机器人在复杂环境中完成搬运、抓取、行走等任务，需要较大的力矩驱动——智元远征A2 Max机器人关节峰值扭矩达450Nm。在腿足关节等与环境频繁交互的关节中，电机常处于周期性短时高过载工况，峰值转矩需求高达额定转矩需求的5-10倍。同时，过载工况下绕组具有极高的损耗密度，短时间内产生巨大热量。国金证券研报认为，高转矩密度+低转矩波动+强过载能力+散热属性是机器人电机的核心能力指标。本文基于国金证券《电机：高扭矩高温需求驱动，谐波磁场电机迎曙光》深度报告，深入分析机器人高温高扭电机需求与技术演进方向。
四大核心性能指标——高转矩密度、低转矩波动、强过载能力、散热属性
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，以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，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。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可通过优化极槽配合、齿宽、定子裂比及永磁体厚度等参数提升，峰值转矩需求高达额定转矩的5-10倍。高效散热设计是确保可靠运行的基础，机器人电机通常采用全封闭结构，内部散热能力受限，过载工况下短时间内出现急剧温升。
表2：机器人电机核心性能指标与技术要求| 性能指标 | 技术要求 | 实现难点 |
|---|
| 高转矩密度 | 有限关节空间内高转矩/功率密度 | 轻量化与高输出平衡 |
| 低转矩波动 | 齿槽转矩、磁路不对称抑制 | 多物理因素耦合效应 |
| 强过载能力 | 峰值转矩=5-10倍额定转矩 | 大电流导致绕组温升 |
| 散热属性 | 全封闭结构下高效散热 | 高损耗密度+散热受限 |
执行器分类对电机的差异化需求
机器人执行器按传动部件类型可分为三类：柔性执行器（电机+高减速比减速器）虽降低对电机的转矩需求，但需解决机械谐振问题；弹性执行器（在柔性执行器基础上集成弹性元件）减小峰值转矩要求，但需提升力控制动态响应能力；准直驱执行器（高转矩密度电机+低减速比减速器）仅通过电流环就能实现高精度转矩控制，但面临提高转矩密度的挑战。
传动架构分为并轴级联式、同轴串联式和同轴内嵌式三类，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，为关节电机的选型设计提供明确依据。
主流电机拓扑结构的性能边界
内转子径向磁通永磁电机（表贴式为主）因结构简单、成本低廉成为机器人关节的首选方案，但随着负载能力提升，正逐步被其他类型替代。外转子电机在同等外径条件下能提供更大输出转矩，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，主要应用于直接驱动机器人或QDD准直驱机器人。
轴向磁通电机具有轴向尺寸紧凑、转矩/功率密度高、空间利用率高的优点，但在持续高扭矩工况下会严重发热，工艺复杂性和材料利用率偏低不利于批量化生产。空心杯电机采用无铁心圆筒形绕组，具有转子惯量小、无铁耗和齿槽转矩的优点，适合8-20mm直径的低径长比微型关节，主要应用于机器人灵巧手。
高温高扭需求的解决方案——谐波磁场电机+钕铁氮
当前机器人电机主流方案仍无法满足高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和散热属性的综合需求，导致机器人运动性能难以提升。谐波磁场电机技术通过磁场调制效应大幅提升转矩密度，在相同条件下转矩密度可提升34%、体积缩小50%。同时，第四代稀土永磁材料钕铁氮凭借居里温度470℃（钕铁硼仅310℃）、电阻率17μΩ·m（钕铁硼1.4μΩ·m）等特性，在高温环境保持稳定磁性，减少涡流损耗。谐波磁场电机+钕铁氮材料的技术组合，有望系统性解决机器人关节的高温高扭痛点。
