動力破局：人形機器人電機如何定義 “能走會動” 的實力？

當前，人形機器人正加速從實驗室原型邁向規模化落地階段，其運動能力、靈活性、穩定性與能效等核心表現，高度依賴于動力系統的核心部件 —— 電機。作為電能向機械能轉換的樞紐，電機是人形機器人的 “動力之源”，其性能直接決定了機型的實際應用潛力：從特斯拉 Optimus、宇樹 H1/G1 等主流機型的關節核心參數可見，行業對電機的動力輸出強度、能效優化的訴求已愈發突出，高性能電機已成為關節迭代、支撐人形機器人從實驗室走向實用場景的關鍵基礎。

而人形機器人結構緊湊的特性，又對電機提出了 “有限空間內性能升級” 的嚴苛要求：依據電機轉矩公式，在不增加體積的前提下提升轉矩動態響應速度，需從電負荷、磁負荷及轉矩線性度等維度突破，這倒逼行業聚焦結構、原理、材料與控制的多維度創新 —— 軸向磁通電機、PCB 定子電機等結構革新，諧波磁場技術等原理突破，以及液冷通道、GaN 驅動等熱管理與控制系統升級，均已成為當前的研發核心方向。

與此同時，人形機器人的靈巧手等精細執行部件，進一步推高了微型電機的應用價值：單臺 Optimus 的微型電機 ASP 已達萬元級，空心杯電機、微型無框電機憑借輕量化、高靈活性的特性，成為靈巧手精準伺服驅動的核心方案，也凸顯出微型電機領域的技術壁壘與創新必要性。

在此背景下，厘清人形機器人對電機的核心應用要求、梳理其技術變革路徑，既是支撐人形機器人規模化落地的關鍵前提，也為電機行業的細分升級提供了明確導向，這正是本研究聚焦 “人形機器人電機應用要求與變革方向” 的核心出發點。

一、電機是機器人動力源泉

1.1 電機：人形機器人的動力核心

執行器是機器人完成運動的核心部件，其軀干處的執行器按傳動形式可分為旋轉型與線性型兩類。作為將電機旋轉運動轉化為連桿機構運動的關鍵組件，執行器（即一體化關節）是機器人動作的核心動力單元，而電機則是執行器的核心部件，承擔著將電能轉化為機械能、為整體運動提供驅動力的作用。

人形機器人軀干的執行器包含兩種類型：旋轉執行器與線性執行器，二者的主要區別在于傳動機構形式 —— 前者通常搭配減速器，后者則采用行星滾柱絲杠。以特斯拉 Optimus 為例，其全身配備了 14 個線性執行器與 14 個旋轉執行器，通過協同運作實現精準靈活的運動控制。此外，機器人的靈巧手同樣需要電機提供驅動。

1.2 電機性能：人形機器人的核心影響要素

作為人形機器人的核心部件之一，電機的性能直接關系到機器人的運動能力、靈活性、穩定性與能效等多方面表現：

• 電機的峰值扭矩是機器人開展負重作業、執行復雜動作的動力基礎，支撐其實現重載操作、越障移動等功能；

• 電機的高扭矩密度通過 “輕量化 + 高效動力輸出” 的結合，既能大幅提升機器人的運動靈活性，又能降低能耗以延長續航時長；

• 電機的輸出精度與穩定性，是機器人實現平穩行走、精準操作、動態平衡的關鍵保障，從細微動作的精準控制到復雜場景下的姿態調整，都依賴電機的穩定動力響應。

1.3 人形機器人對電機的性能需求持續升級

當前，人形機器人對電機的核心性能需求正不斷提升。從宇樹 H1/G1、特斯拉 Optimus、智元靈犀 X1 等多款機型的關節核心參數可見：

• 動力輸出要求逐步提高：例如宇樹 H1 膝部關節電機的峰值扭矩已達 360N?M，為機器人的復雜動作與負重作業提供了有力支撐；

• 輕量化與能效優化訴求突出：宇樹 H1、智元靈犀 X1 的扭矩密度分別達到 189.5N?M/kg、156.3N?M/kg，體現出電機在控制自身重量的同時，需實現更高的動力輸出效率 —— 而電機效率將直接影響機器人的續航能力。

1.4 高性能關節：人形機器人規模化應用的基礎支撐

人形機器人高性能關節的 “高性能”，主要體現于動力輸出與運動控制兩個維度，其核心是仿生運動能力與工業級可靠性的融合，技術演進路徑可概括為：材料革命→結構集成→控制智能→系統仿生。伴隨 3D 打印、AI 算法及新型材料的技術突破，未來關節有望實現 300Nm/kg 的扭矩密度與 98% 的能效水平，這將為人形機器人從實驗室原型階段走向規模化實際應用奠定堅實基礎。

1.5 電機的本質：基于電磁感應的能量轉換核心部件

電機是依靠電磁感應原理運行的電氣設備，可實現機械能與電能之間的轉換，或是不同形式電能及信號之間的傳遞與轉換。這類設備種類繁多、結構多樣，通常可從兩方面分類：

• 按能量轉換 / 傳遞的功能及用途，可分為發電機、電動機、變壓器與控制電機；

• 按結構特點及電能類型，可分為變壓器與旋轉電機兩大類，其中旋轉電機具備相對旋轉的運動部件，可進一步細分為控制電動機、功率電動機與信號電機。而電機作為執行器的核心部件，正是通過這一能量轉換功能為機器人提供動力。

二、關節電機路徑解析

2.1 電機扭矩與旋轉的原理：磁場與電流的相互作用

電機的旋轉，是定子與轉子之間周期性排斥、吸引行為的體現，其效果由線圈匝數、磁通量等因素決定。當電流在線圈中流動時，電磁鐵與磁場之間會產生斥力或吸力，借助相同磁極的斥力與不同磁極的吸力，電機得以實現旋轉；隨后，通過控制定子上纏繞線圈的電流方向，依次切換定子磁場，即可驅動帶有永磁體的轉子持續轉動。而電動勢的大小，則由線圈匝數與磁通量變化量共同決定。

2.2 人形機器人性能突破的關鍵：功率與扭矩密度的提升

在人形機器人本體空間受限的約束下，提升電機的功率及扭矩密度，是增強整機性能與靈巧手抓握能力的重要路徑。根據 D2L 規則，扭矩的增加與電機疊片長度的增加成正比，或是與力矩臂直徑增加的平方成正比。電機的峰值扭矩性能直接決定了人形機器人的整體動態表現，而當前功率密度的不足則限制了靈巧手的抓握力上限。因此，在有限空間內進一步提升電機的功率與扭矩密度，已成為推動人形機器人整體性能進階的核心技術方向。

2.3 電機提升扭矩的常規思路 - 電負荷、磁負荷、轉矩線性度以及體積

傳統電機電磁轉矩表達式：Te = Ke【Di 2 Le 】 ABg η、cosΦ ∝【Di 2 Le】 ABg，其中：

? Te：電機扭矩

? Di：電機定子內徑

? Le：電機有效鐵芯長度

? A：電負荷

? Bg：磁負荷

? Ke、η、cosΦ：結構常數、效率、功率因數

2.4 高效電機：高性能關節的核心，聚焦三大維度

人形機器人電機的關鍵需求集中在三個維度：高效率、高動態與高功率密度，需從電機結構、工作原理等方向著手實現性能提升：

• 高效率：低能耗與低摩擦損失至關重要 —— 機器人通常由電池供電，需能適應苛刻運行條件，可頻繁進行正反向運轉、加減速操作，且能在短時間內承受過載；

• 高動態：整個驅動器（包含電機、機構、接線、傳感器、控制器）的慣性應盡可能低，以縮短電機從接收到指令信號到達到指令要求工作狀態的時長；

• 高功率密度：機器人應用需要高速、高扭矩的電機，同時要求電機具備小巧、緊湊、輕巧的特性。

2.5 軸向磁通電機：結構創新賦能高性能驅動

軸向磁通電機（又稱 “盤式電機”）是一種磁路路徑區別于傳統徑向電機的創新型電機，其氣隙為平面結構，氣隙磁場方向與電機軸線平行。與普通電機相比，它通過改變磁通方向與結構布局，將轉子設置于定子側面（而非包裹在定子內部），這一設計可顯著增大轉子直徑，進而帶來更高的轉矩密度與結構設計靈活性，成為新一代高性能驅動系統的重要發展方向。

2.5 軸向磁通電機的結構形式：多組合適配不同場景

軸向磁通電機可根據定子與轉子的組合方式，分為四種典型結構，不同配置在功率密度、受力特性及應用領域上各有優勢：

• 單定子 / 單轉子結構：由一個轉子與一個定子組成，結構簡單、體積緊湊，但存在單邊磁拉力大、軸承負荷高、振動噪音明顯及定轉子摩擦風險等問題，會影響電機壽命；

• 單定子 / 雙轉子結構：由一個內定子與兩個外轉子構成，功率密度較高，能在有限空間內輸出更大扭矩，適用于牽引系統、航空航天等對性能密度要求高的領域；

• 雙定子 / 單轉子結構：由一個內定子與兩個外轉子組成，結構對稱性好，可有效降低單邊磁拉力，常用于風力發電等需要穩定運行的系統；

• 多定子 / 多轉子結構：由多個定子與轉子疊加形成，能輸出極高轉矩，適合船舶推進、大型風力與水力發電機組等大功率場景。

2.5 軸向磁通電機：高轉矩與高功率密度的核心優勢

軸向磁通電機的轉矩與轉子直徑的立方成正比，而傳統徑向磁通電機的轉矩僅與轉子直徑的平方成正比 —— 因此在相同材料、轉速條件下，軸向磁通電機能獲得更高的轉矩輸出。功率密度與轉矩密度通過轉速關聯（公式為\(P = T × ω\)，即功率 = 轉矩 × 角速度），相同轉速下其功率輸出也更突出。整體來看，使用同等數量的永磁材料與銅線時，軸向磁通電機的轉矩可比徑向磁通電機提升 4 倍，展現出顯著的能量轉換效率優勢。

2.6 PCB 定子電機：輕量化、高效能與高可靠性的集成方案

PCB 定子電機采用無鐵芯設計，將銅線圈直接蝕刻在電路板上，相比傳統電機，其重量與尺寸可減少約 50%，實現了顯著的輕量化與小型化。以電動汽車電源系統為例，牽引逆變器的驅動電流通過 PCB 定子繞組產生軸向磁通量，驅動轉子旋轉以推動車輛前進。除體積重量優勢外，無鐵芯設計還能大幅減少定子磁滯、渦流損耗，提升能效與單位電力輸入的物理輸出；同時該設計消除了傳統電機中繞組、絕緣相關的潛在故障點，有效提高了電機整體可靠性，為輕量化、高性能驅動系統提供了創新方案。

2.7 諧波磁場電機：突破極對數限制，實現轉矩躍升

諧波磁場電機是基于磁場調制原理工作的新型電機，其勵磁與電樞單元的極對數不相等，需新增調制單元完成磁場極對數轉換，這一特殊電磁現象被稱為 “磁場調制效應”。在該效應作用下，諧波磁場電機的外特性與機械減速齒輪箱類似，轉矩會新增 “極比” 放大系數，因此能在相同材料選型、散熱條件下大幅提升電機轉矩密度，應用前景廣闊。

2.7 諧波磁場電機：工作原理為利用氣隙磁場諧波磁通產生感應電勢

2.8 超聲波電機：適配靈巧手的高特性驅動裝置

超聲波電機是利用壓電材料逆壓電效應制成的新型驅動器，由定子、轉子及施加預壓力的機構等部件構成。它通過將超聲頻交變電壓加在壓電陶瓷上，使定子表面產生超聲振動，再借助定子與轉子間的摩擦力驅動轉子運動。與電磁電機相比，超聲波電機具備多重特點：①低速高轉矩，無需減速裝置；②無減速齒輪，靜音性優異；③斷電時可保持扭矩；④不受磁影響、不產生電磁場；⑤小型輕量化，因此有望應用于機器人靈巧手。

2.8 超聲波電機：有較強物理柔韌性，易于實現體積非常薄的電機

2.9 氮化鎵（GaN）：優化電機控制與執行器性能的關鍵器件

氮化鎵（GaN）可從三方面提升電機性能：

• 更精準的控制：提高電機控制回路速度與 PWM 頻率（如 100kHz 開關頻率），實現更高分辨率的電機電流，讓波形更平滑、控制更精準；同時高分辨率電流波形可獲得更優正弦電流，提升效率并減少發熱。

• 減少開關損耗：GaN 器件的柵極、輸出電容更小，相比 Si-MOSFET 開關速度更快；關斷、開通時間縮短可壓縮死區時間，從而降低開關損耗。

• 縮小體積：GaN 的比電阻（裸片面積尺寸比）小于 MOSFET，相同\(R_{Dson}\)參數下，GaN 的裸片面積更小，有助于減小執行器體積。

2.10 扁平線繞組：賦能電機高功率、高效能與高可靠性

槽填扁平線繞組通過高槽填充率、優化熱管理與形狀設計，實現了更大功率、更高效率及更優耐熱耐壓性能：

• 高槽填充率：相同空間內可容納更多導體，槽填充率比傳統圓線高 20-30%，能增強磁場、提升電機功率。

• 更優熱管理：扁平線的形狀增加了導線間接觸面積，繞組熱導率可提升至低槽填充率的 150%，有效降低運行溫度、延長壽命。

• 高速高頻適應性：高速高頻操作下，扁平線寬高比可隨轉速優化，增大比表面積、減輕集膚效應，提升電機效率。

• 耐電壓與耐熱性：特殊繞制方法讓扁平線圈的耐壓、耐熱性能優于傳統圓線繞組，增強了電機可靠性與長期穩定性。

2.11 電機熱管理優化設計：強化定子與轉子的散熱能力

通過定子分段、轉子通風孔優化及導熱材料布局，電機散熱效率可顯著提升，減少渦流、磁滯損耗導致的熱量積聚：

• 定子鐵芯分段設計：將定子鐵芯沿軸向向徑向分割，段間留間隙或用低導熱材料，減少內部熱傳導路徑；間隙處可設冷卻通道或填充導熱材料，進一步強化散熱。

• 轉子通風孔優化：在轉子上設計不對稱或螺旋布置的通風孔，形成復雜氣流路徑，增加空氣與轉子的熱交換面積、延長停留時間，提升冷卻效率。

• 定子導熱設計：在定子齒軸向中心嵌入導熱材料，形成單向冷卻通道；既為繞組提供直接散熱路徑，又能間接冷卻轉子組件，增強整體熱管理能力。

2.12 新型材料：助力電機散熱技術升級

通過液冷通道、碳納米管導熱及相變材料吸熱，電機散熱效率顯著提升，可支撐高功率密度穩定運行：

• 液冷通道：①在定子支架、支撐桿內設計冷卻液流路，直接帶走定子鐵芯及線圈熱量；②用帶小孔的條形鋁板水通道容納繞組，既吸熱又傳遞熱量，同時實現密封。

• 碳納米管：利用其高導熱性，將其與定子繞組 / 轉子組件結合，可快速傳導熱量；例如在繞組絕緣層中添加碳納米管，兼顧絕緣與散熱。

• 相變材料：將其封裝于微膠囊中，添加至冷卻介質 / 結構內，溫度升高時吸收熱量實現熱緩沖；封裝設計可防止泄漏、腐蝕，保障電機安全運行。

三、靈巧手微型電機路徑解析

3.1 靈巧手：機器人核心的末端執行器

靈巧手的驅動原理為：電機與滾珠 / 滾柱絲杠外置在手臂中，電機通過減速器帶動滾珠絲杠，將電機軸的轉動轉化為絲杠螺母的平移運動；絲杠螺母拉動腱繩，腱繩另一端連接手指指骨，進而拉動手指繞關節軸旋轉。由于手腕運動（俯仰、側擺）會扭動腱繩，需在腱繩外嵌套硬質彈簧（類似自行車剎車線）保證張力穩定；但彈簧會增大摩擦力，因此在腱繩與彈簧間套入 Teflon 管，既提升傳動效率，又解決了長期摩擦的磨損問題。

3.2 特斯拉靈巧手電機：小型化與集成化的設計方向

特斯拉靈巧手的電機設計聚焦小型化、集成化，核心配置如下：

• 驅動裝置：采用空心杯電機作為驅動，該電機具備體積小、重量輕、響應速度快的特點，適配靈巧手的精密控制需求。

• 傳動裝置：采用繩驅結合蝸輪蝸桿的方式，既保證了傳動的平順性，又能實現足夠的力量傳遞與自鎖性能。

3.3 特斯拉靈巧手電機：小型化與集成化的設計升級

在特斯拉股東大會的視頻內容中，其手部執行器的設計與此前版本存在差異。我們認為，該手部執行器的總數為 17 個，可支撐 22 個自由度；同時手部采用了顏色編碼的肌鍵，這一設計是為解決組裝過程的復雜性而進行的優化改進。

3.4 靈巧手的主流電機方案：三類微型電機的應用

當前市場上，大部分靈巧手所采用的電機方案主要包含三類：空心杯電機、無刷有齒槽電機，以及微型無框電機。

3.5 空心杯電機：高功率密度與快速響應的特性

微型電機一般由定子、轉子（含鐵芯轉子與繞組）、電樞繞組、電刷、換向器等部件組成。而空心杯電機的轉子是直接用導線繞制而成，線圈通過連接板與換向器、主軸相連；從結構上看，它由外框架、沿外圍分布的驅動線圈、中間的空心轉子，以及附加的傳感器構成。

空心杯電機屬于直流永磁類的伺服控制電機，也可歸為微特電機。它在結構上突破了傳統電機的轉子形式，采用無鐵芯轉子 —— 這一設計徹底消除了鐵芯產生渦流帶來的電能損耗，同時大幅降低了電機重量與轉動慣量，減少了轉子自身的機械能損耗。

轉子結構的改變讓電機運轉特性得到大幅優化：不僅具備突出的節能特點，更擁有鐵芯電機無法企及的控制與拖動特性，作為高效率的能量轉換裝置，它在諸多領域代表了電動機的發展方向。

3.6 微型無框電機：集成化設計適配小空間散熱

微型無框電機是機器人末端執行器、關節等部件實現精準伺服驅動的理想方案。它的結構已精簡至僅保留核心組件（定子與轉子），舍棄了傳統電機的框架、軸承與軸。

得益于這種簡潔的結構，設計人員可將無框電機直接安裝在機器人關節或末端執行器組件上，以傳遞所需扭矩；同時它支持軸向長度的靈活調整，徑向尺寸也能根據關節腔定制，甚至可實現徑向安裝或中空貫通布局。這種靈活性讓工程師能夠主動 “創造關節”，而非被動地 “適配電機”，同時也便于在小空間內實現散熱。

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