2025年人工智能行业：人形机器人动力之源，电机应用要求与变革方向

电机是机器人动力源泉，性能高低至关重要

电机是人形机器人动力之源

执行器是机器人实现运动的核心部件，躯干按传动形式可分为旋转与线性两类。执行器（即一体化关节）是将电机的旋转运 动转化为连杆机构运动的关键组件，是机器人实现动作的核心动力单元。电机作为执行器的核心零部件，负责将电能转化为 机械能，为整体运动提供驱动力。人形机器人躯干中的执行器可分为两类：旋转执行器与线性执行器，主要区别在于其传动 机构形式——前者通常采用减速器，后者则采用行星滚柱丝杠。以特斯拉Optimus为例，其全身配置14个线性执行器与14 个旋转执行器，通过协同运作实现精确灵活的运动控制。此外，机器人灵巧手中同样需要电机进行驱动。

电机性能对人形机器人至关重要，是机器人核心部件

人形机器人对电机的核心性能需求正持续攀升。从宇树 H1/G1、特斯拉 Optimus、智元灵犀 X1 等多款人形机器 人关节的核心参数来看：一方面，动力输出要求逐步提高，例如宇树 H1 膝部关节电机的峰值扭矩已达 360N・M， 为机器人复杂动作与负重作业提供支撑；另一方面，轻量化与能效优化的诉求突出，宇树 H1、智元灵犀 X1 的扭 矩密度分别达到 189.5N・M/kg、156.3N・M/kg，体现出电机在控制自身重量的同时，需实现更高的动力输出 效率，电机的效率将直接影响机器人的续航能力。

高性能关节为人形机器人从实验室走向规模化应用奠定基础

人形机器人高性能关节的 “高性能” 主要体现在动力及控制。其核心是仿生运动能力与工业级可靠性的融合，技术演进路 径可概括为：材料革命→结构集成→控制智能→系统仿生。随着 3D 打印、AI 算法和新型材料的突破，未来关节有望实现 300Nm/kg扭矩密度和98%能效，为人形机器人从实验室走向规模化应用奠定基础。

电机是执行器核心部件，通过电磁感应原理实现能量转换

电机是通过电磁感应实现能量或信号转换的电气设备，可按功能或结构分为发电机、电动机等多种类型。电机是一种依靠电磁感应原理运行 的电气设备，用于实现机械能与电能之间的转换，或不同形式电能及信号之间的传递与转换。电机种类繁多、结构多样、性能各异，通常可 从以下两方面进行分类：① 按能量转换或传递的功能及用途，可分为发电机、电动机、变压器和控制电机；② 按结构特点及电源类型，可分 为变压器与旋转电机两大类。其中，旋转电机具有相对旋转的运动部件，可进一步细分为控制电动机、功率电动机及信号电机。

关节电机路径解析

电机扭矩和旋转的产生由磁场和电流之间的相互作用产生

电机旋转是定转子相互排斥/吸引的周期行为体现，由线圈匝数、磁通量等多因素决定。电流在线圈中流动时由磁体和磁场 之间产生的排斥／吸引，利用来自相同磁极的排斥力和不同磁极的吸引力来旋转电机。然后，通过控制定子上缠绕线圈的 电流方向，依次切换定子磁场，使转子（带永磁体）旋转。电动势大小由线圈匝数、磁通量变量决定。

人形机器人性能突破关键：功率/扭矩密度提升

在机器人本体空间有限的约束下，提升电机功率及扭矩密度，是增强整机性能与灵巧手抓握能力的重要途径。根据D²L规则， 转矩的增加与电机叠片长度的增加成正比，或者与力矩臂直径增加的平方成正比。电机峰值扭矩性能直接决定人形机器人的 整体动态表现，而当前功率密度不足则限制了灵巧手的抓取力上限。 因此，在有限空间内实现电机功率与扭矩密度的进一 步提升，已成为推动人形机器人整体性能进阶的主要技术方向。

轴向磁通电机：磁通量平行于轴线的电机，盘式结构带来性能优势

轴向磁通电机通过改变磁通方向与结构布局，使转子位于定子侧面，实现更高的功率密度与设计灵活性。轴向磁通电机 （又称“盘式电机”）是一种磁通路径区别于传统径向电机的创新型电机，其气隙为平面结构，气隙磁场方向与电机轴线 平行。与普通电机相比，轴向磁通电机在结构上最大的特点是转子位于定子的侧面，而非包覆于定子内部。此设计使转子 直径可显著增大，从而带来更高的转矩密度与结构设计灵活性，成为新一代高性能驱动系统的重要发展方向。

轴向磁通电机：拥有高转矩与高功率密度优势

轴向磁通电机因转矩与转子直径立方成正比，在相同材料与转速条件下可实现4倍扭矩提升。电机的能量输出主要以转矩衡 量，转矩定义为力 × 半径。对于轴向磁通电机，其转矩与转子直径的立方成正比，而传统径向磁通电机的转矩仅与转子直 径的平方成正比，因此在相同的受力条件下，轴向磁通电机能获得更高的转矩输出。功率密度与扭矩密度通过转速相联系， 公式为 P = T × ω（功率 = 转矩 × 角速度），即在相同转速下，轴向磁通电机可实现更高功率输出。总体来看，在使用相 同数量的永磁材料与铜线材料时，轴向磁通电机可较径向磁通电机实现4倍扭矩提升，展现出显著的能量转换效率优势。

灵巧手微型电机路径解析

灵巧手是机器人最重要的末端执行器

电机和滚珠/滚柱丝杠外置于手臂中，电机通过减速箱带动滚珠丝杠， 电机轴的转动被转化为丝杠螺母的平移运动，丝杠螺母拉动腱绳， 腱绳另一端连接到手指指骨上，拉动手指绕关节轴旋转。由于手腕 的俯仰和侧摆运动会扭动腱绳的位置和形状，为了消除手腕运动对 腱绳的影响，在腱绳外面套上硬质弹簧，类似自行车刹车线的原理。 当手腕运动时，硬质弹簧能保证腱绳中的张力不受影响。但弹簧的 引入又增大了腱绳受到的摩擦力，为了减小腱绳与弹簧之间的摩擦 力，在腱绳和弹簧之间套入Teflon管，既能提高传动效率，又解决 了腱绳与弹簧之间的长时间摩擦带来的磨损问题。

空心杯电机功率密度高、响应速度快

微型电机是由定子、转子(由铁芯转子和绕组构成)、电枢绕组、电刷、换向器等部件组成。空心杯电机的转子是直接采用导线绕制而成， 线圈通过连接板与换向器、主轴连接在一起；从结构上看，其是由外框架、沿外围分布的驱动线圈、中间的空心转子以及附加的传感器组成。 空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电机在结构上突破传统电机的转子结构形式，采用了无 铁芯转子，这种新颖的转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗；同时，空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少转子 自身的机械能损耗。由于转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法 达到的控制和拖动特性。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。

报告节选：

编辑：火腿肠