人形机器人核心零部件——电机

电机：机器人的动力之源

最近几年，人形机器人成为科技领域的 “超级网红”，越来越多的企业投身到这一赛道，推动着人形机器人不断进化。从最初只能简单行走、执行基础指令，到如今能骑自行车、做早餐、演绎功夫，人形机器人正以惊人的速度 “拟人化”，它们的应用场景也在不断拓展，从工业制造到商业服务，从特种作业到家庭陪伴，处处都有它们的身影。

在人形机器人的发展历程中，核心零部件技术的突破起着关键作用。而电机，作为人形机器人的动力之源，堪称其 “心脏”，直接决定着机器人的性能表现。无论是机器人灵动的手部抓取动作，还是稳健的行走步伐，都离不开电机的精准驱动。 从价值量占比来看，电机在人形机器人核心零部件中的价值量占比高达 25%。可以说，电机技术的进步程度，很大程度上决定了人形机器人能走多远，能在多大程度上融入人类的生活与工作。 那么，电机究竟有哪些类型？它们各自具备怎样的特性，又是如何助力人形机器人实现各种复杂动作的呢？ 下面，就请大家跟着我一起深入探索人形机器人电机的奥秘。

电机的工作原理与分类

工作原理大揭秘

电机，本质上是依据电磁感应定律，实现电能与机械能相互转换的神奇装置 。当电流通过电机内的线圈时，会产生磁场，而这个磁场又会与电机内已有的磁场相互作用，从而产生电磁力，推动电机的转子开始旋转，实现电能到机械能的转化。就像家里的电风扇，接通电源后，电机开始工作，电能转化为机械能，带动扇叶高速转动，产生凉爽的风 ；洗衣机在洗衣过程中，电机驱动洗衣桶和波轮转动，实现衣物的清洗和脱水，这些都是电机在日常生活中的常见应用。

多样分类，各显神通

电机的分类方式多种多样，按照工作电源的不同，可分为直流电机和交流电机。直流电机使用直流电作为电源，它具有启动转矩大、调速性能好等特点，就如同一位灵活的舞者，能够精准地控制转速和转矩。在电动汽车、电动工具等领域，直流电机就发挥着重要作用，助力车辆平稳起步、工具高效运转。交流电机则以交流电为工作电源，根据相数不同又可细分为单相电机和三相电机。单相电机结构简单、成本较低，常见于各种家用电器，如冰箱、空调的压缩机等，默默地为家居生活提供便利；三相电机则凭借功率大、运行稳定的优势，广泛应用于工业领域，驱动着机床、泵、风机等大型机械设备，成为工业生产的 “动力担当”。

按照工作用途来划分，电机又可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机的主要职责是为各种机械设备提供动力，像工厂里自动化生产线的传送带，其动力来源就是驱动用电动机，它源源不断地输出动力，保障生产线的高效运行。控制用电动机则主要用于自动控制系统中，如步进电动机和伺服电动机。步进电动机能够将电脉冲信号精确地转换为角位移或线位移，每接收到一个脉冲信号，就会旋转一定的角度，如同一个精准的时钟，在数控机床、机器人等设备中，负责精确控制位置和速度；伺服电动机则如同一位反应敏捷的运动员，具备高精度、高响应速度和低惯性的特点，能够快速、准确地响应控制信号，常用于对控制精度和响应速度要求极高的自动化设备、航空航天等领域 。

人形机器人中的明星电机

空心杯电机：灵巧手的幕后英雄

在人形机器人的众多动作中，手部的操作无疑是最为精细和复杂的。从精准地抓取一支笔，到灵活地摆弄各种小物件，人形机器人的灵巧手宛如一双技艺精湛的 “人类之手”，而这背后的关键功臣，便是空心杯电机 。

空心杯电机是一种具有独特结构的直流永磁伺服微特电机，其最大的特点在于采用了无铁芯转子结构，电枢绕组为空心杯状线圈 。这种独特的结构设计，使其具备了诸多传统电机难以企及的优势 。首先是节能特性显著，由于没有铁芯，彻底消除了铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率大幅提高，最大效率可达 70% 以上，部分高端产品甚至能突破 90% 。以同样电量驱动，空心杯电机能让人形机器人的手部执行更多动作，工作时长更持久。其次，空心杯电机的控制特性极为灵敏，其起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于 28 毫秒，部分高性能产品更是能达到 10 毫秒以内 ，这意味着机器人手部能在瞬间对指令做出反应，实现快速、精准的动作。此外，空心杯电机运行稳定性极佳，转速波动极小，能轻松控制在 2% 以内 ，保证了机器人手部操作的平稳与精确，无论是轻柔地拿起一个鸡蛋，还是进行复杂的装配工作，都不在话下。 同时，与同等功率的铁芯电动机相比，空心杯电机重量、体积减轻 1/3 - 1/2 ，能量密度大幅提高，非常适合在空间有限的灵巧手关节中应用 。

目前，空心杯电机在人形机器人灵巧手中的应用已较为广泛，特斯拉的 Optimus 人形机器人便是采用空心杯电机作为灵巧手的动力源 。Optimus 的灵巧手拥有 11 个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，通过蜗杆传动机构和拉线的传动方式，实现了负重 20 磅（9KG）和自适应抓取的强大功能 ，能够完成搬运、浇花等多样化的任务，而这都离不开空心杯电机的高效驱动。 不过，空心杯电机的技术壁垒也较高。其工艺流程复杂，核心技术难点集中在线圈绕组 。一方面，空心杯线圈绕组的设计和加工难度大，需要精确控制线圈的形状、匝数、线径等参数，以确保电机的性能；另一方面，绕线设备也至关重要，高质量的绕线设备能够保证线圈绕制的精度和一致性 。目前，全球空心杯电机市场主要由海外企业主导，市场集中度较高 。德国的 Faulhaber、瑞士的 Maxon 等企业，凭借多年的技术积累和研发投入，掌握了先进的生产工艺和核心技术，在高端市场占据着主导地位 。不过，近年来，国内企业也在不断加大研发投入，积极追赶。鸣志电器在空心杯电机领域表现出色，其产品达到了国际先进水平，且具有明显的价格优势 。公司通过收购 T motion 拓展了空心杯电机业务，拥有成熟的北美销售渠道，具备空心杯电机模组定制化生产能力，有望在国内市场中率先突破，扩大市场份额 。江苏雷利的无刷空心杯电机已进入核心关键客户样品测试阶段，并自研自制绕线及绕线设备，建立了成本壁垒 ；伟创电气自研的空心杯电动机具备高转速、高扭矩和低噪音振动等优势，在国产替代的浪潮中也有望分得一杯羹 。随着人形机器人市场的快速发展，空心杯电机作为灵巧手的核心零部件，市场空间将不断扩大 。据相关机构预测，到 2028 年，全球空心杯电机市场规模有望达到 4.73 亿美元 ，其中人形机器人领域将成为重要的增长驱动力。

无框力矩电机：关节的强力引擎

除了灵巧手，人形机器人的关节运动同样离不开电机的驱动，而无框力矩电机则是目前人形机器人关节驱动的主流选择 。无框力矩电机是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机，它仅有转子和定子两个部件，没有传统电机的外壳和轴承 。这种简洁的结构设计，赋予了无框力矩电机诸多卓越的性能 。

首先，无框力矩电机体积小、功率高，能够在有限的空间内输出强大的动力 ，非常适合安装在人形机器人的关节部位，为关节运动提供充足的扭矩 。其次，它在低转速时就能输出大扭矩，能够轻松驱动机器人的关节完成各种动作 ，无论是快速行走、奔跑，还是进行力量较大的搬运工作，都能应对自如 。此外，无框力矩电机还具有高响应速度的特点，能够快速响应控制信号，实现关节的精准定位和运动控制 ，让人形机器人的动作更加流畅、自然 。同时，其结构紧凑，易于与机器人关节的其它部件集成，能够有效提高关节模组的集成度和可靠性 。

在人形机器人中，无框力矩电机被广泛应用于旋转关节和线性关节 。以特斯拉 Optimus 为例，其全身共有 28 个关节，每个关节都搭载了一个无框力矩电机作为动力源头 ，这些无框力矩电机协同工作，使得 Optimus 能够实现各种复杂的动作，如灵活的转身、弯腰、伸展等 。除了特斯拉，宇树、远征、小米、优必选等众多企业所生产的人形机器人，其关节单元也都采用了无框力矩电机 ，充分证明了无框力矩电机在人形机器人关节驱动中的重要地位 。

不过，无框力矩电机也存在一定的技术壁垒 。磁路和工艺设计是其主要的技术难点 。海外厂商起步较早，在工艺技术方面拥有先发优势 。例如，韩国 TM TECH 的转子采用整体充磁磁环技术，美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国 TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术 ，这些先进的技术使得他们的产品在转矩密度、性能稳定性等方面具有明显优势 。相比之下，国内企业起步较晚，在转矩密度和高端无框力矩电机产品上与国外仍存在一定差距 。此外，高端产品对充磁技术和电机制造工艺要求较高，无框力矩电机通常需要根据具体的机械设计尺寸来定制，对生产过程中的绕线机设备提出了特殊要求 。同时，在达到高功率密度时需要控制电机温升，对电机的散热设计也提出了挑战 。

在市场竞争格局方面，全球无框力矩电机市场主要由美国科尔摩根、德国威腾斯坦等国际知名企业主导 。科尔摩根作为全球无框力矩电机行业的龙头企业，其电机性能在全球处于第一梯队 ，凭借先进的技术和丰富的产品线，占据了较大的市场份额 。国内市场中，步科股份是无框力矩电机领域的佼佼者，作为专精特新 “小巨人” 企业，公司持续深耕机器人行业，已量产多款无框力矩电机产品 ，2023 年出货量约 1.4 万台，产品广泛应用于高端人形机器人领域 ，其技术与性能在国内处于领先地位，且已达到国际一流水平 。卧龙电驱的无框力矩电机和关节模组已与多家机器人客户送样测试，部分客户已形成小批量订单 ；昊志机电提供谐波减速器、无框力矩电机等产品，应用于数控机床和机器人领域 。此外，随着市场容量的扩大，伺服厂商如汇川技术、禾川科技、无锡信捷、雷赛等也纷纷布局无框电机市场 ，凭借自身在伺服电机领域的技术积累和市场优势，有望在无框力矩电机市场中分得一杯羹 。据 QYRearch 数据显示，2022 年全球无框力矩电机市场规模为 45 亿元，预计 2030 年将达到 224 亿元 ，其中人形机器人领域市场空间为 163 亿元 ，市场增长潜力巨大 。

电机技术的发展与挑战

技术突破，引领变革

近年来，电机技术取得了显著的突破，在效率、动态响应、功率密度等关键性能指标上实现了大幅提升 。在效率方面，新型材料和设计工艺的应用，有效降低了电机的能量损耗，提高了能量转换效率。例如，采用高性能永磁材料，能够增强电机的磁场强度，减少磁滞和涡流损耗，使电机在运行过程中更加节能高效 。在动态响应方面，先进的控制算法和驱动技术，大大缩短了电机的响应时间，使其能够更加快速、精准地响应控制信号 。像基于人工智能的自适应控制算法，能够根据机器人的实时运动状态和任务需求，自动调整电机的输出参数，实现更加灵活、智能的运动控制 。在功率密度上，通过优化电机的结构设计和制造工艺，在减小电机体积和重量的同时，大幅提高了其输出功率 。例如，采用一体化设计和先进的散热技术，有效解决了电机在高功率运行时的散热问题，使得电机能够在更小的空间内输出更大的功率 。这些技术突破，为人形机器人性能的提升提供了强大的支撑，使得机器人能够完成更加复杂、高难度的任务 。

前路漫漫，挑战重重

尽管电机技术取得了长足的进步，但在人形机器人应用领域，仍然面临着诸多技术难题 。发热问题是一个亟待解决的关键挑战 。人形机器人在执行任务时，电机需要频繁地启动、停止和变速，这会导致电机内部产生大量的热量 。如果热量不能及时散发出去，不仅会影响电机的性能和寿命，还可能导致机器人出现故障 。目前，虽然已经采用了一些散热措施，如风扇冷却、液冷等，但在高负载、长时间运行的情况下，散热效果仍然不尽如人意 。成本问题也是制约人形机器人发展的重要因素 。人形机器人对电机的性能要求极高，而高性能电机的研发和生产成本往往较高 。此外，由于人形机器人的应用场景复杂多样，对电机的定制化需求也很高，这进一步增加了生产成本 。以空心杯电机为例，其复杂的生产工艺和高精度的制造要求，使得其价格相对昂贵，限制了其在人形机器人领域的大规模应用 。定制化生产也是人形机器人电机面临的一大挑战 。不同的人形机器人在结构、功能和应用场景上存在差异，这就需要电机厂商能够根据客户的需求，提供个性化的电机解决方案 。然而，定制化生产不仅要求电机厂商具备强大的研发能力和技术实力，还需要投入大量的时间和成本进行设计、测试和生产，这对许多企业来说是一个巨大的挑战 。

在国际市场上，国外企业在电机技术研发和生产方面起步较早，积累了丰富的技术经验和专利，在高端电机市场占据着主导地位 。相比之下，国内企业虽然在近年来加大了研发投入，取得了一定的技术突破，但在核心技术、产品性能和质量稳定性等方面，与国外企业仍存在一定的差距 。不过，随着国内机器人产业的快速发展和政策的大力支持，国内电机企业正积极追赶，通过技术创新、人才引进和产业合作等方式，不断提升自身的竞争力 。相信在不久的将来，国内企业有望在人形机器人电机领域实现更大的突破，缩小与国外企业的差距，为我国人形机器人产业的发展提供有力的支撑 。

电机市场的未来展望

市场潜力，无限可期

随着人形机器人市场的蓬勃发展，电机作为其核心零部件，市场需求也将迎来爆发式增长 。据相关机构预测，2024 - 2035 年，全球人形机器人市场规模将以 53.15% 的复合增速高速增长 。到 2035 年，市场规模有望突破 3000 亿元 。按照人形机器人平均每个关节使用 1 - 2 个电机来计算，当人形机器人市场大规模放量时，电机的市场需求将呈现指数级增长 。以 2035 年 3000 亿元的人形机器人市场规模为例，假设电机在人形机器人成本中占比 25%，那么电机市场规模将达到 750 亿元 ，市场潜力巨大 。 除了市场规模的增长，电机在人形机器人领域的应用场景也将不断拓展 。未来，随着人形机器人在工业制造、医疗护理、家庭服务、教育娱乐等领域的广泛应用，不同场景对电机的性能和功能将提出更加多样化的需求 。例如，在医疗护理场景中，需要电机具备更高的精度和稳定性，以确保机器人能够精准地完成手术辅助、康复护理等任务 ；在家庭服务场景中，电机则需要更加安静、节能，以适应家庭环境的使用需求 。这将促使电机厂商不断加大研发投入，推出更多高性能、定制化的电机产品，进一步推动电机市场的发展 。

投资机遇，暗藏其中

人形机器人电机领域的快速发展，也为投资者带来了丰富的机遇 。从产业链角度来看，电机产业链上游的原材料供应商、中游的电机制造企业以及下游的人形机器人整机厂商，都具有较高的投资价值 。 在上游原材料领域，永磁体、钢铁、铜等是电机生产的重要原材料 。随着电机市场需求的增长，这些原材料的需求也将同步上升 。特别是高性能永磁材料，作为提高电机效率和性能的关键材料，其市场需求将尤为突出 。投资于掌握先进永磁材料技术和生产工艺的企业，有望在人形机器人电机产业发展中获得丰厚回报 。 在中游电机制造环节，具有核心技术和创新能力的企业将占据市场主导地位 。像鸣志电器、步科股份等在空心杯电机和无框力矩电机领域具有技术优势的企业，通过不断研发新产品、拓展市场份额，展现出了强大的增长潜力 。这些企业不仅能够满足人形机器人对电机高性能、小型化、轻量化的要求，还具备较强的成本控制能力，在市场竞争中具有明显优势 。投资于这些企业，能够分享人形机器人电机市场快速增长带来的红利 。 下游人形机器人整机厂商的发展，也将对电机市场产生重要影响 。随着特斯拉、华为、小米等科技巨头纷纷布局人形机器人领域，市场竞争日益激烈 。这些企业对电机等核心零部件的质量和性能要求极高，与优质电机供应商建立长期稳定的合作关系，将有助于提升产品竞争力 。因此，投资于与头部人形机器人整机厂商紧密合作的电机企业，也是一个不错的选择 。 此外，人形机器人电机领域的技术创新和产业升级，也将催生一系列投资机会 。例如，随着人工智能、物联网等技术与电机技术的深度融合，智能电机、电机控制系统等领域将迎来新的发展机遇 。投资于这些具有前瞻性技术布局的企业，有望在未来的市场竞争中获得先机 。 人形机器人电机市场前景广阔，投资机遇众多 。无论是关注产业链上下游的投资机会，还是聚焦技术创新和产业升级带来的新机遇，投资者都可以在这个充满活力的领域中找到适合自己的投资方向 。不过，投资有风险，决策需谨慎 。在投资之前，建议投资者充分了解行业动态和企业基本面，做出理性的投资决策 。

总结：电机，开启人形机器人新时代

电机，作为人形机器人的 “心脏”，在人形机器人的发展进程中扮演着举足轻重的角色 。从空心杯电机助力灵巧手实现精细操作，到无框力矩电机驱动关节完成复杂动作，不同类型的电机以其独特的性能优势，为人形机器人的发展注入了强大动力 。

尽管当前电机技术在人形机器人应用中仍面临发热、成本、定制化等诸多挑战，但随着技术的不断突破和创新，这些难题有望逐步得到解决 。未来，随着人形机器人市场的爆发式增长，电机市场也将迎来前所未有的发展机遇 。无论是在工业制造、医疗护理，还是家庭服务、教育娱乐等领域，人形机器人电机都将大显身手，为人们的生活和工作带来更多的便利和惊喜 。

让我们共同期待电机技术的进一步突破，见证人形机器人在电机的驱动下，开启一个全新的时代 。如果你对人形机器人电机感兴趣，欢迎在评论区留言分享你的看法，也别忘了点赞、转发，让更多的人了解人形机器人电机的魅力 ！