電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）無框力矩電機(jī)是一種將傳統(tǒng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分離設(shè)計(jì)、去除外殼和軸承的電機(jī)形式，具有高集成度、高扭矩密度和靈活安裝的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、航空航天、高端數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。

無框力矩電機(jī)在人形機(jī)器人中主要應(yīng)用于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，通過高扭矩密度、快速響應(yīng)、輕量化與高靈活度等特性，成為提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的核心部件。

無框力矩電機(jī)核心優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

具體來看，無框力矩電機(jī)在人形機(jī)器人中的應(yīng)用主要有兩種形式：其一，無框力矩電機(jī)直接嵌入人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，提供高扭矩輸出和精準(zhǔn)控制。例如，特斯拉的人形機(jī)器人Optimus在每個(gè)關(guān)節(jié)中均使用無框力矩電機(jī)，確保復(fù)雜任務(wù)的高效執(zhí)行。

其二，無框力矩電機(jī)可與諧波減速器、編碼器等部件集成，形成一體化驅(qū)動(dòng)單元，適用于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。例如，優(yōu)必選的人形機(jī)器人Walker X在全身關(guān)節(jié)部位安裝了36個(gè)自研的高性能伺服舵機(jī)，其中包含無框力矩電機(jī)。

對(duì)于人形機(jī)器人來說，無框力矩電機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯。如高扭矩密度：無框力矩電機(jī)通過優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)，在緊湊結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)高扭矩輸出，滿足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)對(duì)大扭矩的需求；快速響應(yīng)：電機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成工作狀態(tài)的時(shí)間極短，適用于需要頻繁啟停、靈敏響應(yīng)的人形機(jī)器人領(lǐng)域；輕量化與高靈活度：無框設(shè)計(jì)減少了電機(jī)的體積和重量，提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和續(xù)航能力，同時(shí)，電機(jī)的定制化設(shè)計(jì)能力使其能夠適應(yīng)不同尺寸和形態(tài)的機(jī)器人關(guān)節(jié)；高精度控制：無框力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動(dòng)小等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)定位和高效加工，提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和精度。

當(dāng)然，無框力矩電機(jī)也存在技術(shù)壁壘，主要體現(xiàn)在磁路和工藝設(shè)計(jì)、制造工藝、定制化生產(chǎn)以及散熱能力方面。為此也出現(xiàn)了很多創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，如磁路設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過分布式分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)、碳纖維綁扎技術(shù)等創(chuàng)新工藝，無框力矩電機(jī)在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高扭矩輸出和能量轉(zhuǎn)換效率。例如，德國(guó)TQ Robodrive采用20極18槽磁路布局，通過環(huán)氧灌封提升散熱效率；美國(guó)科爾摩根則以12極39槽設(shè)計(jì)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，確保運(yùn)行平穩(wěn)。

如散熱技術(shù)突破，針對(duì)高功率密度下的溫升問題，行業(yè)通過液冷方案、環(huán)氧灌封等創(chuàng)新散熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)持續(xù)扭矩輸出能力提升30%以上。例如，無框電機(jī)采用無外殼設(shè)計(jì)使熱量直接傳導(dǎo)至宿主結(jié)構(gòu)，配合液冷系統(tǒng)可有效控制溫升，保障電機(jī)在高負(fù)載和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命并降低故障率。

再如制造工藝升級(jí)，采用高精度機(jī)加工、分瓣繞線設(shè)計(jì)、多線并繞工藝等技術(shù)手段提升制造精度。例如，雷賽智能的FM1系列通過優(yōu)化繞組槽滿率，使轉(zhuǎn)矩密度較同行高15%；臥龍電驅(qū)的繞組采用多線并繞工藝，減少銅損，效率達(dá)90%以上。

還有定制化與集成化，支持模塊化設(shè)計(jì)和異形定制（如中空軸設(shè)計(jì)），可適配不同關(guān)節(jié)尺寸需求。例如，特斯拉Optimus采用28個(gè)定制化無框電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，單機(jī)價(jià)值占比約15.4%；步科股份提供外徑覆蓋52mm~132mm的10種框架尺寸，適配多場(chǎng)景需求。同時(shí)，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、編碼器的一體化設(shè)計(jì)減少了信號(hào)干擾，提升了系統(tǒng)集成度。

全球無框力矩電機(jī)主要品牌及技術(shù)對(duì)比

從全球市場(chǎng)格局方面來看，無框力矩電機(jī)長(zhǎng)期以來主要依賴國(guó)外廠商供應(yīng)，不過近年來國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程正在積極推進(jìn)。從全球范圍來看，無框力矩電機(jī)市場(chǎng)主要的廠商有包括科爾摩根、TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。國(guó)內(nèi)力矩電機(jī)廠商主要包括步科股份、昊志機(jī)電、雷賽智能、臥龍電驅(qū)等。

科爾摩根是全球最早研發(fā)出無框電機(jī)的企業(yè)。科爾摩根產(chǎn)品品類齊全，性能遠(yuǎn)超對(duì)手，其輕重量、高扭矩的特性更符合人形機(jī)器人的需求。例如TBM2G系列無框伺服電機(jī)，使用先進(jìn)的繞組和材料消除了低速性能佳、高速性能受限的限制，可在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供業(yè)界領(lǐng)先的功率、轉(zhuǎn)矩和效率。該系列電機(jī)的尺寸與常用的諧波減速機(jī)高度適配，無需進(jìn)行大規(guī)模定制，可根據(jù)機(jī)器人的預(yù)期用途，為每個(gè)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)尺寸/重量和扭矩的理想平衡。

Aerotech是美國(guó)一家在精密運(yùn)動(dòng)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域具有領(lǐng)導(dǎo)地位的企業(yè)，專注于設(shè)計(jì)和制造高性能的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品。其S系列電機(jī)采用無槽定子設(shè)計(jì)和高極數(shù)轉(zhuǎn)子，提供零齒槽效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)卓越的速度穩(wěn)定性。疊片不含槽，消除了產(chǎn)生速度擾動(dòng)的扭矩波動(dòng)和齒槽扭矩，非常適合直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。S系列無槽電機(jī)涵蓋廣泛的扭矩和封裝尺寸，連續(xù)扭矩范圍從0.20 N·m到29.09 N·m，峰值扭矩范圍從0.82 N·m到116.37 N·m。

步科股份是國(guó)內(nèi)無框力矩電機(jī)龍頭廠商，公司的自動(dòng)化設(shè)備控制核心部件主要包括工業(yè)人機(jī)界面、伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、變頻器等。2022年新推出的第三代無框力矩電機(jī)首創(chuàng)無框灌封工藝，提供型號(hào)完備的低壓力矩電機(jī)解決方案，專為需求體積小、質(zhì)量輕、慣量低、結(jié)構(gòu)緊湊、功率高的應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)。2023年出貨量約1.4萬臺(tái)，第三代無框電機(jī)對(duì)標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品，在高端人形機(jī)器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

昊志機(jī)電自2006年成立以來，以主軸產(chǎn)品為基礎(chǔ)，逐步向轉(zhuǎn)臺(tái)、直線電機(jī)、機(jī)器人減速器等數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人其他核心功能部件拓展。相關(guān)產(chǎn)品包括無框力矩電機(jī)、精密交流伺服電機(jī)、低壓無刷伺服電機(jī)、防爆直流伺服電機(jī)、空心軸伺服電機(jī)等。

雷賽智能是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域國(guó)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)，公司空心杯電機(jī)、FM1高密度無框電機(jī)系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人、人形機(jī)器人領(lǐng)域。最新發(fā)布的FM1無框電機(jī)和微型驅(qū)動(dòng)器主要針對(duì)人形機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分，正在進(jìn)入試產(chǎn)試銷階段。產(chǎn)品針對(duì)協(xié)作和人形機(jī)器人等行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶痛點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，提供25/38/50/60/70/85/115mm等七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架尺寸，還可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行電機(jī)尺寸和電氣參數(shù)的優(yōu)化定制。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩密度比一般同行高出15%，功率密度比一般同行高出20%，最小電機(jī)重量為50g，25mm極小尺寸。

臥龍電驅(qū)作為工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，積極布局人形機(jī)器人核心零部件賽道，已成功開發(fā)高爆發(fā)關(guān)節(jié)模組、伺服驅(qū)動(dòng)器、無框力矩電機(jī)等關(guān)鍵組部件。其中，無框力矩電機(jī)等核心產(chǎn)品深度依賴稀土永磁體材料，通過釹鐵硼磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。公司依托深厚的技術(shù)積累，創(chuàng)新采用優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)方案，并引入第三代釹鐵硼高性能永磁材料，成功實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)模組扭矩密度突破102.85 Nm/kg，顯著提升了產(chǎn)品性能與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

寫在最后

隨著人形機(jī)器人市場(chǎng)的快速發(fā)展，無框力矩電機(jī)的需求量級(jí)顯著提升。預(yù)計(jì)到2030年，全球人形機(jī)器人用無框力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到23.97億美元，疊加傳統(tǒng)領(lǐng)域市場(chǎng)空間的平穩(wěn)增長(zhǎng)，總市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到33億美元。當(dāng)然在技術(shù)上無框力矩電機(jī)仍需持續(xù)創(chuàng)新，來滿足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)對(duì)高扭矩的需求，提升其續(xù)航能力，提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度，滿足人形機(jī)器人對(duì)高精度動(dòng)作控制的需求等。