轴向磁通关节电机 vs 无框力矩关节电机：人形机器人关节驱动两条路线对比

图1：轴向磁通（左）与无框力矩（右）拓扑结构对比

二、轴向磁通关节电机的核心优势

超高功率密度。功率密度可达10 kW/kg，较传统伺服电机提高3倍以上。扭矩密度可达30 Nm/kg，优于无框力矩电机的约19 Nm/kg。

扁平化结构。轴向尺寸减少50%，更适合关节内置。特斯拉（Tesla）Optimus、小米（Xiaomi）CyberGear等已尝试集成轴向磁通电机。

宽效率区间。在20%-95%负载范围内效率大于90%，适配人形机器人频繁启停工况。

三、无框力矩关节电机的核心优势

高集成度。与关节结构一体化设计，空间利用率提升40%以上。零背隙传动，无需传动链，避免齿轮啮合误差。

高扭矩输出。峰值扭矩可达500 Nm以上，扭矩密度达15 Nm/kg。单台人形机器人通常需要20-30个无框力矩电机，应用于髋关节、膝关节、肩关节等核心关节。

技术成熟度。产业链配套完善，步科股份（Kinco）、汇川技术（Inovance）等国内厂商已量产供货。特斯拉（Tesla）Optimus Gen 2全身28个关节大量采用无框力矩方案。

 

图2：人形机器人关节驱动方案分布示意

四、关键指标对比

功率密度：轴向磁通电机 10 kW/kg vs 无框力矩电机 3-5 kW/kg。

扭矩密度：轴向磁通电机 30 Nm/kg vs 无框力矩电机 15-19 Nm/kg。

轴向尺寸：轴向磁通电机减少50%，无框力矩电机为标准径向尺寸。

效率区间：轴向磁通电机在20%-95%负载均大于90%，无框力矩电机在额定负载大于90%。

成本：轴向磁通电机约为传统电机2-3倍，无框力矩电机量产成本低。

散热：轴向磁通电机因结构导致散热面积小，需额外方案；无框力矩电机径向散热路径长但面积大。

产业链成熟度：轴向磁通电机处于产业化初期，无框力矩电机供应链成熟、批量供货。

 

图3：关键指标对比

五、选型逻辑与趋势判断

髋关节、膝关节需承载整机50-80公斤重量，优先选择高扭矩密度方案。轴向磁通电机在下肢大扭矩场景有明确优势，重量有望下降一半。

成本仍是核心瓶颈。轴向磁通电机尚未批量，组装依赖人工。科达利（KEDALI）预计2025年10月赴北美送样轴向磁通电机关节模组，设备自动化后物料成本有望低于无框力矩电机。

散热需额外方案。轴向结构导致散热面积小于无框，需通过液冷微通道或导热介质解决。2025年行业开始推广液冷式方案，散热效率提升200%。

人形机器人关节电机选型，短期看无框力矩电机仍是主流，中长期轴向磁通电机在下肢大扭矩场景有望形成差异化替代。两种路线并非互斥，混合驱动方案或成终局。