飞行汽车中的无刷外转子电机、人形机器人中的无框力矩电机技术解析与应用

重点:无刷外转子电机与无框力矩电机：技术解析与应用对比

在现代工业自动化和精密机械领域，无刷电机因其高效、低噪音和高可靠性而备受青睐。其中，无刷外转子电机和无框力矩电机更是以其独特的结构和性能特点，成为众多应用场景中的理想选择。今天，就让我们深入探讨这两种电机的特性、优势以及它们在不同领域的应用。

一、无刷外转子电机：结构与性能

（一）结构特点
无刷外转子电机是一种特殊的无刷电机结构，其内部通电线圈绕组作为定子，而永磁体与外壳联动作为转子。这种设计使得电机的转子转动惯量较大，通常转速较低。外转子结构的一个显著优势是其散热性能较好，因为转子与外壳直接接触，能够快速将热量传导出去。

（二）性能特点

• 功率密度：相对较低，但足以满足一些对空间要求较高的应用场景。

• 转速：较低，适合需要低速高扭矩的应用。

• 稳定性：较高，适合需要长时间稳定运行的设备。

• 成本：相对较低，适合对成本敏感的应用。

• 扭矩波动：较小，适合需要平稳运行的设备。

（三）应用场景
无刷外转子电机常用于需要在极小空间中实现高精度的应用场合，例如微型机器人、无人机、小型飞行器等。它们的低速高扭矩特性使其在一些需要直接驱动的应用中表现出色。

二、无框力矩电机：结构与性能

（一）结构特点
无框力矩电机是一种没有传统外壳或框架的电机，只有定子和转子。这种设计使得电机可以直接集成到机器的结构中，减少了机械传动部件，从而提高了系统的整体效率和可靠性。

（二）性能特点

• 扭矩密度：相对较高，能够在较小的体积内输出较大的扭矩。

• 刚度：极高，可直接驱动负载，无需额外的机械传动装置。

• 效率：高，减少了机械传动损失。

• 噪音：低，由于减少了传动部件。

• 维护性：低，减少了机械部件，降低了维护成本。

（三）应用场景
无框力矩电机广泛应用于机器人、自动化设备、医疗设备、航空航天等领域。例如，在协作机器人关节、核磁共振扫描仪、CT扫描仪等设备中，无框力矩电机能够提供高精度、高效率的动力输出，同时减少设备的整体体积和重量。

三、选型建议

（一）无刷外转子电机
在选择无刷外转子电机时，需要根据具体的应用需求来确定电机的极数和绕组参数。例如，对于需要高扭矩的应用，可以选择多极电机；而对于需要高转速的应用，则可以选择少极电机。此外，还需要考虑电机的散热需求，确保电机在长时间运行中能够保持良好的散热性能。

（二）无框力矩电机
无框力矩电机的选型则需要更加细致的考量。首先，需要根据所需的扭矩和空间尺寸选择合适的定子叠厚和外径。其次，还需要考虑电机的安装方式和集成方案，以确保电机能够完美地融入设备的整体结构中。由于无框力矩电机需要定制化集成，因此在选型时需要与电机供应商进行充分的沟通，确保电机的性能和可靠性能够满足应用需求。

四、总结

无刷外转子电机和无框力矩电机虽然都属于无刷电机的范畴，但它们在结构、性能和应用场景上各有特点。无刷外转子电机以其结构紧凑、成本低、散热好等优势，适合在一些对空间和成本要求较高的应用中使用；而无框力矩电机则以其高扭矩密度、高刚度、高效率等优势，在机器人、自动化设备、医疗设备等领域表现出色。在选择电机时，需要根据具体的应用需求和预算，综合考虑电机的性能、可靠性、维护性等因素，以确保电机能够为设备提供稳定、高效的动力支持。

宇树的无框力矩电机:

宇树科技B2-W采用了M107高性能关节模块，M107的最大关节扭矩为360N.m，重量为1.9kg。这些模块化的关节不仅提供了强大的动力输出，还具备高精度的控制能力。模块化设计使得维护和升级更加便捷和经济，哪里损坏就可以更换哪里。 关节电机的技术壁垒主要是磁路和工艺设计壁垒：磁路和工艺设计是电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标，而无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率，因此在磁路和工艺设计方面存在一定的技术能力要求。

无框力矩电机海外厂商起步较早

工艺技术存在先发优势，例如韩国TMTECH转子采用整体充磁磁环技术，美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国TQRobodrive采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相比仍存在差距。

全球无框力矩电机主要制造商包括

科尔摩根（美国）、威腾斯坦（德国）、尼得科（日本）、派克汉尼汾（美国）、MAXONMOTOR（瑞士）等。科尔摩根是全球最早研发出无框电机的企业，具备高端产品核心生产技术。国内无框电机主要参与者包括步科股份、昊志机电、伟创电气、禾川科技、微精电机等。国产人形机器人本体厂商如宇树H1、远征A1、小米Cyberone、优必选X1、傅里叶GR-1，关节单元也都使用无框力矩电机。