<p>人形機器人越接近量產，散熱越像一道 “硬門檻”——它不只是把温度壓下去這麼簡單，而是直接影響關節能輸出多大扭矩、芯片會不會熱降頻、電池能不能安全快充。國海證券這份機械行業研究把熱管理從 “配角” 拎到台前，拆解了人形機器人發熱從哪裏來、卡在什麼位置、以及工程上可能怎麼繞開。</p>
<p>國海證券機械首席分析師張鈺瑩在報告中寫道，<strong>人形機器人 “在機器人產生的能量中，90% 的能量直接轉化為了熱量，並積聚在電機繞組、齒輪箱和芯片等狹小空間內”</strong>，而像靈巧手關節腔體這種極端緊湊結構，“腔體內間隙可能不足 2mm”，傳統 5mm 離心風扇甚至裝不進去。</p>
<p>熱的麻煩不止是 “燙”。它會觸發芯片熱降頻，帶來效率 “雪崩式” 下跌；<strong>高温還會讓信號傳輸穩定性下降，甚至把機器人持續運行能力拉到保護模式邊緣。</strong>報告用較多篇幅把關節電機的銅損、鐵損、風磨損，以及驅動器、減速器、編碼器的温度約束攤開講，最後再落到風冷、液冷和芯片控制這些路線的取捨。</p>
<p>更值得注意的是，散熱不只發生在關節。軀幹裏電池和算力堆疊同樣是熱源，特斯拉、Figure AI 的專利都在圍繞 “風道怎麼走、進風口出風口放哪、計算機和電池怎麼共用一套冷卻界面” 做文章。</p>
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<h2 id="5c5c5a9d">能量效率太低、靈巧手是散熱的極限考場</h2>
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<p>報告拿 “人形機器人（估算）vs 人類” 做對比，核心結論是：在相同功率水平下，機器人能量轉化效率顯著更低，熱更容易在狹小空間裏堆積。熱一旦堆起來，最先出問題的往往不是外殼温度，而是芯片結温和驅動損耗。</p>
<p>報告給了一個典型的正反饋鏈條：熱降頻（thermal throttling）觸發後，驅動芯片導通電阻 RDS(ON) 具有正温度特性，結温每上升 10°C，其阻值約增加 4%，電阻增大又會讓 I²R 損耗繼續上升，產熱更快，<strong>系統效率隨之 “雪崩式” 下跌。</strong></p>
<p>另外兩個後果也被點出來：高熱環境下電磁干擾失準、信號傳輸穩定性下降；以及機器人持續高速運行能力弱，頻繁進入保護模式，應用潛力被直接壓住。</p>
<p><strong>其中，散熱難題在靈巧手關節處被極度放大：空間極端受限，報告寫到腔體內間隙可能不足 2mm。傳統的 5mm 離心風扇物理上無法安裝</strong>——這意味着工業設備上那套成熟的風冷方案在這裏直接失效。與此同時，靈巧手需要高功率密度輸出、重量輕、體積小，這三個要求本身就是互相掣肘的。</p>
<p>靈巧手的電機佈局也在影響散熱。目前主流方案分為內置式（電機放在手掌或手指內）、外置式（驅動器全部在前臂）和混合式三類。報告判斷，特斯拉下一代靈巧手可能採用混合佈置：腕部電機結合掌內電機，通過腱繩驅動手指。這種結構把密集發熱的電機移到了空間更大的手腕處，手指內部空間也因此鬆動了一些。</p>
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<h2 id="3420b964">銅損的本質是 “三角取捨”：體積、扭矩、温升必須一起算</h2>
<p>報告把關節電機損耗拆得很細。典型佔比裏，<strong>銅損（定子繞組）40%-60%，鐵損（定子鐵芯，磁滯 + 渦流）20%-30%</strong>，機械損耗（軸承/氣隙）5%-10%，永磁體損耗（轉子永磁體）5%-10%。驅動模塊裏功率器件（MOS 等）的開關/導通損耗可佔 “驅動總損” 的 30%-60%。</p>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/671530c9-4c1b-4240-9479-df3921a74cb6.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="641" height="392" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/671530c9-4c1b-4240-9479-df3921a74cb6.png"/></p>
<p>這些損耗最後都會落在一堆 “温度紅線” 上：繞組&lt;155°C；編碼器&lt;100°C-120°C；減速器可能僅&lt;65°C（報告舉例：若減速機額定温度 65°C、附近電機繞組温度最多高 15°C，那麼繞組最高 80°C 就把電機設計空間卡死了）。散熱不是把電機做強就行，往往是被減速器、反饋裝置、軸承這些鄰居一起鎖定。</p>
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<p>報告對銅損的處理思路更像 “結構 + 材料 + 算法” 的組合拳。高動態工況下，緊湊型模組散熱面積不足，自然對流熱阻太高；温度梯度還會引入非對稱熱變形，帶來多自由度位姿誤差。於是工程問題變成：電機體積 - 扭矩 - 熱量三者怎麼協調。</p>
<p><strong>它給出的方向包括：</strong></p>
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<li>結構：開發高散熱結構、提升傳熱效率。報告舉了新劍傳動的一種扁平化旋轉關節模組專利作為例子，通過電機和減速器 “並聯” 結構去緩解緊湊結構的熱堆積。</li>
<li>材料：如採用低熱膨脹合金製造絲槓以降低熱變形；新劍傳動方案中還提到用高導熱碳纖維複合材料做殼體部件。</li>
<li>算法：實時温度補償抑制温漂誤差；加熱敏傳感器，必要時讓控制系統降電流/減速/停止。</li>
</ul>
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<h2 id="4c5df0a7">鐵損與轉子渦流：先壓諧波，再談散熱片</h2>
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<p>在鐵損部分，報告把重點放在轉子渦流損耗：<strong>高速永磁電機轉子處在複雜磁場環境中，諧波磁場相對轉子異步旋轉，會在轉子導電部件裏感應電動勢並形成渦流，帶來渦流損耗。</strong>它強調一個前提：渦流損耗算低了，實際運行時轉子過熱會引發安全隱患，冷卻設計會從根上出錯。</p>
<p>抑制思路被歸納為兩條線：</p>
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<li>從源頭抑制異步磁場：空間諧波的目標是讓氣隙磁場更正弦；時間諧波的目標是讓繞組相電流更正弦。方法包括優化定子齒槽結構、優化繞組形式、提高功率器件載波比、在電機輸出端與控制器之間加濾波電抗器、從電機本體設計角度提高定子電感等，但每個方法都有代價（比如體積重量、動態響應、損耗與成本）。</li>
<li>從傳播路徑做屏蔽：在護套等位置用屏蔽層隔絕交變磁場；或通過在護套表面開槽/挖孔，切割金屬護套上的渦流環路。</li>
</ul>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/359c83ee-b5ea-4096-97db-7ab1fcc6069a.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="912" height="360" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/359c83ee-b5ea-4096-97db-7ab1fcc6069a.png"/></p>
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<h2>風冷最便宜，液冷更有效</h2>
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<p>報告並沒有把風冷寫成 “過時方案”，反而強調它依然是經濟可靠的路線之一：<strong>自然對流適用於熱流密度不超過 0.8 W/cm²的器件；強迫風冷散熱效果可達自然散熱的 5~10 倍。問題在於，風冷對環境温度敏感，提高風速會帶來噪音，風機選型和風道設計會直接影響故障率。</strong></p>
<p>更現實的卡點來自結構：靈巧手關節腔體間隙不足 2mm，傳統 5mm 離心風扇無法安裝。報告給出兩個面向 “裝得下” 的案例：</p>
<ul>
<li>優必選的關節結構專利：通過關節模組結構簡化、設置中空結構、在殼體外壁安裝散熱裝置（如散熱風扇）進行風冷。</li>
<li>MEMS 微型風扇：厚度可嵌入&lt;1.5mm 空間，可貼裝到芯片和電機驅動器等熱點位置，以壓電驅動產生微射流定點冷卻；報告提到其熱流密度處理能力可超 100 W/cm²。</li>
</ul>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/0a75a824-616f-435d-b442-c7e737fbc176.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="1005" height="364" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/0a75a824-616f-435d-b442-c7e737fbc176.png"/></p>
<p>相較風冷，循環液冷引入冷板、流體迴路、泵、膨脹箱，結構更復雜；但液體導熱係數和熱容高，能覆蓋更高熱流密度場景。<strong>報告列舉了循環流動式、浸沒式、噴射式等常見液冷方式。</strong></p>
<p>在 “油冷” 部分，它舉了新劍傳動的行星滾柱絲槓油冷方案：通過油道與油孔設計，讓液壓油在齧合面形成靜壓油膜，降低摩擦係數、減少磨損；液壓油同時帶走熱量，減少熱變形。這類方案把散熱和壽命一起處理，但也引入密封、迴路、維護等工程挑戰。</p>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/0a777817-c390-4cfe-b25b-31c2ac288927.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="962" height="402" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/0a777817-c390-4cfe-b25b-31c2ac288927.png"/></p>
<p><strong>熱管理不只是結構和流體問題，芯片層面也有空間。</strong></p>
<p>報告把 “芯片控制” 單獨拉成一節，核心抓手是：用更好的控制把驅動電流壓下來，熱自然少一截。它以峯岹科技為例，提到高性能步進電機控制芯片可讓步進電機從開環走向閉環驅動，在更小驅動電流下實現高可靠運行，緩解功耗與發熱問題；並提到其產品覆蓋主控芯片 MCU/ASIC、驅動芯片 HVIC、功率器件 MOSFET 等，FU75xx 系列 MCU 被用於機器人關節、靈巧手等控制場景。</p>
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<h2 id="figure">軀幹裏的電池與算力：特斯拉、Figure 用風道把兩塊熱源綁在一起</h2>
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<p>電池部分，報告先拋出一個現實取捨：機器人電池應用路徑存在 “標準化 vs 性能溢價” 的平衡。它列了兩條產業動向：</p>
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<li>LG Energy Solution：將在 InterBattery 2026 發佈面向機器人/無人機的 2170 圓柱電芯產品線，並做性能分級；其中 H52A 支持最高 8C 超高功率輸出，約 15 分鐘完成快充。</li>
<li>小鵬：2025 年 11 月發佈人形機器人 IRON，強調全固態電池應用：重量降低 30%，電量提升 30%，目標 2026 年底規模量產。</li>
</ul>
<p>專利層面，報告用特斯拉與 Figure AI 兩份專利來説明 “軀幹熱管理” 的設計趨勢：</p>
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<li>特斯拉方案圍繞能量存儲設備外殼與計算機系統形成導管路徑，用風扇推動氣流，導管內設置能量存儲設備散熱片與計算機散熱片，同時帶走電池與計算機熱量；並描述機器人可配置多個風扇/通風口/散熱片，材料也可兼顧結構支撐與熱管理。</li>
<li>Figure AI 方案把進出風口放在腰部下緣及手臂管下方的機體側面，風扇在上軀幹範圍內吸入新鮮空氣，換熱後從下軀幹/腰部通風口排出；氣流在執行任務時可用於冷卻計算裝置（GPU、CPU），充電時則用於冷卻電池以縮短充電時間、允許更大電流。其專利中還給出電池體量與續航的設計區間：電池可為 1.5–5 kWh（優選 2–3 kWh），續航 2.5–8 小時（優選至少 3.5 小時）。</li>
</ul>

<p>國海證券最新研報揭示，機器人 90% 能量直接轉化為熱量，靈巧手關節腔體間隙不足 2mm 是散熱的極限考場。其中，風冷是是經濟可靠的路線之一，強迫風冷散熱效果可達自然散熱的 5~10 倍。循環液冷引入冷板、流體迴路、泵、膨脹箱，結構更復雜；但液體導熱係數和熱容高，能覆蓋更高熱流密度場景。</p>

90% 能量轉化為廢熱！人形機器人散熱難題，是商業化的 “致命瓶頸”