机器人关节电机正面临高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和优异散热性能的多重挑战。国金证券报告指出，基于“磁场调制效应”的谐波磁场电机打破了传统电机励磁和电枢单元极对数必须相等的限制，通过引入“极比”放大系数，可在相同材料和散热条件下大幅提升转矩密度。东南大学团队与南京某公司合作开发的直驱式锻压伺服电机，有效体积缩小25%、转矩密度提高34%、转矩脉动仅0.35%，验证了谐波磁场技术的产业化可行性。在输出功率相同条件下，谐波磁场电机体积可减少一倍以上，完美适配人形机器人轻量化发展趋势，有望广泛应用于机器人关节及灵巧手部件。

谐波磁场电机基于“磁场调制效应”工作。传统电机励磁和电枢两个功能单元的极对数相同。谐波磁场电机则通过新增调制单元进行磁场极对数转换——在气隙磁导谐波作用下，电机产生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。这种特殊电磁现象与调制过程类似，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。

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。根据各功能单元运动关系，可分为调制单元静止型、励磁单元静止型和三单元旋转型三大类。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，气隙磁场会因其导磁作用变得不规则，新的磁场谐波分量被引入，形成平均转矩贡献。

表1：各类无刷磁场调制电机性能对比

电机类型	转矩放大系数	平均转矩(pu)
传统游标永磁电机	2.0	2.0
多磁导谐波游标永磁电机	≥2.0	≥2.0
静止型磁齿轮永磁电机	—	1.8
横向磁通永磁电机	—	1.6
传统永磁同步电机	1.0	1.0

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。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。谐波磁场磁路设计可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槽永磁电机为例，由于其整数槽集中绕组结构，转子磁动势5次和7次谐波参与齿槽转矩产生，初始设计方案齿槽转矩达最大值2.17Nm。通过谐波磁场磁路优化设计，仿真结果显示齿槽转矩可有效减少约89.5%。

游标永磁电机的转矩波动指标（TRI）显著低于常规永磁电机。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。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。极比从2增至8时，TRI值从约0.4降至0.1以下。

谐波磁场电机的产业化已取得实质性进展。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特点开发了直驱式锻压伺服电机。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。与该公司原有传统永磁电机方案对比，不含机壳的有效体积减小25%，以有效体积计算的电机转矩密度提高34%，转矩脉动仅为0.35%，效率从92.89%提升至93.40%。

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。在定子槽数相同条件下，调制磁场电机与传统永磁电机相比，齿槽力矩波动周期数增加趋势明显，能大大降低齿槽力矩脉动幅值，从而提升永磁电机功率体积密度。在输出功率相同条件下，调制磁场电机体积减少一倍以上，完美适应人形机器人轻量化发展趋势。