无框力矩电机：从齿槽转矩消除到2026年三大技术突破

本文首先介绍无框电机中齿槽转矩的原理，解释无槽铁芯技术如何消除转矩波动和振动，并重点阐述 2025 年无框力矩电机取得的三大突破：通过超过 32 极对的高极对设计提高低速转矩，采用中空无框结构实现紧凑轻量化设计，以及使用高等级 NdFeB 永磁体提升转矩密度。

文章还总结了无框力矩电机的优势，包括体积紧凑和高转矩密度，同时讨论了磁路优化和热管理等挑战。最后，文章基于“转矩优先”的原则提供了实用的选型指南，并给出安装和散热方面的关键工程考虑。

理解基础：齿槽转矩是如何产生的？

要充分理解电机运行，首先需要了解电机铁芯的三个基本组成部分。

定子最外侧的连续圆环称为轭部。从轭部向内延伸的齿状凸起称为齿。相邻齿之间的空间称为槽，而每个槽前方的开口称为槽口。

为了使电机运转，导电铜绕组会缠绕在齿上。由于齿具有良好的磁导率，因此有助于增强磁场。

当转子置于定子内部并开始旋转时，可以明显感觉到周期性的阻力或“卡顿”感。在电机工程中，这种现象称为齿槽转矩。

例如，考虑一个六槽四极定子与一个四极转子配合。由于磁极数和槽数无法完全对齐，转子磁体与定子齿之间的磁吸力会在旋转过程中周期性变化。每当转子经过一个槽位时，就会产生一次转矩扰动，从而导致振动和运动不均匀。

消除齿槽转矩最有效的方法之一是采用无槽铁芯结构。

顾名思义，无槽电机既没有槽也没有齿。相反，铜绕组直接附着在铁芯光滑的内表面上。没有齿之后，转子磁体与定子之间的磁吸力在旋转过程中保持恒定。

因此，无槽电机可完全消除齿槽转矩，并提供：

• 极其平稳的运行

• 无卡顿或振动

• 极低的转矩波动

• 高定位精度

这是无槽电机技术最重要的性能优势之一。

无框力矩电机在 2025 年取得了哪些技术突破？

无框力矩电机是多极永磁同步直驱电机。与传统电机不同，它们去除了外壳、轴承和输出轴等非必要结构。

其发展重点在于三大目标：

• 低速恒转矩

• 高转矩密度

• 低转矩波动

2025 年，在电磁设计、结构创新和材料开发方面都取得了重大技术进展，使无框力矩电机非常适合人形机器人关节对紧凑、灵活和高精度的要求。

1. 电磁设计：解决低速振动

增加极对数量已成为推动性能提升的关键因素。

与五年前常见的主流 12 极对配置相比，如今高端无框力矩电机通常具有 32、64 甚至更多极对。

更高的极数使电机即使在零速或低至 0.1°/s 的超低速下也能输出稳定的额定转矩，有效消除传统电机常见的爬行、卡滞和振动问题。

同时，行业广泛采用经过优化的分数槽集中绕组方案，例如 48 极和 324 槽，将齿槽转矩降至额定转矩的 1% 以下。

这使其能够为以下高要求应用提供极其平稳的运动控制：

• 手术机器人

• 人形机器人关节

• 半导体设备

• 精密自动化系统

2. 结构创新：面向人形机器人的紧凑设计

无框力矩电机已成为人形机器人首选的电机架构。

与一体式有框 DD（Direct Drive）电机不同，无框电机具有以下特点：

• 无外壳

• 无轴承

• 无输出轴

这种极简架构带来了显著的集成优势。

定子可直接嵌入机器人壳体中，而转子则直接安装在负载轴上。

主要优势包括：

轴向长度缩短至传统驱动电机的约三分之一

整体重量降低 30% 以上

关节尺寸显著减小

内部可为电缆、传感器和流体管路预留布线空间

中空结构特别适合人形机器人关节紧凑的安装需求。

3. 材料进步：宽温范围内稳定的高转矩性能

高端无框力矩电机通常采用 N52H 级及以上 NdFeB 永磁体，剩磁最高可达 1.45 Tesla。

配合高导电铜合金绕组，这些材料可显著提升：

电磁转换效率

转矩密度

持续输出能力

完整的材料体系支持在 -40°C 至 125°C 的宽温范围内运行，确保在以下苛刻条件下仍能稳定输出转矩：

• 高温环境

• 低温环境

• 频繁启停循环

• 轻度过载工况

这种方案兼顾了性能与长期可靠性。

无框力矩电机的优势与挑战

1. 核心优势

体积紧凑

中空设计可最大限度减少占用空间，简化机器人关节内部的电缆布线和系统集成。

高转矩密度

即使在低转速下也能实现较大的转矩输出，因此无框力矩电机非常适合低速、高负载的机器人应用。

性能稳定

直接集成到机器结构中可增强其对以下因素的耐受性：

• 高温

• 高电压

• 辐射暴露

• 恶劣工业环境

• 卓越的启动和空载特性

• 低启动电压

• 低空载电流

• 提高能效

2. 技术挑战

磁路优化

工程师必须仔细优化磁性材料和绕组配置，以最大限度提高磁路效率和槽满率。

热管理

低压系统通常需要高电流运行，这会产生大量热量。过高的温升会加速部件老化并缩短系统寿命。

一致性要求

多关节机器人系统要求所有关节之间的电机性能高度一致。差异会增加调试复杂度，并对控制性能产生负面影响。

降低成本

关键部件的本土化仍是降低制造成本、推动大规模商业化部署的关键。

如何选择合适的无框力矩电机？

1. 黄金选型原则

最重要的规则是：

转矩优先，速度其次

人形机器人经常经历启停运行以及快速变化的动态负载。

建议的设计裕量包括：

• 连续转矩 ≥ 1.2–1.5 × 稳态负载转矩

• 峰值转矩 ≥ 2 × 冲击负载转矩

对于机器人关节，还必须严格控制惯量匹配。

负载惯量与电机惯量的比值应保持：

≤ 5:1

以防止振动、不稳定和振荡。

编码器选型

对于标准人形机器人应用：

• 23-bit 绝对式编码器

• 分辨率约为 0.0001°

对于以下超高精度应用：

• 医疗机器人

• 半导体制造

建议采用 29-bit 超高分辨率编码器。

2. 关键集成注意事项

同轴度控制

过大的同轴度误差是无框电机失效最常见的原因之一。

定子与转子之间的同心度应控制在：

0.02 mm

过度偏差会导致：

转矩波动增加

局部过热

轴承失效

装配过程中应使用高精度百分表进行精确对准。

热管理

由于无框电机在低速和高电流下运行，发热可能相当显著。

在以下工况下：

• 持续堵转

• 最大功率运行

强烈建议采用强制风冷或液冷系统。

先进的关节设计可采用：

• 集成在关节壳体中的热管

• 介电冷却液循环

以将持续转矩密度提高至最高四倍。

结构刚性

直驱系统缺少减速箱阻尼。

结构刚性不足会导致共振和振动。

建议方案包括：

中空一体化关节结构

加强型铸铁支撑底座

提高系统刚性

3. 调试与 EMI 优化

在调试过程中，应启用三个关键功能：

• 齿槽转矩补偿

• 谐波抑制

• 摩擦前馈补偿

电流环带宽应超过：

• 标准应用为 2 kHz

• 高端精密应用为 5 kHz

这些措施可有效降低转矩波动并提升运动平稳性。

例如，在手术机器人应用中，将 PI 控制器调节为：

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

即可实现快至 0.5 ms 的电流响应时间。

EMI 抑制

针对 1.2 MHz 干扰等固定频率噪声源，建议采用以下方案：

• 定子绕组铜箔屏蔽

• 纳米晶磁屏蔽层

• 导电织物屏蔽

• 在电源线缆上安装铁氧体磁芯

将 PWM 频率从 15 kHz 提高到 18 kHz 虽会略微增加开关损耗，但有助于避开机械共振频率，并将电磁噪声峰值降低约 8 dB。

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