电机具有高转矩密度、低转矩脉动，从而保证锻压装置 连续稳定恒速运行，保障锻压质量。 该方案采用定子 18 槽、转子 56 极（Ps=8、Pr=28）磁场调制永磁电机，定子采用裂齿结构。在电机最大转矩、永磁 体用量相同的条件下，与该公司原有设计方案的传统永磁电机关键指标对比，不含机壳的电机有效体积减小 25%，以 有效体积计算的电机转矩密度提高了 34%，转矩脉动仅为 0.35%，还不会降低效率，验证了设计方法的有效性。
同时，国内龙头电机公司已拥有一系列基于调制磁场电机原理的谐波磁场设计专利，通过磁路设计实现功率密度跃迁。其调制磁场电机的原理为：A.无论作为 BLDC 控制或 PMSM 控制，电机转子转动的必要条件是定子绕组在电机气隙中产 生的磁场极对数与转子磁体极对数相等；B.定子绕组通电后，在电机气隙中产生基波磁动势, 在定子齿槽磁导的作用 下，沿气隙空间分布一系列的调制磁场；C.当特定的气隙谐波磁场的极对数等于转子磁体极对数 Pr 时，则会输出稳 定的电磁力矩。
基本上气隙磁场幅值与气隙值成反比，故减少电机定子和转子间的气隙值对功率体积密度提升效果明显。但由于齿槽 力矩幅值与气隙磁场幅值的平方成正比，故缩小电机气隙值会使得电机齿槽力矩脉动显著增加，导致电机振动噪音也 显著增加在维持固定的电机气隙值条件下，理论研究表明，降低电机齿槽力矩脉动的有效方法是增大电机齿槽力矩波 动周期数，其中，波动周期数等于定子槽数和转子磁体极数的最小公倍数。 基于谐波磁场设计的调制磁场电机在定子槽数相同的情况下，调制磁场电机与传统永磁电机相比，调制磁场电机的齿 槽力矩波动周期数增加趋势明显，因此，其能大大降低电机齿槽力矩脉动幅值，从而提升永磁电机功率体积密度。
谐波磁场电机高功率密度优异性能有望广泛应用在人形机器人关节及灵巧手部件。谐波磁场电机实现在输出功率相同 的条件下, 调制磁场电机体积减少了一倍以上，即调制磁场电机重量也减少一倍以上。目前人形机器人电机问题集中 在功率密度达不到要求，谐波磁场电机的磁路设计方案有望解决该痛点。同时，高功密带来的另一优势便是体积和重量的减小，完美适应人形机器人轻量化发展趋势，未来谐波磁场电机渗透率有望持续提升。
三、谐波磁场电机放量叠加工艺进步，钐铁氮供需边际加速
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