一文熟悉人形机器人的“心脏”：控制电机

作者 | 楚欣

出品 | 焉知

圈子 | 加微yanzhi-2020，进人形机器人社群

电机是依据电磁感应定律将电能转换为机械能的装置，主要由定子、转子及其他附件组成。电机利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩，从而为多种机械提供动力，按应用领域分为驱动/动力电机和控制电机。动力电机输出功率大，驱动性能好，常应用于汽车、家电等领域；控制电机控制精度高、响应速度快，常在控制系统中承担执行、检测和解算功能。

控制电机分为步进电机、伺服电机、力矩电机：

1、步进电机：结构简单，成本较低，但效率和控制精度相对较低。步进电机将脉冲信号直接转化为角动量，步距角恒定，通常用于开环控制系统，如办公自动化、通信设备、印刷设备等领域。

2、伺服电机：相较于步进电机，伺服电机具有更高的控制精度和响应速度。它采用闭环或半闭环控制方式，配备编码器和反馈机制，确保高控制精度和流畅的速度响应。伺服电机广泛应用于需要精密控制的场合，如半导体、光伏、锂电、工业机器人等。空心杯电机属于特殊的伺服电机。

3、力矩电机：力矩电机是一种特殊类型的电机，它以扭矩为控制方向，能够在电机低速甚至堵转时仍能提供稳定的力矩给负载。力矩电机通常用于对扭矩有特定要求的应用，如机器人关节驱动。具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快等优点，分为有框力矩电机和无框力矩电机。

无框力矩电机：机器人关节电机

特斯拉 Optimus 躯干包括 28 个关节执行器，分为旋转与线性两大类，每类包含 3 种执行器。其中：

• 旋转关节执行器由定制的永磁电机（无框力矩电机）+角接触球轴承+谐波减速器+交叉滚子轴承+力矩传感器+位置传感器（双编）+驱动器+机械离合器+关节 CNC 件组成，用来实现类似人体关节的旋转运动。

• 线性关节执行器由永磁电机（无框力矩电机）+球轴承+四点角接触轴承+反向式行星滚柱丝杠+力传感器+位置传感器（单编）+驱动器+关节 CNC 件组成，用来实现类似人体肌肉的拉伸运动。

特斯拉人形机器人关节结构,来源:Tesla AI Day 2022

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，由驱动器供电，驱动器控制 U/V/W 三相电形成电磁场，永磁体的转子在磁场的作用下转动。无框力矩电机没有轴、轴承、外壳或端盖，只有转子和定子两个部件。转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，包含有齿钢叠片，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主体内。

无框力矩电机图，来源：科尔摩根微信公众号

1、为什么关节电机使用无框力矩电机？

人形机器人关节是机器人各个零部件之间发生相对运动的机构，是机器人结构中重要的组成部分，要求电机体积小、扭矩大、响应快。相对于普通电机，无框力矩电机具有体积小、扭矩高、极端环境性能稳定等优势，更符合人形机器人的需求。

1.1 高扭矩密度：无框力矩电机能够在较小的体积内提供较大的扭矩，这对于机器人关节来说非常重要，因为它们需要在有限的空间内实现高效的运动。

1.2 结构紧凑：无框力矩电机的设计去除了传统的电机外壳，使得电机更加轻巧，节省空间，这对于设计精密且空间受限的机器人关节尤为关键。

1.3 高效率：无框力矩电机通常具有较高的效率，这意味着它们可以更有效地转换电能为机械能，减少能量损耗。

1.4 直接驱动：无框力矩电机可以实现直接驱动（直驱），即电机轴直接与机器人关节相连，无需通过传动机构，这样可以减少机械传动的复杂性和可能的传动损失。

1.5 高响应速度：由于无框力矩电机的高扭矩密度和紧凑的尺寸，它们可以实现快速的动态响应，这对于需要快速和精确动作的机器人关节来说至关重要。

1.6 集成性：无框力矩电机易于与机器人关节的其它部件（如减速器、编码器、制动器等）集成，形成高度一体化的执行单元。

2、无框力矩电机的技术壁垒

无框力矩电机的技术壁垒主要集中在以下几个方面：

2.1 磁路和工艺设计：无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率，其技术壁垒主要在于磁路和工艺设计。优化定子和转子上的槽和极的布局，以产生更强大的扭矩，是技术提升的关键。

海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势，例如韩国 TM TECH 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。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相比存在差距。

2.2 制造工艺：高端产品对充磁技术和电机制造工艺要求较高，包括使用先进充磁技术和电机制造工艺来提升机器人驱动电机的转矩密度和过载能力。

2.3 定制化生产：无框力矩电机通常需要根据具体的机械设计尺寸来定制，这对生产过程中的绕线机设备提出了特殊要求。

2.4 散热能力：在达到高功率密度时需要控制电机温升，这对电机的散热设计提出了挑战。

3、典型企业

无框力矩电机主要应用于机器人领域，国外无框力矩电机制造商如Kollmorgen、TQ Robodrive等在技术上较为领先，拥有先进的磁路设计和制造工艺。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。

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空心杯电机：电机皇冠上的明珠

特斯拉Optimus单只灵巧手主要由 6 个空心杯关节（空心杯驱动器/执行器）驱动，大拇指三个自由度，相比其余手指多了一个内收外展的自由度，由两个执行器驱动，其余手指均为两个自由度，分别由一个执行器驱动。空心杯关节由空心杯电机+多级行星减速器+蜗轮蜗杆+位置传感器（双编）+驱动器+金属腱绳构成。

特斯拉 Optimus 灵巧手关节结构，来源：特斯拉 2022 年 AI DAY，2023 年第二代 Optimus 人形机器人展示视频

空心杯电机属于伺服电机，不同于普通铁芯电机将电机绕组固定在铁芯之上，空心杯电机绕组不依靠铁芯支撑，而是利用特殊工艺将电机绕组做成可以独立支撑的杯状。由于采用无铁芯转子结构，空心杯电机消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时，其重量和转动惯量大幅降低，减少了转子自身的机械能损耗，大幅提高了电机的运转性能。

普通铁芯电机与空心杯电机对比，来源：Maxon 官网,《空心杯线圈绕线机控制系统设计》

1、为什么灵巧手使用空心杯电机？

在机器人领域，灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机尺寸较小，直径一般不超过 40mm，同时还具有转速高、响应快、精度高等优势，非常适合灵巧手执行精细和复杂的动作。

1.1 紧凑的设计：空心杯电机体积小、重量轻，特别适合用于空间受限的机器人灵巧手。

1.2 高扭矩密度：空心杯电机能够在较小的体积内提供相对较大的扭矩，这对于灵巧手进行精细操作和抓握是必要的。

1.3 快速响应：由于其结构简单，空心杯电机可以快速响应控制信号，这对于需要快速和精确反应的灵巧手应用至关重要。

1.4 力矩平滑：空心杯电机能够提供平滑的力矩输出，有助于实现机器人灵巧手的精确控制。

1.5 无铁芯设计：空心杯电机通常采用无铁芯设计，这有助于减少磁通的损耗，提高电机效率。

1.6 低惯性：空心杯电机的低惯性特性使得机器人灵巧手能够快速改变运动方向，提高动作的灵活性。

1.7 集成性：空心杯电机可以方便地集成到机器人灵巧手的机械结构中，简化了整体设计。

1.8 直接驱动：空心杯电机可以实现直接驱动，无需通过传动机构，这样可以减少能量损失和提高控制精度。

2、空心杯电机的技术壁垒

空心杯电机的技术壁垒主要集中在以下几个方面：

2.1 绕线工艺：空心杯电机的绕线工艺是其核心技术壁垒之一。线圈的绕制过程直接影响电机的体积、转速、功率密度和良率等性能。无铁芯的自支撑绕组由漆包线制成，在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆融化在一起，形成坚固的绕组结构。

空心杯电机线圈绕制技术按成型方式分为卷绕生产和一次成型生产。1）卷绕生产工艺较为复杂，先将铜线绕制成几何形状的空心线圈，进而将线圈挤扁，制成扁平的铜线板，最后将线板绕成圆柱状的线圈。2）一次成型技术通过绕线机将铜线按照既定的规则缠绕在主轴上，一次成型，不需要卷圆压扁等工序。两种技术相比，后者工艺简单，绕制效率高。目前我国生产空心杯电机多采用卷绕式生产技术，生产效率较低，废品率高，生产出来的线圈直径较小，生产高性能大尺寸的线圈技术有待提升。

空心杯电机线圈绕制技术按线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形的绕制工艺简单，具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，是国外先进空心杯电机厂商常用的两种线圈形式。例如，德国 Faulhaber 电机采用斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形线圈，因而电机性能更加优越。

2.2 绕线设备：空心杯电机的绕线设备也是技术壁垒的一部分。绕线机全球头部厂商集中在欧美和日本，包括瑞士 Meteor、日本田中精机、日本日特机械等企业。海外厂商设备先进，基本实现了绕线设备的自动化、智能化、网络化，绕线设备质量可靠,生产效率高。国内绕线设备自动化程度低，技术与海外存在差距。我国绕线机研发起步晚，线圈设计以卷绕式为主，工序较为繁琐。部分绕线机可实现一次成型绕制，但面对较大功率电机的粗线径线圈，国产设备在可靠性和绕制精度方面相比世界先进水平仍有较大差距。国内绕线机厂商包括中特科技、勤联科技、台立电子等公司。

2.3 设计环节：空心杯电机的设计需要结合材料细分牌号、转子杯类型进行优化，国内厂商在这方面的技术积累与海外存在差距。海外企业如Maxon、Faulhaber、Portescap在技术起源、产品种类数量及全球化的销售渠道等方面具有明显优势。

2.4 加工环节：空心杯电机的结构属于无齿槽结构，没有定子槽，所有漆包线都是悬空绕线，内部没有任何支撑，加工精度直接影响磁场的稳定性。因此，加工过程中对精度的要求非常高。

3、典型企业

海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚，是全球空心杯电机的主要供应商。国内起步较晚，但是国产替代空间广阔，有业务布局的企业包括鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利和伟创电气等。

参考资料：

1、人形机器人产业链梳理，国联证券

2、机器人动力之源，人形孕育新市场，国金证券

3、拆解人形机器人结构，寻找高价值量细分领域，华宝证券

4、空心杯&无框力矩电机深度：人形机器人带来空间弹性，国产电机有望迎发展，海通证券