一、机器人电机选型设计标准明确

机器人通过与外界场景进行交互来完成各项任务，而外界场景具有动态性和非结构性，交互具有频繁性，这对机器人执行器提出了严格要求。从机器人的需求角度分析，电机具有如下特征：

模块化设计：通过电机与传动部件集成，实现低速大转矩输出，以应对重载交互需求；

强过载能力：在动态场景中快速响应时效性任务，需支持短时高力矩爆发输出；

优异动态响应：适应频繁加减速及往复运动，确保复杂动作执行的精准性；

高可靠性能：抵御频繁交互带来的冲击扰动，保障系统运行可靠性；

高功率/转矩密度：在有限关节空间内实现高转矩/功率密度，可满足机器人轻量化需求。

相较于传统工业应用中的伺服电机，机器人电机更需加强短时输出的爆发性、提高未知环境中的可靠性，并适应机器人自身结构所带来的限制。

机器人关节电机需要强爆发性、可靠性及自适应性

执行器是驱动机器人关节运动的核心部件，按驱动形式可分为旋转驱动和直线驱动（其驱动源本质仍为旋转电机）。

由于传动部件（如减速器、弹簧等）与驱动电机在功能和结构上紧密耦合，电机设计必须综合考虑传动特性与机械架构。根据传动部件类型及其与电机的组合方式，执行器可进行如下分类：

1传动部件类型：柔性执行器、弹性执行器和准直驱执行器

机器人执行器按传动部件类型可分为三类：

柔性执行器(flexible actuator，FA)，由电机结合高减速比减速器组成，其核心特征体现在三个方面：

①高转矩密度：通过高减速比减速器设计显著提升输出转矩，实现较高的转矩密度。

②具有机械谐振：由于谐波减速器中柔轮、齿隙及摩擦等弹性连接因素，系统存在多阶振动频率的机械谐振现象。

③ 低力透明度和弱反驱性能：高减速比结构会增大反射惯量和反射摩擦等机械阻抗，从而导致力透明度降低和反驱性能减弱。

弹性执行器(elastic actuator，EA)，在柔性执行器基础上集成弹性元件，主要包括串联弹性、可变刚度和可变阻抗等类执行器型，主要特征表现为：

①强抗冲击性能：弹性元件作为缓冲介质有效隔离冲击载荷，显著增强抗冲击能力。

②高效率、高峰值转矩：通过被动储能机制实现高效率能量转换和高峰值转矩输出。

③ 低力控制带宽：由于弹性元件刚度通常小于 10000Nm/rad，系统呈现较低输出阻抗，力控制带宽相对受限。

准直驱执行器(quasi direct drive，QDD)，采用高转矩密度电机配合低减速比减速器的结构配置，其典型特征包括：

①高力透明度和强反驱性能：通过降低减速比有效减小非线性误差和静摩擦力，从而获得优异的力透明度和反驱性能。

②强抗冲击性能：减速器减速比的降低同时减少了机械阻抗，使系统具备良好的抗冲击能力。

③低转矩密度：由于减速比对转矩的放大作用较弱，导致整体转矩密度提升幅度有限。

不同传动部件使关节执行器呈现差异化特性，导致对关节电机的需求也产生差异。柔性执行器虽降低了对电机的转矩需求，但需解决机械谐振问题；弹性执行器减小了峰值转矩要求，却需要提升力控制的动态响应能力；准直驱执行器仅通过电流环就能实现高精度转矩控制，但面临着提高转矩密度的挑战。

不同关节执行器对电机的需求产生差异

2传动架构类型：并轴级联式、同轴串联式、同轴内嵌式

机器人执行器的传动架构主要分为三类：

1. 并轴级联式采用电机与减速器径向排列但输出轴非同轴布置。
2. 同轴串联式实现电机与减速器沿同轴排列。
3. 同轴内嵌式将减速器集成于电机内部形成同轴排列。这些架构直接影响电机尺寸约束和系统输出特性。

机器人关节执行器按传动部件组合架构分类

传动部件的差异直接影响电机的电磁特性、传感器要求和控制策略；传动部件的组合架构则约束着电机的尺寸和外形。

基于这两种分类维度，可系统分析特定机器人关节对伺服电机的性能需求，为关节电机的选型设计提供明确依据。

二、机器人电机按拓扑结构

目前，常见的机器人电机拓扑包括内转子径向磁通永磁电机、外转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机。此外，空心杯电机作为一种特殊的永磁电机也常用于机器人灵巧手的微小型关节。

左图：径向磁通电机和和轴向磁通电机拓扑结构

右图：空心杯电机结构

内转子径向磁通永磁电机是主流永磁电机，根据永磁体安装方式可分为表贴式和内嵌式两种。由于表贴式结构结构简单、成本低廉，加之关节电机转速要求不高，使得表贴式结构成为机器人关节的首选方案。随着机器人负载能力和动态性能的持续提升，对关节电机的转矩输出要求也相应提高，内转子逐渐被其他电机类型替代。

外转子电机凭借其结构优势，在特定应用场景中逐步替代内转子电机。该类型电机在同等外径条件下能提供更大输出转矩，兼具扁平内转子电机的特性优势，同时实现了更高的峰值转矩密度和速比性能。另外，外转子电机增大的气隙直径有利于采用更多极对数设计，有效抑制转矩脉动，这种特性使其在低减速比关节执行器中更为适配。基于上述优势，外转子电机主要应用于直接驱动机器人，或构成 QDD 用于准直驱机器人。

轴向磁通电机与传统径向磁通电机相比，具有轴向尺寸紧凑、转矩/功率密度高、空间利用率高的优点。其结构特点使其能够在相同外径条件下，具有更大永磁体空间和更多磁极数量，从而更易实现低速大转矩输出。然而该类型电机在实际应用中仍面临两大技术瓶颈：

第一，该电机在持续高扭矩工况下会出现严重发热；

第二，该电机工艺复杂性和材料利用率偏低，不利于批量化生产。

空心杯电机作为一种特殊永磁伺服电机，采用无铁心圆筒形绕组转子结构，具有转子惯量小、无铁耗和齿槽转矩的特点。该设计使其具备转矩波动小、运行平稳、效率高和动态响应快的优势，适合应用于对体积、精度和灵活性要求高的机器人灵巧手领域。但由于空心杯电机输出转矩有限，实际应用中需要配合高减速比减速器及滚珠丝杠、蜗轮蜗杆或腱绳等传动机构组成级联式柔性执行器系统。

机器人用电机拓扑结构对比

通过分析机器人电机的峰值转矩密度与尺寸参数关系，可建立典型应用型谱：空心杯电机适用于 8-20mm 直径的低径长比微型关节，主要应用于灵巧手等精密部件；内转子电机主导 30-80mm 直径的中径长比关节，主要应用于机械臂等上肢系统；外转子电机则适配 100-180mm 直径的高径长比关节，适合腿足式机器人等高动态下肢需求。轴向磁通电机具有高转矩密度特性，但由于其存在散热问题，当前实际应用有限。

常见机器人类型与电机拓扑结构的特征型谱

机器人产业的发展推动了内转子无框力矩电机、外转子电机、空心杯电机这三种主流电机的市场快速成长。

Valuates Reports 数据显示，2022 年全球无框力矩电机市场规模已达 6.7 亿美元，预计 2029 年将增长至 11.7 亿美元。国际厂商在该领域具有先发优势，主要企业均已推出面向机器人关节的系列化产品。相比之下，国内产业起步相对较晚，在关键制造工艺如充磁、灌封和绕线技术，以及过载能力和轻量化设计等方面仍存在提升空间。

国内外无框电机产品对比

近年来外转子电机及其 QDD 模组发展迅猛。国际代表厂商包括 Maxon 和 Westwood Robotics 等，国内主要有 CM、SW、 宇树科技、银弗科技、本末科技和灵足时代等企业。当前市场格局呈现明显差异化特征：在大尺寸外转子电机及集成QDD 模组领域，国内产品占据主导地位；而在小尺寸高精度外转子电机方面，则以国外厂商的技术优势更为突出。

典型外转子电机生产商

目前机器人关节应用的空心杯电机以 10mm 左右的小微型产品为主流。该领域国外厂商如瑞士 Maxon、德国 Faulhaber 和瑞士 Portescap 等凭借先发优势占据市场主导地位，而国内产业起步较晚，在 8mm 及以下小尺寸产品的技术水平上与国际领先企业仍存在差距。

空心杯电机生产厂商典型产品对比

三、高性能机器人电机需求

相比传统电机，机器人电机具有材料利用率高、工况复杂、环境多变的特点，其内部多物理因素交互作用形成的耦合效应，导致电磁兼容、散热、机械强度等问题突出，传统电机结构难以适用。机器人高性能关节电机需具备四大核心性能特征：高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和优异散热性能，这是实现复杂作业任务的关键技术保障。

高转矩密度是机器人电机的核心性能指标。机器人需在复杂工况下执行搬运、抓取和行走等任务，这些动作通常依赖较大驱动力矩。同时机器人结构尺寸紧凑，要求关节电机在单位体积内实现更高转矩输出，从而满足小型化设计与高功率输出的双重需求。

低转矩波动是影响运动精度的关键因素。电机转矩波动主要由齿槽效应、磁路不对称、电流谐波、电枢反应及控制延时等因素导致，需通过优化槽极配合、调整永磁体参数、采用斜极斜槽设计或增设辅助槽等措施来抑制转矩波动，提高机器人运行精准性。

强过载能力是应对突发负载的核心保障。永磁电机的过载转矩主要由电枢反应和定子铁心饱和引起，可通过优化极槽配合、齿宽、定子裂比及永磁体厚度等参数来降低磁饱和并减小交直轴电感，从而提升过载转矩输出。此外，大电流导致的绕组温升也会制约过载能力，需结合铜损耗系数定量分析极限热负荷下的持续工作时间。

高效散热设计是确保可靠运行的基础。机器人关节伺服电机在过载工况下，绕组因高损耗密度会迅速积聚大量热量。而由于机器人电机通常采用全封闭式结构以适应复杂工作环境，其内部散热能力受限，导致短时间内出现急剧温升，严重影响电机的输出性能和运行可靠性。

当前，机器人电机主流方案仍无法满足机器人关节对高转矩密度、低转矩波动、强过载能力和散热属性的需求，导致机器人运动性能难以提升，动作精准度较低，甚至在长时间高强度运行过程中会因热量过高导致电机损害，严重影响了机器人整体工作的可靠性，机器人关节电机方案仍有待改进。

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