【四海读报】20251219：人形机器人动力之源，电机应用要求与变革方向

人形机器人动力之源，电机应用要求与变革方向

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1. 一段话总结

电机是人形机器人的核心动力源，直接决定其运动能力、灵活性与稳定性，当前主流采用无框力矩电机、空心杯电机，核心诉求聚焦功率/扭矩密度提升、轻量化、高精度控制；为适配紧凑结构，电机正通过结构革新（轴向磁通、PCB定子等）、原理创新（磁场调制）、热管理与控制升级（GaN驱动、液冷） 突破性能瓶颈，其中灵巧手以空心杯电机和微型无框电机为主，呈现小型化、集成化趋势；全球市场由科尔摩根、尼德科等海外龙头主导，国内卧龙电驱、鸣志电器等企业加速布局，随着人形机器人商业化落地，具备高功率密度与规模化能力的企业将持续受益。

2. 思维导图（mindmap）

3. 详细总结

一、电机的核心定位与性能要求

1. 核心作用

   • 电机是人形机器人动力转换枢纽，负责将电能转化为机械能，为执行器（旋转/线性）提供驱动力，特斯拉Optimus全身需28个执行器（14旋转+14线性），灵巧手需50个左右执行器。
   • 性能直接影响机器人运动能力、灵活性、稳定性和能效，是从实验室走向规模化应用的关键。

2. 核心性能诉求与关键参数

   • 核心诉求：高功率/扭矩密度、高动态响应、高效率、轻量化、高精度控制，需在有限空间内实现扭矩与响应速度提升。
   • 关键参数：宇树H1膝部电机峰值扭矩360N·M、扭矩密度189.5N·M/kg；智元灵犀X1膝关节扭矩密度156.3N·M/kg，体现轻量化与高动力的平衡。

3. 主流电机类型

   电机类型	结构特点	核心优势	典型应用
   无框力矩电机	仅含定子+转子，无外壳/轴承	空间利用率高、集成化强、便于散热	关节驱动、灵巧手
   空心杯电机	无铁芯转子，绕组呈杯状	低惯量、响应快、重量轻	灵巧手、精密控制
   轴向磁通电机	磁通平行于轴线，盘式结构	扭矩密度高（较径向提升4倍）、扁平化	躯干关节
   超声波电机	压电材料驱动，无电磁干扰	低速大扭矩、断电自锁	灵巧手潜在方案

二、电机性能突破的三大核心路径

1. 结构革新

   • 轴向磁通电机：磁通方向与轴线平行，转子直径可显著增大，转矩与转子直径立方成正比，相同材料下扭矩较径向磁通电机提升4倍，功率密度优势显著。
   • PCB定子电机：线圈蚀刻在电路板上，重量和尺寸减少50%，降低磁滞与涡流损耗，提升能效与可靠性。
   • 扁平线绕组：槽满率较传统圆线提升20-30%，磁场强度增强，导线接触面积大，散热效率提升150%。
   • 超声波电机：利用逆压电效应，具备低速大扭矩、静音、断电自锁特性，适配灵巧手精密控制。

2. 原理创新

   • 磁场调制技术（谐波磁场电机）：打破定转子极对数相等限制，通过调制单元实现磁场极对数转换，转矩新增“极比”放大系数，大幅提升转矩密度。

3. 控制与热管理升级

   • 控制升级：采用GaN（氮化镓）驱动，PWM控制频率达100kHz，减少电流纹波，提升控制精度，同时缩小驱动器体积。
   • 热管理优化：定子分段设计、转子通风孔优化，搭配液冷通道、碳纳米管导热、相变材料，解决高负载发热问题。

三、灵巧手微型电机专项解析

1. 驱动原理与方案

   • 传动机制：电机通过减速箱带动滚珠丝杠，拉动腱绳驱动手指运动，搭配Teflon管减少摩擦。
   • 主流方案：空心杯电机（无铁芯、低转动惯量，响应时间十几ms）、微型无框电机（分离式设计，可定制尺寸，同轴度误差<0.02mm）。

2. 发展趋势与价值量

   • 趋势：小型化、集成化，特斯拉灵巧手已发展至22自由度，采用颜色编码肌腱简化组装，电机与传动系统高度集成。
   • 价值量：按手部约50个微型电机、单价200元测算，特斯拉Optimus微型电机ASP约10000元。

四、市场格局与核心企业

1. 海外龙头

   企业名称	核心优势	关键产品/技术
   科尔摩根	无框电机领军，技术积淀深厚	TBM2G无框电机（转矩0.27-6.03Nm）
   尼德科	全球综合电机市占领先	第二代E-Axle电机（功率135kW，扭矩2400Nm）
   Maxon	微型电机高端市场	ECX系列（最高转速50000rpm）

2. 国内企业

   • 卧龙电驱：电机龙头，布局轴向磁通电机，获智元机器人战略投资，拥有混合冷却轴向磁通电机专利。
   • 鸣志电器：全球混合式步进电机和空心杯电机领先，2024年机器人领域无齿槽空心杯业务增长近200%。
   • 伟创电气：工控解决方案提供商，产品覆盖关节模组、灵巧手电机，2025H1毛利率37.8%。
   • 江苏雷利：微特电机领军，客户涵盖LG、戴森等，激光雷达电机、空调无刷电机量产。

五、风险提示

1. 电机新技术研发与产业化进程不及预期；
2. 人形机器人商业化落地速度低于预期；
3. 行业竞争加剧导致格局恶化；
4. 稀土永磁体等原材料价格波动风险。

4. 关键问题及答案

问题1：人形机器人对电机的核心性能诉求是什么？为满足诉求，电机主要有哪些技术突破路径？

• 答案：核心性能诉求聚焦高功率/扭矩密度、高动态响应、高效率、轻量化、高精度控制，需在紧凑结构内实现扭矩提升与快速响应，同时降低能耗以延长续航。技术突破路径主要有三类：①结构革新：轴向磁通电机（扭矩提升4倍）、PCB定子电机（减重50%）、扁平线绕组（槽满率+20-30%）等，优化空间利用率与功率输出；②原理创新：磁场调制技术打破定转子极对数限制，大幅提升转矩密度；③控制与热管理升级：采用GaN驱动实现100kHz高频PWM控制，搭配液冷、碳纳米管等散热方案，解决高负载发热问题。

问题2：人形机器人灵巧手的电机方案有何特点？特斯拉灵巧手的发展趋势是什么？

• 答案：灵巧手电机需适配精密控制与狭小空间，核心采用空心杯电机和微型无框电机：空心杯电机无铁芯转子，重量轻、转动惯量小，无齿槽效应，低速运行平滑，响应时间仅十几ms；微型无框电机精简为定子+转子，可直接集成到关节结构，同轴度误差低，散热效率优。特斯拉灵巧手呈现明确的小型化、集成化趋势：新一代设计支撑22个自由度，采用空心杯电机驱动，搭配绳驱与蜗轮蜗杆传动，通过颜色编码肌腱简化组装复杂度，电机与传动系统高度集成，实现精密控制与力量传递的平衡。

问题3：全球人形机器人电机市场格局如何？国内企业的核心竞争力与布局重点是什么？

• 答案：全球市场由海外龙头主导：科尔摩根是无框电机技术领导者，产品转矩覆盖0.27-6.03Nm；尼德科作为全球综合电机制造商，无刷电机销量全球领先；Maxon专注高端微型电机，应用于医疗、机器人等场景。国内企业加速追赶，核心竞争力集中在技术适配与规模化能力：布局重点包括①技术突破（卧龙电驱的轴向磁通电机专利、鸣志电器的空心杯电机技术）；②产品覆盖（伟创电气的关节模组、江苏雷利的多场景微特电机）；③生态合作（卧龙电驱与智元机器人战略合作），凭借本土化服务与成本优势，国内企业在中低端市场快速渗透，高端市场逐步突破。