人形机器人行业专题报告7：“腕”与“踵”——商业化落地前夕机器人的散热瓶颈-260311（36页）.pdf

1、人形机器人专题报告7：“腕”与“踵”商业化落地前夕，机器人的散热瓶颈相关报告本篇报告研究了以下核心问题：1、当前人形机器人为什么面临热管理难题？核心原因在于在受限的空间环境内存在能量转换效率低、能量大部分转换为热能的问题；2、基于热管理理论，主要的发热环节都有哪些？包括各类电子器件、电机及电池等，以电机/关节模组为例，主要的发热环节包括铜损热、铁损热等；3、目前的解决方案？我们认为，目前的解决方案包括风冷、液冷和芯片控制，其中，风冷还包括了可能适用于灵巧收的微型MEMS风冷硬件等。一、人形机器人的核心热管理环节：驱动器和结构设计等1、广泛意义上的机器人可分为机械部分与电气部分，其中，机械部分主

2、要通过结构设计变化或合适的耐高温材料选择解决，电气部分包括各类电子器件如电机等；2、电子器件核心热损耗来源：包括铜损（定子绕组，占比40%-60%）、铁损（定子铁芯，磁滞+涡流损耗，占比20%-30%）、机械损耗(轴承/气隙，占比5%-10%）等。1、铜损热：主要面临电机的体积一扭矩一热量三个核心参数之间的取舍和协调，可以通过调整结构等实现，我们梳理了新剑传动一种创新的电机结构和未来灵巧手可能的解决方案作为示例；2、铁损热：梳理了转子涡流损耗的原理、影响因素和抑制措施，其中，抑制措施主要从异步磁场产生源头和传播路径等角度出发；3、解决方案：包括引入轴向流动、风冷、液冷和芯片控制等，其中，针对风

3、冷方案，介绍了优必选一种带散热风扇的旋转关节解决方案，并介绍了MEMS风扇在灵巧手上的可应用性；针对液冷方案，介绍了新剑传动的一种行星滚柱丝杠油冷解决方案；并梳理了芯片控制的案例等。风险提示：人形机器人行业进展不及预期风险；中美贸易摩擦超预期风险；散热技术落地效果不及预期的风险；重点关注公司业绩不及预期风险；研究报告中使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明引言：人形机器人热管理，从哪些环节开始？电子器件/结构设计/电池等spadesuit广泛意义上的机器人可分为机械部分与电气部分。主要的机械结构如机体、传动机构等更多的是通过合适的耐高温材料选

4、择与结构设计，承担耐热与隔热的作用；电气（各类电子器件、电机及电池等）是对温度敏感的器件，目前机器人热控相关研究也主要集中在这些方面。电子器件机器人的控制系统中分布着大量的电子器件，如控制器、电机驱动器及各类的传感器。对于人形机器人来说，需要高功率密度的输出+尺寸小+质量轻，以保证机器人的机动性高度紧凑结构特别是在灵巧手关节腔体中，空间极端受限，腔体内间隙可能不足2mm，能量直接转化为了热量并积聚在电机绕组、齿轮篝鞅小空间内，导致散热机制不足电池在工作中会产生以焦耳热与化学反应热为主的热量。温度过高时，不仅会影响电池寿命，还有可能产生燃烧、爆炸等危险。1.1对比人类，机器人为什么面临散热难题？

5、由下表可以看出，在相同功率水平下，人形机器人的能量转化效率远低于人类。原因在于，在机器人产生的能量中，90%的能量直接转化为了热量，并积聚在电机绕组、齿轮箱和芯片等狭小空间内，核心是散热能力不足。特别是在小体积、紧凑型的结构设计中如灵巧手关节腔体中，空间极端受限（腔体内间隙可能不足2mm），传统5mm的离心风扇无法安装，因此无法实现较传统的风冷方案。电池散热下图是一个能量存储设备系统的背面透视分解图示，展示了包含能量存储设备外壳的系统，包括一个外壳202，外壳内有一个隔层203、一个垂直定向的能量存储设备组204，以及一个保护罩206；204中又包括多个电池单元208、冷却、电气和/或强化元件

6、210，以及一个电子元件212。冷却和/或强化元件210可以包括帮助从能量存储设备系统200散热的通道和/或材料；外壳202可以包括帮助散热的通道和/或材料，例如散热片和/或散热器。下图展示了机器人的头部和躯体部，包括能量存储设备外壳602B、连接在能量存储设备外壳602B前部的计算机系统604B、一对连接在计算机系统604B上的风扇606B、连接在能量存储设备外壳602B上的手臂部分610B、顶部空气流通口608B，以及基本覆盖机器人的外壳612B。顶部空气流通口608B被配置为将风扇606B吸入的空气从机器人6