人形机器人量产提速！关节电机是核心突破口

人形机器人的通用要求推动电机向高扭矩密度、快速响应、小型轻量及智能集成的方向飞速发展。如今，具身智能正从实验室走向规模化应用，机器人产业正从功能单一的智能移动机器人，迈向能够适应人类环境的通用人形机器人。这一跨越对电机提出了前所未有的高标准要求，电机的性能边界，正在定义人形机器人运动能力的上限。

Optimus-Gen2 来源：特斯拉

关节在低速工况下需输出较大力矩，要求电机在低速运行时能够维持高转矩输出；在与环境进行物理交互的过程中，关节需在短时间内输出大力矩，因此要求电机具备较强的短时过载能力、大启动转矩及低转动惯量；同时，关节需频繁启停、加减速及往复旋转，要求电机拥有良好的动态响应性能，且控制特性连续平滑。这些特殊要求，也决定了当前人形机器人关节电机的主流技术路线选择。

无框力矩电机

无框力矩电机凭借中空设计与高集成特性，成为目前人形机器人关节驱动的主流选择。该电机摒弃了传统电机的外壳与轴承，仅由转子和定子两个核心部件构成，广泛应用于工业自动化、机器人、航空航天等高端领域。其转子为内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件组成，可直接安装在机器轴上；定子作为外部部件，包含有齿钢叠片，外部包裹着能产生电磁力的铜绕组，可紧凑嵌入机器外壳主体。

无框力矩电机来源：科尔摩根

无框力矩电机的核心优势的使其成为人形机器人关节的理想选择。

其一，体积小巧，中空设计最大限度压缩了电机占用空间，同时便于走线布置，适配机器人关节的紧凑安装需求；

其二，动力强劲，在低转速场景下能输出较大扭矩，满足关节低速大力矩的作业要求；

其三，稳定性高，电机组件直接整合到机器元件内部，可有效抵御外界高压、高温、辐射等恶劣环境影响；

其四，响应迅速，从接收指令到完成工作状态的切换时间极短，能完美匹配关节频繁加减速、往复旋转的动态需求。

轴向磁通电机

轴向磁通电机则以独特的盘式结构，为机器人大关节提供瞬时爆发力，成为人形机器人关节电机的重要补充。国外自20世纪40年代启动研究，70年代实现交直流机型突破，80年代后借助电力电子技术与高磁能积永磁材料实现快速发展。国内研究起步较晚，20世纪90年代起高校与企业才逐步开展相关研究，目前仍处于基础研发阶段，尚未大规模推广应用。

与传统径向磁通电机相比，轴向磁通电机的核心差异在于磁场方向与结构布局。其磁场方向与旋转轴平行，定子与转子像三明治一样平行排列，气隙呈圆盘状；而径向磁通电机磁场与旋转轴垂直，定子转子为内外套装布局，气隙呈圆柱状。

得益于结构优势，轴向磁通电机具备三大核心亮点：

高扭矩密度：轴向磁通电机的扭矩输出与外径三次方成正比，而径向电机的扭矩输出则与外径平方及叠厚尺寸成正比，因此轴向磁通永磁电机可以提供的扭矩密度比径向电机更高。

高功率密度：由于整个电机的磁场有效气隙面积增大，转子在工作时的有效力臂更大，使得轴向磁通电机具有更高的功率密度。同时，轴向电机磁通路径比径向磁通路径更短，从而使相同功率下的电机体积更小，功率密度更高。

高效率：轴向磁通电机的峰值效率普遍可达97%-98%，较径向电机高出2-3个百分点。

轴向磁通电机（左）与径向磁通电机结构爆炸图对比来源：奔驰官网

尽管优势显著，轴向磁通电机目前仍处于产业化初期，面临诸多量产难题：电磁计算需采用三维模型，精度要求极高；定子转子制造工艺复杂，硅钢片轴向排列需单独模具冲压，且需严格控制公差以保证平行度与气隙均匀；定子被转子包裹导致散热困难，需依赖新型散热技术与复杂结构；生产自动化程度低，绕线等工艺的自动化设备尚不成熟；同时对材料要求苛刻，需使用高强度、不导磁不导电的复合材料。这些因素也导致其量产成本高于径向电机，且盘式结构使其在直线关节中无应用优势。

谐波磁场电机

谐波磁场电机是基于新结构和新原理工作的磁场调制电机，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。传统电机普遍具有励磁和电枢两个功能单元，且两个功能单元的极对数相同，谐波磁场电机利用气隙磁导谐波的调制效应，使励磁单元和电枢单元的极对数不再相等，并在两者之间增设调制单元，从而实现类似机械齿轮箱的扭矩放大倍数。目前，国内企业的谐波磁场电机技术已取得显著进展并逐步实现产业化，相关产品已进入量产爬坡周期，开始应用于人形机器人等领域。

来源：《磁场调制电机的由来、发展与挑战》（曲荣海等）

谐波磁场电机的核心优势在于转矩密度提升与拓扑设计灵活。通过磁场调制实现转矩极数倍增，在相同材料与散热条件下，可显著提升转矩密度；同时打破了传统电机励磁与电枢极对数相等的限制，实现低速高转矩特性，且拓扑结构自由度高，可设计多种调制型式。此外，该电机还具备轻量化、材料耗用少、功率密度高、可降低轴电流等优势，且控制方法与传统电机一致，可适配现有应用场景，同时轻量化带来的材料投入减少，也有助于优化成本结构。不过，其特殊磁路设计也带来了制造精度与装配复杂度高的问题，形成了较高的制造壁垒。

无框力矩电机、轴向磁通电机、谐波磁场电机三大技术路线各有侧重、优势互补。无框力矩电机凭借高集成、小体积、快响应的特点，成为当前关节驱动的主流；轴向磁通电机以高扭矩、高功率密度，适配大关节瞬时爆发力需求；谐波磁场电机则作为技术迭代方向，有望在转矩密度与成本优化上实现新突破。随着材料技术、制造工艺与控制技术的不断进步，关节电机将朝着更高效、更紧凑、更经济的方向发展，为人形机器人走向规模化应用奠定坚实的动力基础。

参考来源:

各企业官网

曲荣海.磁场调制电机的由来、发展与挑战

华泰证券《机器人电机：受益技术迭代与产业化》

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无框力矩电机