102.85Nm/kg扭矩密度突破！无框力矩电机如何定义人形机器人关节性能极限

电子发烧友网报道（文/李弯弯）无框力矩电机是一种将传统电机的定子和转子分离设计、去除外壳和轴承的电机形式，具有高集成度、高扭矩密度和灵活安装的特点，广泛应用于机器人关节、航空航天、高端数控机床等领域。

无框力矩电机在人形机器人中主要应用于关节驱动，通过高扭矩密度、快速响应、轻量化与高灵活度等特性，成为提升机器人运动性能的核心部件。

无框力矩电机核心优势及创新设计

具体来看，无框力矩电机在人形机器人中的应用主要有两种形式：其一，无框力矩电机直接嵌入人形机器人的关节部位，提供高(gāo)扭(niǔ)矩(ju)输(shū)出(chū)和(hé)精(jīng)准(zhǔn)控(kòng)制(zhì)。例(lì)如(rú)，特(tè)斯(sī)拉(lā)的(de)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)Optimus在(zài)每(měi)个(gè)关节(jié)中(zhōng)均(jūn)使(shǐ)用(yòng)无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)，确(què)保(bǎo)复(fù)杂(zá)任(rèn)务(wu)的(de)高(gāo)效(xiào)执(zhí)行(xíng)。

其(qí)二(èr)，无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)可(kě)与(yǔ)谐(xié)波(bō)减(jiǎn)速(sù)器(qì)、编(biān)码(mǎ)器(qì)等(děng)部(bù)件(jiàn)集成(chéng)，形(xíng)成(chéng)一(yī)体(tǐ)化(huà)驱(qū)动(dòng)单(dān)元(yuán)，适(shì)用(yòng)于(yú)旋(xuán)转(zhuǎn)关节(jié)和(hé)线(xiàn)性(xìng)关节(jié)的(de)驱(qū)动(dòng)。例(lì)如(rú)，优(yōu)必(bì)选(xuǎn)的(de)人(rén)形(xíng)机器人Walker X在全身关节部位安装了36个自研的高性能伺服舵机，其中包含(hán)无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)。

对(duì)于(yú)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)来(lái)说(shuō)，无(wú)框力矩电机的优势很明显。如高扭矩密度：无框力矩电机通过优化磁路设计，在紧凑结构下实现高扭矩输出，满足人形机器人关节对大扭矩的需求；快速响应：电机从获得指令信号到完成工作状态的时间极短，适用于需要频繁启停、灵敏响应的人形机器人领域；轻量化与高灵活度：无框设计减少了电机的体积和重量，提升了机器人的运动灵活性和续航能力，同时，电机的定制化设计能力使其能够适应不同尺寸和形态的机器人关节；高精度控制：无框力矩电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，能够实现微米级定位和高效加工，提升机器人的运动平稳性和精度。

当然，无框力矩电机也存在技术壁垒，主要体现在磁路和工艺设计、制造工艺、定制化生产以及散热能力方面。为此也出现了很多创新设计思路，如磁路设计优化，通过分布式分数槽设计、碳纤维绑扎技术等创新工艺，无框力矩电机在有限空间内实现更高扭矩输出和能量转换效率。例如，德国TQ Robodrive采用20极18槽磁路布局，通过环氧灌封提升散热效率；美国科尔摩根则以12极39槽设计降低转矩脉动，确保运行平稳。

如散热技术突破，针对高功率密度下的温升问题，行业通过液冷方案、环氧灌封等创新散热技术实现持续扭矩输出能力提升30%以上。例如，无框电机采用无外壳设计使热量直接传导至宿主结构，配合液冷系统可有效控制温升，保障电机在高负载和长时间运行下的稳定性，延长使用寿命并降低故障率。

再如制造工艺升级，采用高精度机加工、分瓣绕线设计、多线并绕工艺等技术手段提升制造精度。例如，雷赛智能的FM1系列通过优化绕组槽满率，使转矩密度较同行高15%；卧龙电驱的绕组采用多线并绕工艺，减少铜损，效率达90%以上。

还有定制化与集成(chéng)化(huà)，支(zhī)持(chí)模(mó)块(kuài)化(huà)设(shè)计(jì)和(hé)异(yì)形(xíng)定(dìng)制(zhì)（如(rú)中(zhōng)空(kōng)轴(zhóu)设(shè)计(jì)），可(kě)适(shì)配(pèi)不(bù)同(tóng)关节(jié)尺(chǐ)寸(cùn)需(xū)求(qiú)。例(lì)如(rú)，特(tè)斯(sī)拉(lā)Optimus采用(yòng)28个(gè)定(dìng)制(zhì)化(huà)无(wú)框电机驱动关节，单机价值占比约15.4%；步(bù)科(kē)股(gǔ)份(fèn)提供外径覆盖52mm~132mm的10种框架尺寸，适配多场景需求。同时，电机与驱动器、编码器的一体化设计减少了信号干扰，提升了系统集成度。

全球无框力矩电机主要品牌及技术对比

从全球市场格局方面来看，无框力矩电机长期以来主要依赖国外厂商供应，不过近年来国产化进程正在积极推进。从全球范围来看，无框力矩电机市场主要的厂商有包括科尔摩根、TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。国内力矩电机厂商主要包括步科股份、昊志机电、雷赛智能、卧龙电驱等。

科尔摩根是全球最早研发出无框电机的企业。科尔摩根产品品类齐全，性能远超对手，其轻重量、高扭矩的特性更符合人形机器人的需求。例如TBM2G系列无框伺服电机，使用先进的绕组和材料消除了低速性能佳、高速性能受限的限制，可在整个速度范围内提供业界领先的功率、转矩和效率。该系列电机的尺寸与常用的谐波减速机高度适配，无需进行大规模定制，可根据机器人的预期用途，为每个机器人的每个关节实现尺寸/重量和扭矩的理想平衡。

Aerotech是美国一家在精密运动控制和自动化领域具有领导地位的企业，专注于设计和制造高性能的运动控制产品。其S系列电机采用无槽定子设计和高极数转子，提供零齿槽效应，从而实现卓越的速度稳定性。叠片不含槽，消除了产生速度扰动的扭矩波动和齿槽扭矩，非常适合直接驱动应用。S系列无槽电机涵盖广泛的扭矩和封装尺寸，连续扭矩范围从0.20 N·m到29.09 N·m，峰值扭矩范围从0.82 N·m到116.37 N·m。

步科股份是国内无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)龙(lóng)头(tóu)厂(chǎng)商(shāng)，公(gōng)司(sī)的(de)自(zì)动(dòng)化(huà)设(shè)备(bèi)控(kòng)制(zhì)核(hé)心(xīn)部(bù)件(jiàn)主要(yào)包(bāo)括(kuò)工(gōng)业(yè)人(rén)机(jī)界(jiè)面(miàn)、伺(cì)服(fú)系(xì)统(tǒng)、步(bù)进(jìn)系(xì)统(tǒng)、可(kě)编(biān)程(chéng)逻(luó)辑(ji)控(kòng)制(zhì)器(qì)、变(biàn)频(pín)器(qì)等。2022年新推出的(de)第(dì)三(sān)代(dài)无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机首创无框灌封工艺，提供型号完备的低压力矩电机解决方案，专为需求体积小、质量轻、惯量低、结构紧凑、功率高的应用场合而设计。2023年出货量约1.4万台，第三代无框电机对标国际领先产品，在高端人形机器人领域广泛应用。

昊志机电自2006年成立以来，以主轴产品为基础，逐步向转台、直线电机、机器人减速器等数控机床和工业机器人其他核心功能部件拓展。相关产品包括无框力矩电机、精密交流伺服电机、低压无刷伺服电机、防爆直流伺服电机、空心轴伺(cì)服(fú)电机等。

雷赛智能是运动控制领域国内领军企业，公司空心杯电机、FM1高密度无框电机系列产品，可应用于协作机器人、人形机器人领域。最新发布的FM1无框电机和微型驱动器主要针对人形机器人和协作机器人的关节部分，正在进入试产试销阶段。产品针对协作和人形机器人等行业的应用场景和用户痛点进行研发设计，提供25/38/50/60/70/85/115mm等七个标准的框架尺寸，还可以根据客户需求进行电机尺寸和电气参数的优化定制。同时，转矩密度比一般同行高出15%，功率密度比一般同行高出20%，最小电机重量为50g，25mm极小尺寸。

卧龙电驱作为工业电机领域的(de)龙(lóng)头(tóu)企(qǐ)业(yè)，积(jī)极(jí)布(bù)局(jú)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)核(hé)心(xīn)零(líng)部(bù)件(jiàn)赛(sài)道(dào)，已(yǐ)成(chéng)功(gōng)开(kāi)发(fā)高(gāo)爆(bào)发(fā)关节(jié)模(mó)组(zǔ)、伺(cì)服(fú)驱(qū)动(dòng)器(qì)、无(wú)框(kuāng)力矩电机等关键组(zǔ)部(bù)件(jiàn)。其中，无框力矩电机等核心产品深度依赖稀土永磁体材料，通过钕铁硼磁体产生的强磁场驱动运行。公司依托深厚的技术积累，创新采用优化磁路设计方案，并引入第三代钕铁硼高性能永磁材料，成功实现关节模组扭矩密度突破102.85 Nm/kg，显著提升了产品性能与市场竞争力。

写在最后

随着人形机器人市场的快速发展，无框力矩电机的需求量级显著提升。预计到2030年，全球人形机器人用无框力矩电机市场规模将达到23.97亿美元，叠加传统领域市场空间的平稳增长，总市场规模将达到33亿美元。当然在技术上无框力矩电机仍需持续创新，来满足人形机器人关节对高扭矩的需求，提升其续航能力，提升机器人运动的平稳性和精度，满足人形机器人对高精度动作控制的需求等。