关节模组四连篇·第3讲｜24N20P、51匝、4并2串——一台无框电机的拆解答案
本文为电机视窗原创「关节模组四连篇」实战记录，所有尺寸均来自本次拆解样件的实测读数，同一尺寸量 5 次取均值。样机 F60-13-KV100，资料值 320 W / 0.74 N·m / 48 V / 24N20P，报告版本 20261015。
上一期把电机送上测试台，13 项实测对着参数表逐项比完，结尾留了几个待核实的尾巴。
这一期不讲性能，只讲结构。把定子、绕组、汇流板、转子一层层拆开，用千分尺和卡尺，把「24 槽 20 极」这五个字量回具体的形状。
先说清一件事：拆解测绘的价值不在「抄尺寸」，而在「闭合」。
单看一个数没有意义，几个数放在一起能对上，才说明你量对了，也读懂了设计者为什么这么取。所以本文每一节末尾都做一次算术校验——用手里的两三个尺寸去推算第四个，看它是否与实测吻合。对得上的地方我把算式列出来，对不上的地方我直说对不上，不圆。
一、拆的是什么：一台没有壳的电机
拆解对象是xx公司生产的 F60-13-KV100 无框电机。所谓无框，就是定子和转子单独交付，没有机壳、没有端盖、没有轴、也没有轴承。这些都由设备方补上——把定子直接压进关节壳体，转子套在客户的轴或法兰上，编码器和传动机构一并统筹设计。
省掉独立机壳的好处很直接：空间占得少，末端重量轻。资料标注质量 161 g，这个数字放在人形机器人的腕部、末端旋转机构、轻负载关节上，是有意义的。驱动电压标注 12–48 V，典型 48 V。
拆完摊开，一共五类零件：定子铁芯（带灌封）、24 个集中绕组线圈、一块环形汇流 PCB、转子铁芯、20 片磁钢。
图1
（图注：拆解后的主要零部件。左上转子铁芯（外缘可见周向凸台），右上定子铁芯（24 槽、整圆、无齿靴），左中磁钢（图中 9 片，实物共 20 片），右中集中绕组线圈，下为汇流 PCB 环）
拆解顺序是从外往内：定子外侧被灌封材料完全包住，先破开灌封层露出铁芯与汇流 PCB，再把 PCB 与线圈的焊点逐个分离——这一步是整个拆解里最关键的一步，只有焊点全部脱开，万用表测到的才是「板子怎么接的」，而不是「板子加线圈怎么接的」。
拆完才知道，这台电机在结构上有一句很统一的话：每一步都在给工艺让路。证据在下面几节里。
二、定子：60 mm 外圆里的三层结构
定子由三样东西组成——叠压铁芯、集中绕组、汇流 PCB，外面整体灌封。没有独立的塑料绝缘骨架，这一点第五节单独讲。
先看全部实测尺寸（同一尺寸量 5 次取均值；槽深与端部绕组直线长为建模取值，其余为实物测量）。
图2
（图注：灌封后的定子组件。外侧被灌封材料整体包覆，看不到铁芯轮廓；内外圆均为模压尺寸）
1. 第一次闭合：齿宽 + 槽口 = 一个槽距
定子内径 42.992 mm，内圆周 = π × 42.992 = 135.06 mm，24 个槽平均下来，一个槽距是 5.628 mm。
实测齿宽 2.186 mm、槽口 3.45 mm，两者相加 5.636 mm。
差 0.008 mm，0.15%。
这个加法能对上，说明两件事。
第一，槽是平行齿：齿宽从齿顶到齿根不变，没有做成梯形。
第二，齿没有靴。槽口 3.45 mm 就是槽在气隙侧的宽度，一点没收口——如果是常规带齿靴的槽形，槽口会明显小于槽身，这个加法立刻对不上。
图3
（图注：齿宽测量，5 次均值 2.186 mm。齿的两侧平行，从齿顶到齿根没有锥度）
图4
（图注：定子铁芯俯视。24 个平行齿，槽口与槽身等宽（实测 3.45 mm），齿侧无锥度、无齿靴收口）
无齿靴的代价后文再说，好处却很直接：给针式绕线留出了通道。51 匝 0.45 mm 的线要在 3.45 mm 宽的槽口里一匝一匝穿进去，槽口再窄一点，针就进不去了。
再补一个观察：定子是整圆 + 圆形扣点叠压，不是分块拼装。集中绕组这个小行业里，分块定子更常见——先绕好线再拼圆，槽满率能做得更高。这台电机反过来，选了整圆，那就只能在整圆状态下绕线，也就是必须走针式（飞叉/针杆）路线。整圆的代价是绕线更难，好处是没有拼缝：铁损、噪声、还有多一道压装工序，全省了。
2. 第二次闭合：齿长 − 轭厚 = 槽深
定子铁芯外径 59.901 mm、内径 42.992 mm，径向全深 = (59.901 − 42.992) / 2 = 8.455 mm。
实测齿长 8.41 mm，差 0.045 mm。
从齿长里扣掉轭部厚度 1.21 mm，得 7.20 mm；建模用的槽深是 7.25 mm，差 0.05 mm。
再反着验一次：内径 42.992 + 2 × 7.25 = 57.49 mm，与实测「铁芯内侧测量直径」57.386 mm 差 0.10 mm。
三个数互相咬合，说明这一组径向尺寸是自洽的——不是拼凑出来的。
图5
（图注：定子铁芯内径测量，5 次均值 42.992 mm（不带灌封胶））
图6
（图注：定子铁芯叠厚测量，12.749 mm。铁芯由 36 片冲片扣点叠压）
3. 第三次闭合：36 片 × 0.35 mm 对不上 12.75 mm
这一次没对上。
36 片 × 0.35 mm = 12.60 mm，实测叠厚 12.749 mm，多出 0.149 mm，1.2%。
这个差不能忽略，也不该夸大。0.149 mm 摊到 36 片上，每片 0.004 mm——落在千分尺读数、片间涂层厚度、扣点压紧程度这个量级里。最可能的解释是：标称 0.35 mm 是含涂层的单片厚度，实际片数或实际片厚略大于标称。
要定论，得拆一叠逐片清点。本次没做，留在待核实清单里。
图7
（图注：定子冲片。24 槽、整圆冲裁，外缘可见圆形扣点；单片刻重 0.346 mm（5 次均值））
4. 灌封几乎不改变尺寸
定子外径带灌封 60.005 mm、不带 59.901 mm，差 0.104 mm，半径向 0.052 mm。
定子内径带灌封 43.025 mm、不带 42.992 mm，差 0.033 mm，半径向 0.017 mm。
灌封完内外圆只长了几十个微米。这说明灌封不是刷一层胶自然流平，而是模压到尺寸——有模具控制外形轮廓。
对无框电机来说这一点很要紧：定子外圆要压进客户的壳体孔，配合公差在几十微米级，灌封层厚了、不圆了，压装就出问题。几十微米的增量，正好是「留了胶层、但不影响配合」的量。
图8
（图注：定子外径测量（带灌封胶），5 次均值 60.005 mm。与不带灌封的 59.901 mm 只差 0.104 mm）
图9
（图注：定子铁芯外径测量（不带灌封胶），5 次均值 59.901 mm）
三、绕组：51 匝、q = 2/5、4 并 2 串
1. 51 匝为什么分成 12 / 15 / 13 / 11
线圈 51 匝，分 4 层，由内至外分别是 12、15、13、11 匝。
不是均分。均分应该是 13/13/13/12 这类写法。实测是中间两层最多、最内最外两层少。
这说明绕线时是按每层实际可用空间逐层填充的，不是按固定匝数一层层叠。槽是梯形（气隙侧 3.45 mm、槽底 5.34 mm），越往外周长变化越明显，再加上端部让位和绕线张力，每层能容纳的匝数自然不一样。
漆包线带皮 0.45 mm、裸线 0.415 mm，漆膜双边 0.035 mm，单边约 0.0175 mm——这是标准的 2 级漆膜厚度量级。
图10
（图注：漆包线直径测量（带皮），0.45 mm；去漆后裸线 0.415 mm，漆膜单边约 0.0175 mm）
2. q = 2/5：为什么最少要 2 个线圈串联
槽数 Q = 24，极数 2p = 20，相数 m = 3，每极每相槽数：
q = Q / (2p · m) = 24 / (20 × 3) = 2/5
q < 1，是分数槽绕组。分数槽有个好用的性质：q 的分子，就是基本线圈组里最少要串几个线圈。这里分子是 2，所以最少两个线圈串联成一组。
这不是选出来的，是槽极配合定死的。
再往下推一层：24 与 20 的最大公约数是 4，整台电机可以拆成 4 台 完全相同的 6 槽 10 极单元电机。每个单元电机、每一相，正好 2 个线圈（相隔 180° 机械角，极性相反，只能串联）。
于是「2 串」有了出处，而「4 并」也有——四台单元电机并联。
3. 4 并 2 串：48 V 母线逼出来的比例
每相 8 个线圈 = 4 台单元电机 × 每单元每相 2 个线圈。四并两串，正好把单元电机的边界对齐，这是这套槽极配合最自然的解法。
但它不是唯一解。如果跨过单元电机边界重接，还有另外两种：
（以 4 并 2 串为基准归一）
串得越多，同一转速下端口反电动势越高，反过来，同样的 48 V 母线能跑到的转速越低。1 并 8 串的反电动势是 4 并 2 串的 4 倍，5100 rpm 的目标转速就掉到 1275 rpm。
所以 4 并 2 串是「48 V 母线 + 5100 rpm 空载」这个组合逼出来的：用并联换转速，代价是电流。同一转矩下，相电流是 1 并 8 串的 4 倍。
资料给的判断是「适合高转速低转矩」，跟 5100 rpm 空载、0.74 N·m 额定这组参数是一致的。
图11
（图注：绕好线的定子铁芯。24 个集中绕组线圈，每个线圈绕在一个齿上，槽内为双层）
4. 槽满率与电流密度：两个不太好看但说得通的数
按梯形槽估一下槽面积：气隙侧宽 3.45 mm、槽底宽 5.34 mm、深 7.25 mm，面积约 31.9 mm²。
槽内是双层（每个槽装着相邻两个线圈的各一侧），铜线占 2 × 51 × π/4 × 0.45² = 16.2 mm²。
槽满率约 51%。
这个数不高不低，正好落在「能给灌封胶留出通道」的区间——剩下一半空间，环氧要灌进去，填满线圈之间和线圈与铁芯之间的空隙。如果做到 70% 以上，胶就进不去了，空洞率会失控。
电流密度则偏高。额定线电流 6.7 A 均分到 4 条并联支路，每条支路 1.68 A；裸线 0.415 mm 截面积 0.135 mm²，对应电流密度 12.4 A/mm²。
2 秒峰值 33.6 A 时，支路电流 8.4 A，电流密度到 62 A/mm²。
这两个数在常规自然冷却伺服里是偏激进的。但放在关节模组这个场景里是常态：占空比低、峰值只维持几秒、热量靠灌封往客户壳体上导。这也正是上一期那句话的结构性原因——无框电机的性能，一半在图纸上，一半在你那套壳体和散热里。
四、汇流：48 个焊点把 24 个线圈接成三相
1. 为什么用 PCB
24 个线圈、48 个线头。如果按传统做法用漆包线跨接，端部会乱成一团，还要占掉轴向空间。
这台电机用一块环形 PCB 做汇流：所有线头焊在板上，相间连接在板内走线完成。铁芯只有 12.75 mm 厚、磁钢 13 mm，轴向本来就紧，把汇流压成一块 1 mm 级的板，是必然选择。
图12
（图注：定子铁芯与汇流 PCB。PCB 为环形，焊点沿圆周排布，与 24 个线圈的线头一一对应）
2. 通断怎么测
把 PCB 与线圈完全分离后，用万用表蜂鸣器档，逐点测焊点之间的通断。
关键在「完全分离」四个字。线圈还焊在板上时，测到的是「板子 + 线圈」的复合网络，相与相之间总会通过线圈绕回来，永远测不出真相。只有 48 个线头全部脱开，测到的才纯粹是板内走线。
图13
（图注：裸 PCB 焊点面。焊点编号 1–48 沿圆周排布，另有 U、V、W 三个引出端子）
图14
（图注：PCB 另一面。相间连接的走线在板内完成，表面看不到跨接线）
3. 测出来是什么
四张网，一张不多一张不少。
4. 把 48 个焊点分开数
把上表按功能归类，48 个焊点正好分完：
3 个引出端子：U、V、W（不在 1–48 编号内，是引出线焊盘）
12 个公共焊点：4、7、12、15、20、23、28、31、36、39、44、47
12 个支路起点焊点：U 相 9、22、33、46；V 相 1、14、25、38；W 相 6、17、30、41（每相 4 个 = 4 条并联支路）
12 组两焊点直连：每组把两个线圈的尾端接在一起，也就是 2 个线圈串联
12 + 24 = 36 个焊点属于线圈端，加上 12 个支路起点，共 48 个
一条完整的支路是这样的：
起点焊点 → 线圈 A → 串联对（线圈 A 尾 + 线圈 B 头）→ 线圈 B → 公共焊点
12 条支路（3 相 × 4 并）× 每条 2 个线圈 = 24 个线圈。全对上了。
5. 12 个公共焊点：所有支路的末端汇到一起
把上面的拓扑捋一遍：12 个焊点互相导通，且与 U/V/W 三个引出端子都不通（线圈拆掉后，它们之间没有任何通路）。这 12 个焊点就是所有支路末端的公共汇接点——每相 4 条支路的尾端都落到这里，三相共用一个末端。
到这里，24 个线圈的分组与连接就完全闭合了：每相 8 个线圈，2 个串联成 1 条支路，4 条支路并联，末端汇到公共点。整机记为 4 并 2 串。
把 24 个线圈的相位分布与串并联关系画成图，就是下面这张接线图——上圈看相位怎么分，下条看线怎么串并。
图15
（图注：本文整理的三相绕组接线图。上：48 槽、24 个线圈按相序排布的圆周分布，红/黄/蓝对应三相；下：三相绕组展开接线图，每 2 个线圈串联成 1 条支路，4 条支路并联，末端汇到公共点）
五、绝缘：没有骨架，只有一层 0.04 mm
拆解中没有找到独立的塑料绝缘骨架。
铁芯表面可见一层覆盖层（涂覆），绕组周围是灌封材料。
于是这台电机的绝缘路线是这样的：
铜线 → 漆膜（单边 0.0175 mm）→ 灌封胶 → 铁芯表面涂覆层（0.04 mm）→ 铁芯
涂覆层是什么？把某种材料通过喷涂、浸涂等方式施加到零件表面，再经干燥、固化形成的一层覆盖材料，起绝缘、防腐、耐磨的作用。
省掉骨架的收益很实在：少一层厚度，槽面积全部给铜和胶；少一道装配工序；端部也能压得更短——前后端部直线长各 1.85 mm，这才能塞进 13 mm 高的模组里。
代价是绝缘完全押在工艺一致性上。0.04 mm 的涂覆层，耐压能力取决于四件事：材料、最小厚度、棱边覆盖、缺陷。
槽口棱边是最薄的地方。 喷涂时棱边容易减薄甚至露底，这是这类无骨架方案最需要盯的位置。灌封胶填进槽内空隙能补一部分，但前提是没有空洞——所以槽满率才要控制在 51% 这个「留得出通道」的水平。
那为什么这套薄绝缘够用？
因为系统电压只有 48 V。上一期按 GB/T 755 表 6 第 1 项（功率小于 1 kW 且额定电压小于 100 V）取 500 V + 2Un = 596 V，实做 600 V，漏电流 0.13 mA（门槛 5 mA），绝缘电阻接近仪表量程上限。
也就是说：绝缘强度够，靠的是「系统电压低 + 灌封填满空隙」，不是靠涂层本身的厚度。
这条边界值得记住：如果这台电机的结构被移植到 400 V 母线，0.04 mm 涂覆 + 无骨架这套路线就不成立了，必须补骨架或加厚绝缘。
图16
（图注：拆出的绕组与灌封状态。线圈之间被灌封胶填充，铁芯表面为涂覆层，无独立塑料骨架）
六、转子：20 片磁钢贴在 38.6 mm 的多边形上
转子是表贴式永磁（SPM）结构：20 片磁钢贴在转子铁芯外周，对应 10 对极，N/S 交替，用高强度环氧结构胶粘贴。
1. 一次闭合：磁钢厚 + 贴合面对边距 = 转子外径
磁钢厚 1.817 mm，贴合面多边形对边距 38.606 mm。
38.606 + 2 × 1.817 = 42.240 mm
实测转子外径 42.24 mm。
差 0.00 mm。三个独立测出来的数，闭合到小数点后两位——这是本次测绘里最漂亮的一次校验。
图17
（图注：转子组件与单片磁钢。磁钢为弧形瓦片，用环氧结构胶贴在铁芯贴合面上）
图18
（图注：磁钢厚度测量，5 次均值 1.817 mm）
2. 贴合面是个 20 边形，不是圆柱面
报告给了两个数：多边形对边距 38.606 mm、外接圆 38.96 mm。
如果是正 20 边形（20 片磁钢，正好 20 个平面），这两个数应该满足：
对边距 = 外接圆直径 × cos(180°/20) = 38.96 × cos 9° = 38.96 × 0.9877 = 38.48 mm
实测 38.606 mm，差 0.126 mm，0.33%。
对得上。说明磁钢贴合面确实是 20 等分的平面，而不是圆柱面加垫片定位——每片磁钢有自己的安装平面，周向位置由平面本身定死，贴装时不需要额外工装找正。
这个设计选择解释了为什么 20 片磁钢能贴得均匀：平面自带定位。
3. 气隙：0.376 mm，偏小
(定子铁芯内径 42.992 − 转子外径 42.24) / 2 = 0.376 mm
建模用的气隙是 0.38 mm，差 0.004 mm。
0.38 mm 对 60 mm 机座号来说属于偏小——这个尺寸段的常规工业伺服常见 0.4–0.6 mm。小气隙换来更高的气隙磁密和转矩密度，代价是对同轴度、轴承游隙、壳体热膨胀都更敏感。
这就是无框电机的一条隐含要求：客户那套轴承和壳体的精度，直接决定这台电机的气隙能不能保住。装歪 0.1 mm，气隙就少了四分之一。
图19
（图注：转子外径测量，5 次均值 42.24 mm）
4. 极弧：磁钢 5.62 mm 宽 = 16.7° 机械角
20 极，极距 = 360° / 20 = 18°。
磁钢贴在半径 38.606/2 = 19.30 mm 的平面上，宽 5.622 mm，对应机械角：
5.622 / 19.30 = 0.2913 rad = 16.69°
极弧系数 = 16.69 / 18 = 0.93。
建模取的是 160° 电角度，换成机械角正好 16°（10 对极，电角度 = 机械角 × 10）。实测 16.69°，比建模多 0.69°——贴装公差量级，方向也合理（胶层让磁钢略微外扩）。
5. 磁钢比铁芯长一点，是故意的
磁钢长 12.937 mm，转子铁芯叠厚 12.817 mm，磁钢每端出头 0.06 mm。
出头一点点，让磁钢在轴向完全盖住铁芯，避免端部磁通泄漏造成的轴向力不均。0.06 mm 很小，但方向是对的。
6. 转子铁芯：36 片、扣点、中间是空的
36 片 × 0.35 mm = 12.60 mm，实测叠厚 12.817 mm，差 0.217 mm（1.7%）——比定子那边差得更多，同样的解释：片厚含涂层 + 叠压公差 内孔 36.076 mm 是空的。无框电机的转子没有轴，这个孔直接套在客户的轴或法兰上 铁芯壁厚 1.264 mm，验一下：(38.606 − 36.076) / 2 = 1.265 mm，与实测 1.264 mm 吻合 外缘还有一组三角凸台特征（对边距 41 mm），配 0.854 mm 倒三角。从尺寸关系看，它顶面半径 20.5 mm，比磁钢顶面 21.12 mm 低 0.62 mm——也就是磁钢之间的铁芯凸台，构成磁钢的周向止挡，同时把相邻两片磁钢的漏磁通路切断
这一条的几何定义报告没有详述，本文按尺寸关系推断，待与测绘 3D 模型核对。
图20
（图注：转子铁芯。外缘一圈周向凸台，磁钢贴合面为 20 等分平面）
图21
（图注：转子冲片。36 片扣点叠压，中间留 36.1 mm 通孔（无轴结构））
图22
（图注：单片磁钢。弧形瓦片，长 12.94 mm、宽 5.62 mm、厚 1.82 mm）
七、小结：这台电机的三个取舍
量完一圈，把结构上的选择归成三条。每一条都是「拿什么换什么」。
第一，宽槽口换针式绕线。
槽口 3.45 mm 等于槽身在气隙侧的宽度，齿没有靴。好处是整圆铁芯 + 圆形扣点就能用针式绕线把 51 匝绕进去，不用分块拼装——省掉拼缝、铁损、噪声和一道压装工序。
代价是有效气隙变大、齿槽转矩上去了。上一期实测齿槽转矩 0.0285 N·m，占额定 3.85%，这个比例在同级里不算小。（24/20 的齿槽基波是 120 次/转，频率高、幅值小，这是分数槽的固有优势，但槽口大开还是把它顶上去了。）
第二，薄涂层 + 灌封，换掉塑料骨架。
省一层厚度、省一道工序、端部压到 1.85 mm，槽面积全给铜和胶。代价是绝缘完全依赖工艺一致性：0.04 mm 涂覆、槽口棱边最薄、靠灌封填满空隙。48 V 系统下成立，高压母线不成立。
第三，4 并 2 串，换 5100 rpm。
24 与 20 的最大公约数是 4，四台 6 槽 10 极单元电机并联，这是这套槽极配合的自然解。换来的是端口反电动势低，48 V 母线就能跑到 5100 rpm。
代价是电流：同一转矩下是 1 并 8 串的 4 倍。额定 6.7 A、2 秒峰值 33.6 A。选驱动器时这个电流不能按「看着不大」估。
一句话：这台电机的结构是「为绕线和灌封让路」的结构——宽槽口、整圆扣点、无骨架、薄涂层、模压灌封，每一步都在给工艺腾空间，而不是给电磁性能抠极限。它的性能上限，一半写在图纸上，一半在客户那套壳体和轴承上。
待核实事项
涂覆层材料与耐压：0.04 mm 的涂层是什么材料、槽口棱边最小厚度多少、有无耐压抽检记录，资料均未标注。
磁钢牌号：未标注。因此本文不做磁路反算，气隙磁密和反电动势的理论值一概不给。
灌封胶型号与导热系数：未标注。因此本文不做热路反算。
定子叠厚差：12.749 mm 对 36 片 × 0.35 mm = 12.60 mm，差 0.149 mm。未逐片清点，留待下次。
转子三角凸台（对边距 41 mm）：报告未详述几何定义，本文按尺寸关系推断为磁钢周向止挡，待与测绘 3D 模型核对。
关注我们。下一期「关节模组四连篇·第4讲」——用 Motorcad &Maxwell 给这台 F60-13-KV100 做仿真改款，不改结构，先改电磁。
#无框电机 #F60-13-KV100 #关节模组 #拆解测绘 #伺服电机 #分数槽集中绕组
本文仅记录 F60-13-KV100 单台样件的拆解与实测数据，不代表厂家官方设计文件，也不作品牌性能排名。文中尺寸为单台样件 5 次测量均值，涂覆层厚度为涂层测厚仪读数。磁钢牌号、灌封胶型号、涂覆层材料厂家未标注，故本文不含磁路与热路的理论反算。
