人形機(jī)器人的通用要求推動(dòng)電機(jī)向高扭矩密度、快速響應(yīng)、小型輕量及智能集成的方向飛速發(fā)展。如今，具身智能正從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正從功能單一的智能移動(dòng)機(jī)器人，邁向能夠適應(yīng)人類環(huán)境的通用人形機(jī)器人。這一跨越對(duì)電機(jī)提出了前所未有的高標(biāo)準(zhǔn)要求，電機(jī)的性能邊界，正在定義人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的上限。

Optimus-Gen2 來源：特斯拉

關(guān)節(jié)在低速工況下需輸出較大力矩，要求電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)能夠維持高轉(zhuǎn)矩輸出；在與環(huán)境進(jìn)行物理交互的過程中，關(guān)節(jié)需在短時(shí)間內(nèi)輸出大力矩，因此要求電機(jī)具備較強(qiáng)的短時(shí)過載能力、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；同時(shí)，關(guān)節(jié)需頻繁啟停、加減速及往復(fù)旋轉(zhuǎn)，要求電機(jī)擁有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，且控制特性連續(xù)平滑。這些特殊要求，也決定了當(dāng)前人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的主流技術(shù)路線選擇。

無框力矩電機(jī)

無框力矩電機(jī)憑借中空設(shè)計(jì)與高集成特性，成為目前人形機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的主流選擇。該電機(jī)摒棄了傳統(tǒng)電機(jī)的外殼與軸承，僅由轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)核心部件構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、航空航天等高端領(lǐng)域。其轉(zhuǎn)子為內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件組成，可直接安裝在機(jī)器軸上；定子作為外部部件，包含有齒鋼疊片，外部包裹著能產(chǎn)生電磁力的銅繞組，可緊湊嵌入機(jī)器外殼主體。

無框力矩電機(jī)來源：科爾摩根

無框力矩電機(jī)的核心優(yōu)勢的使其成為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)的理想選擇。

其一，體積小巧，中空設(shè)計(jì)最大限度壓縮了電機(jī)占用空間，同時(shí)便于走線布置，適配機(jī)器人關(guān)節(jié)的緊湊安裝需求；

其二，動(dòng)力強(qiáng)勁，在低轉(zhuǎn)速場景下能輸出較大扭矩，滿足關(guān)節(jié)低速大力矩的作業(yè)要求；

其三，穩(wěn)定性高，電機(jī)組件直接整合到機(jī)器元件內(nèi)部，可有效抵御外界高壓、高溫、輻射等惡劣環(huán)境影響；

其四，響應(yīng)迅速，從接收指令到完成工作狀態(tài)的切換時(shí)間極短，能完美匹配關(guān)節(jié)頻繁加減速、往復(fù)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)需求。

軸向磁通電機(jī)

軸向磁通電機(jī)則以獨(dú)特的盤式結(jié)構(gòu)，為機(jī)器人大關(guān)節(jié)提供瞬時(shí)爆發(fā)力，成為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的重要補(bǔ)充。國外自20世紀(jì)40年代啟動(dòng)研究，70年代實(shí)現(xiàn)交直流機(jī)型突破，80年代后借助電力電子技術(shù)與高磁能積永磁材料實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。國內(nèi)研究起步較晚，20世紀(jì)90年代起高校與企業(yè)才逐步開展相關(guān)研究，目前仍處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用。

與傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)的核心差異在于磁場方向與結(jié)構(gòu)布局。其磁場方向與旋轉(zhuǎn)軸平行，定子與轉(zhuǎn)子像三明治一樣平行排列，氣隙呈圓盤狀；而徑向磁通電機(jī)磁場與旋轉(zhuǎn)軸垂直，定子轉(zhuǎn)子為內(nèi)外套裝布局，氣隙呈圓柱狀。

得益于結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，軸向磁通電機(jī)具備三大核心亮點(diǎn)：

高扭矩密度：軸向磁通電機(jī)的扭矩輸出與外徑三次方成正比，而徑向電機(jī)的扭矩輸出則與外徑平方及疊厚尺寸成正比，因此軸向磁通永磁電機(jī)可以提供的扭矩密度比徑向電機(jī)更高。

高功率密度：由于整個(gè)電機(jī)的磁場有效氣隙面積增大，轉(zhuǎn)子在工作時(shí)的有效力臂更大，使得軸向磁通電機(jī)具有更高的功率密度。同時(shí)，軸向電機(jī)磁通路徑比徑向磁通路徑更短，從而使相同功率下的電機(jī)體積更小，功率密度更高。

高效率：軸向磁通電機(jī)的峰值效率普遍可達(dá)97%-98%，較徑向電機(jī)高出2-3個(gè)百分點(diǎn)。

軸向磁通電機(jī)（左）與徑向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸圖對(duì)比來源：奔馳官網(wǎng)

盡管優(yōu)勢顯著，軸向磁通電機(jī)目前仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，面臨諸多量產(chǎn)難題：電磁計(jì)算需采用三維模型，精度要求極高；定子轉(zhuǎn)子制造工藝復(fù)雜，硅鋼片軸向排列需單獨(dú)模具沖壓，且需嚴(yán)格控制公差以保證平行度與氣隙均勻；定子被轉(zhuǎn)子包裹導(dǎo)致散熱困難，需依賴新型散熱技術(shù)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，繞線等工藝的自動(dòng)化設(shè)備尚不成熟；同時(shí)對(duì)材料要求苛刻，需使用高強(qiáng)度、不導(dǎo)磁不導(dǎo)電的復(fù)合材料。這些因素也導(dǎo)致其量產(chǎn)成本高于徑向電機(jī)，且盤式結(jié)構(gòu)使其在直線關(guān)節(jié)中無應(yīng)用優(yōu)勢。

諧波磁場電機(jī)

諧波磁場電機(jī)是基于新結(jié)構(gòu)和新原理工作的磁場調(diào)制電機(jī)，與傳統(tǒng)電機(jī)的工作原理不同在于其電樞與勵(lì)磁磁場要經(jīng)過磁場調(diào)制單元的調(diào)制后才能相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)電機(jī)普遍具有勵(lì)磁和電樞兩個(gè)功能單元，且兩個(gè)功能單元的極對(duì)數(shù)相同，諧波磁場電機(jī)利用氣隙磁導(dǎo)諧波的調(diào)制效應(yīng)，使勵(lì)磁單元和電樞單元的極對(duì)數(shù)不再相等，并在兩者之間增設(shè)調(diào)制單元，從而實(shí)現(xiàn)類似機(jī)械齒輪箱的扭矩放大倍數(shù)。目前，國內(nèi)企業(yè)的諧波磁場電機(jī)技術(shù)已取得顯著進(jìn)展并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，相關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入量產(chǎn)爬坡周期，開始應(yīng)用于人形機(jī)器人等領(lǐng)域。

來源：《磁場調(diào)制電機(jī)的由來、發(fā)展與挑戰(zhàn)》（曲榮海等）

諧波磁場電機(jī)的核心優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)矩密度提升與拓?fù)湓O(shè)計(jì)靈活。通過磁場調(diào)制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩極數(shù)倍增，在相同材料與散熱條件下，可顯著提升轉(zhuǎn)矩密度；同時(shí)打破了傳統(tǒng)電機(jī)勵(lì)磁與電樞極對(duì)數(shù)相等的限制，實(shí)現(xiàn)低速高轉(zhuǎn)矩特性，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自由度高，可設(shè)計(jì)多種調(diào)制型式。此外，該電機(jī)還具備輕量化、材料耗用少、功率密度高、可降低軸電流等優(yōu)勢，且控制方法與傳統(tǒng)電機(jī)一致，可適配現(xiàn)有應(yīng)用場景，同時(shí)輕量化帶來的材料投入減少，也有助于優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)。不過，其特殊磁路設(shè)計(jì)也帶來了制造精度與裝配復(fù)雜度高的問題，形成了較高的制造壁壘。

無框力矩電機(jī)、軸向磁通電機(jī)、諧波磁場電機(jī)三大技術(shù)路線各有側(cè)重、優(yōu)勢互補(bǔ)。無框力矩電機(jī)憑借高集成、小體積、快響應(yīng)的特點(diǎn)，成為當(dāng)前關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的主流；軸向磁通電機(jī)以高扭矩、高功率密度，適配大關(guān)節(jié)瞬時(shí)爆發(fā)力需求；諧波磁場電機(jī)則作為技術(shù)迭代方向，有望在轉(zhuǎn)矩密度與成本優(yōu)化上實(shí)現(xiàn)新突破。隨著材料技術(shù)、制造工藝與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)節(jié)電機(jī)將朝著更高效、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，為人形機(jī)器人走向規(guī)模化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力基礎(chǔ)。

參考來源:

各企業(yè)官網(wǎng)

曲榮海.磁場調(diào)制電機(jī)的由來、發(fā)展與挑戰(zhàn)

華泰證券《機(jī)器人電機(jī)：受益技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)化》

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無框力矩電機(jī)