国金具身智能陈传红｜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

（来源：国金证券研究所）

　　作者：陈传红、冉婷

摘要

　　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。

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。

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目录

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

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

1.1.2传动架构类型：并轴级联式、同轴串联式、同轴内嵌式

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

　　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

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

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

　　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

三、谐波磁场电机放量叠加工艺进步，钐铁氮供需边际加速

　　3.1高温性能优异+成本优势显著， 钐铁氮应用广阔

3.2供给边际：制备、成形工艺进步拓宽钐铁氮应用边界

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

五、风险提示

正文

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

　　3.1高温性能优异+成本优势显著， 钐铁氮应用广阔

　　伺服电机的磁体通常采用永磁材料，永磁材料具有较高的磁场强度和磁能积，使得电机可以产生强大的磁场。稀土永磁材料是继金属系和铁氧体系后问世的第三类永磁材料。自20世纪60年代以来，稀土永磁材料经过了三次迭代。

　　第一代为钐钴永磁（SmCo5）系材料，于1967年在美国发明，标志着稀土永磁材料的诞生。该产品虽然快速实现了商品化，但由于含较多战略金属钴和储量较少的稀土金属钐，原材料价格过于昂贵，导致发展前景受限，主要应用于航空航天等高科技领域。

　　第二代钐钴永磁（Sm2Co17）系磁体于1977年在日本发明。相比于第一代钐钴永磁，第二代具有优良的磁稳定性、高温磁性能、高抗氧化及抗腐蚀性，推动稀土永磁的研究向工业、民用领域转移。

　　第三代是钕铁硼系（Nd2Fe14B）材料，开发与1983年。钕铁硼永磁被誉为“现代永磁之王”，该材料具有卓越性能与超高磁能积，同时以储量丰富、成本低廉的铁和钕，替代了昂贵的钴资源与稀缺的钐元素，推动永磁材料快速实现商业化。

　　第四代为稀土铁氮系（Sm-Fe-N）材料，该材料由爱尔兰教授科埃于1990年发现。钐铁氮是第四代稀土永磁的典型代表，热稳定性强且价格低廉，但目前仍在实验室阶段，距离量产仍有一定距离。

　　第四代稀土永磁材料——钐铁氮永磁材料，主要以钐（Sm）、铁（Fe）和氮（N）为关键成分，在组成结构上形成了独特的化合物体系，进而展现出一系列优异性能，其核心优势主要体现在低成本、可靠性、轻量化和高效率四个方面。

　　低成本：从原材料看，钐铁氮永磁材料完全不含镝、铽等重稀土和钕，避免了钕价波动和重稀土短缺的问题。从工艺来看，钐铁氮还原扩散法使用Sm2O3，其价格较金属钐低一个数量级。

　　可靠性：在潮湿、酸碱等恶劣环境中，钕铁硼材料容易受到腐蚀，而钐铁氮材料则能有效抵御外界侵蚀，在恶劣环境下展现出广阔的应用前景。另外，与钕铁硼材料相比，钐铁氮具有更高的居里温度，使其能够在更为宽泛的高温环境中保持稳定的工作状态。

　　高效率：虽然钐铁氮永磁材料的磁能积略低于钕铁硼，但其卓越的高温稳定性和耐用性在实际应用中弥补了这一不足。例如在电机应用中，钐铁氮能够在高温条件下保持稳定的磁性，避免出现退磁现象，从而保障电机的高效运转。同时钐铁氮具有较高电阻率，能够减少涡流损耗，更适合高频高转速电机。

　　轻量化：钐铁氮粒度较细，D50仅为2微米，同时成型自由度大，适用于3D打印、挤出等复杂工艺，可制造0.36mm超薄磁体，适用于微型电机。

　　与其他永磁稀土材料相比，钐铁氮永磁材料在各方面表现优异。钐铁氮永磁材料磁性能较强，磁能积最高可达310 KJ/m3，剩磁可达到0.65-1.5T，略低于钕铁硼，但远高于铁氧体。钐铁氮原材料中不含钴，材料储备充裕，每千克成本在100-300元，与钕铁硼相比具有显著的成本优势。另外，钐铁氮居里温度可达350-500°C，与钕铁硼相比具有更好的热稳定性，适用于军工、航天、高温电机等多应用场景。

　　磁性能和成本价格是制约稀土材料产业化的两大关键因素。从磁能积和成本价格综合来看，钕铁硼虽然磁能积最高，达到26-55MGOe，但其成本较高，为每千克300-500元，并且对稀土高度依赖，导致其应用场景受限。铁氧体虽价格便宜，成本仅每千克50-100元，但其磁性能最弱，磁能积仅为0.5-4.5MGOe，难以满足高效电机性能需求，目前大多应用于家电、电动工具和低端电机。而钐铁氮最具性价比，其磁能积为9-40MGOe，中端材料性能可与低端钕铁硼比肩，并且价格仅为每千克100-300元，与钕铁硼相比具有明显的降本优势。

　　钐铁氮永磁材料在电机领域展现出广阔的应用潜力，符合当前新能源汽车、工业机器人和风力发电等领域对电机性能要求愈发严苛的趋势。

　　风力发电：风能虽然储量大、分布广，但其能量密度低（只有水能的1/800），并且不稳定，因此需要高效电机，将其转化为机械能、电能和热能等。钐铁氮永磁材料具有较高的磁能积和电阻率，在风力发电电机领域的应用展现出了广泛的潜力。

　　新能源汽车：电动汽车对电机性能的要求日益提高。钐铁氮永磁材料凭借优异的高温磁稳定性，能够提升新能源汽车电机性能。其高温下保持强磁性的特性，使电机在持续高负载运行时仍能维持高功率输出，从而增强续航能力与运行效率。

　　工业机器人：为满足高精度、高速度操作要求，工业机器人用驱动电机需具备高效、高稳定性的特点。相比传统钕铁硼材料，钐铁氮永磁材料在高温环境下仍能保持优异磁稳定性，确保电机高效、精准运行，从而增强机器人作业的可靠性和稳定性。

　　航空航天：在航空航天、国防和高温工业等特殊领域，电机需具有极端温度下工作的特性。钐铁氮永磁材料凭借卓越的高温磁稳定性，成为极端温度环境下电机应用的理想选择。相比钕铁硼材料，它在高温工况中表现出更优异的抗退磁能力，为航空航天、国防及高温工业等特殊领域提供了更可靠的永磁解决方案。

　　尽管钐铁氮具有低成本、原材料资源充足、热稳定性高等优势，但目前产业化开发和应用尚处于初始阶段，制约其产业化发展的主要原因包括：（1）钐铁氮理论磁性能潜力尚未被完全挖掘。钐铁氮的各向异性场是21T（钕铁硼是9T），理论上最大磁能积在60MGOe以上，而目前其粘结磁粉最高性能仅在40MGOe左右，且稀土铁氮烧结磁体尚处于开发过程中。（2）钐铁氮生产效率有待提升。钐铁氮成型技术和生产装备制约了其规模化量产。（3）钐铁氮产业化应用开发尚处于初期，缺乏对下游应用场景的探索和实践检验。

　　近年来，钐铁氮永磁材料在技术研发和产业化方面取得了显著进展，但仍处于商业化应用的早期阶段。全球仅三家企业实现规模化量产，包括日本住友金属矿山、日亚化学（采用还原扩散法）和中国宁夏君磁科技（采用粉末冶金法）。新莱福等企业已成功开发出高性能钐铁氮磁粉，其矫顽力和磁性能达到较高水平，能够满足电机等高温应用场景的需求。这突破了早期钐铁氮磁粉在注塑后矫顽力下降，导致使用温度局限在80℃以下的限制，使其可覆盖更广泛的应用领域。

3.2供给边际：制备、成形工艺进步拓宽钐铁氮应用边界

　　当前，制备钐铁氮永磁材料主要有四种方法：合金熔炼法、机械合金化法、HDDR和还原扩散法。

　　合金熔炼法：合金熔炼法是制备钐铁氮磁粉的常规方法，其主要流程包括熔炼、热处理、破碎制粉和氮化处理。由于Sm2Fe17相是通过固相Fe与富含Sm的液相发生包晶反应而获得的，因此易出现富钐相SmFe2和SmFe3,以及α-Fe等杂质相。

　　机械合金化法：机械合金化的流程包括合金配比、机械磨粉、热处理和氮化处理。该方法设备需求少、工艺简单，但生产效率较低，且合金粉末在转移过程中易氧化。

　　HDDR（氢化-歧化-脱氢-再化合）法：HDDR法制备钐铁氮磁粉的工艺过程为：首先熔炼钐铁母合金，经热处理获得单一Sm2Fe17相，破碎后在氢气中歧化处理，随后抽真空脱氢并通入氮气进行氮化。该方法设备简单，生产材料均匀性好、含氧量低、收得率高，但反应机理复杂，氮化效率较低。

　　还原扩散法：还原扩散法以Sm2O3、Fe和Ca粉末为原料，通过机械混合后热处理，利用Ca还原Sm2O3，并使Sm扩散至Fe中形成Sm2Fe17。该方法原料成本低，是目前商业生产的主要方法。但在该工艺中，需要对烧结长大的Sm2Fe17进行破碎处理，增加了工艺复杂度且易发生氧化。

　　针对以上方法出现的问题，近年来学界和业界提出了相应改进措施。针对还原扩散方法易导致Sm2Fe17氧化的问题，研究者们尝试添加CaCl2、LiCl、Li-Ca合金等熔融盐作为反应助剂，发现添加适当的熔融盐使得在低工艺温度下通过还原扩散反应合成Sm2Fe17成为可能。针对合金熔炼法杂质相较多问题，研究者通过利用熔体快淬和条带铸造技术进行快速凝固，有效抑制α-Fe相的生成，且有利于细化晶粒。针对机械合金化方法在转移合金粉末过程中易氧化的问题，学者在机械球磨过程中引入等离子电场，虽导致氮化后矫顽力相对较低，但给解决易氧化问题提供了新思路。另外，在氮化工艺领域，研究者对氮含量和氮源进行了分析，发现氮含量为3时磁性能最优，并逐步筛选氮气和氨气为主要氮源。在新工艺方法领域，研究者发明了化学气相沉积（CVD）等低温制备技术，能够精确控制成分和结构，提升材料质量。

　　成型工艺是钐铁氮加工的另一难点所在。钐铁氮（SmFeN）磁体目前主要有两种成型技术路线：粘结磁体和烧结磁体。

　　烧结型钐铁氮磁体：烧结工艺的难点在于，致密度是制约磁体性能进一步提升的主要因素，为提高磁体密度需要较高的成型压力或烧结温度，常导致磁体的矫顽力剧烈下降。而且，钐铁氮在600℃左右会分解为SmN、α-Fe和N2，导致永磁性能消失。所以目前烧结技术还在研发阶段。

　　粘结型钐铁氮磁体：局限在于粘结型磁体性能较差。粘结型钐铁氮磁体虽已商业化，但磁性能较低，矫顽力下降较多，长期使用温度被局限在80℃以内，且力学性能较弱，在高应力或高温环境下易失效。

　　基于以上成型工艺劣势，当前已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。其中低温成型工艺包括爆炸固结法、压缩剪切法、热等静压法（HIP）和放电等离子体烧结（SPS），低熔点金属粘接剂辅助成型工艺包括Zn粘接和Sm基合金粘接。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。

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

　　钕铁硼仍是当前应用最多的稀土永磁材料。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。在下游场景方面，国内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，理论上当前钐铁氮永磁材料已可满足其性能要求。谐波磁场电机的磁路设计使得电机能量利用效率和功率密度提升，故而对磁体的磁能积要求边际降低，钐铁氮替代钕铁硼永磁材料的空间将进一步打开。

　　新能源汽车:新能源汽车用永磁材料磁能积要求为33-41MGOe，钐铁氮理论可替代率有望达到80%。根据IEA预测，2030年国内新能源车销量将超2100万辆，2024-2030年销量CAGR约10%，预计新能源汽车对永磁材料需求将同频增长。由于钐铁氮量产预期尚不明确，假设2030年钐铁氮材料渗透率达到30%，则2030年新能源汽车用钐铁氮材料需求量约2.05吨，2025-2030年复合增长率CAGR为57.41%。

　　风力发电:风力发电对永磁材料磁能积要求在37MG0e以上。由于要求较高，预计钐铁氮在未发生技术突破的情况可替代率较低。假设钐铁氮需求增长率与近五年我国风电行业新增装机量增速（约10%）相当,则2030年风电用钐铁氮材料需求量约0.52吨，2025-2030年复合增长率CAGR为74.34%。

　　节能电梯:节能电梯对永磁材料磁能积要求相对较低,钐铁氮理论可替代率有望达到90%。假设未来节能电梯稀土永磁材料需求量增长率与我国电梯产量增长率相当(约3%)，2030年渗透率达到40%，则2030年节能电梯用钐铁氮材料需求量约1.36吨，2025-2030年复合增长率CAGR为87.52%。

　　工业机器人:由于工业机器人电机对功率密度要求低于新能源汽车,钐铁氮替代率有望达到90%。参考近五年工业机器人产量年复合增速25%，假设工业机器人用稀土材料增速同频变化，2030年渗透率达到40%，则2030年工业机器人用钐铁氮材料需求量约2.59吨，2025-2030年复合增长率CAGR为127.57%。

　　根据上述假设，预计2025和2030年钐铁氮总需求量分别为0.53万吨和9.42万吨，按照每吨13万元价格计算，则市场空间分别为6.83亿元和122.44亿元。

　　除传统稀土永磁材料下游应用领域外，随着机器人技术向更高性能、更紧凑设计、更广泛应用场景发展，对电机的高温性能和功率密度要求持续攀升。钐铁氮凭借其性能及成本优势，有望在未来5-10年内，实现对机器人电机（尤其是对高温、高功率密度、成本敏感的中高端应用）大规模替代。其普及程度将取决于其产业化速度、成本下降幅度以及与不断进步的钕铁硼（如晶界扩散技术减少重稀土用量）的竞争态势。

　　人形机器人有望为钐铁氮材料和电机带来广阔的市场空间。人形机器人全身伺服电机数量普遍在40以上，参考当前钕铁硼材料的用量，每个电机大约需要永磁稀土材料50-100g，即整机需要永磁稀土材料约3.5kg。当前钕铁硼价格为每公斤300-600元，若使用钕铁硼生产伺服电机，则单台成本约1400元，单电机成本约为233元。钐铁氮价格为每公斤100-300元，若采用钐铁氮代替钕铁硼作为伺服电机磁芯材料，则单台成本约为340元，单电机成本约为157元，具有较大的成本优势。

　　在材料市场方面，倘若人形机器人远期产量为100万台，则共需要3500吨永磁稀土，若全部采用钐铁氮方案，稀土用量可降低至2625吨。按照钐铁氮价格每吨13万元计算，可带来3.41亿市场增量。在电机市场方面，假设人形机器人生产规模为100万台，单台伺服电机数量为40个，假设全部采用钐铁氮电机方案，按照157元的成本和30%的利润率计算，预计远期人形机器人将给钐铁氮电机市场带来82亿元的空间。

　　随着人形机器人对电机要求持续提升，钐铁氮永磁材料与谐波磁场电机技术的应用价值日益凸显。我们认为，新型电机技术将持续创新，产业化落地将不断加速。建议关注在钐铁氮磁材领域及磁场调制电机技术上有布局优势的相关公司，如中科三环、新莱福、万朗磁塑、美的集团、德马科技等。

新莱福

　　公司营业收入和归母净利润增长稳健。2024年和2025Q1分别实现营收8.86亿元和2.07亿元，同比增长14.94%和8.59%。2024年和2025Q1分别实现归母净利润1.45亿元和0.30亿元，同比增长5.17%和下降16.05%。公司2022年业绩出现较大幅度下跌，营收同比下降8.66%，归母净利润同比下降4.11%，主要系俄乌战争和国内消费电子需求低迷影响。2025年Q1公司归母净利润同比大幅下降，主要受两方面因素影响：一是原材料价格大幅上涨、碧克工厂搬迁及MIM项目量产爬坡投入增加导致毛利率下滑；二是研发费用、股份支付及碧克工厂搬迁费用合计同比2024年第一季度增加超过500万元。随着原材料价格稳定，公司成本压力将逐渐缓解，有望实现业绩反弹。

　　公司自2014年开展钐铁氮磁粉研究，累计研发投入超3000万元，已掌握关键生产技术并建成中试生产线，具备小批量产能。2023年上市后，公司启动1.3亿元新型稀土永磁材料产线建设项目，计划2028年10月达成预计可使用状态。截至2024年底，该项目已完成投资4728.3万元，进度达36.37%。

　　研发初期，公司产品主要应用于高吸力展览展示领域（如户外广告、车贴等）。随着钕铁硼在电机领域的应用缺陷显现，公司正转向新能源汽车电机、水泵及服务器散热系统电机等领域的研发。2025年公司将重点突破适用于电机的高性能钐铁氮磁粉批量生产，并计划收购金南磁材，通过整合其注塑工艺体系，实现低成本铁氧体基磁材到高性能钐铁氮/钕铁硼复合材料的全谱系覆盖。

万朗磁塑

　　从营收端看，公司营业收入持续增长，2020-2024年公司营业收入CAGR为29.17%，2024年和2025Q1分别实现营业收入33.83亿元和9.09亿元，同比提升31.95%和23.54%。从盈利端看，公司归母净利润保持相对平稳，2024年和2025Q1公司分别实现归母净利润1.39亿元和0.38亿元，同比增长2.62%和8.89%。2023年公司归母净利润出现较大幅度下降，但扣非归母净利润同比提升1.01%，该差异主要系政府补助减少所致。

　　高性能永磁钐铁氮磁粉的研发与产业化是公司的重点研发项目，主要应用于冰箱门封产品。公司计划通过配方设计、熔炼钐铁合金、气流磨制粉、氮气渗氮及粘接剂压制成型等工艺，开发新型钐铁氮磁粉并实现产业化，目标磁性能指标为：内禀矫顽力（Hcj）≥9000Oe、剩磁（Br）≥6000Gs、最大磁能积（(BH)max）≥8 MGOe，以替代钕铁硼等稀土永磁材料，降低成本并提升产品性能。

　　2020-2022年，公司全资子公司合肥领远与安徽大学绿色产业创新研究院合作，共同推进钐铁氮磁粉的产业化研发。2022年，该材料完成实验室小试并进入中试阶段。2023年，公司调整研发中心建设募投项目，将原“新型环保PVC门封的开发”课题变更为“高性能永磁钐铁氮磁粉研发及产业化”等课题，预计2026年1月完成全部研发工作。

中科三环

　　近年来公司业绩呈现较大波动。2020-2022年营业收入和净利润持续增长，其中2021年归母净利润同比增长208.44%，2022年增长112.56%，增速显著。但2023年至今业绩承压，营收和净利润持续下滑。2024年、2025Q1公司分别实现营收67.51亿元和14.61亿元，同比下降19.23%、11.58%；归母净利润分别为0.12亿元、0.13亿元，同比下降95.64%、113.66%。公司业绩波动主要源于两方面：一是下游订单波动较大，公司以稀土永磁材料出口为主，受国际局势影响显著。二是上游原材料中包含价格波动剧烈的重稀土，导致产品定价及业绩随之波动。

　　中科三环作为磁材行业龙头企业，目前主营产品仍为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼永磁材料，2024年磁材产品成品产量达1.06万吨。由于钕铁硼含镝、铽等高成本重稀土元素，且重稀土供应价格波动大、产量不稳定，公司重点推进重稀土减量化技术，以降低新能源汽车驱动电机、节能家电及高端电子消费等领域的产品成本。在重稀土减量化方面，公司一方面优化制备工艺，通过晶粒细化、晶界扩散及晶界调控等技术的组合应用，深入研究矫顽力提升机制，开发低/无重稀土高矫顽力磁体制备方法。另一方面，公司积极探索替代材料，自20世纪90年代起持续研发钐铁氮、钕铁氮类永磁材料。目前，公司钐铁氮材料尚未大规模推广的核心瓶颈在于生产成本。受制备工艺限制，钐铁氮成本未能显著低于粘结钕铁硼磁体，因此应用范围仍有限。

德马科技

　　近年来，公司营业收入呈现波动趋势，归母净利润保持持续增长。从营收端看，公司2024年和2025Q1分别实现营业收入14.57亿元和3.51亿元，同比增长5.29%、25.55%。2023年公司营业收入下降幅度较大，同比下降9.51%，主要系宏观环境经济下行影响。从盈利端看，近五年来公司保持归母净利润增长态势，2024年和2025Q1分别实现归母净利润0.93亿元和0.32亿元，同比增长5.63%和49.12%，2020-2024年归母净利润CAGR达8.63%。

　　德马科技是国内智能物流装备领域的领军企业，核心产品包括智能输送分拣系统、拣选机器人、拆码垛机器人及智能物流搬运机器人等。公司持续深耕智能物流及智能制造装备的前沿技术研发，已构建涵盖机器人技术、输送技术、分拣技术、驱动技术和软件系统的完整产业链布局。

　　在驱动技术创新方面，公司开发的工业输送用直驱电动滚筒采用先进的直驱电机技术，针对输送设备空间受限、负载要求高的工况特点，通过电机磁场仿真优化，应用磁场调制技术和铁芯拼接工艺，实现了高槽满率与高功率密度的电机设计，显著提升了驱动效率。目前该产品已进入小批量生产阶段。

美的集团

　　美的集团营业收入保持稳定增长趋势。2024年和2025Q1公司分别实现营业收入4,090.84亿元和1,284.28亿元，同比增长9.47%和20.61%，2020-2024年营收CAGR达9.39%。2024年和2025Q1公司分别实现归母净利润385.37亿元和124.22亿元，同比增长14.29%和38.02%，2020-2024年归母净利润CAGR达9.08%，公司业绩增长稳健。

　　美的作为家电行业领军企业，持续深化技术创新。2024年，其工业技术事业群GMCC美芝研发团队牵头的“高适配性静音变频压缩机关键技术研究及产业化”项目取得重大突破。该项目通过创新应用谐波磁场调制技术，并采用TFSS方法论对系统能量流动及噪音振动进行降维分析，从源头上解决了压缩机系统振动大、噪音高的行业难题。该项目通过对变频压缩机流场的综合优化设计，在显著提升产品可靠性的同时实现了小型化突破，为家电行业绿色发展提供了技术支撑，同时成果荣获2023年度中国轻工业联合会科学技术奖一等奖。

五、风险提示

　　技术路线迭代不及预期风险。谐波磁场电机对转矩的放大效果高度依赖磁路设计，钐铁氮永磁材料在制备、成型等关键工艺环节尚未成熟，量产技术仍需提升。加之新方案替代传统电机和钕铁硼材料需要市场验证周期，若技术迭代进度滞后，将直接影响谐波磁场电机和钐铁氮材料的成本效益与性能表现，进而延缓其产业化替代进程。

　　稀土及其制品出口限制风险。我国作为全球最大的稀土资源国和生产国，稀土已成为关键战略资源。在当前国际局势动荡、中美贸易摩擦加剧的背景下，我国于2024年4月对重稀土及相关物项实施出口管制，钐铁氮永磁材料被列入管制清单。若稀土出口限制政策持续收紧，可能会压缩钐铁氮永磁材料海外市场。

　　机器人发展不及预期风险。人形机器人作为高端制造业的代表性产品，正在成为高性能电机和永磁材料的重要增量市场，有望带来近百亿谐波磁场电机市场空间。若机器人放量不及预期，将制约谐波磁场电机的市场放量，并影响钐铁氮永磁材料的市场空间。