动力破局：人形机器人电机如何定义 “能走会动” 的实力？

当前，人形机器人正加速从实验室原型迈向规模化落地阶段，其运动能力、灵活性、稳定性与能效等核心表现，高度依赖于动力系统的核心部件 —— 电机。作为电能向机械能转换的枢纽，电机是人形机器人的 “动力之源”，其性能直接决定了机型的实际应用潜力：从特斯拉 Optimus、宇树 H1/G1 等主流机型的关节核心参数可见，行业对电机的动力输出强度、能效优化的诉求已愈发突出，高性能电机已成为关节迭代、支撑人形机器人从实验室走向实用场景的关键基础。

而人形机器人结构紧凑的特性，又对电机提出了 “有限空间内性能升级” 的严苛要求：依据电机转矩公式，在不增加体积的前提下提升转矩动态响应速度，需从电负荷、磁负荷及转矩线性度等维度突破，这倒逼行业聚焦结构、原理、材料与控制的多维度创新 —— 轴向磁通电机、PCB 定子电机等结构革新，谐波磁场技术等原理突破，以及液冷通道、GaN 驱动等热管理与控制系统升级，均已成为当前的研发核心方向。

与此同时，人形机器人的灵巧手等精细执行部件，进一步推高了微型电机的应用价值：单台 Optimus 的微型电机 ASP 已达万元级，空心杯电机、微型无框电机凭借轻量化、高灵活性的特性，成为灵巧手精准伺服驱动的核心方案，也凸显出微型电机领域的技术壁垒与创新必要性。

在此背景下，厘清人形机器人对电机的核心应用要求、梳理其技术变革路径，既是支撑人形机器人规模化落地的关键前提，也为电机行业的细分升级提供了明确导向，这正是本研究聚焦 “人形机器人电机应用要求与变革方向” 的核心出发点。

一、电机是机器人动力源泉

1.1 电机：人形机器人的动力核心

执行器是机器人完成运动的核心部件，其躯干处的执行器按传动形式可分为旋转型与线性型两类。作为将电机旋转运动转化为连杆机构运动的关键组件，执行器（即一体化关节）是机器人动作的核心动力单元，而电机则是执行器的核心部件，承担着将电能转化为机械能、为整体运动提供驱动力的作用。

人形机器人躯干的执行器包含两种类型：旋转执行器与线性执行器，二者的主要区别在于传动机构形式 —— 前者通常搭配减速器，后者则采用行星滚柱丝杠。以特斯拉 Optimus 为例，其全身配备了 14 个线性执行器与 14 个旋转执行器，通过协同运作实现精准灵活的运动控制。此外，机器人的灵巧手同样需要电机提供驱动。

1.2 电机性能：人形机器人的核心影响要素

作为人形机器人的核心部件之一，电机的性能直接关系到机器人的运动能力、灵活性、稳定性与能效等多方面表现：

• 电机的峰值扭矩是机器人开展负重作业、执行复杂动作的动力基础，支撑其实现重载操作、越障移动等功能；

• 电机的高扭矩密度通过 “轻量化 + 高效动力输出” 的结合，既能大幅提升机器人的运动灵活性，又能降低能耗以延长续航时长；

• 电机的输出精度与稳定性，是机器人实现平稳行走、精准操作、动态平衡的关键保障，从细微动作的精准控制到复杂场景下的姿态调整，都依赖电机的稳定动力响应。

1.3 人形机器人对电机的性能需求持续升级

当前，人形机器人对电机的核心性能需求正不断提升。从宇树 H1/G1、特斯拉 Optimus、智元灵犀 X1 等多款机型的关节核心参数可见：

• 动力输出要求逐步提高：例如宇树 H1 膝部关节电机的峰值扭矩已达 360N・M，为机器人的复杂动作与负重作业提供了有力支撑；

• 轻量化与能效优化诉求突出：宇树 H1、智元灵犀 X1 的扭矩密度分别达到 189.5N・M/kg、156.3N・M/kg，体现出电机在控制自身重量的同时，需实现更高的动力输出效率 —— 而电机效率将直接影响机器人的续航能力。

1.4 高性能关节：人形机器人规模化应用的基础支撑

人形机器人高性能关节的 “高性能”，主要体现于动力输出与运动控制两个维度，其核心是仿生运动能力与工业级可靠性的融合，技术演进路径可概括为：材料革命→结构集成→控制智能→系统仿生。伴随 3D 打印、AI 算法及新型材料的技术突破，未来关节有望实现 300Nm/kg 的扭矩密度与 98% 的能效水平，这将为人形机器人从实验室原型阶段走向规模化实际应用奠定坚实基础。

1.5 电机的本质：基于电磁感应的能量转换核心部件

电机是依靠电磁感应原理运行的电气设备，可实现机械能与电能之间的转换，或是不同形式电能及信号之间的传递与转换。这类设备种类繁多、结构多样，通常可从两方面分类：

• 按能量转换 / 传递的功能及用途，可分为发电机、电动机、变压器与控制电机；

• 按结构特点及电能类型，可分为变压器与旋转电机两大类，其中旋转电机具备相对旋转的运动部件，可进一步细分为控制电动机、功率电动机与信号电机。而电机作为执行器的核心部件，正是通过这一能量转换功能为机器人提供动力。

二、关节电机路径解析

2.1 电机扭矩与旋转的原理：磁场与电流的相互作用

电机的旋转，是定子与转子之间周期性排斥、吸引行为的体现，其效果由线圈匝数、磁通量等因素决定。当电流在线圈中流动时，电磁铁与磁场之间会产生斥力或吸力，借助相同磁极的斥力与不同磁极的吸力，电机得以实现旋转；随后，通过控制定子上缠绕线圈的电流方向，依次切换定子磁场，即可驱动带有永磁体的转子持续转动。而电动势的大小，则由线圈匝数与磁通量变化量共同决定。

2.2 人形机器人性能突破的关键：功率与扭矩密度的提升

在人形机器人本体空间受限的约束下，提升电机的功率及扭矩密度，是增强整机性能与灵巧手抓握能力的重要路径。根据 D²L 规则，扭矩的增加与电机叠片长度的增加成正比，或是与力矩臂直径增加的平方成正比。电机的峰值扭矩性能直接决定了人形机器人的整体动态表现，而当前功率密度的不足则限制了灵巧手的抓握力上限。因此，在有限空间内进一步提升电机的功率与扭矩密度，已成为推动人形机器人整体性能进阶的核心技术方向。

2.3 电机提升扭矩的常规思路 - 电负荷、磁负荷、转矩线性度以及体积

传统电机电磁转矩表达式：Te = Ke【Di 2 Le 】 ABg η、cosΦ ∝【Di 2 Le】 ABg，其中：

➢ Te：电机扭矩

➢ Di：电机定子内径

➢ Le：电机有效铁芯长度

➢ A：电负荷

➢ Bg：磁负荷

➢ Ke、η、cosΦ：结构常数、效率、功率因数

2.4 高效电机：高性能关节的核心，聚焦三大维度

人形机器人电机的关键需求集中在三个维度：高效率、高动态与高功率密度，需从电机结构、工作原理等方向着手实现性能提升：

• 高效率：低能耗与低摩擦损失至关重要 —— 机器人通常由电池供电，需能适应苛刻运行条件，可频繁进行正反向运转、加减速操作，且能在短时间内承受过载；

• 高动态：整个驱动器（包含电机、机构、接线、传感器、控制器）的惯性应尽可能低，以缩短电机从接收到指令信号到达到指令要求工作状态的时长；

• 高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩的电机，同时要求电机具备小巧、紧凑、轻巧的特性。

2.5 轴向磁通电机：结构创新赋能高性能驱动

轴向磁通电机（又称 “盘式电机”）是一种磁路路径区别于传统径向电机的创新型电机，其气隙为平面结构，气隙磁场方向与电机轴线平行。与普通电机相比，它通过改变磁通方向与结构布局，将转子设置于定子侧面（而非包裹在定子内部），这一设计可显著增大转子直径，进而带来更高的转矩密度与结构设计灵活性，成为新一代高性能驱动系统的重要发展方向。

2.5 轴向磁通电机的结构形式：多组合适配不同场景

轴向磁通电机可根据定子与转子的组合方式，分为四种典型结构，不同配置在功率密度、受力特性及应用领域上各有优势：

• 单定子 / 单转子结构：由一个转子与一个定子组成，结构简单、体积紧凑，但存在单边磁拉力大、轴承负荷高、振动噪音明显及定转子摩擦风险等问题，会影响电机寿命；

• 单定子 / 双转子结构：由一个内定子与两个外转子构成，功率密度较高，能在有限空间内输出更大扭矩，适用于牵引系统、航空航天等对性能密度要求高的领域；

• 双定子 / 单转子结构：由一个内定子与两个外转子组成，结构对称性好，可有效降低单边磁拉力，常用于风力发电等需要稳定运行的系统；

• 多定子 / 多转子结构：由多个定子与转子叠加形成，能输出极高转矩，适合船舶推进、大型风力与水力发电机组等大功率场景。

2.5 轴向磁通电机：高转矩与高功率密度的核心优势

轴向磁通电机的转矩与转子直径的立方成正比，而传统径向磁通电机的转矩仅与转子直径的平方成正比 —— 因此在相同材料、转速条件下，轴向磁通电机能获得更高的转矩输出。功率密度与转矩密度通过转速关联（公式为\(P = T × ω\)，即功率 = 转矩 × 角速度），相同转速下其功率输出也更突出。整体来看，使用同等数量的永磁材料与铜线时，轴向磁通电机的转矩可比径向磁通电机提升 4 倍，展现出显著的能量转换效率优势。

2.6 PCB 定子电机：轻量化、高效能与高可靠性的集成方案

PCB 定子电机采用无铁芯设计，将铜线圈直接蚀刻在电路板上，相比传统电机，其重量与尺寸可减少约 50%，实现了显著的轻量化与小型化。以电动汽车电源系统为例，牵引逆变器的驱动电流通过 PCB 定子绕组产生轴向磁通量，驱动转子旋转以推动车辆前进。除体积重量优势外，无铁芯设计还能大幅减少定子磁滞、涡流损耗，提升能效与单位电力输入的物理输出；同时该设计消除了传统电机中绕组、绝缘相关的潜在故障点，有效提高了电机整体可靠性，为轻量化、高性能驱动系统提供了创新方案。

2.7 谐波磁场电机：突破极对数限制，实现转矩跃升

谐波磁场电机是基于磁场调制原理工作的新型电机，其励磁与电枢单元的极对数不相等，需新增调制单元完成磁场极对数转换，这一特殊电磁现象被称为 “磁场调制效应”。在该效应作用下，谐波磁场电机的外特性与机械减速齿轮箱类似，转矩会新增 “极比” 放大系数，因此能在相同材料选型、散热条件下大幅提升电机转矩密度，应用前景广阔。

2.7 谐波磁场电机：工作原理为利用气隙磁场谐波磁通产生感应电势

2.8 超声波电机：适配灵巧手的高特性驱动装置

超声波电机是利用压电材料逆压电效应制成的新型驱动器，由定子、转子及施加预压力的机构等部件构成。它通过将超声频交变电压加在压电陶瓷上，使定子表面产生超声振动，再借助定子与转子间的摩擦力驱动转子运动。与电磁电机相比，超声波电机具备多重特点：①低速高转矩，无需减速装置；②无减速齿轮，静音性优异；③断电时可保持扭矩；④不受磁影响、不产生电磁场；⑤小型轻量化，因此有望应用于机器人灵巧手。

2.8 超声波电机：有较强物理柔韧性，易于实现体积非常薄的电机

2.9 氮化镓（GaN）：优化电机控制与执行器性能的关键器件

氮化镓（GaN）可从三方面提升电机性能：

• 更精准的控制：提高电机控制回路速度与 PWM 频率（如 100kHz 开关频率），实现更高分辨率的电机电流，让波形更平滑、控制更精准；同时高分辨率电流波形可获得更优正弦电流，提升效率并减少发热。

• 减少开关损耗：GaN 器件的栅极、输出电容更小，相比 Si-MOSFET 开关速度更快；关断、开通时间缩短可压缩死区时间，从而降低开关损耗。

• 缩小体积：GaN 的比电阻（裸片面积尺寸比）小于 MOSFET，相同\(R_{Dson}\)参数下，GaN 的裸片面积更小，有助于减小执行器体积。

2.10 扁平线绕组：赋能电机高功率、高效能与高可靠性

槽填扁平线绕组通过高槽填充率、优化热管理与形状设计，实现了更大功率、更高效率及更优耐热耐压性能：

• 高槽填充率：相同空间内可容纳更多导体，槽填充率比传统圆线高 20-30%，能增强磁场、提升电机功率。

• 更优热管理：扁平线的形状增加了导线间接触面积，绕组热导率可提升至低槽填充率的 150%，有效降低运行温度、延长寿命。

• 高速高频适应性：高速高频操作下，扁平线宽高比可随转速优化，增大比表面积、减轻集肤效应，提升电机效率。

• 耐电压与耐热性：特殊绕制方法让扁平线圈的耐压、耐热性能优于传统圆线绕组，增强了电机可靠性与长期稳定性。

2.11 电机热管理优化设计：强化定子与转子的散热能力

通过定子分段、转子通风孔优化及导热材料布局，电机散热效率可显著提升，减少涡流、磁滞损耗导致的热量积聚：

• 定子铁芯分段设计：将定子铁芯沿轴向向径向分割，段间留间隙或用低导热材料，减少内部热传导路径；间隙处可设冷却通道或填充导热材料，进一步强化散热。

• 转子通风孔优化：在转子上设计不对称或螺旋布置的通风孔，形成复杂气流路径，增加空气与转子的热交换面积、延长停留时间，提升冷却效率。

• 定子导热设计：在定子齿轴向中心嵌入导热材料，形成单向冷却通道；既为绕组提供直接散热路径，又能间接冷却转子组件，增强整体热管理能力。

2.12 新型材料：助力电机散热技术升级

通过液冷通道、碳纳米管导热及相变材料吸热，电机散热效率显著提升，可支撑高功率密度稳定运行：

• 液冷通道：①在定子支架、支撑杆内设计冷却液流路，直接带走定子铁芯及线圈热量；②用带小孔的条形铝板水通道容纳绕组，既吸热又传递热量，同时实现密封。

• 碳纳米管：利用其高导热性，将其与定子绕组 / 转子组件结合，可快速传导热量；例如在绕组绝缘层中添加碳纳米管，兼顾绝缘与散热。

• 相变材料：将其封装于微胶囊中，添加至冷却介质 / 结构内，温度升高时吸收热量实现热缓冲；封装设计可防止泄漏、腐蚀，保障电机安全运行。

三、灵巧手微型电机路径解析

3.1 灵巧手：机器人核心的末端执行器

灵巧手的驱动原理为：电机与滚珠 / 滚柱丝杠外置在手臂中，电机通过减速器带动滚珠丝杠，将电机轴的转动转化为丝杠螺母的平移运动；丝杠螺母拉动腱绳，腱绳另一端连接手指指骨，进而拉动手指绕关节轴旋转。由于手腕运动（俯仰、侧摆）会扭动腱绳，需在腱绳外嵌套硬质弹簧（类似自行车刹车线）保证张力稳定；但弹簧会增大摩擦力，因此在腱绳与弹簧间套入 Teflon 管，既提升传动效率，又解决了长期摩擦的磨损问题。

3.2 特斯拉灵巧手电机：小型化与集成化的设计方向

特斯拉灵巧手的电机设计聚焦小型化、集成化，核心配置如下：

• 驱动装置：采用空心杯电机作为驱动，该电机具备体积小、重量轻、响应速度快的特点，适配灵巧手的精密控制需求。

• 传动装置：采用绳驱结合蜗轮蜗杆的方式，既保证了传动的平顺性，又能实现足够的力量传递与自锁性能。

3.3 特斯拉灵巧手电机：小型化与集成化的设计升级

在特斯拉股东大会的视频内容中，其手部执行器的设计与此前版本存在差异。我们认为，该手部执行器的总数为 17 个，可支撑 22 个自由度；同时手部采用了颜色编码的肌键，这一设计是为解决组装过程的复杂性而进行的优化改进。

3.4 灵巧手的主流电机方案：三类微型电机的应用

当前市场上，大部分灵巧手所采用的电机方案主要包含三类：空心杯电机、无刷有齿槽电机，以及微型无框电机。

3.5 空心杯电机：高功率密度与快速响应的特性

微型电机一般由定子、转子（含铁芯转子与绕组）、电枢绕组、电刷、换向器等部件组成。而空心杯电机的转子是直接用导线绕制而成，线圈通过连接板与换向器、主轴相连；从结构上看，它由外框架、沿外围分布的驱动线圈、中间的空心转子，以及附加的传感器构成。

空心杯电机属于直流永磁类的伺服控制电机，也可归为微特电机。它在结构上突破了传统电机的转子形式，采用无铁芯转子 —— 这一设计彻底消除了铁芯产生涡流带来的电能损耗，同时大幅降低了电机重量与转动惯量，减少了转子自身的机械能损耗。

转子结构的改变让电机运转特性得到大幅优化：不仅具备突出的节能特点，更拥有铁芯电机无法企及的控制与拖动特性，作为高效率的能量转换装置，它在诸多领域代表了电动机的发展方向。

3.6 微型无框电机：集成化设计适配小空间散热

微型无框电机是机器人末端执行器、关节等部件实现精准伺服驱动的理想方案。它的结构已精简至仅保留核心组件（定子与转子），舍弃了传统电机的框架、轴承与轴。

得益于这种简洁的结构，设计人员可将无框电机直接安装在机器人关节或末端执行器组件上，以传递所需扭矩；同时它支持轴向长度的灵活调整，径向尺寸也能根据关节腔定制，甚至可实现径向安装或中空贯通布局。这种灵活性让工程师能够主动 “创造关节”，而非被动地 “适配电机”，同时也便于在小空间内实现散热。

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