人形機器人量產提速！關節電機是核心突破口

人形機器人的通用要求推動電機向高扭矩密度、快速響應、小型輕量及智能集成的方向飛速發展。如今，具身智能正從實驗室走向規模化應用，機器人產業正從功能單一的智能移動機器人，邁向能夠適應人類環境的通用人形機器人。這一跨越對電機提出了前所未有的高標準要求，電機的性能邊界，正在定義人形機器人運動能力的上限。

Optimus-Gen2 來源：特斯拉

關節在低速工況下需輸出較大力矩，要求電機在低速運行時能夠維持高轉矩輸出；在與環境進行物理交互的過程中，關節需在短時間內輸出大力矩，因此要求電機具備較強的短時過載能力、大啟動轉矩及低轉動慣量；同時，關節需頻繁啟停、加減速及往復旋轉，要求電機擁有良好的動態響應性能，且控制特性連續平滑。這些特殊要求，也決定了當前人形機器人關節電機的主流技術路線選擇。

無框力矩電機

無框力矩電機憑借中空設計與高集成特性，成為目前人形機器人關節驅動的主流選擇。該電機摒棄了傳統電機的外殼與軸承，僅由轉子和定子兩個核心部件構成，廣泛應用于工業自動化、機器人、航空航天等高端領域。其轉子為內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環組件組成，可直接安裝在機器軸上；定子作為外部部件，包含有齒鋼疊片，外部包裹著能產生電磁力的銅繞組，可緊湊嵌入機器外殼主體。

無框力矩電機來源：科爾摩根

無框力矩電機的核心優勢的使其成為人形機器人關節的理想選擇。

其一，體積小巧，中空設計最大限度壓縮了電機占用空間，同時便于走線布置，適配機器人關節的緊湊安裝需求；

其二，動力強勁，在低轉速場景下能輸出較大扭矩，滿足關節低速大力矩的作業要求；

其三，穩定性高，電機組件直接整合到機器元件內部，可有效抵御外界高壓、高溫、輻射等惡劣環境影響；

其四，響應迅速，從接收指令到完成工作狀態的切換時間極短，能完美匹配關節頻繁加減速、往復旋轉的動態需求。

軸向磁通電機

軸向磁通電機則以獨特的盤式結構，為機器人大關節提供瞬時爆發力，成為人形機器人關節電機的重要補充。國外自20世紀40年代啟動研究，70年代實現交直流機型突破，80年代后借助電力電子技術與高磁能積永磁材料實現快速發展。國內研究起步較晚，20世紀90年代起高校與企業才逐步開展相關研究，目前仍處于基礎研發階段，尚未大規模推廣應用。

與傳統徑向磁通電機相比，軸向磁通電機的核心差異在于磁場方向與結構布局。其磁場方向與旋轉軸平行，定子與轉子像三明治一樣平行排列，氣隙呈圓盤狀；而徑向磁通電機磁場與旋轉軸垂直，定子轉子為內外套裝布局，氣隙呈圓柱狀。

得益于結構優勢，軸向磁通電機具備三大核心亮點：

高扭矩密度：軸向磁通電機的扭矩輸出與外徑三次方成正比，而徑向電機的扭矩輸出則與外徑平方及疊厚尺寸成正比，因此軸向磁通永磁電機可以提供的扭矩密度比徑向電機更高。

高功率密度：由于整個電機的磁場有效氣隙面積增大，轉子在工作時的有效力臂更大，使得軸向磁通電機具有更高的功率密度。同時，軸向電機磁通路徑比徑向磁通路徑更短，從而使相同功率下的電機體積更小，功率密度更高。

高效率：軸向磁通電機的峰值效率普遍可達97%-98%，較徑向電機高出2-3個百分點。

軸向磁通電機（左）與徑向磁通電機結構爆炸圖對比來源：奔馳官網

盡管優勢顯著，軸向磁通電機目前仍處于產業化初期，面臨諸多量產難題：電磁計算需采用三維模型，精度要求極高；定子轉子制造工藝復雜，硅鋼片軸向排列需單獨模具沖壓，且需嚴格控制公差以保證平行度與氣隙均勻；定子被轉子包裹導致散熱困難，需依賴新型散熱技術與復雜結構；生產自動化程度低，繞線等工藝的自動化設備尚不成熟；同時對材料要求苛刻，需使用高強度、不導磁不導電的復合材料。這些因素也導致其量產成本高于徑向電機，且盤式結構使其在直線關節中無應用優勢。

諧波磁場電機

諧波磁場電機是基于新結構和新原理工作的磁場調制電機，與傳統電機的工作原理不同在于其電樞與勵磁磁場要經過磁場調制單元的調制后才能相互作用產生轉矩。傳統電機普遍具有勵磁和電樞兩個功能單元，且兩個功能單元的極對數相同，諧波磁場電機利用氣隙磁導諧波的調制效應，使勵磁單元和電樞單元的極對數不再相等，并在兩者之間增設調制單元，從而實現類似機械齒輪箱的扭矩放大倍數。目前，國內企業的諧波磁場電機技術已取得顯著進展并逐步實現產業化，相關產品已進入量產爬坡周期，開始應用于人形機器人等領域。

來源：《磁場調制電機的由來、發展與挑戰》（曲榮海等）

諧波磁場電機的核心優勢在于轉矩密度提升與拓撲設計靈活。通過磁場調制實現轉矩極數倍增，在相同材料與散熱條件下，可顯著提升轉矩密度；同時打破了傳統電機勵磁與電樞極對數相等的限制，實現低速高轉矩特性，且拓撲結構自由度高，可設計多種調制型式。此外，該電機還具備輕量化、材料耗用少、功率密度高、可降低軸電流等優勢，且控制方法與傳統電機一致，可適配現有應用場景，同時輕量化帶來的材料投入減少，也有助于優化成本結構。不過，其特殊磁路設計也帶來了制造精度與裝配復雜度高的問題，形成了較高的制造壁壘。

無框力矩電機、軸向磁通電機、諧波磁場電機三大技術路線各有側重、優勢互補。無框力矩電機憑借高集成、小體積、快響應的特點，成為當前關節驅動的主流；軸向磁通電機以高扭矩、高功率密度，適配大關節瞬時爆發力需求；諧波磁場電機則作為技術迭代方向，有望在轉矩密度與成本優化上實現新突破。隨著材料技術、制造工藝與控制技術的不斷進步，關節電機將朝著更高效、更緊湊、更經濟的方向發展，為人形機器人走向規模化應用奠定堅實的動力基礎。

參考來源:

各企業官網

曲榮海.磁場調制電機的由來、發展與挑戰

華泰證券《機器人電機：受益技術迭代與產業化》

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無框力矩電機