空心杯电机（Hollow‑Cup Motor）是一种 转子采用空心杯形结构 的微型直流电机。它的转子内部为空心，线圈绕在永磁体与外壳之间的气隙中，形成 无铁芯、无齿槽 的磁路。由于省去了传统铁芯的涡流损耗，转子惯性大幅降低，电机能够实现 高转速、低噪音、高效率 的运行特性。
空心杯电机在机器人、无人机、精密仪器等需要 高响应、轻量化 的场景中被广泛采用。
2、工作原理——洛伦兹力与电子换向
2.1 基本原理
定子线圈通电→ 在定子内部产生旋转磁场。
永磁体提供恒定磁场，与定子磁场相互作用产生 洛伦兹力，驱动转子旋转。
电子换向器（或刷子）， 根据转子位置实时切换电流方向，保持转矩连续输出。空心杯电机的工作核心仍是 磁场与电流的相互作用，但由于转子为空心杯，磁路更紧凑、损耗更低。
2.2 有刷 vs. 无刷换向
换向方式 | 结构特点 | 主要优势 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
有刷 | 碳刷 + 换向器 | 成本低、驱动电路简单 | 低功率、一次性实验 |
无刷 | 霍尔传感器或反电动势换向 | 寿命长、无火花、噪声更低 | 高可靠性、航天、医疗 |
结构剖析——每个部件的功能与意
义下面的示意图展示了典型的 有刷空心杯电机 结构（左）和 无刷空心杯电机 结构（右），图中标注了关键部件编号，便于后文对应说明。
图中①磁铁（永磁体），②空心杯线圈，③换向器，④刷架，⑤外壳，⑥滚珠轴承等部件均在实际产品中出现。
3.1 关键部件功能
编号 | 部件 | 功能 |
1 | 永磁体 | 提供恒定磁场，决定电机的最大转矩与功率密度 |
2 | 空心杯线圈 | 绕在空心杯壁上，产生交变磁场，与永磁体相互作用 |
3 | 换向器/霍尔传感器 | 实时切换电流方向，保证转子持续转动 |
4 | 碳刷（有刷） | 将电流导入换向器 |
5 | 外壳 & 法兰 | 机械支撑、磁路闭合、散热 |
6 | 滚珠轴承 | 减小摩擦，提升转速与寿命 |
7 | 密封圈 | 防尘防潮，提升可靠性 |
4、主要技术优势
优势 | 说明 | 典型数值 |
高功率密度 | 同等体积下输出功率可达 2–3 倍 | 30 W/cc 以上 |
低转矩滞后 | 机械时间常数 < 28 ms，部分型号 < 10 ms | |
低噪音、低振动 | 结构无齿槽，转子惯性小，噪声 < 30 dB | |
高效率 | 效率 70%–90%（部分产品 > 90%） | |
快速响应 | 加速时间 < 5 ms，可实现高加速度运动 | |
寿命长（无刷） | 运行时间可达 20000 h 以上，刷式约 2000 h |
5、设计与选型要点
功率/转速需求
——依据负载转矩与最高转速选取合适的 额定功率 与 转速范围。
驱动方式
——有刷适合低成本、低功率；无刷适合高可靠性、长寿命场景。
尺寸限制
——空心杯电机直径常在 10 mm–40 mm，根据装配空间选型。
散热方案
——高功率时需考虑外壳散热片或强制风冷。
控制精度
——若需 闭环位置控制，建议选用带霍尔传感器或光学编码器的型号。
选型时应结合 功率密度、响应速度、寿命 三大指标进行综合评估。
6、典型应用场景
6.1 机器人与柔性抓手
人形机器人灵巧手
——空心杯电机的高转矩密度与快速响应，使得手指能够实现 微米级位置控制 与 高速抓取。
柔性关节
——在机器人关节中嵌入空心杯电机，可实现 无背隙、低惯性 的运动控制。
相关案例可见北航 BH‑985 灵巧手使用的无刷空心杯电机结构图。
6.2 无人机与航模
高速旋翼驱动
——空心杯电机的轻量化特性大幅降低飞行器的惯性，提升 爬升率 与 机动性。
姿态控制
——在四旋翼姿态环路中使用空心杯电机，可实现 毫秒级响应，提升抗风能力。
6.3 医疗与精密仪器
微型泵、注射器
——空心杯电机的低噪音与高精度定位适用于 输液泵、血液循环泵。
光学调焦机构
——在显微镜、光学扫描仪中，空心杯电机可实现 亚微米级调焦。2022 年上海理工大学研发的 人工血泵 就采用了专用空心杯电机，实现了 高转矩、低功耗 的血液驱动。
6.4 航空航天
姿态控制陀螺、微型推进器：空心杯电机的 高功率密度 与 低电磁干扰（无刷）满足航天严苛环境。
7、市场现状与发展趋势
7.1 市场规模
2024 年国内空心杯电机市场规模已突破 百亿元，年复合增长率约 15%，主要驱动力来自 机器人、无人机 与 医疗 三大细分领域。
7.2 未来技术趋势
趋势 | 关键技术 | 预期影响 |
高功率化 | 更高磁通密度的永磁材料（NdFeB） | 单体功率突破 100 W |
智能化驱动 | 集成 MCU + 传感器闭环控制 | 实现 自适应调速 与 故障诊断 |
模块化集成 | 空心杯电机 + 行星减速齿轮箱 | 直接输出 低速高扭矩，降低系统复杂度 |
轻量化材料 | 铝合金、碳纤维外壳 | 进一步提升 功率/质量比 |
环保制造 | 无铅焊接、低能耗工艺 | 符合绿色制造政策，降低成本 |
业内报告指出，无刷空心杯电机 将在 高可靠性 场景（航空、医疗）中占比提升至 60% 以上。
8、案例深度剖析
8.1 北航 BH‑985 灵巧手
结构
——采用 无刷空心杯电机 + 霍尔传感器，实现 0.1° 位置分辨率。
性能
——单指最大转矩 0.35 Nm，响应时间 < 4 ms。
优势
——空心杯的 低惯性 使得手指在高速抓取时保持稳定，且噪声低于 30 dB。
结构图来源于北航项目展示页面。
8.2 人工血泵（上海理工大学）
需求
——连续、平稳、低剪切力的血液输送。
方案
——定制 有刷空心杯电机，配合 行星减速齿轮，实现 0.5 W 输出功率下的 150 rpm 稳定转速。
结果
——血液破坏率 < 0.5%，运行时间超过 10 000 h。
详细结构与实验数据见论文《人工血泵用空心杯电机设计》。
9、 选型实战：从需求到产品
下面给出一个 选型流程，帮助工程师快速定位合适的空心杯电机：
明确需求
负载转矩（Nm）
最高转速（rpm）
工作电压（V）
是否需要闭环控制
2.筛选供应商（国内主流厂商：正元电机、鸣志电机、运弘达等）
查看产品手册中的 功率密度、效率曲线。
3.评估驱动方案
有刷 → 简单 PWM 驱动
无刷 → 需要 FOC（磁场定向控制） 或 BLDC 驱动芯片（如 TI DRV8305）
4.热设计
计算 功率损耗，判断是否需要散热片或风冷。
5.原型验证
通过 实验台 测试转矩、响应时间、噪声水平。
6.批量采购
与供应商协商 MOQ、交期、质量保证，并签订 技术支持协议。
以上流程结合行业最佳实践，可显著降低研发风险，提高产品可靠性。
10、结语
空心杯电机凭借 高功率密度、低惯性、快速响应 的独特优势，已经成为 机器人、无人机、医疗仪器 等高端应用的核心驱动元件。随着 永磁材料、智能驱动芯片 与 轻量化制造 的持续进步，空心杯电机的性能边界正不断被突破，未来将在 航空航天、智能制造 等更广阔的场景中发挥关键作用。