机器人关节的电机为什么又慢又有劲，能不能两样都要

编译自 MDPI Actuators 2025, 14(5), 220　·　开放获取 CC BY 4.0

人形机器人和可穿戴设备这两年的关节，越来越流行一种叫准直驱的做法：电机前面只挂一级低减速比的减速器，传动比从传统工业机器人的一百比一上下，砍到十比一甚至更低。这么做的好处很实在，关节变得能反着推、能靠电流估出力矩、碰撞时能顺势让开。代价也跟着来：减速比小了，扭矩放大得少，绝大部分力矩得由电机自己出。电机要做得又大又有劲，劲大了转速又上不去。一篇发表在 Actuators 上的论文，讨论的就是这个死结能不能从绕组上解开。

低减速比，意味着电机得自己扛

传统工业关节靠的是高减速比。电机转得飞快，减速器把转速换成力矩，输出端力大无穷。这个方案的毛病在传动链本身：齿隙、摩擦、弹性变形都会在换向时表现出来，外部想推动关节，得先跨过这些非线性，所以关节是僵的。

准直驱把减速比压低，传动链上的非线性跟着变少，关节对外部力的反应就灵敏了。它还能省掉专门的力矩传感器，靠电机电流反推力矩。这几条加起来，让机器人能做柔顺的接触作业，摔一下也不至于把关节摔坏。

但这一切的前提是电机本体要够强。减速比只有八比一，想要输出端有几十牛米，电机端就得实打实做出好几牛米。这就要求电机必须具备很高的转矩密度，做法通常是把它做成大直径、扁平的外转子结构，铜线用量和磁钢用量都往上堆。

劲儿大了，转速就上不去

高转矩密度电机的结构和参数，决定了它有一个天生的短板：反电动势大。电机转起来的时候，绕组里会感应出跟转速成正比的反电动势，转速越高，反电动势越大。它跟电源电压是相减的关系，反电动势涨到接近电源电压，留给电流的电压空间就没了，转速也就顶上去了。

转矩密度越高的电机，这个天花板压得越低。绕组的匝数和磁路都为了出力矩而优化，反电动势系数跟着一起上去。于是出现一个别扭的局面：机器人走路、快速伸手这些动作需要关节转得快，而关节里装的偏偏是一台擅长出力、不擅长出速度的电机。

论文举的直接例子是，人形机器人行走和工业协作机器人做快速动作时，既需要大力矩也需要高转速，这两件事被反电动势这一条线绑住了。传统解法是抬电源电压：电压高了，能抵消的反电动势就多，转速上限跟着放开。

48 伏是一道硬门槛

抬电压这条路，在跟人体直接打交道的机器人身上走不通。

论文援引国际安全标准里的约束，与人体接触的系统工作电压一般被限制在 50 伏以下，实际产品里对应的电池配置多为 48 伏封顶。这是安全逻辑决定的，不是成本或者技术做不到。可穿戴机器人、康复机器人、协作机器人都落在这个范围内，它们也正需要高转矩密度电机来做低减速比关节。

电压封顶，反电动势又随转速线性上涨，结果是关节的转速上限被硬生生按在那里。论文的出发点就是承认这个框不动，只在框内找办法。

图1　高转矩密度电机在低电压下的转速受限：反电动势随转速上升，逐步吃掉可用的电压空间（依据原文第 1 节绘制）

把绕组从串联改成并联开口

论文提的办法改的是绕组的连接方式，不动转子也不动定子。它把两种已有的思路叠在一起，起名叫并联开口绕组。

第一种是并联连接。同一相的绕组从串联改成并联，等于把相电阻和相电感都降下来。相电感小了，同样转速下电流建得更快；电阻小了，同样的电流压降也更小。等效的效果是同样电压下能跑到更高的转速。

第二种是开口绕组。常规三相绕组的三个尾端接在一起形成一个中性点，线电压最终要靠这个中性点来分配，有一部电压是用不上的。开口绕组把中性点拿掉，每一相的两端都独立引出，由各自的桥臂去驱动，相电压可以被用满。

两种思路针对的是同一个瓶颈的不同侧面，叠在一起用在电机上，就是论文提出的结构。

力矩没丢，转速提了三倍半

论文做了样机实验，结果可以从三个方向看。

转速这一项，并联开口绕组把最高转速做到传统串联绕组的 3.5 倍，而且是在不改动转子和定子结构的前提下达成的。也就是说，磁路、磁钢、铁芯都没动，只改了铜线的接法。

力矩这一项，转矩常数的测量表明几种绕组的差别很小，出力基本没有损失。这一点很关键：提高转速如果用牺牲力矩换来，对关节来说等于白忙，而这里没有发生这笔交换。

代价记在第三个方向上。电机常数，也就是衡量电机单位损耗能出多少力矩的指标，略有下降。论文给的解释是并联支路里的电流更大，铜耗相应上去。转速的大幅提升换来电机常数的小幅让渡，这笔账在低电压舞台上划得来。

图2　不同绕组接法在相同电压下的转速与力矩表现对比，并联开口绕组把最高转速提到串联绕组的 3.5 倍（依据原文第 3、4 节实验数据绘制）

接法也是一种设计变量

这篇论文讲的技术不复杂，它的价值在于把一个常被忽略的层面推到了台前。

电机设计里的讨论，通常集中在磁路上：磁钢用多厚、气隙留多大、硅钢片选哪种牌号。绕组一般被当成磁路的配套件，按需要的力矩定个匝数就交给工艺了。这篇论文说明，在电压被安全标准锁死、磁路又已经被转矩密度推到极限的情况下，铜线的连接方式本身就是一个还没被用尽的设计自由度。

对做具身智能的人来说，这个结论指向一个更实际的判断：关节的性能上限，不只是电机和减速器这两个零件的参数决定的，把它们连起来的方式也在里面。低电压、高转矩密度、高转速这三个要求同时提出来的时候，答案可能不在磁钢的牌号里，而在绕组的接法上。

内容来源：MDPI Actuators 2025, 14(5), 220（https://doi.org/10.3390/act14050220）

原文标题：Enhanced Speed Characteristics of High-Torque-Density BLDC Motor for Robot Applications Using Parallel Open-End Winding Configuration

作者：Junghwan Park, Handdeut Chang, Chaeeun Hong

原文链接：https://doi.org/10.3390/act14050220

许可协议：CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）

配图说明：图1、图2 为本文依据原文献内容自行绘制。

改动声明：本文在其基础上进行了中文编译与删节，未改变技术结论与原始数据。

来源：21ic电子网

作者：Ayase