別只看電機與算法！人形機器人商業化，正卡在散熱這一關

人形機器人作為下一代通用智能硬件，正從實驗室走向商業化落地的關鍵階段，其在工業協作、家庭服務、特種作業等場景的應用潛力持續釋放。然而，在緊湊的人體仿生結構與高功率密度的運動需求下，熱管理已成為制約機器人性能、可靠性與量產化的核心瓶頸。

當前人形機器人的能量轉換效率偏低，大量輸入能量以熱能形式耗散，尤其在電機 / 關節模組、電子器件、動力電池等核心環節，發熱問題直接導致部件壽命衰減、控制精度漂移，甚至引發安全風險。以關節模組為例，定子繞組銅損（占比 40%-60%）、定子鐵芯鐵損（占比 20%-30%）等核心熱損耗，與體積、扭矩、散熱效率形成了復雜的參數博弈，而電池包在高倍率充放電下的熱失控風險，更是商業化落地必須攻克的安全底線。

隨著優必選、特斯拉 Optimus、Figure AI 等國內外廠商加速推進原型機迭代與場景驗證，輕量化、高負載、長續航的產品訴求愈發強烈，對熱管理系統的集成度、能效比與可靠性提出了更嚴苛的要求。風冷、液冷、芯片控制等技術路徑逐步從概念走向工程驗證，微型 MEMS 風冷、油冷關節等創新方案開始適配人形機器人的特殊結構，熱管理產業鏈也隨之迎來早期產業化機遇。

本報告聚焦人形機器人 “腕”（靈巧手關節）與 “踵”（下肢關節與電池包）等核心發熱場景，拆解關鍵熱損耗環節，梳理主流解決方案與技術演進方向，并挖掘產業鏈相關投資機會，為行業參與者與投資者提供商業化落地前夕的系統性參考。

一、人形機器人熱管理，從哪些環節開始？

1.1、引言：人形機器人熱管理的核心環節

人形機器人可分為機械部分與電氣部分：機械結構（機體、傳動機構等）通過耐高溫材料選型與結構設計實現耐熱隔熱；電氣部分（電子器件、電機、電池等）是對溫度敏感的核心模塊，也是當前熱管理研究的重點方向。

• 電子器件：控制系統分布著控制器、電機驅動器、傳感器等元件，人形機器人需要高功率密度輸出，同時兼顧小尺寸與輕量化，以保障運動靈活性。

• 高度緊湊結構：尤其在靈巧手關節腔體等場景，空間極端受限（腔體內間隙可能不足 2mm），能量大量轉化為熱量并積聚在電機繞組、齒輪箱等狹小空間內，天然存在散熱機制不足的問題。

• 電池：電池工作時會產生焦耳熱與化學反應熱，溫度過高不僅會縮短電池壽命，還可能引發燃燒、爆炸等安全風險。

1.2、核心痛點：人形機器人為何面臨散熱難題？

在相同功率水平下，人形機器人的能量轉化效率遠低于人類 ——約 90% 的能量會直接轉化為熱量，并積聚在電機繞組、齒輪箱、芯片等狹小空間內，核心矛盾是散熱能力嚴重不足。

緊湊結構限制：以靈巧手關節腔體為例，內部間隙不足 2mm，傳統 5mm 離心風扇無法安裝，常規風冷方案難以落地。

效率低下引發連鎖問題：

• 熱密度失衡：芯片結溫急劇上升觸發熱降頻，驅動芯片導通電阻隨溫度升高呈正反饋增長，最終導致系統效率 “雪崩式” 下跌，觸發降頻保護。

• 電磁干擾失準：高溫環境下信號傳輸穩定性下降，操作體驗大幅降低。

• 持續運行能力弱：機器人無法維持高速狀態，頻繁進入保護模式，嚴重限制應用場景拓展。

1.3、熱量來源：主要發熱模塊與損耗拆解

機器人關節電機（尤其人形 / 協作 / 工業機器人）面臨體積小、功率密度高、工況復雜的極端散熱挑戰，熱管理核心目標是將繞組、永磁體溫度控制在安全閾值內，抑制局部熱點，避免絕緣失效、永磁退磁與機械磨損加速。

• 系統級溫度限制：電機周邊器件（如減速機、反饋裝置、軸承）也存在溫度約束，例如若減速機最高耐受溫度為 65°C，且電機繞組溫度需比其高 15°C，則電機繞組最高溫度需限制在 80°C 以內。

二、電機熱管理：針對主要發熱環節展開

電機熱損耗構成

• 銅損熱：電流通過繞組電阻產生焦耳熱，是最主要的發熱源；高動態工況下，絲杠副等驅動器會加劇熱積聚，需在體積 - 扭矩 - 熱量三個核心參數間做權衡。

• 鐵損熱：定子鐵芯磁滯與渦流損耗，其中轉子渦流損耗是電磁損耗中對轉子溫升貢獻最大的部分，需從異步磁場源頭與傳播路徑進行抑制。

• 機械損耗：軸承、氣隙摩擦等產生的熱量。

• 其他熱源：電池充放電產熱、電子器件工作發熱、機械摩擦與磁阻損耗等。

2.1、電機熱管理：核心發熱環節與控制邏輯

電機熱管理是針對各發熱環節與部位的熱量精準管控，核心發熱來源可分為三類：

• 銅損熱（電阻熱）：電流流經電機繞組及內部其他電氣連接處時產生焦耳熱，是電機最主要的發熱源，其大小與電機功率、電流強度、繞組電阻直接相關。

• 鐵損熱（摩擦 / 磁阻熱）：來自軸承、風扇葉片與空氣的機械摩擦，以及轉子與定子間的磁阻損耗、磁場變化時鐵心中的渦流與磁滯損耗。

• 其他因素：還受散熱條件、電機運行環境等外部因素影響。

2.2、銅損熱：高動態工況下的挑戰與被動解決方案

1. 高動態工況下的熱積聚問題

在機器人高動態運動場景（如絲杠副驅動）中，銅損熱會引發顯著的熱積聚效應：緊湊型模組結構導致散熱面積不足，傳統自然對流散熱熱阻高，難以匹配高功率密度需求；溫度梯度引發的結構熱變形呈非對稱特性，軸向熱伸長與徑向熱膨脹的差異會造成復雜的多自由度位姿誤差。因此，需要在電機體積 - 扭矩 - 熱量三個核心參數間做平衡。

2. 解決方案

• 結構調整：開發高散熱結構，提升傳熱效率；

• 材料改進：采用低熱膨脹合金制造絲杠，降低熱變形；

• 算法補償：通過實時溫度補償算法抑制溫漂誤差。

2.1.1 銅損熱：可采用被動方案 - 模塊結構調整- 以本體電機為例

2.1.2 銅損熱：可采用被動方案 - 模塊結構調整- 以靈巧手為例

主流靈巧手電機模組布局分為三類：

• 內置式：電機與控制系統均置于手掌 / 手指 / 手腕；

• 外置式：驅動器與電氣系統全部布置于前臂；

• 混合布置式：大功率驅動器置于前臂，小功率驅動器置于手掌。

下一代 Tesla 靈巧手大概率采用混合布置式：通過 “手腕電機 + 掌內電機” 組合，搭配腱繩驅動，將密集電機組集中在空間更充裕的手腕處，為手指內部預留更多空間，從而緩解銅損熱積聚。

2.2、鐵損熱：主動散熱與轉子管理方案

2.2.1. 渦流損耗：轉子溫升的核心貢獻者

在高速永磁電機中，轉子鐵心磁場相對穩定，磁滯與附加損耗占比小，轉子渦流損耗是電磁損耗中對轉子溫升影響最大的部分：

諧波磁場相對于轉子異步旋轉，會在轉子導電部件中感應出電動勢并產生渦流，進而形成渦流損耗；

準確計算渦流損耗是高效冷卻設計的前提，若計算值偏低，會導致實際運行中轉子過熱，引發安全隱患。

目前永磁電機轉子渦流損耗解析計算模型已較成熟，代表性方法包括：考慮電樞反應磁場的等效電流片法、考慮開槽和渦流反應場的精確子域法、考慮飽和影響的電網絡模型法。

2.2.2. 渦流損耗抑制：從源頭與傳播路徑入手

• 產生源頭抑制：異步磁場分為空間諧波與時間諧波，抑制空間諧波可使氣隙磁場正弦化，抑制時間諧波可使繞組相電流正弦化，從根源減少渦流產生。

• 傳播路徑抑制：通過屏蔽層隔絕作用于轉子的異步磁場：

• • 低頻磁場：利用高導磁材料改變傳輸路徑實現屏蔽；

  • 高頻磁場：利用金屬導體中渦流產生的感生磁場抵消原磁場。

實際工程中，常從轉子護套入手：選用合適磁導率的材料（如鈦合金、鎳基合金、復合材料等非磁性護套），或在護套表面開槽 / 挖孔，切割金屬的渦流環路。

2.2.3. 風磨損：高速轉子的流體摩擦熱

為追求更高功率密度，高速永磁電機轉子表面線速度不斷提升（可達 250m/s），氣隙（通常 1.0~2.0mm）內流體切向速度需在極短距離內從 200m/s 降至 0，形成極大速度梯度：氣隙中流體的湍流切應力造成流動損失，以熱的形式作用于電機，尤其在轉子表面表現明顯；無軸向流動時，氣隙流體為泰勒 - 庫埃特流動，會產生泰勒渦；引入軸向冷卻流體后，泰勒渦會消失，且存在一個臨界軸向流速，可使轉子冷卻效果最優。

2.2.4、典型應用案例

兆威機電的電機通過 “1+N” 拓撲結構、600MHz 主頻微驅控制器、微型電機電流采樣去諧波處理技術，解決了部分諧波電流影響，有利于實現力觸混合精準控制，是鐵損熱主動管理的工程實踐。

2.3、鐵損熱主動方案：風冷

風冷是機器人場景中經濟可靠的散熱方式，設計簡單、成本低、工質易獲取，分為自然對流散熱與強迫風冷兩類：

• 自然對流散熱：依靠流體密度差驅動，僅適用于熱流密度≤0.8 W/cm2 的器件；

• 強迫風冷：空氣流動強勁，散熱效果可達自然散熱的 5~10 倍，是更主流的選擇。

• 局限性：受環境溫度影響大，提升風速會增加系統噪音，因此需重點優化風機選型與風道設計，通過合理散熱結構減少風扇數量，降低故障率與噪聲。

• 應用現狀：高速永磁電機轉子散熱需通過對流換熱將熱量釋放到外界，因此常采用氣體（空氣、氦氣）作為冷卻介質，讓低溫介質流過轉子表面實現換熱。

典型案例：

• 優必選關節結構專利：通過簡化關節模組結構、縮小體積，設置中空結構并在殼體外壁安裝散熱風扇，實現風冷散熱；

110? 諧波減速器

120? 電機組件

包括：121? 無框電機、1211? 定子、1212? 轉子、122? 電機法蘭、1221? 限位件；

130? 編碼器磁環組件

包括：131? 第一磁環、132? 第二磁環、133? 第一磁環法蘭、134? 第二磁環法蘭；

140? 輸出法蘭

包括：141? 法蘭部、142? 直筒部；

軸承組件

包括：160? 第一軸承、161? 第二軸承、162? 第三軸承、163? 第一密封圈、164? 第二密封圈、165? 第三密封圈；

170? 殼體

包括：1701? 容置腔、1702? 散熱孔、171? 殼本體、172? 端蓋、173? 連接部；

180? 散熱裝置

散熱裝置180安裝于散熱孔1702處，以用于對電機121進行散熱。散熱裝置可以為散熱風扇

1421-關節模組中部的中空結構（走線）

• MEMS 風扇在靈巧手的應用：針對高熱流密度、小散熱面積場景，MEMS 風扇尺寸極小，可直接貼裝在芯片、電機驅動器等核心發熱點，通過微射流實現定點高效冷卻，避免過熱降頻，釋放電機峰值性能。

2.4、鐵損熱主動方案：液冷

液體冷卻主要分為循環流動式、浸沒式、噴射式，其中浸沒式與噴射式為直接接觸型，更適配高功率密度電子器件散熱。

相較于風冷，循環液冷需額外增加冷板、流體回路、泵和膨脹箱等設備，結構更復雜，但液體的導熱系數與熱容遠高于氣體，因此可適配更高熱流密度的場景。

典型案例：新劍傳行動柱絲杠油冷方案

絲杠與行星滾柱、行星螺母間設置獨立油道與油孔，工作時輸入液壓油，在嚙合面形成靜壓油膜，既降低摩擦系數、減少磨損，又通過液壓油帶走熱量，減少熱變形；

液壓油經回油通道循環，使絲杠、行星螺母與滾柱間實現液體摩擦，兼顧潤滑與散熱。

2.5、電機的芯片控制與熱管理

芯片層面可通過控制策略從源頭降低發熱，核心方向是減小驅動電流、實現閉環驅動：

傳統步進電機需較大驅動電流保證可靠性，導致功耗高、發熱嚴重；高性能步進電機控制芯片可實現無感閉環驅動，用更小電流維持高可靠運行，同時提升性能、擴大應用范圍。

產業案例：峰岹科技

產品覆蓋電機主控芯片（MCU/ASIC）、驅動芯片（HVIC）、功率器件（MOSFET）等，其 BLDC 無刷直流電機驅動芯片已拓展至人形機器人領域，如 2025 年 11 月推出的 FU75xx 系列 MCU，可用于機器人關節、并聯機器人、靈巧手等場景；

公司在工業伺服領域前瞻性布局，積累了角度位置傳感、旋變解碼等核心技術，在研項目包括 “高性能伺服運動控制芯片關鍵技術研發” 等；同時與三花控股成立合資公司（持股 35%），專注空心杯電機（無槽永磁交流電機）的研發與制造。

三、電池熱管理：以特斯拉和Figure為例

3.1、人形機器人電池熱管理：需求與技術路徑

人形機器人電池組是為復雜電氣與機械系統供電的專用儲能裝置，核心要求是可靠、高密度能源供給，同時保障安全性、長循環壽命，滿足電機、傳感器與機載電子的高電流需求。

目前行業在電池應用上存在標準化 vs 性能溢價的取舍：LG Energy Solution（LGES）：推出面向機器人與無人機的圓柱電芯產品線，2170 圓柱電芯針對人形機器人做性能分級：H51：平衡能量密度、功率與重量；H52A：支持最高 8C 超高功率輸出，約 15 分鐘快充；M58：側重高能量密度，滿足長時續航。小鵬：2025 年 11 月發布人形機器人 IRON，采用全固態電池方案，重量降低 30%、電量提升 30%，計劃 2026 年底規模量產。

行業現狀：現有架構普遍面臨散熱難題，導致性能受限、壽命縮短、維護成本增加，亟需優化軀干或電池設計，解決大容量電池與計算單元帶來的散熱挑戰。

3.2、典型電池熱管理專利方案

1. 特斯拉機器人電池散熱方案

特斯拉通過結構 + 風扇 + 散熱片的組合實現高效散熱：

• 電池散熱結構：能量存儲設備外殼內包含隔層、電池單元、冷卻元件與電子元件，外殼與保護罩可集成散熱通道 / 材料（如散熱片、散熱器）。

• 風扇散熱布局：在機器人頭部、軀干設置風扇與通風口，空氣從頂部后側、頭部后方排出；風扇 / 通風口可分布于軀干、外殼、能量存儲設備的多個位置，靈活組合。

• 導管冷卻路徑：計算機系統與能量存儲設備間形成導管路徑，風扇推動氣流流經散熱片與計算機散熱片，同時冷卻電池與計算設備，實現一體化熱管理。

• 系統熱管理：外殼采用高導熱材料（陶瓷、鋁、銅等），減少體積與組件數量；配套溫度監控、保險裝置、電控元件等，保障安全與可靠性。

2. Figure AI 雙用途冷卻專利

Figure AI 在《Torso of a humanoid robot》專利中提出雙用途氣流冷卻方案：

通風口布置在腰部下緣與手臂管下方，上軀干風扇吸入新鮮空氣，經散熱片與內部元件換熱后，從下軀干 / 腰部排出，形成 “軀干入口→內部→出口” 的氣流通道。

• 執行任務時：氣流優先冷卻 GPU/CPU 等計算裝置，無需冷卻電池；

• 充電時：氣流切換為冷卻電池，支持更大電流輸入，縮短充電時間。

• 優勢：減輕重量、減少零件數量，同時覆蓋兩種核心場景的散熱需求。

? 如欲獲取完整版PDF文件，可以關注鈦祺汽車官網—>智庫，也可以添加鈦祺小助理微信，回復“報告名稱：人形機器人行業專題報告：“腕”與“踵”——商業化落地前夕，機器人的散熱瓶頸 ”。

點擊下方，查看近期熱門行業研究報告