电机内部结构剖面图。绕组（线圈）是最主要的发热源，热量需要穿过定子铁芯、外壳才能传导出去，每一层界面都对应一个热阻值

三、温升测试（Temperature Rise Test）：用数据说话

3.1 为什么要做温升测试？

理论计算再漂亮，最终都要靠实验数据来验证。温升测试就是在规定的工况下，让电机（或驱动板）实际运行，同时记录各关键点的温度随时间的变化过程，最终得到稳态温升值（ΔT_ss）。这是热设计验证中最基础、也是最关键的环节。

3.2 测试设备与方法

常用的测温手段有三种：

①热电偶（Thermocouple，TC）：将细小的金属探头贴在被测点表面，读取该点温度。优点是精度高、响应快；缺点是只能测单个点，安装位置要仔细规划。

②热敏电阻（NTC/PTC，Negative/Positive Temperature Coefficient Thermistor，负温度系数/正温度系数热敏电阻）：常集成在电机绕组内部，实时上报温度，是电机过温保护的常用方案。

③红外热像仪（Infrared Thermal Camera，IR Camera）：可以拍摄整个设备的"热图"，一眼看出哪里最热，极适合快速定位热点。缺点是无法测量封闭壳体内部。

红外热像仪拍摄的热分布图像（以动物体表为例说明原理）。颜色越偏红/白，温度越高；越偏蓝，温度越低。工程师用这种方法快速找到设备的"热点"区域

3.3 温升测试标准流程

规范的温升测试一般按以下步骤进行：

图5：温升测试的五个标准步骤，从环境确认到数据分析，缺一不可

3.4 温升曲线的读取

温升测试的核心产出是一条温升曲线（Temperature Rise Curve）。横轴是时间，纵轴是温度。在测试初期，温度快速上升；随着时间推移，热量的散发速率逐渐追上发热速率，温度趋于平稳——这个平稳状态称为热稳态（Thermal Steady State），对应的温升值就是工程师最关心的稳态温升 ΔT_ss。

图6：典型电机温升曲线示意图

从通电开始，温度先快速上升，再逐渐趋于稳态。ΔT_ss 是稳态温升，是衡量散热能力的关键指标

🔢 稳态温升公式：
　ΔT_ss = T_j_ss - T_a
　（稳态温升 = 稳态结温 - 环境温度）

🔢 热时间常数（τ，Thermal Time Constant）：
　τ = Rth × Cth
　其中 Cth 为热容（Thermal Capacitance，J/℃），代表材料储热能力。
　一般认为，经过约 3～5 个 τ 后，温度达到 95% 以上的稳态值。

3.5 多点同步测温与热点定位

在实际工程测试中，工程师会在电机定子绕组、驱动 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、电机外壳、散热器以及环境空气等位置同时布置测温点，形成多路数据对比。这样不仅能计算出各段热阻，还能快速发现哪里是"热瓶颈"，有针对性地优化。

⚠️ 注意：温升测试必须在规定的环境温度下进行（通常为 25℃ 无风），否则测试结果没有横向可比性。同时，测试要持续足够长的时间，确保达到真正的热稳态，而不是提前结束导致数据偏低，埋下安全隐患。

四、降额曲线（Derating Curve）：安全使用的"红线"

4.1 什么是降额？

有了热阻网络和温升测试数据，工程师就能回答一个关键问题：这个电机在不同环境温度下，最多能安全运行多大电流？这个答案，就用降额曲线（Derating Curve）来表达。

"降额"的意思是：当环境温度升高时，为了不让内部温度超过安全上限，必须主动降低输入电流（或输出力矩），以减少发热量。把这种关系画成曲线，就是降额曲线。

💡 生活类比：就像一辆汽车在高原（空气稀薄）上跑得比平原慢，发动机必须"降额"工作，否则容易过热损坏。人形机器人的电机在高温夏季户外工作，也需要类似的"自我保护降额"。

4.2 降额曲线的推导

降额曲线的推导基于以下逻辑：

设绕组最大允许温度为 T_j_max（由绝缘等级决定），环境温度为 T_a，总热阻为 Rth_ja，则最大允许热耗散功率为：

🔢 最大允许热耗散：
　P_max = (T_j_max - T_a) ÷ Rth_ja
🔢 由于电机铜损主要为 P = I² × R（电流的平方乘以绕组电阻），
　允许最大电流：
　I_max = √( P_max ÷ R )
🔢 相对额定电流 I_rated 的降额比例（%）：
　降额比例 = I_max ÷ I_rated × 100%

随着环境温度 T_a 的升高，P_max 减小，I_max 也随之减小，降额比例下降——这就形成了一条从左上方（低温、满载）到右下方（高温、降额）的斜线型降额曲线。

图8：电机输出电流降额曲线示意图

在 25～50℃ 范围内可以满额定运行（绿色区域）；环境温度超过 50℃ 后，必须按比例降低输出电流（红色斜线区域）；超过最高工作温度则禁止使用（粉色区域）

4.3 绝缘等级与温度上限

电机绕组使用的漆包线（Enameled Wire）有明确的绝缘耐温等级，这决定了 T_j_max 的数值，进而直接影响降额曲线的形态。常见绝缘等级如下：

人形机器人的关节电机通常选用 F 级或 H 级绝缘，以在有限体积内获得更高的电流密度和功率密度，同时保留足够的热裕量（Thermal Margin）。

4.4 如何绘制降额曲线（工程实操）

在工程实践中，降额曲线并不是直接用公式画出来的，而是通过以下步骤综合得出：

第一步：通过温升测试，在不同电流档（如 50%、75%、100% 额定电流）下分别测量稳态结温，拟合出 Rth_ja 的实测值。

第二步：根据实测 Rth_ja 和 T_j_max（由绝缘等级确定），利用公式 P_max = (T_j_max - T_a) ÷ Rth_ja，计算在不同 T_a 下的最大允许耗散功率。

第三步：将最大允许耗散功率转换为最大允许电流（考虑铜损与铁损的比例），绘制 I_max 随 T_a 变化的曲线，即为降额曲线。

第四步：在降额曲线基础上，额外引入安全裕量（Safety Margin），通常将计算值再打 80% 或 90% 折，以应对实际使用中的不确定性。

📌 工程经验：很多芯片厂商和电机厂商会直接在数据手册（Datasheet）中提供降额曲线，工程师可以直接查阅。但人形机器人中的定制化电机，往往需要自行完成温升测试并绘制专属降额曲线。

五、驱动电路板的热设计：被忽视的另一半

在人形机器人中，除了电机本体，电机驱动板（Motor Driver Board）上的功率器件同样是重要的发热源。尤其是 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和 GaN FET（氮化镓场效应晶体管，Gallium Nitride Field Effect Transistor）等开关管，在高频 PWM（脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation）驱动下，开关损耗（Switching Loss）和导通损耗（Conduction Loss）都不可忽视。

驱动板的热阻网络与电机类似，同样需要从芯片结（Junction）到 PCB（印制电路板，Printed Circuit Board）铜层、再到散热器、再到空气，逐级建立热阻模型，并通过实测验证。

💡 PCB 热设计小技巧：
① 在发热器件下方铺大面积铜皮，增加横向散热面积；
② 使用散热过孔（Thermal Via）将热量从顶层铜导入底层；
③ 在发热器件与底板（或结构件）之间使用导热界面材料（TIM，Thermal Interface Material，导热界面材料）如导热硅脂、导热垫；
④ 合理布局，让发热器件远离温度敏感器件（如电解电容）。

六、综合案例：一个关节电机热设计闭环

以某人形机器人膝关节电机为例，梳理完整的热设计闭环流程：

图11：热设计完整闭环流程图

从建立热阻网络，到仿真、实测、绘制降额曲线，最终固化到控制器过温保护策略，若中间某步不通过则迭代优化

具体流程说明如下：首先，根据电机材料参数和结构尺寸建立热阻网络，用仿真软件（如 ANSYS Icepak、FloTherm 等）预测温升分布；其次，制作样机并进行实机温升测试，将测试结果与仿真对标，修正热阻模型；然后，基于实测 Rth_ja 绘制降额曲线；最后，将降额曲线的数据固化进机器人控制器（Controller），当检测到电机温度超过阈值时，自动启动降额保护或紧急停机，从软件层面为硬件保驾护航。

七、总结

热阻网络、温升测试与降额曲线，是人形机器人热设计的三件套工具，缺一不可。热阻网络是理论框架，帮助工程师在设计阶段就预判温度；温升测试是实验手段，用真实数据验证理论；降额曲线则是最终落地的工程规范，告诉控制系统"在什么温度下最多能用多少电流"，从而让机器人在安全边界内尽情发挥性能。

人形机器人的热挑战，归根结底是能量守恒定律的体现：输入的电能，一部分转化为有用的机械功，剩下的都变成了热。热设计的使命，就是让这些热量能够安全、有序地从机器人体内散发出去，让每一个关节电机都能"跑得快，不中暑"。

随着人形机器人向更高功率密度、更长连续工作时间发展，热管理技术也在持续进化——液冷（Liquid Cooling）、相变散热（Phase Change Cooling）、智能动态降额等前沿技术正在走进这个领域。期待未来的机器人，不仅更聪明，也更"凉快"。

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