【四海读报】20260126：高端装备制造产业研究深度：机器人

机器人需求驱动下，新技术落地加速

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1. 一段话总结

人形机器人需求爆发驱动电机技术加速落地，核心电机需满足高转矩密度、低转矩波动、强过载能力、优异散热四大关键指标，当前主流技术路径为无框力矩电机（人形机器人关节主力，大扭矩+紧凑结构）与空心杯电机（灵巧手核心，小体积+高精度），未来谐波磁场电机（磁路创新，转矩密度提升34%）与钐铁氮永磁材料（不含重稀土，居里温度470℃）成技术突破方向；市场呈现“海外主导、国产替代加速”格局，无框力矩电机全球规模2030年预计达33亿美元，需警惕技术路线迭代、稀土出口限制等风险。

2. 思维导图（mindmap）

3. 详细总结

一、电机：人形机器人的动力核心

1. 执行器与电机的关系

   • 执行器是机器人关节运动核心，分为柔性执行器（FA）、弹性执行器（EA）、准直驱执行器（QDD），电机是执行器的核心部件，需配合传动结构适配不同关节需求。
   • 机器人电机与传统伺服电机差异：需强化短时爆发性、未知环境可靠性，适应关节空间限制，核心要求包括模块化设计、强过载能力、高动态响应、高功率/转矩密度。

2. 电机分类及拓扑对比

   拓扑类型	核心特点	转矩密度	成本	适用场景	典型应用
   内转子径向磁通电机	结构简单、成本低	较低	低	微/小型机器人高动态关节	DelFly、Hummingbird
   外转子径向磁通电机	大转矩、低转矩脉动	较高	中	高动态机器人下肢关节	Mini Cheetah、ARTERMIS
   轴向磁通电机	轴向紧凑、高功率密度	高	高	大负载机器人关节	“青龙”机器人、电动牦牛
   空心杯电机	无齿槽、动态响应快	低	高	灵巧手等精密关节	Pisa/IIT SoftHand、iLimb

二、无框力矩电机：关节的力量基石

1. 核心优势与应用

   • 结构特点：无壳体，仅含定子+转子，中空走线便于集成，直接耦合无背隙，系统刚度高、运行静音。
   • 关键性能：智元远征A2 Max关节峰值扭矩达450Nm，特斯拉Optimus全身28个执行器均搭载该类型电机（14个旋转+14个线性）。
   • 市场规模：2023年全球6.57亿美元，2030年预计达33亿美元（含人形机器人增量23.97亿美元）。

2. 市场格局

   • 海外主导：Kollmorgen（Tn 0.413-10.3Nm）、AEROTECH（Tp 0.82-116.4Nm）等掌握核心工艺。
   • 国产突破：步科股份（特斯拉供应商，52-132mm规格）、昊志机电（转矩波动<1%，3.5倍过载）、雷赛智能（FM1系列小批量试产）。

三、空心杯电机：灵巧手的核心驱动

1. 技术特点与需求

   • 核心优势：无铁芯设计，能量转换效率65%-90%，机械时间常数<28ms，转速波动<2%，适配电池供电的长时间运行场景。
   • 技术壁垒：绕组设计（专利集中在外资）、转子动平衡（磁性材料质量分布）、资金投入（单台绕组设备超百万）。

2. 市场与国产进展

   • 海外龙头：瑞士Maxon（ECX SPEED13L，零售2198元）、德国Faulhaber、瑞士Portescap主导8mm以下小尺寸市场。
   • 国产替代：鸣志电器（13-30mm全型号，供应特斯拉Optimus）、兆威机电（突破4mm无刷空心杯）、鼎智科技（6-22mm规格）。

四、谐波磁场电机：未来技术方向

1. 技术创新与优势

   • 核心原理：打破传统电机励磁与电枢极对数相等限制，通过调制单元实现磁场转换，转矩新增“极比”放大系数。
   • 性能突破：与传统电机相比，有效体积减小25%，转矩密度提升34%，转矩脉动仅0.35%，效率达93.4%。

2. 应用与产业化

   • 现有应用：工业直驱式锻压伺服电机（定子18槽、转子56极）。
   • 潜在场景：人形机器人关节、灵巧手（解决功率密度不足痛点）。
   • 产业化进展：美的集团、卧龙电驱（获湖北省技术发明奖）、德马科技（小批量生产）已布局。

五、第四代永磁材料：钐铁氮

1. 核心优势

   对比维度	钐铁氮	钕铁硼	铁氧体
   居里温度（℃）	470左右	310左右	450-460
   磁能积（MGOe）	9-40	26-55	0.5-4.5
   成本（元/kg）	100-300	300-500	50-100
   关键优势	不含重稀土、耐腐蚀	磁能积高	成本极低
   应用场景	高温电机、机器人	各类电机、传感器	家电、低端电机

2. 产业化进展：新莱福（量产准备）、北矿科技（产业化阶段）、万朗磁塑（中试阶段）等企业加速落地。

六、风险提示

1. 技术路线迭代风险：谐波磁场电机磁路设计、钐铁氮量产工艺仍需优化。
2. 稀土出口限制风险：重稀土出口管制可能导致原材料供应受限、成本上升。
3. 机器人发展风险：人形机器人商业化节奏不及预期，影响电机增量需求。

4. 关键问题及答案

问题1：人形机器人对电机的核心性能要求是什么？当前主流技术路径如何适配这些需求？

• 答案：核心性能要求包括高转矩密度（有限空间输出大扭矩）、低转矩波动（精密操作需求）、强过载能力（短时峰值转矩达额定5-10倍）、优异散热（过载工况下快速散热）。主流技术路径适配逻辑：①无框力矩电机：以大扭矩、紧凑结构、中空走线适配人形机器人关节（如特斯拉Optimus），解决下肢负载与集成问题；②空心杯电机：以无齿槽设计、高动态响应（机械时间常数<28ms）适配灵巧手，满足精密抓取需求；③谐波磁场电机（未来）：通过磁路创新提升34%转矩密度，解决功率密度不足痛点，适配高端关节场景。

问题2：无框力矩电机与空心杯电机的技术差异、应用场景分化及国产替代进展如何？

• 答案：技术差异：①无框力矩电机：大扭矩（Tp可达1789Nm）、高集成度、适配大尺寸关节；②空心杯电机：小体积（直径4-40mm）、低波动、适配微型精密关节。应用分化：无框力矩电机聚焦人形机器人躯干、四肢关节；空心杯电机聚焦灵巧手、微型关节。国产替代进展：无框力矩电机领域，步科股份（特斯拉供应商）、昊志机电实现技术突破，产品性能接近海外；空心杯电机领域，鸣志电器、兆威机电突破小尺寸技术，已供应特斯拉、华为等客户，但8mm以下高端市场仍依赖Maxon等海外厂商。

问题3：谐波磁场电机与钐铁氮永磁材料的技术协同性如何？产业化落地面临哪些关键瓶颈？

• 答案：技术协同性：谐波磁场电机的核心需求是高转矩密度与高温稳定性，钐铁氮永磁材料具备“不含重稀土、居里温度470℃、高电阻率”特点，可适配其磁路设计，同时降低成本与涡流损耗，二者形成“电机拓扑创新+材料升级”的协同突破。产业化瓶颈：①谐波磁场电机：磁路设计复杂，调制单元精度要求高，量产工艺不成熟；②钐铁氮永磁材料：磁能积略低于高端钕铁硼，量产过程中稳定性待提升；③系统适配：需与机器人关节执行器、减速器等集成，验证周期长。