轴向磁通关节电机 · 行业认知研究报告

第一章 · 关节要什么，电机给什么

1.1 旋转关节的动作与约束

人形机器人的关节不是一个「电机加一个壳」的零件，而是一个把电能变成力矩、再让力矩与环境打交道的执行器。讨论轴向磁通电机能不能用在关节上，先要看清关节到底要求什么。不同部位的关节，动作、负载、速度、精度差别很大，这些差别最后都会落到电机的扭矩、转速、惯量和散热上。

常见的人形机器人按人体解剖分工布置旋转关节：髋三个自由度、膝一个、踝两个、腰两到三个、肩三个、肘一个、腕三个。自由度就是关节能独立转动的方向数；自由度越多，动作越灵活，但每一个自由度都要一套电机、减速器和编码器，成本和重量随之上升。表 1-1 把各部位的要求并排放。

表 1-1 · 人形机器人各旋转关节的动作与负载特征

表 1-1 为本报告归纳；自由度按人体解剖的常规分工，峰值扭矩为宇树 H1 与 H1-2 官网口径［1］，不同机型、不同设计会不同，本表只作量级参照。

这张表最直接的信息是：关节不是一种东西，而是一族东西。膝的峰值扭矩是踝的六倍、是腕的十二倍；腕的精度要求又远高于膝。用一款电机打全部关节，在工程上一定会在某些部位过剩、在另一些部位不够。

先看承受重量最大的膝和髋。站立时，膝要扛住体重乘以重心到膝关节的水平距离；下蹲时这段距离变长，力矩随之上升，所以膝的峰值需求往往由「深蹲起立」定义，而不是由「走路」定义。走路时膝的力矩是周期性的，落地瞬间还会叠加上冲击，峰值持续时间很短；这就给了一个重要的区分——峰值扭矩决定关节「能不能做到」，持续扭矩决定关节「能不能一直做」。髋比膝多两个自由度，除了屈伸还要外展和旋转，单腿支撑时它承受的是整个身体的重量，所以髋的扭矩需求也很大，但因为它可以用更大的安装空间、更粗的减速器，设计余量通常比膝宽。

踝是另一种典型。它的峰值扭矩只有膝的六分之一，但要求高带宽：人靠踝关节做「踝策略」的平衡，身体一晃，踝要在几十毫秒内改出力矩，慢了就摔倒。高带宽要求低惯量、低回差、可反驱，这三点正好是准直驱方案的长处。换句话说，踝不是「小一号的膝」，它的约束方向完全不同——膝要的是力矩，踝要的是响应。

肩和肘的要求又不一样。肩要在大范围内摆动手臂，肘要在提拉时保持稳定，两者的扭矩取决于手臂长度和负载。宇树 H1 的手臂约 75 N·m，看起来比膝小很多，但手臂是远端质量，同样的重量放在手臂上，对整机姿态的影响远大于放在髋部。这就是为什么手臂关节特别在意「轻」：不是因为它扛不动，而是因为它每多一克，肩和腰都要多付出一份力矩。

腕是最能说明轴向电机机会的部位。腕的三个自由度要在一个很小的体积里完成姿态调整，扭矩需求只有几十牛米，但轴向尺寸极其紧张——人的手腕从一个角度看就是一块薄薄的关节。传统径向电机加减速器在这里要么做粗、要么做长；轴向电机把磁路摊成盘状，轴向尺寸可以压得很短，正好对上腕的需求。这个观察后面还会反复出现：轴向的优势不是「所有关节都更好」，而是「在轴向尺寸最紧、扭矩需求中等的关节上更好」。

腰部常被忽略，但它其实是轴向电机的一个潜在入口。腰要承受整个上半身的重量，扭矩需求与髋同级（H1-2 约 220 N·m），而腰的轴向空间被骨盆和胸腔夹住，也很难做长。腰通常需要两个到三个自由度，每个自由度一套执行器，堆在一起时「薄」的价值会被放大。

把这些要求归拢，关节对电机提出的是五类约束。第一是空间：关节腔是一个圆柱形或扁圆柱形的空腔，轴向长度和直径互相挤占，电机不能同时无限做粗、做长。第二是重量：越靠近末端的关节，重量越敏感，因为远端质量会被力臂放大成惯量。第三是热：关节是密封的，没有风扇，热量只能靠外壳和结构传导出去，持续扭矩因此被卡住。第四是安全：人形机器人要与人共处，关节必须能限矩、能被外力反向推动、断电时不能失控坠落。第五是成本：一台整机有二十多个关节，关节模组占整机物料成本的一半以上，任何一处降本都会被放大二十多倍。

这五类约束不能同时满足，关节设计本质上是在它们之间做交换。轴向磁通电机的交换方式是「用直径换轴向长度」：把电机做成大直径的薄盘，轴向短了，但径向尺寸变大、转子惯量变大、轴向磁吸力变大。这个交换在腕、肘、腰这类「轴向紧、直径有余量」的部位划算，在膝这类「直径被腿围限制、扭矩需求又最大」的部位就不一定划算。第一章剩下的部分，就是把「电机参数怎样变成关节表现」这条链拆开，看清楚交换发生在哪一环。

1.2 电机参数怎样变成关节表现

关节是一体化执行器，电机只是其中一环。一条传导链是：电机的峰值扭矩，经过减速器放大，再打上传动效率折扣，才是关节的峰值扭矩。写成式子：

关节扭矩 ＝ 电机扭矩 × 减速比 × 传动效率

这个式子看起来简单，但它决定了整篇报告的比较方法。以宇树 H1 的膝为例，关节峰值 360 N·m；如果配 100:1 的谐波减速器、传动效率取 0.80，反推电机只需要 4.5 N·m（本报告计算：360 ÷ 100 ÷ 0.80）。如果换成 9:1 的准直驱、效率取 0.90，电机就要 44.4 N·m，是前者的近十倍。同样一个关节，电机可以是一台小扭矩高转速的伺服，也可以是一台大扭矩低转速的力矩电机，差别全在减速比。

表 1-2 把五种传动方案放在同一把尺子上。减速比、效率的常见范围来自行业口径，最后一列是按 360 N·m 关节扭矩反推的电机扭矩，用来比较量级，不代表任何一家厂商的实际选型。

表 1-2 · 五种传动方案与 360 N·m 关节所需的电机扭矩

表 1-2 的减速比范围引自 M2 觅途咨询白皮书［2］；效率、回差、反驱性为本报告归纳的常见区间；所需电机扭矩为本报告计算（360 ÷ 减速比 ÷ 效率），取各方案的代表值，仅作量级比较，不构成选型建议。

这张表要读出三层意思。第一层，减速比是「扭矩放大器」，也是「转速缩小器」：减速比越大，电机可以越小，但关节转速越低。3000 转/分是伺服电机的常见额定转速，折成弧度每秒是 314；配 100:1 的谐波，关节只能转到 3.14 弧度/秒，也就是每秒 180 度，够走路，不够奔跑；配 9:1 的准直驱，关节能到 34.9 弧度/秒，动态响应好得多。第二层，效率是「隐性税」：谐波在 100:1 时的效率通常只有八成左右，两成的扭矩在减速器里变成了热，这些热又要从关节里排出去，散热压力因此叠加。第三层，回差和反驱性是「控制品质」：谐波的回差以角分计，人形机器人做精细操作时，回差会直接变成末端误差；准直驱没有减速器回差，外力可以直接推动电机，适合做柔顺控制，但电机本身要做得很大。

把这三层合起来，就能理解为什么行业当前的主流是混合架构：上半身的肩、肘、腕要精度、要自锁，用谐波；下肢的踝、膝要动态、要抗冲击，用准直驱或行星；腰和髋要大力矩，用谐波或 RV。这个架构不是谁规定的，而是每一类关节的约束各自推出来的。

第二层传导是热。峰值扭矩只能短时输出，持续输出受温升限制。电机的铜损与扭矩的平方近似成正比：扭矩翻一倍，损耗大约翻四倍。如果一台电机在峰值工况下的损耗是持续工况的四倍，那么它的持续扭矩大约只有峰值的二分之一（本报告计算：持续扭矩 ∝ 损耗的平方根，√(1/4)＝0.5）。这个「二分之一」不是精确值，它取决于冷却条件、绕组热容和环境温度，但它给出了一个量级感：峰值 360 N·m 的关节，持续扭矩可能只有 180 N·m 左右，甚至更低。

占空比是热的另一半。人走路时，每条腿的支撑相大约占一个步态周期的六成，关节扭矩在支撑相上升、在摆动相下降；如果步频是每秒一步，扭矩波动的周期是一秒，而关节的热时间常数通常是几分钟，热量会在几个步态之间被平均掉。所以走路对关节的热压力，远小于「站着不动扛重物」——后者是持续扭矩工况，热量没有低谷可以喘息。这就是为什么下肢关节的持续扭矩指标，往往由「静立」「负重保持」「爬坡」这些场景定义，而不是由「走路」定义。

第三层传导是惯量。电机的转子有转动惯量，惯量经过减速器会被放大为减速比的平方：关节侧看到的电机惯量等于电机转子惯量乘以减速比的平方（本报告计算：0.0002 × 100² ＝ 2.0；0.0002 × 9² ＝ 0.0162）。假设电机转子惯量是 0.0002 kg·m²，配 100:1 谐波，折算到关节侧就是 2.0 kg·m²；配 9:1 准直驱，只有 0.0162 kg·m²。而一条人腿绕髋的惯量大约在 0.1–1 kg·m² 的量级（本报告归纳）。这意味着：高减速比下，关节「感觉不到」负载的惯量，电机惯量占了主导，控制起来稳，但外力推不动、反驱性差；低减速比下，负载惯量主导，关节能感知外力，适合做力控，但控制难度高。

轴向磁通电机在这条惯量链上有它的特殊性。盘式转子把质量放在大半径上，转动惯量与半径的平方成正比：同样质量的转子，半径加倍，惯量变四倍。这对高减速比的关节影响不大——反正电机惯量已经被放大到主导；但对准直驱关节是实打实的劣势，因为准直驱要的就是低惯量、高反驱。这个矛盾后面在 2.3 节还会展开：轴向电机更适合配高减速比的精密关节，而不是配低减速比的动态关节。

第四层是精度。编码器的分辨率常被当成精度，但两者不是一回事。一个 19 位的绝对值编码器，每转有 524,288 个刻度，折合 0.00069 度；装在电机上、再经过 100:1 减速器，理论上关节的分辨率是 0.0000069 度（本报告计算：0.00069 ÷ 100）。但关节的实际精度由回差、结构弹性、热变形和控制误差共同决定：谐波减速器的回差以角分计，1 角分是 0.0167 度，比编码器分辨率大了两千多倍。所以「编码器多少位」只是精度链条的起点，真正决定末端精度的是减速器和结构。

第五层是控制。关节的驱动器要完成电流环、速度环、位置环三闭环，电流环的频率通常在几千赫兹到十几千赫兹，位置环在几百赫兹到一千赫兹。电机的电气时间常数会影响电流环带宽：电感小，电流上升快，带宽高；电感大，电流上升慢，带宽低。无铁芯的 PCB 定子电感很小，电流响应快，但转矩脉动和发热要另想办法；有铁芯的定子电感大，电流平滑，但带宽受限。这些差异不会写在「峰值扭矩密度」这个指标里，却会在关节的实际手感上表现出来。

图 1 把这条传导链画成一张图。左边是驱动器给的电流，中间是电机把电流变成扭矩，右边是减速器把扭矩放大、把转速缩小，最后作用在负载上；下面两条虚线，一条是编码器把关节位置反馈回驱动器，一条是热约束把持续扭矩压住。

图 1 · 从电流到关节力矩的传导链

数据来源：本报告绘制；公式为本报告归纳的电机传动关系，数值示例见正文。

这张图想说明的是：读者在电机规格书上看到的那个「峰值扭矩」，只是链条最左边的一环。它要经过减速比放大、效率折扣、热约束压制、惯量折算、回差与结构弹性，才变成关节末端的能力。任何一次「A 电机比 B 电机扭矩密度高，所以 A 更适合人形关节」的推理，都必须先问：这个比较发生在链条的哪一环？如果只比裸电机，链条后面的四环全部被省略了，结论就不可靠。

1.3 行业边界与所处阶段

把轴向磁通关节电机放在更大的电机行业里看，先要分清它和汽车、航空两个「近亲」的边界。三者都用电机，但工况差得很远，不能把汽车或航空的成绩直接搬到人形关节上。

表 1-3 · 人形关节、汽车电驱、航空电推的工况边界

表 1-3 为本报告归纳；寿命与认证只给方向，不给具体年限，因为不同机型、不同客户的要求差异很大。

这张表最值得注意的是「占空比」这一行。汽车电驱的工况是连续的：车在高速上跑两个小时，电机就连续输出两个小时，热设计必须按连续工况做。航空电推更是如此，巡航阶段可以持续几个小时。人形关节不一样：走路是间歇的，抓取是间歇的，只有「站着扛东西」「爬坡」「拧螺丝」这类动作才是持续输出。间歇工况对电机有利——峰值可以做得很高，只要热时间常数足够长、两次峰值之间有足够的冷却时间。这也是为什么人形关节电机的「峰值扭矩密度」可以做得比汽车电机更激进：不是技术更先进，而是工况允许。

反过来，间歇工况也对电机提出了一个汽车没有的要求：低惯量和可反驱。人形机器人要与人接触，关节被外力推动时，电机要能「让」，不能硬扛；这就偏好低减速比、低惯量的方案。轴向电机的大直径转子在这件事上是吃亏的，这也是为什么它在准直驱关节上不如在谐波关节上有吸引力。

第二件事是技术阶段。用「论文原型、样机、送样、客户验证、批次供货、持续收入」六级台阶来衡量，轴向磁通在人形关节上的位置很清楚：论文和样机都有，送样和客户验证只有零星的厂商自述，批次供货和持续收入在人形关节口径上几乎为零。而在汽车口径上，盘毂动力已经宣布批量生产，年产 30 万台套的基地已经投产［3］。同一个技术，在两个应用上的阶段差了两三级——这不是技术本身的问题，是应用工程和客户验证的问题。

第三件事是标准。团体标准 T/CAEE 046-2026《人形机器人关节用轴向磁通电机》于 2026 年 4 月发布实施，起草单位包括东睦、盘毂、小象、江苏雷利、上海迈骏博特、北京宽亿以及同济大学、北京石油化工学院［4］。标准给出的分类维度——冷却方式、是否带制动器、是否集成驱动、转矩等级、功率等级、安装方式、配套减速器类型——本身就是行业对「这类产品该怎么描述」的共识。但标准不等于成熟：一个行业在样机阶段就可以立标准，标准解决的是「大家说同一种语言」，不解决良率、节拍、价格和可靠性。把标准发布当成量产信号，是常见的误读。

所以本报告对阶段的判断是：轴向磁通在人形关节上处于「技术验证的后段、商业验证的前段」。技术验证的后段，是因为论文、样机、标准、专利都已经到位，原理上没有未解的难题；商业验证的前段，是因为还没有一家公司公开披露人形关节口径的批次供货，也没有第三方在真实关节工况下做过轴向与径向的对比实测。这个阶段判断，是后面所有「谁能先跑出来」讨论的前提。

1.4 产业链全景

轴向磁通关节电机的产业链不长，但价值分布很陡。上游是磁材、软磁材料、电磁线、轴承、编码器和制造设备；中游是电机本体和关节集成；下游是整机厂。旁边还站着两条参照线：一条是当前主流的径向无框电机路线，一条是汽车与航空的轴向电机路线。图 2 把这条链和两条参照线画在一起。

图 2 · 轴向磁通关节电机产业链与参照关系

数据来源：本报告绘制；环节划分据公开披露、团体标准起草名单与第六章证据档位。

这张图要表达三件事。第一，链条很短：从磁材到整机只有四段，没有复杂的多层分销，这意味着任何一段的价格变化都会很快传到整机。第二，价值分布很陡：整机厂定义规格、拿走品牌和系统集成的大部分价值；关节集成商拿走装配和测试的利润；电机厂在中游，玩家最多、议价权最弱；磁材厂在上游，靠资源和技术壁垒拿溢价。第三，两条参照线不能混：径向路线是当前主流，汽车与航空轴向电机是技术迁移的参照，它们的量产数字不能直接搬成人形关节的量产数字。

上游最值得单独说的是磁材。钕铁硼磁材是轴向和径向电机都要用的，但轴向电机的磁路设计对磁钢的形状和用量更敏感——同样的扭矩，轴向可以用更大的磁钢面积、更薄的磁钢厚度，也可以用更少的重稀土。这让轴向电机在磁材价格高企时有一个潜在的成本优势，但这个优势能不能兑现，取决于磁材利用率，而不是磁材本身。磁材环节的集中度高于电机环节，价格波动也更大，这是后面成本分析要反复用到的背景。

中游的电机本体是这条链上最拥挤的一段。盘毂、小象是纯轴向的创业公司；东睦、卧龙、信质、大洋、江苏雷利是上市公司，把轴向当成一个新方向；还有一批公司在做 PCB 定子、SMC 定子、扁线绕组的配套。玩家多，说明技术门槛没有想象中高；但玩家多也意味着价格竞争会很快到来，真正能拉开差距的不是「能不能做出来」，而是「能不能稳定、便宜地做出来」。

关节集成是这条链上最容易被忽略、却最影响轴向命运的一段。人形机器人的关节目前多数由整机厂自己设计，少数由关节模组厂供货；整机厂决定关节的尺寸、扭矩、散热和接口，电机厂按图施工。轴向电机要进关节，不是「把电机卖进去」那么简单，而是要说服整机厂为它改关节结构——这是一件比改电机难得多的事。第四章会展开这条采购链。

下游整机是需求的源头。单机约 28 个关节，关节模组占整机物料成本的一半以上；整机厂每降一元关节成本，整机就降二十多元。这个杠杆决定了整机厂对关节成本的敏感度，也决定了它们对新电机路线的态度：只要新路线能降本或提性能，它们愿意试；但只要试错成本高、验证周期长，它们就会观望。

第二章 · 轴向与径向：可比工况下的取舍

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以上是免费试读部分（正文约 26%）。完整版包含全部 7 章正文、数据表与来源清单。

试读内容引用出处

［1］宇树科技官网 H1 产品页（unitree.com/cn/mobile/h1），H1 标注膝约 360 N·m、峰值扭矩密度 189 N·m/kg、髋约 220 N·m、踝约 59 N·m、手臂约 75 N·m；H1-2 标注腰约 220 N·m、腕约 30 N·m，访问于 2026-10-20。

［2］M2 觅途咨询具身智能研究院《2026 年全球及中国人形机器人关节模组市场发展白皮书》（2026-06），旋转执行器按传动方案分五类：直驱 1:1、准直驱 3–10:1、谐波 30–300:1、RV 50–320:1、行星 3–20:1。

［3］科技日报《我国轴向磁通电机实现全球首次批量生产》（2026-06-05），stdaily.com/web/gdxw/2026-06/05/content_528100.html；报道口径为汽车、工业（新能源重卡、商用车）批量生产，不是人形关节口径，详见 4.2 节。

［4］团体标准 T/CAEE 046-2026《人形机器人关节用轴向磁通电机》，2026-04-15 发布、2026-04-30 实施，归口中国电子装备技术开发协会；起草单位名单见标准平台 bzchaxun.com/view/6231011111000000.html。

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数据截止日为 2026 年 10 月 20 日。市场情况、行业政策与公司披露会随时间变化，本报告不承担更新义务。读者据本报告作出的任何决策及其后果，由读者自行承担。