人形机器人动力之源，电机应用要求与变革方向

投资评级：（）报告日期：推荐维持2025年12月18日 ◼分析师：林子健◼SAC编号：S1050523090001◼联系人：张智策◼SAC编号：S1050124020009 ◼联系人：程晨◼SAC编号：S1050124070018 投 资 要 点 电机是人形机器人动力源，性能直接影响人形机器人运动能力、稳定性等多方面表现 电机是实现电能向机械能转换的枢纽，人形机器人电机主要采用无框力矩电机及空心杯电机。作为人形机器人核心零部件之一，电机性能直接影响人形机器人运动能力、灵活性、稳定性和能效等多方面的表现。从特斯拉Optimus、宇树H1/G1等多款人形机器人关节核心参数看，电机动力输出、能效优化诉求突出，高性能电机是目前关节迭代的关键，为人形机器人从实验室走向规模化应用奠定基础。 人形机器人结构紧凑，有限空间内提升电机性能需聚焦结构、原理、材料及控制等方向 人形机器人结构紧凑，根据电机转矩公式：，在不增加体积的情况下，实现扭矩/动态响应速度的提升，需提升电机电负荷、磁负荷及转矩线性度，对应在电机设计中需聚焦三个主要方向：结构创新、原理创新、材料与控制创新。22[]cos[]eeiegiegTKD L ABDL AB= 1、电机本体结构革新：①轴向磁通电机：相对普通电机结构扁平轻薄，同等条件下扭矩提升可达4倍，功率密度极高。②PCB定子电机：定子线圈蚀刻在电路板上，减重50%，适合轻量化需求。③超声波电机：拥有断电自锁、低速大扭矩等特点，是灵巧手驱动的潜在竞争者。④扁平线绕组：槽满率提升20-30%，增加磁场强度，且扁线接触面积大，散热更优。 2、电机工作原理创新：谐波磁场技术（磁场调制）：打破定转子极对数限制，大幅提升转矩密度。 3、热管理与控制系统升级：①散热改进：引入液冷通道、碳纳米管及相变材料，解决高负载发热问题。②GaN（氮化镓）驱动：相比传统MOSFET，GaN能实现更高频率的PWM控制（如100kHz），提升控制精度并减小驱动器体积。 诚信、专业、稳健、高效 投 资 要 点 灵巧手集成化设计趋势明显，微型电机壁垒较高 我们认为手部执行器总数约为50个左右，按照每个微型电机200元的价格测算，Optimus的微型电机ASP约为10000元。空心杯电机和微型无框电机已成为灵巧手实现精确伺服驱动运动的理想解决方案：1）空心杯电机：采用了无铁芯转子，使得电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少转子自身的机械能损耗；2）无框电机：已精简到只剩定子和转子，并舍弃了传统的框架、轴承和轴，支持轴向长度灵活调整，径向尺寸也可以根据关节腔定制，甚至能实现径向安装或中空贯通布局，这种灵活性能让工程师“创造关节”而不是被动地“适配电机”。 建议关注具备高壁垒技术以及规模化制造能力的龙头企业 推荐关注卧龙电驱、伟创电气、鸣志电器、江苏雷利、信捷电气、科尔摩根、尼得科。 电机提升扭矩的常规思路-电负荷、磁负荷、转矩线性度以及体积 传统电机电磁转矩表达式： ，其中：22[]cos[]eeiegiegTKD L ABDL AB= ➢Te：电机扭矩➢Di：电机定子内径➢Le：电机有效铁芯长度➢A：电负荷➢Bg：磁负荷➢Ke、η、cosΦ：结构常数、效率、功率因数 提升负荷与转矩线性度 资料来源：磁场调制—高转矩密度电机的创新与发展，华鑫证券研究所 诚信、专业、稳健、高效 风 险 提 示 电机新技术研发与产业化进程不及预期人形机器人商业化落地不及预期行业竞争加剧与格局恶化原材料价格波动风险 0 1 电机是机器人动力源泉，性能高低至关重要 1.1电机是人形机器人动力之源 执行器是机器人实现运动的核心部件，躯干按传动形式可分为旋转与线性两类。执行器（即一体化关节）是将电机的旋转运动转化为连杆机构运动的关键组件，是机器人实现动作的核心动力单元。电机作为执行器的核心零部件，负责将电能转化为机械能，为整体运动提供驱动力。人形机器人躯干中的执行器可分为两类：旋转执行器与线性执行器，主要区别在于其传动机构形式——前者通常采用减速器，后者则采用行星滚柱丝杠。以特斯拉Optimus为例，其全身配置14个线性执行器与14个旋转执行器，通过协同运作实现精确灵活的运动控制。此外，机器人灵巧手中同样需要电机进行驱动。 资料来源：TeslaAIDay，空间五指灵巧手控制系统设计_韩运峥，华鑫证券研究所 1.2电机性能对人形机器人至关重要，是机器人核心部件 电机作为人形机器人的核心部件之一，其性能直接影响人形机器人的运动能力、灵活性、稳定性和能效等方面的表现： ➢电机的峰值扭矩为机器人提供负重作业、复杂动作执行的动力支撑，是实现重载操作、越障移动等功能的基础；➢电机高扭矩密度则通过“轻量化+高效动力输出”的结合，大幅提升机器人的运动灵活性，同时降低能耗以延长续航时长；➢电机的输出精度与稳定性，是机器人实现平稳行走、精准操作、动态平衡的关键保障，从细微动作的精准控制到复杂场景下的姿态调整，均依赖电机的稳定动力响应。 资料来源：中国青年报、华鑫证券研究 1.3电机性能对人形机器人至关重要，是机器人核心部件 人形机器人对电机的核心性能需求正持续攀升。从宇树H1/G1、特斯拉Optimus、智元灵犀X1等多款人形机器人关节的核心参数来看：一方面，动力输出要求逐步提高，例如宇树H1膝部关节电机的峰值扭矩已达360N・M，为机器人复杂动作与负重作业提供支撑；另一方面，轻量化与能效优化的诉求突出，宇树H1、智元灵犀X1的扭矩密度分别达到189.5N・M/kg、156.3N・M/kg，体现出电机在控制自身重量的同时，需实现更高的动力输出效率，电机的效率将直接影响机器人的续航能力。 1.4高性能关节为人形机器人从实验室走向规模化应用奠定基础 人形机器人高性能关节的“高性能”主要体现在动力及控制。其核心是仿生运动能力与工业级可靠性的融合，技术演进路径可概括为：材料革命→结构集成→控制智能→系统仿生。随着3D打印、AI算法和新型材料的突破，未来关节有望实现300Nm/kg扭矩密度和98%能效，为人形机器人从实验室走向规模化应用奠定基础。 1、动力密度：毫米级空间的吨级力量2、动力响应：毫秒级的神经反射速度3、能效管理：从续航焦虑到持久耐力 1.5电机是执行器核心部件，通过电磁感应原理实现能量转换 电机是通过电磁感应实现能量或信号转换的电气设备，可按功能或结构分为发电机、电动机等多种类型。电机是一种依靠电磁感应原理运行的电气设备，用于实现机械能与电能之间的转换，或不同形式电能及信号之间的传递与转换。电机种类繁多、结构多样、性能各异，通常可从以下两方面进行分类：①按能量转换或传递的功能及用途，可分为发电机、电动机、变压器和控制电机；②按结构特点及电源类型，可分为变压器与旋转电机两大类。其中，旋转电机具有相对旋转的运动部件，可进一步细分为控制电动机、功率电动机及信号电机。 关节电机路径解析 2.1电机扭矩和旋转的产生由磁场和电流之间的相互作用产生 电机旋转是定转子相互排斥/吸引的周期行为体现，由线圈匝数、磁通量等多因素决定。电流在线圈中流动时由磁体和磁场之间产生的排斥／吸引，利用来自相同磁极的排斥力和不同磁极的吸引力来旋转电机。然后，通过控制定子上缠绕线圈的电流方向，依次切换定子磁场，使转子（带永磁体）旋转。电动势大小由线圈匝数、磁通量变量决定。 2.2人形机器人性能突破关键：功率/扭矩密度提升 在机器人本体空间有限的约束下，提升电机功率及扭矩密度，是增强整机性能与灵巧手抓握能力的重要途径。根据D²L规则，转矩的增加与电机叠片长度的增加成正比，或者与力矩臂直径增加的平方成正比。电机峰值扭矩性能直接决定人形机器人的整体动态表现，而当前功率密度不足则限制了灵巧手的抓取力上限。因此，在有限空间内实现电机功率与扭矩密度的进一步提升，已成为推动人形机器人整体性能进阶的主要技术方向。 2.3电机提升扭矩的常规思路-电负荷、磁负荷、转矩线性度以及体积 传统电机电磁转矩表达式： ，其中：22[]cos[]eeiegiegTKD L ABDL AB= ➢Te：电机扭矩➢Di：电机定子内径➢Le：电机有效铁芯长度➢A：电负荷➢Bg：磁负荷➢Ke、η、cosΦ：结构常数、效率、功率因数 提升负荷与转矩线性度 资料来源：磁场调制—高转矩密度电机的创新与发展，华鑫证券研究所整理 诚信、专业、稳健、高效 2.4高效电机是高性能关节关键，聚焦功率密度、高动态等三维度 人形机器人电机有三个关键需求：高效率、高动态和高功率密度。需要从电机结构、原理等方向出发实现电机性能提升。 ➢高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，能在短时间内承受过载。 ➢高动态：整个驱动器（电机、机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。 ➢高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，电机还需要小巧，紧凑，轻巧。 2.5轴向磁通电机：磁通量平行于轴线的电机，盘式结构带来性能优势 轴向磁通电机通过改变磁通方向与结构布局，使转子位于定子侧面，实现更高的功率密度与设计灵活性。轴向磁通电机（又称“盘式电机”）是一种磁通路径区别于传统径向电机的创新型电机，其气隙为平面结构，气隙磁场方向与电机轴线平行。与普通电机相比，轴向磁通电机在结构上最大的特点是转子位于定子的侧面，而非包覆于定子内部。此设计使转子直径可显著增大，从而带来更高的转矩密度与结构设计灵活性，成为新一代高性能驱动系统的重要发展方向。 诚信、专业、稳健、高效 2.5轴向磁通电机：设计灵活，可根据定转子不同数量组合成多类型 轴向磁通电机可根据定转子组合分为多种结构形式，不同配置在功率密度、受力特性及应用领域上各具优势。根据定子与转子的组合方式，轴向磁通电机可分为以下四种典型结构： 1、单定子/单转子结构：由一个转子与一个定子组成，结构简单、体积紧凑，但存在单边磁拉力大、轴承负荷高、振动噪音明显及定转子摩擦风险，影响电机寿命。 2、单定子/双转子结构：由一个内定子与两个外转子构成，功率密度高，能在有限空间内输出更大转矩，适用于牵引系统、航空航天等对性能密度要求高的领域。 3、双定子/单转子结构：由一个内定子与两个外转子组成，结构对称性好，可有效降低单边磁拉力，常用于风力发电等需要稳定运行的系统。 4、多定子/多转子结构：由多个定子与转子叠加形成，能输出极高转矩，适合船舶推进、大型风力与水力发电机组等大功率场景。 2.5轴向磁通电机：拥有高转矩与高功率密度优势 轴向磁通电机因转矩与转子直径立方成正比，在相同材料与转速条件下可实现4倍扭矩提升。电机的能量输出主要以转矩衡量，转矩定义为力×半径。对于轴向磁通电机，其转矩与转子直径的立方成正比，而传统径向磁通电机的转矩仅与转子直径的平方成正比，因此在相同的受力条件下，轴向磁通电机能获得更高的转矩输出。功率密度与扭矩密度通过转速相联系，公式为P=T×ω（功率=转矩×角速度），即在相同转速下，轴向磁通电机可实现更高功率输出。总体来看，在使用相同数量的永磁材料与铜线材料时，轴向磁通电机可较径向磁通电机实现4倍扭矩提升，展现出显著的能量转换效率优势。 2.6PCB定子电机：可实现轻量化、高效与高可靠性 PCB定子通过无铁芯设计显著减轻体积与重量，同时降低损耗并提升效率与可靠性。与传统电机相比，PCB定子将铜线圈直接蚀刻在电路板上，使电机的重量和尺寸可减少约50%。在电动汽车电源系统中，牵引逆变器的驱动电流通过固定的PCB定子绕组产生轴向磁通量，驱动转子旋转，从而推动车辆前进。除了体积和重量的优势，无铁芯设计还可显著减少定子磁滞损耗与涡流损耗，提升能效和单位电力输入的物理输出。同时，通过消除传统电机中铜绕组及绝缘相关的潜在故障点，PCB定子能够有效提高电机整体可靠性，为轻量化与高性