當前，人形機器人正加速從實驗室原型邁向規(guī)?；涞仉A段，其運動能力、靈活性、穩(wěn)定性與能效等核心表現(xiàn)，高度依賴于動力系統(tǒng)的核心部件 —— 電機。作為電能向機械能轉(zhuǎn)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(yīng)用潛力：從特斯拉 Optimus、宇樹 H1/G1 等主流機型的關(guān)節(jié)核心參數(shù)可見，行業(yè)對電機的動力輸出強度、能效優(yōu)化的訴求已愈發(fā)突出，高性能電機已成為關(guān)節(jié)迭代、支撐人形機器人從實驗室走向?qū)嵱脠鼍暗年P(guān)鍵基礎(chǔ)。

而人形機器人結(jié)構(gòu)緊湊的特性，又對電機提出了 “有限空間內(nèi)性能升級” 的嚴苛要求：依據(jù)電機轉(zhuǎn)矩公式，在不增加體積的前提下提升轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度，需從電負荷、磁負荷及轉(zhuǎn)矩線性度等維度突破，這倒逼行業(yè)聚焦結(jié)構(gòu)、原理、材料與控制的多維度創(chuàng)新 —— 軸向磁通電機、PCB 定子電機等結(jié)構(gòu)革新，諧波磁場技術(shù)等原理突破，以及液冷通道、GaN 驅(qū)動等熱管理與控制系統(tǒng)升級，均已成為當前的研發(fā)核心方向。

與此同時，人形機器人的靈巧手等精細執(zhí)行部件，進一步推高了微型電機的應(yīng)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(qū)動的核心方案，也凸顯出微型電機領(lǐng)域的技術(shù)壁壘與創(chuàng)新必要性。

在此背景下，厘清人形機器人對電機的核心應(yīng)用要求、梳理其技術(shù)變革路徑，既是支撐人形機器人規(guī)?；涞氐年P(guān)鍵前提，也為電機行業(yè)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(yīng)用要求與變革方向” 的核心出發(fā)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(zhí)行器是機器人完成運動的核心部件，其軀干處的執(zhí)行器按傳動形式可分為旋轉(zhuǎn)型與線性型兩類。作為將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為連桿機構(gòu)運動的關(guān)鍵組件，執(zhí)行器（即一體化關(guān)節(jié)）是機器人動作的核心動力單元，而電機則是執(zhí)行器的核心部件，承擔著將電能轉(zhuǎn)化為機械能、為整體運動提供驅(qū)動力的作用。

人形機器人軀干的執(zhí)行器包含兩種類型：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器與線性執(zhí)行器，二者的主要區(qū)別在于傳動機構(gòu)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(zhí)行器與 14 個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，通過協(xié)同運作實現(xiàn)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(qū)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(guān)系到機器人的運動能力、靈活性、穩(wěn)定性與能效等多方面表現(xiàn)：

• 電機的峰值扭矩是機器人開展負重作業(yè)、執(zhí)行復雜動作的動力基礎(chǔ)，支撐其實現(xiàn)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(jié)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(xù)航時長；

• 電機的輸出精度與穩(wěn)定性，是機器人實現(xiàn)平穩(wěn)行走、精準操作、動態(tài)平衡的關(guān)鍵保障，從細微動作的精準控制到復雜場景下的姿態(tài)調(diào)整，都依賴電機的穩(wěn)定動力響應(yīng)。

1.3 人形機器人對電機的性能需求持續(xù)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(guān)節(jié)核心參數(shù)可見：

• 動力輸出要求逐步提高：例如宇樹 H1 膝部關(guān)節(jié)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(yè)提供了有力支撐；

• 輕量化與能效優(yōu)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(xiàn)出電機在控制自身重量的同時，需實現(xiàn)更高的動力輸出效率 —— 而電機效率將直接影響機器人的續(xù)航能力。

1.4 高性能關(guān)節(jié)：人形機器人規(guī)模化應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐

人形機器人高性能關(guān)節(jié)的 “高性能”，主要體現(xiàn)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(yè)級可靠性的融合，技術(shù)演進路徑可概括為：材料革命→結(jié)構(gòu)集成→控制智能→系統(tǒng)仿生。伴隨 3D 打印、AI 算法及新型材料的技術(shù)突破，未來關(guān)節(jié)有望實現(xiàn) 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(guī)?；瘜嶋H應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

1.5 電機的本質(zhì)：基于電磁感應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換核心部件

電機是依靠電磁感應(yīng)原理運行的電氣設(shè)備，可實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，或是不同形式電能及信號之間的傳遞與轉(zhuǎn)換。這類設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣，通?？蓮膬煞矫娣诸悾?/p>

• 按能量轉(zhuǎn)換 / 傳遞的功能及用途，可分為發(fā)電機、電動機、變壓器與控制電機；

• 按結(jié)構(gòu)特點及電能類型，可分為變壓器與旋轉(zhuǎn)電機兩大類，其中旋轉(zhuǎn)電機具備相對旋轉(zhuǎn)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(zhí)行器的核心部件，正是通過這一能量轉(zhuǎn)換功能為機器人提供動力。

二、關(guān)節(jié)電機路徑解析

2.1 電機扭矩與旋轉(zhuǎn)的原理：磁場與電流的相互作用

電機的旋轉(zhuǎn)，是定子與轉(zhuǎn)子之間周期性排斥、吸引行為的體現(xiàn)，其效果由線圈匝數(shù)、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(chǎn)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(xiàn)旋轉(zhuǎn)；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(qū)動帶有永磁體的轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動。而電動勢的大小，則由線圈匝數(shù)與磁通量變化量共同決定。

2.2 人形機器人性能突破的關(guān)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(jù) D2L 規(guī)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(tài)表現(xiàn)，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(nèi)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(shù)方向。

2.3 電機提升扭矩的常規(guī)思路 - 電負荷、磁負荷、轉(zhuǎn)矩線性度以及體積

傳統(tǒng)電機電磁轉(zhuǎn)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(nèi)徑

? Le：電機有效鐵芯長度

? A：電負荷

? Bg：磁負荷

? Ke、η、cosΦ：結(jié)構(gòu)常數(shù)、效率、功率因數(shù)

2.4 高效電機：高性能關(guān)節(jié)的核心，聚焦三大維度

人形機器人電機的關(guān)鍵需求集中在三個維度：高效率、高動態(tài)與高功率密度，需從電機結(jié)構(gòu)、工作原理等方向著手實現(xiàn)性能提升：

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

• 高動態(tài)：整個驅(qū)動器（包含電機、機構(gòu)、接線、傳感器、控制器）的慣性應(yīng)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(tài)的時長；

• 高功率密度：機器人應(yīng)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新賦能高性能驅(qū)動

軸向磁通電機（又稱 “盤式電機”）是一種磁路路徑區(qū)別于傳統(tǒng)徑向電機的創(chuàng)新型電機，其氣隙為平面結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)布局，將轉(zhuǎn)子設(shè)置于定子側(cè)面（而非包裹在定子內(nèi)部），這一設(shè)計可顯著增大轉(zhuǎn)子直徑，進而帶來更高的轉(zhuǎn)矩密度與結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性，成為新一代高性能驅(qū)動系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

2.5 軸向磁通電機的結(jié)構(gòu)形式：多組合適配不同場景

軸向磁通電機可根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子的組合方式，分為四種典型結(jié)構(gòu)，不同配置在功率密度、受力特性及應(yīng)用領(lǐng)域上各有優(yōu)勢：

• 單定子 / 單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由一個轉(zhuǎn)子與一個定子組成，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子摩擦風險等問題，會影響電機壽命；

• 單定子 / 雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由一個內(nèi)定子與兩個外轉(zhuǎn)子構(gòu)成，功率密度較高，能在有限空間內(nèi)輸出更大扭矩，適用于牽引系統(tǒng)、航空航天等對性能密度要求高的領(lǐng)域；

• 雙定子 / 單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由一個內(nèi)定子與兩個外轉(zhuǎn)子組成，結(jié)構(gòu)對稱性好，可有效降低單邊磁拉力，常用于風力發(fā)電等需要穩(wěn)定運行的系統(tǒng)；

• 多定子 / 多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：由多個定子與轉(zhuǎn)子疊加形成，能輸出極高轉(zhuǎn)矩，適合船舶推進、大型風力與水力發(fā)電機組等大功率場景。

2.5 軸向磁通電機：高轉(zhuǎn)矩與高功率密度的核心優(yōu)勢

軸向磁通電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子直徑的立方成正比，而傳統(tǒng)徑向磁通電機的轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)子直徑的平方成正比 —— 因此在相同材料、轉(zhuǎn)速條件下，軸向磁通電機能獲得更高的轉(zhuǎn)矩輸出。功率密度與轉(zhuǎn)矩密度通過轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)（公式為\(P = T × ω\)，即功率 = 轉(zhuǎn)矩 × 角速度），相同轉(zhuǎn)速下其功率輸出也更突出。整體來看，使用同等數(shù)量的永磁材料與銅線時，軸向磁通電機的轉(zhuǎn)矩可比徑向磁通電機提升 4 倍，展現(xiàn)出顯著的能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)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(shè)計，將銅線圈直接蝕刻在電路板上，相比傳統(tǒng)電機，其重量與尺寸可減少約 50%，實現(xiàn)了顯著的輕量化與小型化。以電動汽車電源系統(tǒng)為例，牽引逆變器的驅(qū)動電流通過 PCB 定子繞組產(chǎn)生軸向磁通量，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以推動車輛前進。除體積重量優(yōu)勢外，無鐵芯設(shè)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(shè)計消除了傳統(tǒng)電機中繞組、絕緣相關(guān)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(qū)動系統(tǒng)提供了創(chuàng)新方案。

2.7 諧波磁場電機：突破極對數(shù)限制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩躍升

諧波磁場電機是基于磁場調(diào)制原理工作的新型電機，其勵磁與電樞單元的極對數(shù)不相等，需新增調(diào)制單元完成磁場極對數(shù)轉(zhuǎn)換，這一特殊電磁現(xiàn)象被稱為 “磁場調(diào)制效應(yīng)”。在該效應(yīng)作用下，諧波磁場電機的外特性與機械減速齒輪箱類似，轉(zhuǎn)矩會新增 “極比” 放大系數(shù)，因此能在相同材料選型、散熱條件下大幅提升電機轉(zhuǎn)矩密度，應(yīng)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(chǎn)生感應(yīng)電勢

2.8 超聲波電機：適配靈巧手的高特性驅(qū)動裝置

超聲波電機是利用壓電材料逆壓電效應(yīng)制成的新型驅(qū)動器，由定子、轉(zhuǎn)子及施加預(yù)壓力的機構(gòu)等部件構(gòu)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(chǎn)生超聲振動，再借助定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，無需減速裝置；②無減速齒輪，靜音性優(yōu)異；③斷電時可保持扭矩；④不受磁影響、不產(chǎn)生電磁場；⑤小型輕量化，因此有望應(yīng)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(xiàn)體積非常薄的電機

2.9 氮化鎵（GaN）：優(yōu)化電機控制與執(zhí)行器性能的關(guān)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(guān)頻率），實現(xiàn)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(yōu)正弦電流，提升效率并減少發(fā)熱。

• 減少開關(guān)損耗：GaN 器件的柵極、輸出電容更小，相比 Si-MOSFET 開關(guān)速度更快；關(guān)斷、開通時間縮短可壓縮死區(qū)時間，從而降低開關(guān)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(shù)下，GaN 的裸片面積更小，有助于減小執(zhí)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(yōu)化熱管理與形狀設(shè)計，實現(xiàn)了更大功率、更高效率及更優(yōu)耐熱耐壓性能：

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

• 更優(yōu)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(yīng)性：高速高頻操作下，扁平線寬高比可隨轉(zhuǎn)速優(yōu)化，增大比表面積、減輕集膚效應(yīng)，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(yōu)于傳統(tǒng)圓線繞組，增強了電機可靠性與長期穩(wěn)定性。

2.11 電機熱管理優(yōu)化設(shè)計：強化定子與轉(zhuǎn)子的散熱能力

通過定子分段、轉(zhuǎn)子通風孔優(yōu)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(shè)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(nèi)部熱傳導路徑；間隙處可設(shè)冷卻通道或填充導熱材料，進一步強化散熱。

• 轉(zhuǎn)子通風孔優(yōu)化：在轉(zhuǎn)子上設(shè)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(zhuǎn)子的熱交換面積、延長停留時間，提升冷卻效率。

• 定子導熱設(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(wěn)定運行：

• 液冷通道：①在定子支架、支撐桿內(nèi)設(shè)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(xiàn)密封。

• 碳納米管：利用其高導熱性，將其與定子繞組 / 轉(zhuǎn)子組件結(jié)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(zhì) / 結(jié)構(gòu)內(nèi)，溫度升高時吸收熱量實現(xiàn)熱緩沖；封裝設(shè)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(zhí)行器

靈巧手的驅(qū)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(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)。由于手腕運動（俯仰、側(cè)擺）會扭動腱繩，需在腱繩外嵌套硬質(zhì)彈簧（類似自行車剎車線）保證張力穩(wěn)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(shè)計方向

特斯拉靈巧手的電機設(shè)計聚焦小型化、集成化，核心配置如下：

• 驅(qū)動裝置：采用空心杯電機作為驅(qū)動，該電機具備體積小、重量輕、響應(yīng)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(qū)結(jié)合蝸輪蝸桿的方式，既保證了傳動的平順性，又能實現(xiàn)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(shè)計升級

在特斯拉股東大會的視頻內(nèi)容中，其手部執(zhí)行器的設(shè)計與此前版本存在差異。我們認為，該手部執(zhí)行器的總數(shù)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(shè)計是為解決組裝過程的復雜性而進行的優(yōu)化改進。

3.4 靈巧手的主流電機方案：三類微型電機的應(yīng)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(yīng)的特性

微型電機一般由定子、轉(zhuǎn)子（含鐵芯轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上看，它由外框架、沿外圍分布的驅(qū)動線圈、中間的空心轉(zhuǎn)子，以及附加的傳感器構(gòu)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(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子形式，采用無鐵芯轉(zhuǎn)子 —— 這一設(shè)計徹底消除了鐵芯產(chǎn)生渦流帶來的電能損耗，同時大幅降低了電機重量與轉(zhuǎn)動慣量，減少了轉(zhuǎn)子自身的機械能損耗。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改變讓電機運轉(zhuǎn)特性得到大幅優(yōu)化：不僅具備突出的節(jié)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(zhuǎn)換裝置，它在諸多領(lǐng)域代表了電動機的發(fā)展方向。

3.6 微型無框電機：集成化設(shè)計適配小空間散熱

微型無框電機是機器人末端執(zhí)行器、關(guān)節(jié)等部件實現(xiàn)精準伺服驅(qū)動的理想方案。它的結(jié)構(gòu)已精簡至僅保留核心組件（定子與轉(zhuǎn)子），舍棄了傳統(tǒng)電機的框架、軸承與軸。

得益于這種簡潔的結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可將無框電機直接安裝在機器人關(guān)節(jié)或末端執(zhí)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(diào)整，徑向尺寸也能根據(jù)關(guān)節(jié)腔定制，甚至可實現(xiàn)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(chuàng)造關(guān)節(jié)”，而非被動地 “適配電機”，同時也便于在小空間內(nèi)實現(xiàn)散熱。

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