轴向磁通电机是什么？

轴向磁通电机尤其适用于高负载需求的人形机器人腿部。人形机器人腿部系统承担着支撑整机重量、实现稳态行走的关键任务，对电机的扭矩输出和可靠性提出了极高要求，轴向磁通电机在这一应用场景中展现出显著优势。机器人腿部系统采用轴向磁通电机，腿部前摆和膝关节最大扭矩达到396N·m，峰值扭矩密度高达200N·m/kg，确保了机器人在复杂地形中的稳态行走能力。

（1）高扭矩密度特性使得腿部关节能够在紧凑空间内提供强大动力输出，同时其优异的动态响应能力保证了机器人在快速运动中的稳定性。 

（2） 耐冲击能力强，能够承受机器人行走、跳跃过程中的冲击载荷，提升了系统的可靠性和使用寿命。 

（3） 低转速下可产生高扭矩。腿部负载行走时常需要重载下频繁启停、快速响应，而轴向电机在低速下即可产生巨大的转矩，具备极佳的起动 和过载能力。这些优势使得轴向磁通电机成为人形机器人腿部关节的理想选择。

机器人下身使用轴向磁通电机方案关节峰值力矩较高

PCB轴向磁通电机或可应用于灵巧手。灵巧手作为人形机器人最精密的执行器，体积小但自由度高，因此需要在较小的空间内布置大量的电机、传感器等。因此对电 机提出了空间极度紧凑、重量超轻、响应速度快、控制精度高的严苛要求，这与轴向 磁通电机的技术特性高度契合。

PCB轴向磁通电机图示

而PCB轴向磁通电机由于可以将绕组印制呈更复杂的形式，可显著提升无槽无刷直流电机的效率，轴向尺寸较短，且当前绕组布线的 形式已经迭代至螺旋形绕组，可以在定子有限空间布置更容易，因此PCB电机在微型机器人、小型扁平存储器等微机电领域应用前景更广泛。以Carl Bugeja开发的PCB电机为例，根据其于开源网站hackday发布的信息，其将定子绕组直接印刷在PCB板上，实现了厚度仅5毫米、外径16毫米、重量仅1.5克的超薄超轻设计，这种极致的小型化设计使得在灵巧手的指关节等狭小空间内集成多个电机成为可能，极大程度的为灵巧手提升主动自由度数量提供空间。

轴向磁通电机独特结构优势催生一体化关节模组革命。传统径向电机采用"套筒式" 磁路结构，定子和转子呈圆筒状同心排列，电机本身就占据了相当的径向和轴向空 间，与减速器只能采用串联式连接，形成"电机+减速器"的分体式布局，导致整体长度冗长、重量偏重。而轴向磁通电机采用永磁体沿轴向环形阵列排布、磁通方向平行于旋转轴的"电磁三明治"结构，这种扁平化设计天然具备与减速器同轴嵌套的几何优势，为一体化集成创造了结构基础。

某机器人使用轴向磁通电机技术的关节模组结构

采用轴向磁通电机方案的关节模组已实现性能显著提升。轴向磁通电机与谐波减速器的毫米级同轴集成方案可通过"轴向堆叠-分腔封装"设计，轴向磁通电机的扁平化定子可以与减速器的波发生器、柔轮等核心组件在同一轴向空间内实现高度集成，彻底打破了传统分体式技术路线 的空间限制。这种集成方式将关节模组轴向长度压缩至传统方案的55%，厚度不足 12mm的扁平化轴向磁通电机与PEEK-金属复合壳体形成一体化结构，模组总质量降低40%。且通过优化磁路设计和热管理系统，在轴向尺寸缩减50%、重量仅2.5kg的情况下，功率密度反而提升3倍达到80Nm/kg，峰值扭矩提升20%达到200Nm。 

轴向磁通电机的使用可为关节模组带来创新设计。扭矩优化型扁平轴向磁通电机充分利用轴向磁通电机的轴向排布结构特性，创新性地解决了人形机器 人关节扭矩需求动态变化的核心问题。传统轴向磁通电机虽然结构扁平，但扭矩输出固定，无法适应机器人负载变化。通过可变半径设计实现扭矩动态调节：当机器人需要承受较大载荷时，电磁圈驱动下磁块推动滑块，使卡块相互靠近 解除安装座位置限定，随后电磁环通过磁力推动上磁块向外移动，带动安装座及磁 钢向远离转子盘轴线方向移动，实现转子半径增加。由于轴向磁通电机扭矩与转子半径立方成正比，这种设计可以显著提升扭矩输出，使直径120mm、厚度仅40mm的扁平设计能够持续输出180Nm扭矩。

轴向磁通电机具有比传统电机更低成本的潜力。但轴向磁通电机的制造成本是制约其大规模产业化应用的核心障碍，当前制造成本显著高于同等功率径向电机，根据电动新视界，量产成本较传统电机高20%~30%。这种成本劣势主要源于材料特殊性、制造复杂性和产业化程度不足等因素。

高昂的材料成本。成本压力的首要来源是必须使用大量特殊且昂贵的高性能材料。这包括：

1)高温永磁材料, 必须使用添加了镝、铽等昂贵重稀土元素的高温型钕铁硼磁材，以应对高温下的性能下降问题。

2)碳纤维复合材料，转子制造中广泛使用的高性能碳纤维复合材料价格不菲。

3）辅助材料，专用的绝缘材料和高精度轴承等辅料成本也远高于传统电机。

复杂的制造工艺。高精度的制造要求和低自动化水平共同推高了生产成本：

1）设备投资大，气隙控制需达微米级，依赖高精度数控机床、激光加工设备等昂贵精密设备。此外，定子、绕组、转子等部件均需专用设备，投资巨大且通用性差。

2）人工成本高，自动化程度远低于传统电机，许多关键工序依赖高技能工人手工操作。

3）良品率低， 工艺复杂、精度要求高，导致检测流程长，良品率相对较低，废品和返工成本高。

轴向磁通电机电子冲卷设备

产业化程度不足。电机目前仍处于产业发展初期，无法享受规模经济带来的成本优势：

1）生产规模小，小批量生产导致固定成本摊销困难，且原材料采购议价能力弱。

2）供应链不成熟。结构特殊，需要大量定制化零部件（如异形永磁体、非标轴承等）。供应商数量有限，议价能力强，导致采购成本高、供应周期长。

3）缺乏协同，缺乏标准化的制造工艺和检测规范，难以形成产业集群效应以降低整体成本。

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