2026年工业行业专题研究：机器人电机，受益技术迭代与产业化

电动机：现代生产生活的动力基石

发展历史悠久，技术积淀深厚

电动机的发明基于电磁感应现象，历经百年发展。电动机（电机）作为承载工业文明发展 的核心基础部件，自 1831 年法拉第发现电磁感应现象以来的近 200 年间，相关技术不断更 新迭代，从直流电机到交流电机，从小型的家用电器电机到大型的工业用电机，其应用早 已渗透至生产生活各领域。

电机是指依据电磁感应定律实现电能转换为机械能的一种电磁装置，核心结构由定子和转 子组成。电流通过线圈与磁场互相作用驱动转子转动，从而实现机械设备旋转。根据功能， 电机产生磁场的称为励磁部分，而负责电能与机械能转换的称为电枢部分。

具身智能时代，电机开启新章。如今的机器人浪潮，为这一古老的动力基石带来全新的发 展契机，不仅让电机的技术价值被重新聚焦，更以严苛的应用场景为导向，推动其持续突 破，使其在保持可靠性的同时，朝着“更小、更轻、更高效、更智能”的方向加速升级， 重新焕发强劲的技术活力与市场关注度。

应用领域广泛，衍生类型多样

电机在生产生活中用途广泛，衍生类型众多。现代生活中电机的广泛应用促使电机不断进 化，根据不同的应用途径产生了不同的设计和驱动方式，也使得电机型号及种类组件增加 明显，按电源类型/磁场来源/磁场方向/用途功能等均可分出不同子类，应用于不同工业、生 活场景。

目前在工业机器人中应用较多的为无刷直流电机和伺服电机。无刷直流电机（BLDC）是指 一种使用电子换向的直流电动机，以线圈作为定子、永磁体作为转子。线圈绕组为多相绕 组，一般为三相，各相绕组分别与电子换向器电路中的晶体管开关连接，按转子位置的变 化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流。伺服电机可以把所收到的电信号转换成电 动机轴上的角位移或角速度输出，其本身还具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角 度，都会发出对应数量的脉冲，与所接受的脉冲形成闭环，系统通过比较发出和接收的脉 冲数量，就能够精确控制电机转动，从而实现精确定位，精确度可以达到 0.001mm。

全球电机市场规模持续增长

电机在全球已达千亿美元级市场，空间广阔。根据 Mordor Intelligence 数据，2024 年全球 电机市场规模已超过 1000 亿美元，下游应用领域中，工业电机占比 42.9%，排名第一，新 能源车驱动电机占比 14.7%；电机类型中，交流电机以 73.3%的占比占据绝对优势。受益 于亚洲工业自动化的进一步推进，美国能源标准实施下商用暖通的翻新需求，欧洲气候政 策推行下的清洁能源发电机组安装量规划，全球新能源车渗透率的持续提升，全球电机市 场规模仍将保持稳定增长。根据 Mordor Intelligence 预测，2025-2030 年，全球电机市场 规模将由 1464.0 亿美元提升至 2220.2 亿美元，CAGR 达 8.7%。

人形机器人的核心动力部件

电机主要作用是产生驱动转矩，为人形机器人各种动作和姿态的实现提供动力。电机主要 应用于人形机器人的关节模组执行器（分为旋转执行器和线性执行器）和灵巧手中。旋转 执行器输出旋转运动，使人形机器人可以完成各种角度的旋转动作，通常应用在如肩、髋 等需大角度旋转的关节。线性执行器将电机的旋转运动转换为直线运动输出，具有较好的 支撑性能和承重性能，主要用于运动旋转角度较小的场景，例如手臂、大腿、小腿等直线 关节。人形机器人的自由度决定电机需求的数量，机器人灵活性越高，所需的电机数量越 多。

人形机器人的通用要求推动电机向高扭矩密度、快速响应、小型轻量及智能集成的方向飞 速发展。如今，具身智能正从实验室走向规模化应用，机器人产业正从功能单一的智能移 动机器人，迈向能够适应人类环境的通用人形机器人。这一跨越对作为“关节肌肉”的电 机提出了前所未有的高标准要求，电机的性能边界，正在定义人形机器人运动能力的上限。 人形机器人要融入人类环境，对电机提出的要求也远比工业场景苛刻，主要集中在以下几 个方面： 1）高扭矩密度：人形机器人需要在双足支撑的狭小空间内，安装大量驱动关节，这要求电 机在体积和重量严格受限的情况下，能输出足够大的扭矩（即高扭矩密度）来驱动肢体， 完成在复杂工况下的搬运、抓取和行走等任务，满足小型化设计与高功率输出的双重需求。 2）动态实时响应：为了保持平衡和实现敏捷运动，电机必须具备极快的动态响应能力。据 The Robot Report 调研显示，超过 51%的专业人士认为机器人的实时响应能力“高度关键”。 3）小型化与轻量化：人形机器人的关节数量远超传统机器人，但应用空间却无法增大，为 提升续航并降低商业应用门槛，直接催生了对电机小型化、轻量化的极致追求。 4）高转换效率：电机绕组会积聚热量，短时间内出现急剧温升将严重影响电机性能。提升 电机的转换效率，减少转化为热量的功率损耗，可以提高电机运行上限。

关节电机：决定人形机器人负载能力和运动流畅度的核心动力源

除前文所述人形机器人电机的要求外，关节面临的运动场景决定关节电机还有特殊要求。 关节常在较低速时需输出较大力矩，要求电机在低速场景可保持输出较大转矩；关节在与 环境进行物理交互过程中涉及短接触时间内的大力矩输出，要求电机在短时间内具有较强 过载能力，起动转矩大，转动惯量小；关节还面临频繁加减速、往复旋转等需求，要求电 机具有较好的动态响应能力，具备控制特性的连续性。这些要求一定程度可以解释目前关 节电机中主流技术路线的选择。

无框力矩电机：中空设计优化空间布局

无框力矩电机取消了外壳和轴承，只有转子和定子 2 个部件，适用于工业自动化、机器人、 航空航天和医疗设备等领域。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。许多无框力矩电机，特别是环形设计，采用大中空通道 结构，这种设计便于电缆、编码器线缆等穿过，极大优化设备内部空间布局。

无框力矩电机具备体积小、低转速输出大扭矩、高动态响应等特性，成为人形机器人关节 驱动的主流电机。采用中空式设计，最大限度减小电机所占空间，更方便走线布置，体积 小；具有较高的功率，在低转速的情况下，能够输出更大扭矩；电机组件直接整合到机器 元件内，不会受到外界高压、高温环境、辐射的影响，高集成度性能稳定；电机从获得指 令信号到完成工作状态的时间极短，具备快速响应能力。高扭矩密度和功率密度，以及降 低体积、精简结构的高度集成化设计理念，使得无框力矩电机成为人形机器人关节电机的 理想选择。

轴向磁通电机：盘式结构提供瞬时爆发力

轴向磁通电机由来已久，并非近年发明电机类型。最早可追溯至 1821 年法拉第发明的世界 首台电机——圆盘发电机，但因运行时定子与转子间存在显著轴向吸引力，且受限于当时 永磁材料性能、定子铁心开槽技术等因素，其制造与应用面临较大困难，遂逐渐淡出视野。 随着新型材料涌现及相关研究深入，轴向磁场电机的优势逐渐凸显并重新获得重视。国外 于 20 世纪 40 年代启动轴向磁场电机研究，70 年代初研制出轴向磁场直流电机，末期推出 交流电机；80 年代后，电力电子技术的进步与高磁能积永磁材料的完善，助力轴向磁场永 磁（AFPM）电机快速发展。国内研究起步较晚，20 世纪 90 年代起高校与企业才逐步开展 相关研究，目前仍处于基础研发阶段，尚未广泛推广应用。

轴向磁通电机磁场方向与旋转轴平行，而传统的径向磁通电机的磁场方向则与旋转轴垂直。 轴向电机定子与转子间的气隙是与电机转轴垂直的平面，磁场平行于旋转轴方向垂直穿过 气隙面。从结构视角看，传统径向电机的转子和定子采用内外套装布局，而轴向磁通电机 的定子和转子则像三明治一样平行排列。根据定子和转子的数量及排列方式，可分为单定 子单转子、单定子双转子、双定子单转子、多定子多转子四种基本拓扑结构。

轴向磁通电机因其结构变化，相较传统径向磁通电机具有多重优势： 1）高扭矩密度：轴向磁通电机的扭矩输出与外径三次方成正比，而径向电机的扭矩输出则 与外径平方及叠厚尺寸成正比，因此轴向磁通永磁电机可以提供的扭矩密度比径向电机更 高。 2）高功率密度：由于整个电机的磁场有效气隙面积增大，转子在工作时的有效力臂更大， 使得轴向磁通电机具有更高的功率密度。同时，轴向电机磁通路径比径向磁通路径更短， 从而使相同功率下的电机体积更小，功率密度更高。 3）高效率：轴向磁通电机的峰值效率普遍可达 97%-98%，较径向电机高出 2-3 个百分点。 效率提升源于铁损降低和铜损优化：短磁路减少了涡流路径，有效导体利用率接近 100%。 基于以上特点，轴向磁通电机特别适合于需高效率、高扭矩密度以及有特殊安装要求的场 合，在人形机器人中，适合大旋转关节（髋关节、肩关节）瞬间爆发力需求。

轴向磁通电机虽原理成熟，但目前还处于产业化初期，面临诸多量产难点： 1）电磁计算复杂：轴向磁通电机的电磁计算需在三维空间内进行，必须采用三维模型才能 确保电磁损耗计算的精确度。 2）工艺精度要求高：轴向磁通电机的核心尺寸控制比径向电机更为复杂，定子铁芯和转子 制造工艺要求高，其硅钢片轴向排列，每一层需单独模具冲压，且必须精确控制公差保持 转子和定子之间的平行度和气隙均匀。 3）散热挑战大：定子铁心被转子包裹导致散热设计难度高，发热问题严重，需采用浸没式 油冷、相变材料冷却等新型散热方法，并设计复杂的散热结构。 4）生产自动化程度低：产业界对其应用的新材料、新工艺认识不足，绕线工艺与径向电机 不同，自动化设备不成熟。 5）材料要求苛刻：定转子中需使用不导磁、不导电且高强度的复合材料。对于双转子电机， 如果定子不使用复合材料，电机的效率和可靠性将无法保障。 轴向磁通电机因生产工艺复杂，量产后生产成本也高于径向电机。同时，因其盘式结构， 在直线关节中并无应用优势。

谐波磁场电机：基于磁场调制现象的技术迭代方向

谐波磁场电机基于磁场调制现象，新增调制单元。谐波磁场电机是基于新结构和新原理工 作的磁场调制电机，与传统电机的工作原理不同在于其电枢与励磁磁场要经过磁场调制单 元的调制后才能相互作用产生转矩。传统电机普遍具有励磁和电枢两个功能单元，且两个 功能单元的极对数相同，谐波磁场电机利用气隙磁导谐波的调制效应，使励磁单元和电枢 单元的极对数不再相等，并在两者之间增设调制单元，从而实现类似机械齿轮箱的扭矩放 大倍数——极比（电机旋转部分极对数和电枢绕组极对数之比）。

编辑：火腿肠