人形机器人关节电机设计“宝典”

1、 行业背景

1) 人形机器人概述

2023年10月，国家发布了《人形机器人创新发展指导意见》，指出人形机器人是科技竞争的新高地和未来产业的新赛道，具有巨大发展潜力和应用前景。从关键技术、重点产品、场景应用、产业生态和支撑能力五个方面全面推动人形机器人行业的创新发展。

人形机器人的关键部件包括大脑、小脑、机械臂和灵巧手，使其能够感知环境、控制运动和执行任务。人形机器人产业链上游是电机、减速器等核心零部件和其他零部件，中游是人形机器人本体制造，下游是系统集成、销售与保养，详见下图。

（数据来源：公开资料，创业邦研究中心整理）

上图产业链中的各零部件和模块组成人形机器人的旋转关节、线性关节、灵巧手、感知系统和躯干，其中电机、传感器、减速器、丝杠成本占比较大，也是构成机器人的关键零部件。关节电机是人形机器人的核心部件，负责控制各关节的运动。

（数据来源： 特斯拉 AI DAY、 Morgan Stanley Research、公开资料、创业邦研究中心整理）

2) 人形机器人关节电机概述

关节电机为人形机器人提供精准的动力控制，能够自然模仿人类的姿态和动作，其主要特点包括：

特点	具体阐述
高精度	• 采用伺服电机技术，实现精准控制，支持精细操作和自然行走。
高扭矩	• 提供强大力量和高扭矩，增强机器人稳定性，避免失衡。
灵活性	• 支持多种运动模式（旋转、倾斜、弯曲），可选不同电机，提升适应性。
快速性	• 现代关节电机快速处理传感器反馈，实时调整动作，应对环境变化。
小型化与轻量化	• 新材料和技术使电机更小更轻，便于紧凑设计，提升灵活性。
低能耗	• 注重能效，降低电能消耗，延长工作时间，适合长时间运行。

关节电机主要采用无框力矩电机和空心杯电机，二者的区别如下图所示。

（无框力矩电机和空心杯电机对比）

无框力矩电机的全球龙头企业是美国科尔摩根(Kollmorgen)和穆格(Moog)、瑞士 Maxon。

空心杯电机的全球龙头企业是瑞士MAXON、德国 Faulhaber。NTCysd预计2028年全球空心杯直流电机市场规模达11.86亿美元，2022-2028 年CAGR为8.47%。

（数据来源:QY Research、 NTCysd、公开资料、创业邦研究中心整理）

2、 技术挑战

企业需要在设计和生产人形机器人关节电机时，面对成本、重量、响应时间、性能和可靠性等技术挑战，其主要解决思路如下图所示：

技术挑战	解决思路
成本	• 使用高效设计软件，采用标准化或新型材料，精确设计和高效制造，减少浪费、降低成本。
轻量化	• 优化电机结构，使用铝合金、碳纤维等轻质材料，将多功能集成到一个电机，减少部件数量等手段减轻重量。
响应速度	• 采用先进控制算法，选用合适电机类型，优化电机与控制系统匹配，提升响应速度。
性能	• 根据需求选用电机类型，保持扭矩与功率密度在高负载下良好输出；优化热管理，防止过热，确保电机持续稳定运行。
可靠性	• 选用优质材料，减少性能衰减和故障率；优化冷却设计，降低温升；监控故障，及时处理。

3、 企业痛点

针对上述技术挑战，人形机器人关节电机需在成本、轻量化、响应速度、性能和可靠性之间折衷优选设计方案。通过采用先进设计理念、优选主要材料、精准控制策略和热管理，能显著提升电机性能，满足不同领域应用需求。

然而，企业在实际设计过程中常常面临以下痛点，这些问题成为提升电机整体性能和市场竞争力的主要障碍。

企业痛点	具体阐述
无CAE软件可用	• 国外CAE软件昂贵，企业往往不能满足多用户使用需求。受国际形势影响，国外软件产品可能存在“卡脖子”和信息/数据安全风险。
有软件不会用	• 国外软件使用门槛高，很多企业没有专业的CAE仿真工程师，导致有软件也不会用。
设计耗时长	• 企业电机仿真主要依赖单机和服务站，处理复杂任务算力不够，导致计算速度慢，影响效率。
多物理场耦合困难	• 电机设计需考虑电磁、结构、NVH、温升等单场和多场耦合性能，但企业往往处于数据孤岛，缺少接口进行耦合。
客户需求响应慢	• 项目进度和质量保证面临双重压力。客户需求频繁变化，需要众多人力物力，响应速度慢，工作难度大。

4、 解决方案

针对人形机器人关节电机的技术挑战和研发痛点，企业通常主要从以下两个方面来解决。

1) 解决共性技术问题

应对措施	具体阐述
分瓣定子设计	• 采用分瓣定子设计，通过将定子设计分散，结合磁热分离技术，有效提高电机的槽满率。 • 磁热分离技术仿真分析中须关注其潜在缺陷，特别是内源同心度和贴合精度不佳可能导致的性能下降。
提高槽满率	• 在电机设计中，提高槽满率是关键目标之一，这可以显著降低铜耗并提升电机性能。 • 扁线电机可提高槽满率并减少铜使用，但需关注齿形设计和排线方式，确保线圈最佳排列，以提高电机效率。
采用灌封技术	• 无框力矩电机采用灌封技术，在散热和发热管理方面表现突出，可以提升绝缘性能，改善光线和声音质量。
集成方案 （电机/电控一体化）	• 控制板和编码器集成到电机设计中，通过将功率器件模块化并贴合在定制铁芯和机壳表面，显著提升了系统性能与效率。 • 以小米CyberGear为例，电机与控制系统整合后提升了响应速度和控制精度，减少了连接部件和潜在故障点，从而提高用户体验。
应用新材料	• 超级铜线、软磁复合材料、非晶合金和铁镍合金等先进材料在高转速（超3万转）和高频率（900赫兹以上）下各有优缺点。 • 若不考虑成本，铁镍合金在提升电机力矩特性方面表现出色，而非晶合金适合高转速和大功率应用。
借鉴小米	• 小米采用了系统级电机设计方案优化。 • 借助于强大的仿真平台和计算能力，利用云计算或超级计算机高效执行仿真/优化任务，且可能采用数字孪生技术加快了设计流程。 • 在AI仿真和拓扑优化方面，小米使用遗传算法优化槽极设计，并运用帕雷德前沿技术进行20+万次工况仿真。
参考国外	• 国外公司通过全参数化建模和仿真优化电机设计，反推关键工作点和转动区域，提升电机性能，并结合退磁、热、谐波分析及高保真MAP图，确保电机仿真结果无限逼近测试结果，提高产品一次成功率。

2) 解决关节电机设计问题

除了解决共性技术问题外，企业还需要高效电机设计软件，来解决关节电机的研发痛点。在这方面，麦科斯韦应运推出的“一键多场耦合分析”软件，为人形机器人关节电机设计提供了全新的解决方案，使电机工程师能够在极短的时间内完成复杂的电机多物理场耦合分析和优化。

1　 工程师通过简洁直观的界面，只需选择分析流程，软件即可自动完成关节电机设计前后处理的所有步骤，轻松便捷地实现多场耦合仿真。

2　 在设计关节电机时，工程师可以直接导入已完成的冲片模型，进行磁路法解析计算，且软件可自动完成各种电机工况有限元分析的所有设置（如：材料、激励源、网格、求解选项等），工程师可以一键求解，大幅缩短前后处理时间。

3　 软件已经收录了很多关节电机的冲片库、机壳库，未收录的冲片和机壳，工程师也可以一次导入，后续都可以使用，从而简化操作，提升设计效率。

4　 关节电机设计及优化需要计算成千上万种方案，软件可以通过云计算调用上百万核资源，并行处理复杂计算任务，原本需要几天的计算时间，现在只需几分钟。

5　 关节电机需精确控制动作，软件集成了FOC和DTC控制架构，支持多种电流控制策略（如id=0、MTPA、FW、MTPV），可对SPWM、SVPWM和电流滞环控制等进行高精度仿真。

6　 工程师可利用软件快速生成电磁、结构、振动噪声等多物理场设计报告，在报告撰写和项目交付时节省大量时间，提升客户需求响应速度。

7　 下图所示流程图，展示了软件仅用4步，轻松、准确自动生成报告的完整过程。

5、 应用案例

1) 小米CyberGear

a. 小米CyberGear微电机简介

（本图来源于小米官网）

小米CyberGear微电机是一款高性能、智能化的关节电机，适用于智能家居、机器人和可穿戴设备。它采用先进驱动技术，具备高效能和低功耗，能在小体积内提供强大动力。

我们通过技术手段获取CyberGear样机的电机尺寸，并通过小米官网（https://www.mi.com/cyber-gear）获取性能数据。接下来，我们将采用“一键多场耦合分析”软件仿真并验证这款电机的各种性能。

b. 小米CyberGear关节电机主要性能指标和设计参数

1　 主要性能指标

根据小米官网列出的CyberGear的整机性能，结合7.75的减速比，换算得到电机本体的性能指标。

	整机性能	以7.75减速比，换算到电机本体
额定电压	24VDC	——
持续扭矩	4N·m	0.516N·m
持续扭矩最大转速	240rpm±10%	1860rpm
持续扭矩相电流（幅值）	6.5Aamp±10%	——
峰值扭矩	12N·m	1.548N·m
峰值扭矩相电流（幅值）	23Aamp±10%	——
最大转速	296rpm±10%	2294rpm
反电动势常数	0.054~0.057Vrms/rpm	0.0074Vrms/rpm
扭矩常数	0.87N·m/Arms	0.112N·m/Arms
最大扭矩重量比	37.85N·m/kg	——
最大功率重量比	511.04W/kg	——

2　 主要尺寸参数确定

根据小米CyberGear样机，实测得到电机的设计尺寸，部分参数值为经验预估值。

c. “一键多场耦合分析”设计小米CyberGear关节电机

首先我们采用磁路法模板，根据小米CyberGear样机尺寸，输入并设置好转子、定子及工况等各类参数，建立磁路法电机模型：

磁路法模型建立后，选择工况进行求解，得到磁路法工况报表，以及工况曲线（包含T-N外特性曲线等），并进行结果校核：

磁路法工况求解后，可点击左上角的“多场耦合自动分析”按钮，一键启动整个流程：

首先，开始新建产品设计，选择机器人业务领域：

系统会自动匹配机壳参数：

可以看到之前的磁路法模型参数已经自动导入了：

其次，勾选需要计算的分析流程：

最后，点击“开始设计”，即可在10分钟之内得到计算结果和设计报告。

d. 小米CyberGear关节电机计算结果及仿真报告解读

1　 计算结果

额定工况点性能 额定工况云图 额定工况转矩曲线 最大转矩工况云图

短路电流曲线 效率MAP图 T-N曲线 输出功率MAP图

稳态温度分布图 S2温升包络线 电磁力密时空分解图等效辐射声功率级瀑布图

（注：以上图片在推文中以横屏滚动方式展现，单图可点击放大）

2　 设计报告解读

从下表可见，“一键多场耦合分析”的仿真验证方案非常接近小米CyberGear公布的电机性能指标。借助“一键多场耦合分析”软件，能大幅简化设计、仿真分析、性能优化过程；结合海量云计算资源，可以快速求解/设计方案，助力产品设计/研发一次成功。

	小米CyberGear电机指标	仿真验证方案	误差
额定电压	——	24VDC	——
持续扭矩	0.516N·m	0.478N·m	7.4%
持续扭矩最大转速	1860rpm	1940rpm	4.3%
持续扭矩相电流（幅值）	——	5.28Aamp	——
峰值扭矩	1.548N·m	1.5634N·m	0.9%
峰值扭矩相电流（幅值）	——	17.97Aamp	——
最大转速	2294rpm	2160rpm	5.8%
反电动势常数	0.0074Vrms/rpm	0.0078Vrms/rpm	5.4%
扭矩常数	0.112N·m/Arms	0.123N·m/Arms	9.8%
最大扭矩重量比	——	——	——
最大功率重量比	——	——	——

2) 宇树A1

a. 宇树A1机器人关节电机简介

（本图来源于宇树官网）

宇树A1机器人关节电机是一款高性能电机，专为智能机器人设计，主要用于关节和机械臂。它配备高精度编码器，支持精确角度控制和流畅运动，具备高扭矩输出，适应复杂操作。

接下来，我们根据宇树A1官网（https://www.unitree.com/cn/a1motor）提供的电机设计方案，采用“一键多场耦合分析”软件仿真这款电机的各种性能。

b. 宇树A1机器人关节电机设计方案

通过截取宇树A1官网的磁密云图并导入CAD，简单量测可得到初步实施方案。

（宇树官网提供的A1磁密云图）

尺寸参数	宇树A1设计方案
整机外径	Φ90mm
整机高度	45mm
定子外径	Φ68.2mm
定子内径	Φ49mm
单边气隙	0.2mm
转子外径	Φ74mm
磁体厚度	1.68mm
极弧系数	0.7
叠长	12mm
线径	Φ0.76mm
匝数	9匝
冲片厚度	0.2mm硅钢片
磁钢牌号	N55

（由磁密云图经过测量和经验估计得到的对标设计方案）

c. “一键多场耦合分析”仿真宇树A1机器人关节电机

设计方案确定后，无需进行磁路法建模和工况求解，直接在软件系统输入并设置好转子、定子及各类参数，勾选需要计算的分析流程，点击“开始设计”，即可在10分钟之内获得计算结果和设计报告。

d. 宇树A1机器人关节电机计算结果及仿真报告解读

1　 计算结果

负载工况点性能 T-N曲线 最大转矩曲线

齿槽转矩曲线 效率MAP图 输出功率MAP图

稳态温度分布图 温升包络曲线 等效辐射声功率级瀑布图

（注：以上图片在推文中以横屏滚动方式展现，单图可点击放大）

2　 设计报告解读

（宇树官网提供的A1 T-N曲线）

直流电压	减速比	空载转速	最大转矩	最大转矩电流	转折转速	最高效率	最大输出功率
24VDC	9.1	1700rpm	4Nm	30A	940rpm	80%	400W

（根据T-N曲线得到的宇树A1性能数据）

从下表可以得出，“一键多场耦合分析”的仿真结果甚至优于宇树A1公布的电机性能指标，完全满足机器人关节电机正常工作的需求。

	宇树A1指标	仿真结果	误差
最大转矩	4N·m	4.0051Nm	0.1%
最大转矩电流	30A	26.5714A	11.4%
空载转速	1700rpm	1760rpm	3.5%
转折转速	940rpm	920rpm	2.1%
最大转矩输出时-转矩波动	—	0.98%	—
齿槽转矩-峰峰值	—	0.396Nm	—
最高效率	80%	84.7%	5.9%
最大输出功率	400W	377.2W	5.7%
转矩系数	0.133Nm/A	0.15Nm/A	12.8%

6、 结论和启发

人工智能的快速发展为人形机器人技术带来了新机遇，未来将在多个领域广泛应用。关节电机作为核心部件，面对动力、体积和热管理等设计挑战。

麦科斯韦的“一键多场耦合分析软件”可以帮助工程师优化电机设计，提高效率，缩短研发周期。使用软件可以提升设计准确性、降低开发成本，增强企业竞争力，推动机器人核心部件的发展。

7、 获取本文案例

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