电机产品种类及选型分析

电机品种繁多。

一、电机产品种类繁多，性能特点各异

电机品种繁多，普遍有两种分类方式：按照控制方式可以分为伺服电机、步进电机 和力矩电机等；按照驱动方式分为直流电机和交流电机，其中交流电机按照转子和 定子转动是否同步可以分为同步电机和异步电机（感应电机）。

伺服电机和步进电机：主要区别为控制方式、控制精度、速度响应和过载能力。伺 服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，一般采用闭环/半闭环控制， 编码器和反馈机制保证高控制精度和高低速的流畅切换，广泛应用于半导体、光伏、 锂电、工业机器人等精密控制环节。步进电机可以将脉冲信号直接转化为角动量且步距角恒定，一般为开环控制，精度弱于伺服，但结构简单成本低，广泛应用于工业 自动化、办公自动化、家用电器等领域。

直流无刷和有刷电机：无刷电机以电子换向器（霍尔元件等）替代电刷。直流电机 相对于交流电机有良好的启动和调速特征，且转矩较大，在机器人等场景应用广泛； 其中无刷电机由于不采用机械电刷装置优势更为明显，包括无电刷火花，高效率、 低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性等。 交流同步和异步电机：依据定子和转子磁场转速是否同步而划分。异步电机的工作 原理是“电磁感应”，定子旋转变化的磁场在转子中感应出电流，此电流在磁场中受 力，带动转子转动，电机转子与定子磁场存在转速差，所以称之为异步电机，异步电 机结构简单，维护方便，运行可靠价格便宜，应用于传送带等工业传动场景较多。同 步电机的转子产生恒定磁场，而定子产生旋转磁场，转子磁场和定子磁场通过 “互 锁”而同步运行，效率、精度更高且更易控制，广泛应用于风扇等恒速负载领域。

二、电机选型需要考虑驱动模式、关节类型等

1. 确定驱动模式：电动、液压或者气动

机器人的驱动方式包括电动、液压和气动。电动驱动能够进行更为灵活、精准、方 便的运动控制，但不易进行重负载活动，核心部件为电机，广泛用于大部分机器人 公司；液压驱动更为高效且可以做到无极调节，驱动强劲，出力大但不灵活，适用于 弹跳和重负载活动，核心部件为液压缸、液压阀等，代表企业为波士顿动力；气动驱 动使用压缩空气发挥作用，节能方便但精度低，适于在中、小负荷的机器人中，主要 用于拣选、装载等仓储任务，核心部件为气缸等，代表企业为费斯托。

2. 关节选型：刚性、柔性或者准直驱

机器人关节驱动方式可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动等不同模式。 （1）刚性驱动：起步于1971年，元件和负载刚性连接，结构简单、精准度高，曾在 全球首台三维双足机器人应用；刚性关节是最为传统的双足机器人关节，优点是控 制框架稳定、扭矩密度高，缺点是输出转速低。 （2）弹性驱动：起步于1995年，在驱动元件和负载之间增加了弹性单元来模拟肌肉 系统功能，使关节表现出一定的柔性、安全和高能量效率特性，并增加容错性；弹性 关节的优点在于可以抵抗外部冲击、储能节能，但因为机构复杂，控制较难，应用较少。 （3）准直驱驱动：起步于2016年，依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力 矩传感器,就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，最理想的是电机直接驱动,但 受限于电机工艺和技术,电机直驱驱动器的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因 此，折中采用电机加低传动比减速器的方案；准直驱关节一般由高扭矩密度电机、 低传动比减速器、编码器和控制板等组成，具有功率密度高、力控带宽大、抗冲击 能力强、爆发力强等优点，但控制机制较为复杂，目前主要用于四足机器人。

电机的基本参数包括转动惯量、扭矩、功率等，细长、扁平电机功能特性不同。惯 量为刚性物体绕轴运动的惯性量度，相当于线性力学中的质量，决定电机的反应速 度；扭矩提供角加速使物体绕定轴旋转，相当于线性力学中的力；功率由扭矩、速度 两个维度决定。相同质量、定子/转子截面厚度情况下，扭矩和转子半径正相关，因 此细长电机半径小、转矩小、惯量小、响应快、转速快，扁平电机半径大、转矩大、 惯量大、响应慢、转速小。 关节架构影响电机选择，刚性驱动偏好高转速的细长电机，而准直驱关节则偏好大 扭矩的扁平电机。相同输出功率下，刚性驱动搭配高转速电机+高减速比减速器能实 现较高的扭矩密度，输出力矩大；准直驱驱动搭配大扭矩电机+低减速比减速器能实 现更优的功率密度，即更强的爆发力。

3. 电机选择：直流电机占比最高，伺服电机增速最快

电机的选型需要做到与机器人关节的充分适配，需要综合考虑机器人关节的尺寸功 率比、负载大小、精准性、可靠性、资源消耗等多维因素。 机器人所用电机主要包括交流、直流、伺服和步进电机。根据Skyquest数据，分电 机类型看，全球机器人电机占比最高的为直流电机，凭借其紧凑的尺寸和高效率高 扭矩的能力广泛应用于工业、协作、服务机器人领域；增速最快的为伺服电机，主要 系数控机床、工业自动化等行业对高精度和精密控制的机器人系统的需求不断增加 所致。