電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道，隨著人形機(jī)器人從“能動”向“靈巧”跨越，其設(shè)計(jì)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(yīng)及微型化的需求。諧波磁場電機(jī)（Harmonic Field Motor）與氮化鎵（GaN）驅(qū)動技術(shù)成為當(dāng)前行業(yè)前沿的兩大核心技術(shù)，正在重塑機(jī)器人的硬件架構(gòu)。

本期內(nèi)容將詳解諧波磁場電機(jī)在人形機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，以及企業(yè)進(jìn)展。

諧波磁場電機(jī)技術(shù)：高密度動力的物理重構(gòu)
諧波磁場電機(jī)并非傳統(tǒng)電機(jī)的簡單改進(jìn)，而是一種基于特殊電磁設(shè)計(jì)的新型電機(jī)架構(gòu)。與傳統(tǒng)電機(jī)利用基波磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不同，諧波磁場電機(jī)通過優(yōu)化定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)氣隙磁場中的高次諧波分量（如3次、5次、7次諧波）協(xié)同產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)通常要求勵磁磁場和電樞磁場的極對數(shù)相等。諧波磁場電機(jī)打破了這一限制。它引入了“磁場調(diào)制效應(yīng)”，利用電機(jī)中的凸極轉(zhuǎn)子或定子開槽等結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁導(dǎo)諧波，可以在相同材料選型和散熱條件下，實(shí)現(xiàn)更高地提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。
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諧波磁場電機(jī)打破勵磁和電樞單元的極對數(shù)相等限制
圖源：國金證券研究所

諧波磁場電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：
一是極高的轉(zhuǎn)矩密度和超低的扭矩脈動：利用諧波磁場，電機(jī)在低速下能產(chǎn)生遠(yuǎn)超傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，非常適合靈巧手需要大力矩直接驅(qū)動的場景，減少對大速比減速器的依賴。

轉(zhuǎn)矩脈動影響機(jī)器人動作的流暢、精準(zhǔn)，諧波磁場設(shè)計(jì)可以通過優(yōu)化極槽配合，大幅削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

東南大學(xué)程明團(tuán)隊(duì)與南京某企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作，研發(fā)出定子 18 槽、轉(zhuǎn)子 56 極、定子裂齒結(jié)構(gòu)的磁場調(diào)制永磁直驅(qū)式鍛壓伺服電機(jī)；在最大轉(zhuǎn)矩與永磁體用量一致前提下，相較該公司傳統(tǒng)方案，電機(jī)的有效體積減小 25%，轉(zhuǎn)矩密度提升34%，轉(zhuǎn)矩脈動僅 0.35% 且效率未下降。

二是扁平化與緊湊設(shè)計(jì)：該技術(shù)通常配合軸向磁通結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)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(shè)計(jì)可將電機(jī)體積縮小一半，更易于集成在靈巧手的指節(jié)中。

傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)在靈巧手應(yīng)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(dǎo)致了手指粗大笨重。諧波磁場電機(jī)通過高轉(zhuǎn)矩密度，實(shí)現(xiàn)了“去減速器”或“低減速比”設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人的手指真正像人類一樣纖細(xì)且有力。

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圖：電子發(fā)燒友網(wǎng)根據(jù)公開資料制圖

為何諧波磁場電機(jī)適配機(jī)器人？
人形機(jī)器人對關(guān)節(jié)電機(jī)提出了近乎嚴(yán)苛的要求，需要高轉(zhuǎn)矩密度、低轉(zhuǎn)矩波動、強(qiáng)過載能力 、散熱屬性。諧波磁場電機(jī)則提供了系統(tǒng)性的解決方案。

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

例如特斯拉2023年二季度財(cái)報(bào)披露，Optimus全身搭載40個關(guān)節(jié)執(zhí)行器，相比Gen 1版本的28個執(zhí)行器（線性和旋轉(zhuǎn)各14個），硬件數(shù)量顯著增加。旨在確保機(jī)器人能夠靈活、精準(zhǔn)地完成深蹲、瑜伽、搬運(yùn)等復(fù)雜動作。又如宇樹機(jī)器人G1基礎(chǔ)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(guī)模激增。

而諧波磁場電機(jī)通過“極比”放大轉(zhuǎn)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(jī)器人可以“瘦身”，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更接近人類體型。

人形機(jī)器人需要爆發(fā)力與動態(tài)響應(yīng)，特別是機(jī)器人行走需要關(guān)節(jié)在瞬間爆發(fā)大力矩來維持平衡。傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)具備“電磁齒輪”效應(yīng)，既能直驅(qū)輸出大扭矩，又能保持低慣量，實(shí)現(xiàn)毫秒級的動態(tài)響應(yīng)。

此外，靈巧手抓取雞蛋或進(jìn)行精密裝配時，不能有抖動或頓挫。超低的轉(zhuǎn)矩脈動意味著電機(jī)運(yùn)行較為平穩(wěn)。它消除了傳統(tǒng)電機(jī)常見的齒槽效應(yīng)帶來的“卡頓感”，讓機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)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(diǎn)是人形機(jī)器人需要在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定。機(jī)器人關(guān)節(jié)通常是全封閉結(jié)構(gòu)，電機(jī)過載時發(fā)熱嚴(yán)重，容易導(dǎo)致傳統(tǒng)磁材退磁。諧波磁場電機(jī)常與新型磁材（如第四代釤鐵氮材料）結(jié)合。這種組合不僅耐高溫性能好，而且由于電機(jī)效率高、損耗低，產(chǎn)生的熱量更少，解決了“熱失效”這一行業(yè)頑疾。

根據(jù)相關(guān)研究預(yù)測，依據(jù)2030年全球無框力矩電機(jī)市場出貨量達(dá)100萬臺的測算數(shù)據(jù)，僅人形機(jī)器人領(lǐng)域就將貢獻(xiàn)23.97億美元。與此同時，諧波磁場電機(jī)市場將達(dá)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(tǒng)電機(jī)，諧波磁場電機(jī)具備諸多優(yōu)勢：

一是電機(jī)輕量化。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，在輸出功率相同的條件下，可減小電機(jī)體積，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輕量化，顯著節(jié)約材料成本。

二是基于磁場的特殊性新設(shè)計(jì)，諧波磁場電機(jī)可大幅降低電機(jī)軸電流；三是諧波磁場電機(jī)的控制方法與 傳統(tǒng)電機(jī)一致，可以同樣適配現(xiàn)有永磁同步電機(jī)的應(yīng)用場景；四是成本優(yōu)化。由于輕量化帶來的材料投入減少，將進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的成本結(jié)構(gòu)，建立更為深厚的成本護(hù)城河。由于諧波磁場電機(jī)的特殊磁路設(shè)計(jì)，其制造精度和裝配復(fù)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(chǎn)品初始階段的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。未來，隨著后續(xù)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，規(guī)模效應(yīng)會逐步顯現(xiàn)。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(yōu)勢。



機(jī)器人電機(jī)產(chǎn)業(yè)新動能：諧波磁場電機(jī)迭代與釤鐵氮材料革新
永磁材料的技術(shù)迭代是伺服電機(jī)性能躍遷的核心支撐，諧波磁場電機(jī)的規(guī)?；帕浚x不開永磁材料從性能、成本到工藝的全面進(jìn)步。稀土永磁材料持續(xù)演進(jìn)，第一代釤鈷永磁磁性能優(yōu)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(wěn)定性與耐腐蝕性，推動永磁材料向工業(yè)領(lǐng)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(xiàn)代永磁之王”，支撐了新能源、智能制造等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

而隨著諧波磁場電機(jī)對高轉(zhuǎn)矩密度、低轉(zhuǎn)矩脈動、高溫穩(wěn)定性與小型化的需求持續(xù)提升，傳統(tǒng)永磁材料逐漸面臨成本波動、高溫退磁、難以適配微型化關(guān)節(jié)等瓶頸，第四代釤鐵氮材料的技術(shù)突破，恰好填補(bǔ)了這一產(chǎn)業(yè)空白，成為諧波磁場電機(jī)迭代升級的關(guān)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(yōu)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(jià)波動與重稀土短缺的制約，還原擴(kuò)散工藝采用價(jià)格遠(yuǎn)低于金屬釤的氧化釤，原料成本大幅下探，市場售價(jià)僅 100-300 元 / 千克。

可靠性是其最突出的亮點(diǎn)，其居里溫度達(dá) 350-500℃，遠(yuǎn)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(yōu)異，無需額外表面防護(hù)即可適應(yīng)惡劣環(huán)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(zhuǎn)速運(yùn)行，高溫下磁性能穩(wěn)定，能持續(xù)保障電機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

在輕量化與設(shè)計(jì)自由度上，釤鐵氮同樣表現(xiàn)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(jī)的小型化、精密化需求。

綜合來看，釤鐵氮磁能積達(dá) 9-40MGOe，中端產(chǎn)品性能可對標(biāo)低端釹鐵硼，兼顧性能與性價(jià)比，遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體材料，打破了磁性能與成本不可兼得的行業(yè)困境。

在機(jī)器人電機(jī)領(lǐng)域，釤鐵氮與諧波磁場電機(jī)的組合堪稱黃金搭檔，高度適配人形機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的核心應(yīng)用需求。

當(dāng)前特斯拉 Optimus 等主流人形機(jī)器人采用全電機(jī)驅(qū)動方案，最新版本搭載 40 個關(guān)節(jié)執(zhí)行器，每個執(zhí)行器需獨(dú)立伺服驅(qū)動器，要求電機(jī)具備低速大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩脈動、高溫穩(wěn)定、小型輕量化等特性，以完成深蹲、瑜伽、精密搬運(yùn)等復(fù)雜動作。諧波磁場電機(jī)依托磁場調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩密度提升，而釤鐵氮的高轉(zhuǎn)矩輸出特性可進(jìn)一步放大這一優(yōu)勢，其低轉(zhuǎn)矩脈動特性能保障機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)精準(zhǔn)。

同時，機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)體積受限、工作時易因過載升溫，釤鐵氮的高溫穩(wěn)定性可有效避免退磁失效，保障連續(xù)作業(yè)可靠性；其超薄成型特性則能縮小電機(jī)體積，適配機(jī)器人緊湊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，提升整機(jī)靈活性。此外，釤鐵氮的成本優(yōu)勢可降低機(jī)器人核心部件造價(jià)，推動人形機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化量產(chǎn)。

在市場格局方面，日本企業(yè)憑借先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，在釤鐵氮材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面起步較早，部分產(chǎn)品的性能指標(biāo)已達(dá)到行業(yè)較高水準(zhǔn)。

國金證券研究所給出了傳統(tǒng)電機(jī)+釹鐵硼、諧波磁場電機(jī)+釤鐵氮材料兩種方案的單季成本對比：
方案1（傳統(tǒng)方案）： 使用“傳統(tǒng)電機(jī) + 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(jià)，單機(jī)電機(jī)成本高達(dá) 233元。
方案2（創(chuàng)新方案） 使用“諧波磁場電機(jī) + 釤鐵氮（新型低成本磁材）。得益于諧波磁場電機(jī)的高效率，磁材用量減少25%（約2.63kg）；且釤鐵氮單價(jià)便宜68%（僅130元/kg）。最終單機(jī)電機(jī)成本降至 157元。

從單機(jī)價(jià)格來看，諧波磁場電機(jī) + 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(jìn)的技術(shù)（諧波磁場電機(jī)），解決了人形機(jī)器人量產(chǎn)高成本的痛點(diǎn)，把人形機(jī)器人的電機(jī)成本打下來的同時，創(chuàng)造出一個百億級的新市場。


諧波磁場電機(jī)迭代與釤鐵氮材料代表企業(yè)
恒帥股份
恒帥股份是目前國內(nèi)少數(shù)明確將“諧波磁場電機(jī)技術(shù)”作為底層技術(shù)變革進(jìn)行研發(fā)，并已實(shí)現(xiàn)部分量產(chǎn)的企業(yè)。公司正在開拓諧波磁場電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，包括汽車現(xiàn)有電機(jī)品種，工業(yè)領(lǐng)域的滾筒電機(jī)以及人形機(jī)器人領(lǐng)域的電機(jī)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(jī)方案為基礎(chǔ)，針對直線關(guān)節(jié)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)、靈巧手電機(jī)定制化開發(fā)解決方案。

綠的諧波
綠的諧波是人形機(jī)器人諧波減速器領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入宇樹供應(yīng)鏈，配合宇樹自研的減速器。在人形機(jī)器人諧波減速器市場，綠的諧波占據(jù)超 70% 的市場份額。公司正加速布局諧波磁場電機(jī)領(lǐng)域。

臥龍電驅(qū)
臥龍電驅(qū)是工業(yè)電機(jī)的龍頭企業(yè)，公司產(chǎn)品包括防爆電驅(qū)動、工業(yè)電驅(qū)動、新能源交通電驅(qū)動等，公司同樣加速將其技術(shù)覆蓋至機(jī)器人領(lǐng)域，2025年機(jī)器人組件及系統(tǒng)方案業(yè)務(wù)已經(jīng)帶來營收，達(dá)到4億元，不過占公司營收比例較小。業(yè)內(nèi)消息指出，其諧波磁場電機(jī)功率密度突破10kW/kg。據(jù)了解，臥龍電驅(qū)的“高品質(zhì)多諧波磁場調(diào)制電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲湖北省科學(xué)技術(shù)發(fā)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(jī)用高性能釤鐵氮磁體現(xiàn)正處于中試轉(zhuǎn)量產(chǎn)線的建設(shè)階段，預(yù)計(jì)9月底完成第一條小批量線的建設(shè)。但是釤鐵氮材料優(yōu)勢尚未完全發(fā)揮，隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及更高性能磁體的出現(xiàn)，其未來競爭優(yōu)勢將進(jìn)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(fā)與生產(chǎn)，進(jìn)入2026年公司，公司加速布局高端新材料，重點(diǎn)推進(jìn)釤鐵氮稀土永磁材料（第四代永磁）產(chǎn)業(yè)化。

目前新萊福的釤鐵氮相關(guān)產(chǎn)品的最大磁能積已 達(dá)到12MGOe以上。在技術(shù)研發(fā)上，2024年公司主要聚焦于高性能釤鐵氮磁粉的開發(fā)，應(yīng) 用方向?yàn)殡姍C(jī)等對工作溫度應(yīng)用要求較高的領(lǐng)域。已成功開發(fā) 出可將磁體矯頑力和磁性能達(dá)到較高水平的粉體材料，該材料正有序推進(jìn) 量產(chǎn)轉(zhuǎn)化，相關(guān)產(chǎn)品也將逐步實(shí)現(xiàn)在電機(jī)領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用落地。


小結(jié)：
當(dāng)前，無論是諧波磁場電機(jī)的技術(shù)迭代，還是第四代稀土永磁材料釤鐵氮的商業(yè)化進(jìn)程，都已成為行業(yè)內(nèi)高度共識的未來發(fā)展方向。

然而，盡管前景廣闊，這兩項(xiàng)技術(shù)目前均處于從“實(shí)驗(yàn)室突破”向“規(guī)模化量產(chǎn)”跨越的早期階段。諧波磁場電機(jī)面臨著磁路設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造精度高等挑戰(zhàn)；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(shù)具備深厚技術(shù)儲備的企業(yè)——如恒帥股份、新萊福等先行者正試圖在下一代電機(jī)生態(tài)中搶占先機(jī)，隨著技術(shù)成熟度的提升與人形機(jī)器人市場的爆發(fā)，這一細(xì)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(qū)動技術(shù)—— GaN（氮化鎵）驅(qū)動技術(shù)，了解GaN技術(shù)在人形機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展以及落地情況。