人形機器人作為下一代通用智能硬件，正從實驗室走向商業(yè)化落地的關(guān)鍵階段，其在工業(yè)協(xié)作、家庭服務(wù)、特種作業(yè)等場景的應(yīng)用潛力持續(xù)釋放。然而，在緊湊的人體仿生結(jié)構(gòu)與高功率密度的運動需求下，熱管理已成為制約機器人性能、可靠性與量產(chǎn)化的核心瓶頸。

當(dāng)前人形機器人的能量轉(zhuǎn)換效率偏低，大量輸入能量以熱能形式耗散，尤其在電機 / 關(guān)節(jié)模組、電子器件、動力電池等核心環(huán)節(jié)，發(fā)熱問題直接導(dǎo)致部件壽命衰減、控制精度漂移，甚至引發(fā)安全風(fēng)險。以關(guān)節(jié)模組為例，定子繞組銅損（占比 40%-60%）、定子鐵芯鐵損（占比 20%-30%）等核心熱損耗，與體積、扭矩、散熱效率形成了復(fù)雜的參數(shù)博弈，而電池包在高倍率充放電下的熱失控風(fēng)險，更是商業(yè)化落地必須攻克的安全底線。

隨著優(yōu)必選、特斯拉 Optimus、Figure AI 等國內(nèi)外廠商加速推進原型機迭代與場景驗證，輕量化、高負(fù)載、長續(xù)航的產(chǎn)品訴求愈發(fā)強烈，對熱管理系統(tǒng)的集成度、能效比與可靠性提出了更嚴(yán)苛的要求。風(fēng)冷、液冷、芯片控制等技術(shù)路徑逐步從概念走向工程驗證，微型 MEMS 風(fēng)冷、油冷關(guān)節(jié)等創(chuàng)新方案開始適配人形機器人的特殊結(jié)構(gòu)，熱管理產(chǎn)業(yè)鏈也隨之迎來早期產(chǎn)業(yè)化機遇。

本報告聚焦人形機器人 “腕”（靈巧手關(guān)節(jié)）與 “踵”（下肢關(guān)節(jié)與電池包）等核心發(fā)熱場景，拆解關(guān)鍵熱損耗環(huán)節(jié)，梳理主流解決方案與技術(shù)演進方向，并挖掘產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)投資機會，為行業(yè)參與者與投資者提供商業(yè)化落地前夕的系統(tǒng)性參考。

一、人形機器人熱管理，從哪些環(huán)節(jié)開始？

1.1、引言：人形機器人熱管理的核心環(huán)節(jié)

人形機器人可分為機械部分與電氣部分：機械結(jié)構(gòu)（機體、傳動機構(gòu)等）通過耐高溫材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)耐熱隔熱；電氣部分（電子器件、電機、電池等）是對溫度敏感的核心模塊，也是當(dāng)前熱管理研究的重點方向。

• 電子器件：控制系統(tǒng)分布著控制器、電機驅(qū)動器、傳感器等元件，人形機器人需要高功率密度輸出，同時兼顧小尺寸與輕量化，以保障運動靈活性。

• 高度緊湊結(jié)構(gòu)：尤其在靈巧手關(guān)節(jié)腔體等場景，空間極端受限（腔體內(nèi)間隙可能不足 2mm），能量大量轉(zhuǎn)化為熱量并積聚在電機繞組、齒輪箱等狹小空間內(nèi)，天然存在散熱機制不足的問題。

• 電池：電池工作時會產(chǎn)生焦耳熱與化學(xué)反應(yīng)熱，溫度過高不僅會縮短電池壽命，還可能引發(fā)燃燒、爆炸等安全風(fēng)險。

1.2、核心痛點：人形機器人為何面臨散熱難題？

在相同功率水平下，人形機器人的能量轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)低于人類 ——約 90% 的能量會直接轉(zhuǎn)化為熱量，并積聚在電機繞組、齒輪箱、芯片等狹小空間內(nèi)，核心矛盾是散熱能力嚴(yán)重不足。

緊湊結(jié)構(gòu)限制：以靈巧手關(guān)節(jié)腔體為例，內(nèi)部間隙不足 2mm，傳統(tǒng) 5mm 離心風(fēng)扇無法安裝，常規(guī)風(fēng)冷方案難以落地。

效率低下引發(fā)連鎖問題：

• 熱密度失衡：芯片結(jié)溫急劇上升觸發(fā)熱降頻，驅(qū)動芯片導(dǎo)通電阻隨溫度升高呈正反饋增長，最終導(dǎo)致系統(tǒng)效率 “雪崩式” 下跌，觸發(fā)降頻保護。

• 電磁干擾失準(zhǔn)：高溫環(huán)境下信號傳輸穩(wěn)定性下降，操作體驗大幅降低。

• 持續(xù)運行能力弱：機器人無法維持高速狀態(tài)，頻繁進入保護模式，嚴(yán)重限制應(yīng)用場景拓展。

1.3、熱量來源：主要發(fā)熱模塊與損耗拆解

機器人關(guān)節(jié)電機（尤其人形 / 協(xié)作 / 工業(yè)機器人）面臨體積小、功率密度高、工況復(fù)雜的極端散熱挑戰(zhàn)，熱管理核心目標(biāo)是將繞組、永磁體溫度控制在安全閾值內(nèi)，抑制局部熱點，避免絕緣失效、永磁退磁與機械磨損加速。

• 系統(tǒng)級溫度限制：電機周邊器件（如減速機、反饋裝置、軸承）也存在溫度約束，例如若減速機最高耐受溫度為 65°C，且電機繞組溫度需比其高 15°C，則電機繞組最高溫度需限制在 80°C 以內(nèi)。

二、電機熱管理：針對主要發(fā)熱環(huán)節(jié)展開

電機熱損耗構(gòu)成

• 銅損熱：電流通過繞組電阻產(chǎn)生焦耳熱，是最主要的發(fā)熱源；高動態(tài)工況下，絲杠副等驅(qū)動器會加劇熱積聚，需在體積 - 扭矩 - 熱量三個核心參數(shù)間做權(quán)衡。

• 鐵損熱：定子鐵芯磁滯與渦流損耗，其中轉(zhuǎn)子渦流損耗是電磁損耗中對轉(zhuǎn)子溫升貢獻最大的部分，需從異步磁場源頭與傳播路徑進行抑制。

• 機械損耗：軸承、氣隙摩擦等產(chǎn)生的熱量。

• 其他熱源：電池充放電產(chǎn)熱、電子器件工作發(fā)熱、機械摩擦與磁阻損耗等。

2.1、電機熱管理：核心發(fā)熱環(huán)節(jié)與控制邏輯

電機熱管理是針對各發(fā)熱環(huán)節(jié)與部位的熱量精準(zhǔn)管控，核心發(fā)熱來源可分為三類：

• 銅損熱（電阻熱）：電流流經(jīng)電機繞組及內(nèi)部其他電氣連接處時產(chǎn)生焦耳熱，是電機最主要的發(fā)熱源，其大小與電機功率、電流強度、繞組電阻直接相關(guān)。

• 鐵損熱（摩擦 / 磁阻熱）：來自軸承、風(fēng)扇葉片與空氣的機械摩擦，以及轉(zhuǎn)子與定子間的磁阻損耗、磁場變化時鐵心中的渦流與磁滯損耗。

• 其他因素：還受散熱條件、電機運行環(huán)境等外部因素影響。

2.2、銅損熱：高動態(tài)工況下的挑戰(zhàn)與被動解決方案

1. 高動態(tài)工況下的熱積聚問題

在機器人高動態(tài)運動場景（如絲杠副驅(qū)動）中，銅損熱會引發(fā)顯著的熱積聚效應(yīng)：緊湊型模組結(jié)構(gòu)導(dǎo)致散熱面積不足，傳統(tǒng)自然對流散熱熱阻高，難以匹配高功率密度需求；溫度梯度引發(fā)的結(jié)構(gòu)熱變形呈非對稱特性，軸向熱伸長與徑向熱膨脹的差異會造成復(fù)雜的多自由度位姿誤差。因此，需要在電機體積 - 扭矩 - 熱量三個核心參數(shù)間做平衡。

2. 解決方案

• 結(jié)構(gòu)調(diào)整：開發(fā)高散熱結(jié)構(gòu)，提升傳熱效率；

• 材料改進：采用低熱膨脹合金制造絲杠，降低熱變形；

• 算法補償：通過實時溫度補償算法抑制溫漂誤差。

2.1.1 銅損熱：可采用被動方案 - 模塊結(jié)構(gòu)調(diào)整- 以本體電機為例

2.1.2 銅損熱：可采用被動方案 - 模塊結(jié)構(gòu)調(diào)整- 以靈巧手為例

主流靈巧手電機模組布局分為三類：

• 內(nèi)置式：電機與控制系統(tǒng)均置于手掌 / 手指 / 手腕；

• 外置式：驅(qū)動器與電氣系統(tǒng)全部布置于前臂；

• 混合布置式：大功率驅(qū)動器置于前臂，小功率驅(qū)動器置于手掌。

下一代 Tesla 靈巧手大概率采用混合布置式：通過 “手腕電機 + 掌內(nèi)電機” 組合，搭配腱繩驅(qū)動，將密集電機組集中在空間更充裕的手腕處，為手指內(nèi)部預(yù)留更多空間，從而緩解銅損熱積聚。

2.2、鐵損熱：主動散熱與轉(zhuǎn)子管理方案

2.2.1. 渦流損耗：轉(zhuǎn)子溫升的核心貢獻者

在高速永磁電機中，轉(zhuǎn)子鐵心磁場相對穩(wěn)定，磁滯與附加損耗占比小，轉(zhuǎn)子渦流損耗是電磁損耗中對轉(zhuǎn)子溫升影響最大的部分：

諧波磁場相對于轉(zhuǎn)子異步旋轉(zhuǎn)，會在轉(zhuǎn)子導(dǎo)電部件中感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生渦流，進而形成渦流損耗；

準(zhǔn)確計算渦流損耗是高效冷卻設(shè)計的前提，若計算值偏低，會導(dǎo)致實際運行中轉(zhuǎn)子過熱，引發(fā)安全隱患。

目前永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗解析計算模型已較成熟，代表性方法包括：考慮電樞反應(yīng)磁場的等效電流片法、考慮開槽和渦流反應(yīng)場的精確子域法、考慮飽和影響的電網(wǎng)絡(luò)模型法。

2.2.2. 渦流損耗抑制：從源頭與傳播路徑入手

• 產(chǎn)生源頭抑制：異步磁場分為空間諧波與時間諧波，抑制空間諧波可使氣隙磁場正弦化，抑制時間諧波可使繞組相電流正弦化，從根源減少渦流產(chǎn)生。

• 傳播路徑抑制：通過屏蔽層隔絕作用于轉(zhuǎn)子的異步磁場：

• • 低頻磁場：利用高導(dǎo)磁材料改變傳輸路徑實現(xiàn)屏蔽；

  • 高頻磁場：利用金屬導(dǎo)體中渦流產(chǎn)生的感生磁場抵消原磁場。

實際工程中，常從轉(zhuǎn)子護套入手：選用合適磁導(dǎo)率的材料（如鈦合金、鎳基合金、復(fù)合材料等非磁性護套），或在護套表面開槽 / 挖孔，切割金屬的渦流環(huán)路。

2.2.3. 風(fēng)磨損：高速轉(zhuǎn)子的流體摩擦熱

為追求更高功率密度，高速永磁電機轉(zhuǎn)子表面線速度不斷提升（可達(dá) 250m/s），氣隙（通常 1.0~2.0mm）內(nèi)流體切向速度需在極短距離內(nèi)從 200m/s 降至 0，形成極大速度梯度：氣隙中流體的湍流切應(yīng)力造成流動損失，以熱的形式作用于電機，尤其在轉(zhuǎn)子表面表現(xiàn)明顯；無軸向流動時，氣隙流體為泰勒 - 庫埃特流動，會產(chǎn)生泰勒渦；引入軸向冷卻流體后，泰勒渦會消失，且存在一個臨界軸向流速，可使轉(zhuǎn)子冷卻效果最優(yōu)。

2.2.4、典型應(yīng)用案例

兆威機電的電機通過 “1+N” 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、600MHz 主頻微驅(qū)控制器、微型電機電流采樣去諧波處理技術(shù)，解決了部分諧波電流影響，有利于實現(xiàn)力觸混合精準(zhǔn)控制，是鐵損熱主動管理的工程實踐。

2.3、鐵損熱主動方案：風(fēng)冷

風(fēng)冷是機器人場景中經(jīng)濟可靠的散熱方式，設(shè)計簡單、成本低、工質(zhì)易獲取，分為自然對流散熱與強迫風(fēng)冷兩類：

• 自然對流散熱：依靠流體密度差驅(qū)動，僅適用于熱流密度≤0.8 W/cm2 的器件；

• 強迫風(fēng)冷：空氣流動強勁，散熱效果可達(dá)自然散熱的 5~10 倍，是更主流的選擇。

• 局限性：受環(huán)境溫度影響大，提升風(fēng)速會增加系統(tǒng)噪音，因此需重點優(yōu)化風(fēng)機選型與風(fēng)道設(shè)計，通過合理散熱結(jié)構(gòu)減少風(fēng)扇數(shù)量，降低故障率與噪聲。

• 應(yīng)用現(xiàn)狀：高速永磁電機轉(zhuǎn)子散熱需通過對流換熱將熱量釋放到外界，因此常采用氣體（空氣、氦氣）作為冷卻介質(zhì)，讓低溫介質(zhì)流過轉(zhuǎn)子表面實現(xiàn)換熱。

典型案例：

• 優(yōu)必選關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)專利：通過簡化關(guān)節(jié)模組結(jié)構(gòu)、縮小體積，設(shè)置中空結(jié)構(gòu)并在殼體外壁安裝散熱風(fēng)扇，實現(xiàn)風(fēng)冷散熱；

110? 諧波減速器

120? 電機組件

包括：121? 無框電機、1211? 定子、1212? 轉(zhuǎn)子、122? 電機法蘭、1221? 限位件；

130? 編碼器磁環(huán)組件

包括：131? 第一磁環(huán)、132? 第二磁環(huán)、133? 第一磁環(huán)法蘭、134? 第二磁環(huán)法蘭；

140? 輸出法蘭

包括：141? 法蘭部、142? 直筒部；

軸承組件

包括：160? 第一軸承、161? 第二軸承、162? 第三軸承、163? 第一密封圈、164? 第二密封圈、165? 第三密封圈；

170? 殼體

包括：1701? 容置腔、1702? 散熱孔、171? 殼本體、172? 端蓋、173? 連接部；

180? 散熱裝置

散熱裝置180安裝于散熱孔1702處，以用于對電機121進行散熱。散熱裝置可以為散熱風(fēng)扇

1421-關(guān)節(jié)模組中部的中空結(jié)構(gòu)（走線）

• MEMS 風(fēng)扇在靈巧手的應(yīng)用：針對高熱流密度、小散熱面積場景，MEMS 風(fēng)扇尺寸極小，可直接貼裝在芯片、電機驅(qū)動器等核心發(fā)熱點，通過微射流實現(xiàn)定點高效冷卻，避免過熱降頻，釋放電機峰值性能。

2.4、鐵損熱主動方案：液冷

液體冷卻主要分為循環(huán)流動式、浸沒式、噴射式，其中浸沒式與噴射式為直接接觸型，更適配高功率密度電子器件散熱。

相較于風(fēng)冷，循環(huán)液冷需額外增加冷板、流體回路、泵和膨脹箱等設(shè)備，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但液體的導(dǎo)熱系數(shù)與熱容遠(yuǎn)高于氣體，因此可適配更高熱流密度的場景。

典型案例：新劍傳行動柱絲杠油冷方案

絲杠與行星滾柱、行星螺母間設(shè)置獨立油道與油孔，工作時輸入液壓油，在嚙合面形成靜壓油膜，既降低摩擦系數(shù)、減少磨損，又通過液壓油帶走熱量，減少熱變形；

液壓油經(jīng)回油通道循環(huán)，使絲杠、行星螺母與滾柱間實現(xiàn)液體摩擦，兼顧潤滑與散熱。

2.5、電機的芯片控制與熱管理

芯片層面可通過控制策略從源頭降低發(fā)熱，核心方向是減小驅(qū)動電流、實現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動：

傳統(tǒng)步進電機需較大驅(qū)動電流保證可靠性，導(dǎo)致功耗高、發(fā)熱嚴(yán)重；高性能步進電機控制芯片可實現(xiàn)無感閉環(huán)驅(qū)動，用更小電流維持高可靠運行，同時提升性能、擴大應(yīng)用范圍。

產(chǎn)業(yè)案例：峰岹科技

產(chǎn)品覆蓋電機主控芯片（MCU/ASIC）、驅(qū)動芯片（HVIC）、功率器件（MOSFET）等，其 BLDC 無刷直流電機驅(qū)動芯片已拓展至人形機器人領(lǐng)域，如 2025 年 11 月推出的 FU75xx 系列 MCU，可用于機器人關(guān)節(jié)、并聯(lián)機器人、靈巧手等場景；

公司在工業(yè)伺服領(lǐng)域前瞻性布局，積累了角度位置傳感、旋變解碼等核心技術(shù)，在研項目包括 “高性能伺服運動控制芯片關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)” 等；同時與三花控股成立合資公司（持股 35%），專注空心杯電機（無槽永磁交流電機）的研發(fā)與制造。

三、電池?zé)峁芾恚阂蕴厮估虵igure為例

3.1、人形機器人電池?zé)峁芾恚盒枨笈c技術(shù)路徑

人形機器人電池組是為復(fù)雜電氣與機械系統(tǒng)供電的專用儲能裝置，核心要求是可靠、高密度能源供給，同時保障安全性、長循環(huán)壽命，滿足電機、傳感器與機載電子的高電流需求。

目前行業(yè)在電池應(yīng)用上存在標(biāo)準(zhǔn)化 vs 性能溢價的取舍：LG Energy Solution（LGES）：推出面向機器人與無人機的圓柱電芯產(chǎn)品線，2170 圓柱電芯針對人形機器人做性能分級：H51：平衡能量密度、功率與重量；H52A：支持最高 8C 超高功率輸出，約 15 分鐘快充；M58：側(cè)重高能量密度，滿足長時續(xù)航。小鵬：2025 年 11 月發(fā)布人形機器人 IRON，采用全固態(tài)電池方案，重量降低 30%、電量提升 30%，計劃 2026 年底規(guī)模量產(chǎn)。

行業(yè)現(xiàn)狀：現(xiàn)有架構(gòu)普遍面臨散熱難題，導(dǎo)致性能受限、壽命縮短、維護成本增加，亟需優(yōu)化軀干或電池設(shè)計，解決大容量電池與計算單元帶來的散熱挑戰(zhàn)。

3.2、典型電池?zé)峁芾韺＠桨?/strong>

1. 特斯拉機器人電池散熱方案

特斯拉通過結(jié)構(gòu) + 風(fēng)扇 + 散熱片的組合實現(xiàn)高效散熱：

• 電池散熱結(jié)構(gòu)：能量存儲設(shè)備外殼內(nèi)包含隔層、電池單元、冷卻元件與電子元件，外殼與保護罩可集成散熱通道 / 材料（如散熱片、散熱器）。

• 風(fēng)扇散熱布局：在機器人頭部、軀干設(shè)置風(fēng)扇與通風(fēng)口，空氣從頂部后側(cè)、頭部后方排出；風(fēng)扇 / 通風(fēng)口可分布于軀干、外殼、能量存儲設(shè)備的多個位置，靈活組合。

• 導(dǎo)管冷卻路徑：計算機系統(tǒng)與能量存儲設(shè)備間形成導(dǎo)管路徑，風(fēng)扇推動氣流流經(jīng)散熱片與計算機散熱片，同時冷卻電池與計算設(shè)備，實現(xiàn)一體化熱管理。

• 系統(tǒng)熱管理：外殼采用高導(dǎo)熱材料（陶瓷、鋁、銅等），減少體積與組件數(shù)量；配套溫度監(jiān)控、保險裝置、電控元件等，保障安全與可靠性。

2. Figure AI 雙用途冷卻專利

Figure AI 在《Torso of a humanoid robot》專利中提出雙用途氣流冷卻方案：

通風(fēng)口布置在腰部下緣與手臂管下方，上軀干風(fēng)扇吸入新鮮空氣，經(jīng)散熱片與內(nèi)部元件換熱后，從下軀干 / 腰部排出，形成 “軀干入口→內(nèi)部→出口” 的氣流通道。

• 執(zhí)行任務(wù)時：氣流優(yōu)先冷卻 GPU/CPU 等計算裝置，無需冷卻電池；

• 充電時：氣流切換為冷卻電池，支持更大電流輸入，縮短充電時間。

• 優(yōu)勢：減輕重量、減少零件數(shù)量，同時覆蓋兩種核心場景的散熱需求。

? 如欲獲取完整版PDF文件，可以關(guān)注鈦祺汽車官網(wǎng)—>智庫，也可以添加鈦祺小助理微信，回復(fù)“報告名稱：人形機器人行業(yè)專題報告：“腕”與“踵”——商業(yè)化落地前夕，機器人的散熱瓶頸 ”。

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