電子發燒友網綜合報道，隨著人形機器人從“能動”向“靈巧”跨越，其設計面臨著極高的空間約束與性能要求。面對高功率密度、高頻響應及微型化的需求。諧波磁場電機（Harmonic Field Motor）與氮化鎵（GaN）驅動技術成為當前行業前沿的兩大核心技術，正在重塑機器人的硬件架構。

本期內容將詳解諧波磁場電機在人形機器人領域的技術優勢，以及企業進展。

諧波磁場電機技術：高密度動力的物理重構
諧波磁場電機并非傳統電機的簡單改進，而是一種基于特殊電磁設計的新型電機架構。與傳統電機利用基波磁場產生轉矩不同，諧波磁場電機通過優化定轉子結構，利用電機氣隙磁場中的高次諧波分量（如3次、5次、7次諧波）協同產生轉矩。

傳統電機設計通常要求勵磁磁場和電樞磁場的極對數相等。諧波磁場電機打破了這一限制。它引入了“磁場調制效應”，利用電機中的凸極轉子或定子開槽等結構，產生氣隙磁導諧波，可以在相同材料選型和散熱條件下，實現更高地提升電機轉矩密度。
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諧波磁場電機打破勵磁和電樞單元的極對數相等限制
圖源：國金證券研究所

諧波磁場電機技術特點：
一是極高的轉矩密度和超低的扭矩脈動：利用諧波磁場，電機在低速下能產生遠超傳統感應電機的轉矩，非常適合靈巧手需要大力矩直接驅動的場景，減少對大速比減速器的依賴。

轉矩脈動影響機器人動作的流暢、精準，諧波磁場設計可以通過優化極槽配合，大幅削弱齒槽轉矩。

東南大學程明團隊與南京某企業產學研合作，研發出定子 18 槽、轉子 56 極、定子裂齒結構的磁場調制永磁直驅式鍛壓伺服電機；在最大轉矩與永磁體用量一致前提下，相較該公司傳統方案，電機的有效體積減小 25%，轉矩密度提升34%，轉矩脈動僅 0.35% 且效率未下降。

二是扁平化與緊湊設計：該技術通常配合軸向磁通結構，使得電機在軸向尺寸上大幅縮減，在保持功率密度不變的情況下，該設計可將電機體積縮小一半，更易于集成在靈巧手的指節中。

傳統徑向磁通電機在靈巧手應用中，往往需要配合大體積的行星減速器才能獲得足夠的抓取力，這直接導致了手指粗大笨重。諧波磁場電機通過高轉矩密度，實現了“去減速器”或“低減速比”設計，讓機器人的手指真正像人類一樣纖細且有力。

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圖：電子發燒友網根據公開資料制圖

為何諧波磁場電機適配機器人？
人形機器人對關節電機提出了近乎嚴苛的要求，需要高轉矩密度、低轉矩波動、強過載能力 、散熱屬性。諧波磁場電機則提供了系統性的解決方案。

空間受限與輕量化需求。人形機器人全身有40+個關節，有超過一百個核心零部件，包括關節、傳感器、減速器等，還有超過千個連接點，每個關節空間都極度緊湊。

例如特斯拉2023年二季度財報披露，Optimus全身搭載40個關節執行器，相比Gen 1版本的28個執行器（線性和旋轉各14個），硬件數量顯著增加。旨在確保機器人能夠靈活、精準地完成深蹲、瑜伽、搬運等復雜動作。又如宇樹機器人G1基礎版擁有23個自由度，EDU版本配置23到43個自由度。每一個新迭代的版本硬件規模激增。

而諧波磁場電機通過“極比”放大轉矩，意味著在不需要巨大體積的情況下就能輸出大力矩。意味著機器人可以“瘦身”，讓結構設計更接近人類體型。

人形機器人需要爆發力與動態響應，特別是機器人行走需要關節在瞬間爆發大力矩來維持平衡。傳統電機往往需要配合高減速比的減速器來放大扭矩，但這會增加慣量和摩擦。諧波磁場電機具備“電磁齒輪”效應，既能直驅輸出大扭矩，又能保持低慣量，實現毫秒級的動態響應。

此外，靈巧手抓取雞蛋或進行精密裝配時，不能有抖動或頓挫。超低的轉矩脈動意味著電機運行較為平穩。它消除了傳統電機常見的齒槽效應帶來的“卡頓感”，讓機器人能實現高精度的力控和柔順控制，避免損壞精密零件或抓不住物體。

另一個痛點是人形機器人需要在高溫環境下保持穩定。機器人關節通常是全封閉結構，電機過載時發熱嚴重，容易導致傳統磁材退磁。諧波磁場電機常與新型磁材（如第四代釤鐵氮材料）結合。這種組合不僅耐高溫性能好，而且由于電機效率高、損耗低，產生的熱量更少，解決了“熱失效”這一行業頑疾。

根據相關研究預測，依據2030年全球無框力矩電機市場出貨量達100萬臺的測算數據，僅人形機器人領域就將貢獻23.97億美元。與此同時，諧波磁場電機市場將達到20億美元。

恒帥股份就在投資者交流活動中指出，相比傳統電機，諧波磁場電機具備諸多優勢：

一是電機輕量化。與傳統電機相比，在輸出功率相同的條件下，可減小電機體積，實現電機的輕量化，顯著節約材料成本。

二是基于磁場的特殊性新設計，諧波磁場電機可大幅降低電機軸電流；三是諧波磁場電機的控制方法與 傳統電機一致，可以同樣適配現有永磁同步電機的應用場景；四是成本優化。由于輕量化帶來的材料投入減少，將進一步優化電機的成本結構，建立更為深厚的成本護城河。由于諧波磁場電機的特殊磁路設計，其制造精度和裝配復雜度要求更高， 具有更高的制造壁壘。

從成本來看，鑒于一 般產品初始階段的生產批量較小，需要均攤共耗成本相對較多，這可能會對整體成本結構產生影響。未來，隨著后續生產規模的擴大，規模效應會逐步顯現。與此同時，具備自主制造磁材的能力的公司也將放大成本優勢。



機器人電機產業新動能：諧波磁場電機迭代與釤鐵氮材料革新
永磁材料的技術迭代是伺服電機性能躍遷的核心支撐，諧波磁場電機的規模化放量，更離不開永磁材料從性能、成本到工藝的全面進步。稀土永磁材料持續演進，第一代釤鈷永磁磁性能優異但鈷與釤資源稀缺、成本高昂，僅適用于航空航天等高端場景；第二代釤鈷永磁提升了熱穩定性與耐腐蝕性，推動永磁材料向工業領域滲透；第三代釹鐵硼憑借超高磁能積與相對親民的成本，成為 “現代永磁之王”，支撐了新能源、智能制造等產業的快速發展。

而隨著諧波磁場電機對高轉矩密度、低轉矩脈動、高溫穩定性與小型化的需求持續提升，傳統永磁材料逐漸面臨成本波動、高溫退磁、難以適配微型化關節等瓶頸，第四代釤鐵氮材料的技術突破，恰好填補了這一產業空白，成為諧波磁場電機迭代升級的關鍵載體。

第四代稀土永磁以釤、鐵、氮為核心組分，兼具成本、可靠性、高效率與輕量化四大核心優勢。

成本層面，由于材料不含鏑、鋱等重稀土及釹元素，擺脫了釹價波動與重稀土短缺的制約，還原擴散工藝采用價格遠低于金屬釤的氧化釤，原料成本大幅下探，市場售價僅 100-300 元 / 千克。

可靠性是其最突出的亮點，其居里溫度達 350-500℃，遠高于釹鐵硼（310℃），在高溫工況下不易退磁，且耐酸堿、抗腐蝕性能優異，無需額外表面防護即可適應惡劣環境。

高效率層面，雖磁能積略低于釹鐵硼，但高電阻率可大幅降低渦流損耗，適配高頻高轉速運行，高溫下磁性能穩定，能持續保障電機高效運轉。

在輕量化與設計自由度上，釤鐵氮同樣表現出色。釤鐵氮磁粉粒度 D50 僅 2 微米，成型自由度極高，可通過 3D 打印、擠出等工藝制備 0.36mm 超薄磁體，完美契合微型電機的小型化、精密化需求。

綜合來看，釤鐵氮磁能積達 9-40MGOe，中端產品性能可對標低端釹鐵硼，兼顧性能與性價比，遠優于鐵氧體材料，打破了磁性能與成本不可兼得的行業困境。

在機器人電機領域，釤鐵氮與諧波磁場電機的組合堪稱黃金搭檔，高度適配人形機器人與工業機器人的核心應用需求。

當前特斯拉 Optimus 等主流人形機器人采用全電機驅動方案，最新版本搭載 40 個關節執行器，每個執行器需獨立伺服驅動器，要求電機具備低速大轉矩、低轉矩脈動、高溫穩定、小型輕量化等特性，以完成深蹲、瑜伽、精密搬運等復雜動作。諧波磁場電機依托磁場調制效應實現轉矩密度提升，而釤鐵氮的高轉矩輸出特性可進一步放大這一優勢，其低轉矩脈動特性能保障機器人運動平穩精準。

同時，機器人關節電機體積受限、工作時易因過載升溫，釤鐵氮的高溫穩定性可有效避免退磁失效，保障連續作業可靠性；其超薄成型特性則能縮小電機體積，適配機器人緊湊的關節結構，提升整機靈活性。此外，釤鐵氮的成本優勢可降低機器人核心部件造價，推動人形機器人從實驗室走向商業化量產。

在市場格局方面，日本企業憑借先發技術優勢，在釤鐵氮材料研發與產業化方面起步較早，部分產品的性能指標已達到行業較高水準。

國金證券研究所給出了傳統電機+釹鐵硼、諧波磁場電機+釤鐵氮材料兩種方案的單季成本對比：
方案1（傳統方案）： 使用“傳統電機 + 釹鐵硼（高性能稀土永磁）”，需要用到約3.5kg的釹鐵硼，400元/kg單價，單機電機成本高達 233元。
方案2（創新方案） 使用“諧波磁場電機 + 釤鐵氮（新型低成本磁材）。得益于諧波磁場電機的高效率，磁材用量減少25%（約2.63kg）；且釤鐵氮單價便宜68%（僅130元/kg）。最終單機電機成本降至 157元。

從單機價格來看，諧波磁場電機 + 釤鐵氮的方案成本更低，可以用用更便宜的材料（釤鐵氮）配合更先進的技術（諧波磁場電機），解決了人形機器人量產高成本的痛點，把人形機器人的電機成本打下來的同時，創造出一個百億級的新市場。


諧波磁場電機迭代與釤鐵氮材料代表企業
恒帥股份
恒帥股份是目前國內少數明確將“諧波磁場電機技術”作為底層技術變革進行研發，并已實現部分量產的企業。公司正在開拓諧波磁場電機的應用領域，包括汽車現有電機品種，工業領域的滾筒電機以及人形機器人領域的電機品種等。

恒帥股份具備自主制造磁材的能力，以諧波磁場電機方案為基礎，針對直線關節電機、旋轉關節電機、靈巧手電機定制化開發解決方案。

綠的諧波
綠的諧波是人形機器人諧波減速器領域的龍頭企業，其產品已經進入宇樹供應鏈，配合宇樹自研的減速器。在人形機器人諧波減速器市場，綠的諧波占據超 70% 的市場份額。公司正加速布局諧波磁場電機領域。

臥龍電驅
臥龍電驅是工業電機的龍頭企業，公司產品包括防爆電驅動、工業電驅動、新能源交通電驅動等，公司同樣加速將其技術覆蓋至機器人領域，2025年機器人組件及系統方案業務已經帶來營收，達到4億元，不過占公司營收比例較小。業內消息指出，其諧波磁場電機功率密度突破10kW/kg。據了解，臥龍電驅的“高品質多諧波磁場調制電機關鍵技術及應用”獲湖北省科學技術發明獎一等獎。


新萊福
新萊福2025年9月在投資者交流平臺中表示，公司的電機用高性能釤鐵氮磁體現正處于中試轉量產線的建設階段，預計9月底完成第一條小批量線的建設。但是釤鐵氮材料優勢尚未完全發揮，隨著材料技術的發展以及更高性能磁體的出現，其未來競爭優勢將進一步凸顯。

新萊福專注以磁性材料和電子陶瓷材料為代表的新型功能材料研發與生產，進入2026年公司，公司加速布局高端新材料，重點推進釤鐵氮稀土永磁材料（第四代永磁）產業化。

目前新萊福的釤鐵氮相關產品的最大磁能積已 達到12MGOe以上。在技術研發上，2024年公司主要聚焦于高性能釤鐵氮磁粉的開發，應 用方向為電機等對工作溫度應用要求較高的領域。已成功開發 出可將磁體矯頑力和磁性能達到較高水平的粉體材料，該材料正有序推進 量產轉化，相關產品也將逐步實現在電機領域的商業化應用落地。


小結：
當前，無論是諧波磁場電機的技術迭代，還是第四代稀土永磁材料釤鐵氮的商業化進程，都已成為行業內高度共識的未來發展方向。

然而，盡管前景廣闊，這兩項技術目前均處于從“實驗室突破”向“規模化量產”跨越的早期階段。諧波磁場電機面臨著磁路設計復雜、制造精度高等挑戰；釤鐵氮材料則受限于氮化工藝難控制等制備瓶頸。因此，目前僅有少數具備深厚技術儲備的企業——如恒帥股份、新萊福等先行者正試圖在下一代電機生態中搶占先機，隨著技術成熟度的提升與人形機器人市場的爆發，這一細分賽道有望迎來供需兩端的加速共振。

下一期，我們將介紹另一種新型電驅動技術—— GaN（氮化鎵）驅動技術，了解GaN技術在人形機器人領域的技術進展以及落地情況。