机器人灵巧手新型电驱动技术：谐波磁场电机与新材料的融合革命

 
 
电子发烧友网综合报道，随着人形机器人从“能动”向“灵巧”跨越，其设计面临着极高的空间约束与性能要求。面对高功率密度、高频响应及微型化的需求。谐波磁场电机（Harmonic Field Motor）与氮化镓（GaN）驱动技术成为当前行业前沿的两大核心技术，正在重塑机器人的硬件架构。
 
本期内容将详解谐波磁场电机在人形机器人领域的技术优势，以及企业进展。
 
谐波磁场电机技术：高密度动力的物理重构
谐波磁场电机并非传统电机的简单改进，而是一种基于特殊电磁设计的新型电机架构。与传统电机利用基波磁场产生转矩不同，谐波磁场电机通过优化定转子结构，利用电机气隙磁场中的高次谐波分量（如3次、5次、7次谐波）协同产生转矩。
 
传统电机设计通常要求励磁磁场和电枢磁场的极对数相等。谐波磁场电机打破了这一限制。它引入了“磁场调制效应”，利用电机中的凸极转子或定子开槽等结构，产生气隙磁导谐波，可以在相同材料选型和散热条件下，实现更高地提升电机转矩密度。
 
谐波磁场电机打破励磁和电枢单元的极对数相等限制
图源：国金证券研究所
 
谐波磁场电机技术特点：
一是极高的转矩密度和超低的扭矩脉动：利用谐波磁场，电机在低速下能产生远超传统感应电机的转矩，非常适合灵巧手需要大力矩直接驱动的场景，减少对大速比减速器的依赖。
 
转矩脉动影响机器人动作的流畅、精准，谐波磁场设计可以通过优化极槽配合，大幅削弱齿槽转矩。
 
东南大学程明团队与南京某企业产学研合作，研发出定子 18 槽、转子 56 极、定子裂齿结构的磁场调制永磁直驱式锻压伺服电机；在最大转矩与永磁体用量一致前提下，相较该公司传统方案，电机的有效体积减小 25%，转矩密度提升34%，转矩脉动仅 0.35% 且效率未下降。
 
二是扁平化与紧凑设计：该技术通常配合轴向磁通结构，使得电机在轴向尺寸上大幅缩减，在保持功率密度不变的情况下，该设计可将电机体积缩小一半，更易于集成在灵巧手的指节中。
 
传统径向磁通电机在灵巧手应用中，往往需要配合大体积的行星减速器才能获得足够的抓取力，这直接导致了手指粗大笨重。谐波磁场电机通过高转矩密度，实现了“去减速器”或“低减速比”设计，让机器人的手指真正像人类一样纤细且有力。
 
 
图：电子发烧友网根据公开资料制图
 
为何谐波磁场电机适配机器人？
人形机器人对关节电机提出了近乎严苛的要求，需要高转矩密度、低转矩波动、强过载能力 、散热属性。谐波磁场电机则提供了系统性的解决方案。
 
空间受限与轻量化需求。人形机器人全身有40+个关节，有超过一百个核心零部件，包括关节、传感器、减速器等，还有超过千个连接点，每个关节空间都极度紧凑。
 
例如特斯拉2023年二季度财报披露，Optimus全身搭载40个关节执行器，相比Gen 1版本的28个执行器（线性和旋转各14个），硬件数量显著增加。旨在确保机器人能够灵活、精准地完成深蹲、瑜伽、搬运等复杂动作。又如宇树机器人G1基础版拥有23个自由度，EDU版本配置23到43个自由度。每一个新迭代的版本硬件规模激增。
 
而谐波磁场电机通过“极比”放大转矩，意味着在不需要巨大体积的情况下就能输出大力矩。意味着机器人可以“瘦身”，让结构设计更接近人类体型。
 
人形机器人需要爆发力与动态响应，特别是机器人行走需要关节在瞬间爆发大力矩来维持平衡。传统电机往往需要配合高减速比的减速器来放大扭矩，但这会增加惯量和摩擦。谐波磁场电机具备“电磁齿轮”效应，既能直驱输出大扭矩，又能保持低惯量，实现毫秒级的动态响应。
 
此外，灵巧手抓取鸡蛋或进行精密装配时，不能有抖动或顿挫。超低的转矩脉动意味着电机运行较为平稳。它消除了传统电机常见的齿槽效应带来的“卡顿感”，让机器人能实现高精度的力控和柔顺控制，避免损坏精密零件或抓不住物体。
 
另一个痛点是人形机器人需要在高温环境下保持稳定。机器人关节通常是全封闭结构，电机过载时发热严重，容易导致传统磁材退磁。谐波磁场电机常与新型磁材（如第四代钐铁氮材料）结合。这种组合不仅耐高温性能好，而且由于电机效率高、损耗低，产生的热量更少，解决了“热失效”这一行业顽疾。
 
根据相关研究预测，依据2030年全球无框力矩电机市场出货量达100万台的测算数据，仅人形机器人领域就将贡献23.97亿美元。与此同时，谐波磁场电机市场将达到20亿美元。
 
恒帅股份就在投资者交流活动中指出，相比传统电机，谐波磁场电机具备诸多优势：
 
一是电机轻量化。与传统电机相比，在输出功率相同的条件下，可减小电机体积，实现电机的轻量化，显著节约材料成本。
 
二是基于磁场的特殊性新设计，谐波磁场电机可大幅降低电机轴电流；三是谐波磁场电机的控制方法与 传统电机一致，可以同样适配现有永磁同步电机的应用场景；四是成本优化。由于轻量化带来的材料投入减少，将进一步优化电机的成本结构，建立更为深厚的成本护城河。由于谐波磁场电机的特殊磁路设计，其制造精度和装配复杂度要求更高， 具有更高的制造壁垒。
 
从成本来看，鉴于一 般产品初始阶段的生产批量较小，需要均摊共耗成本相对较多，这可能会对整体成本结构产生影响。未来，随着后续生产规模的扩大，规模效应会逐步显现。与此同时，具备自主制造磁材的能力的公司也将放大成本优势。
 
 
 
机器人电机产业新动能：谐波磁场电机迭代与钐铁氮材料革新
永磁材料的技术迭代是伺服电机性能跃迁的核心支撑，谐波磁场电机的规模化放量，更离不开永磁材料从性能、成本到工艺的全面进步。稀土永磁材料持续演进，第一代钐钴永磁磁性能优异但钴与钐资源稀缺、成本高昂，仅适用于航空航天等高端场景；第二代钐钴永磁提升了热稳定性与耐腐蚀性，推动永磁材料向工业领域渗透；第三代钕铁硼凭借超高磁能积与相对亲民的成本，成为 “现代永磁之王”，支撑了新能源、智能制造等产业的快速发展。
 
而随着谐波磁场电机对高转矩密度、低转矩脉动、高温稳定性与小型化的需求持续提升，传统永磁材料逐渐面临成本波动、高温退磁、难以适配微型化关节等瓶颈，第四代钐铁氮材料的技术突破，恰好填补了这一产业空白，成为谐波磁场电机迭代升级的关键载体。
 
第四代稀土永磁以钐、铁、氮为核心组分，兼具成本、可靠性、高效率与轻量化四大核心优势。
 
成本层面，由于材料不含镝、铽等重稀土及钕元素，摆脱了钕价波动与重稀土短缺的制约，还原扩散工艺采用价格远低于金属钐的氧化钐，原料成本大幅下探，市场售价仅 100-300 元 / 千克。
 
可靠性是其最突出的亮点，其居里温度达 350-500℃，远高于钕铁硼（310℃），在高温工况下不易退磁，且耐酸碱、抗腐蚀性能优异，无需额外表面防护即可适应恶劣环境。
 
高效率层面，虽磁能积略低于钕铁硼，但高电阻率可大幅降低涡流损耗，适配高频高转速运行，高温下磁性能稳定，能持续保障电机高效运转。
 
在轻量化与设计自由度上，钐铁氮同样表现出色。钐铁氮磁粉粒度 D50 仅 2 微米，成型自由度极高，可通过 3D 打印、挤出等工艺制备 0.36mm 超薄磁体，完美契合微型电机的小型化、精密化需求。
 
综合来看，钐铁氮磁能积达 9-40MGOe，中端产品性能可对标低端钕铁硼，兼顾性能与性价比，远优于铁氧体材料，打破了磁性能与成本不可兼得的行业困境。
 
在机器人电机领域，钐铁氮与谐波磁场电机的组合堪称黄金搭档，高度适配人形机器人与工业机器人的核心应用需求。
 
当前特斯拉 Optimus 等主流人形机器人采用全电机驱动方案，最新版本搭载 40 个关节执行器，每个执行器需独立伺服驱动器，要求电机具备低速大转矩、低转矩脉动、高温稳定、小型轻量化等特性，以完成深蹲、瑜伽、精密搬运等复杂动作。谐波磁场电机依托磁场调制效应实现转矩密度提升，而钐铁氮的高转矩输出特性可进一步放大这一优势，其低转矩脉动特性能保障机器人运动平稳精准。
 
同时，机器人关节电机体积受限、工作时易因过载升温，钐铁氮的高温稳定性可有效避免退磁失效，保障连续作业可靠性；其超薄成型特性则能缩小电机体积，适配机器人紧凑的关节结构，提升整机灵活性。此外，钐铁氮的成本优势可降低机器人核心部件造价，推动人形机器人从实验室走向商业化量产。
 
在市场格局方面，日本企业凭借先发技术优势，在钐铁氮材料研发与产业化方面起步较早，部分产品的性能指标已达到行业较高水准。
 
国金证券研究所给出了传统电机+钕铁硼、谐波磁场电机+钐铁氮材料两种方案的单季成本对比：
方案1（传统方案）： 使用“传统电机 + 钕铁硼（高性能稀土永磁）”，需要用到约3.5kg的钕铁硼，400元/kg单价，单机电机成本高达 233元。
方案2（创新方案） 使用“谐波磁场电机 + 钐铁氮（新型低成本磁材）。得益于谐波磁场电机的高效率，磁材用量减少25%（约2.63kg）；且钐铁氮单价便宜68%（仅130元/kg）。最终单机电机成本降至 157元。
 
从单机价格来看，谐波磁场电机 + 钐铁氮的方案成本更低，可以用用更便宜的材料（钐铁氮）配合更先进的技术（谐波磁场电机），解决了人形机器人量产高成本的痛点，把人形机器人的电机成本打下来的同时，创造出一个百亿级的新市场。
 
 
谐波磁场电机迭代与钐铁氮材料代表企业
恒帅股份
恒帅股份是目前国内少数明确将“谐波磁场电机技术”作为底层技术变革进行研发，并已实现部分量产的企业。公司正在开拓谐波磁场电机的应用领域，包括汽车现有电机品种，工业领域的滚筒电机以及人形机器人领域的电机品种等。
 
恒帅股份具备自主制造磁材的能力，以谐波磁场电机方案为基础，针对直线关节电机、旋转关节电机、灵巧手电机定制化开发解决方案。
 
绿的谐波
绿的谐波是人形机器人谐波减速器领域的龙头企业，其产品已经进入宇树供应链，配合宇树自研的减速器。在人形机器人谐波减速器市场，绿的谐波占据超 70% 的市场份额。公司正加速布局谐波磁场电机领域。
 
卧龙电驱
卧龙电驱是工业电机的龙头企业，公司产品包括防爆电驱动、工业电驱动、新能源交通电驱动等，公司同样加速将其技术覆盖至机器人领域，2025年机器人组件及系统方案业务已经带来营收，达到4亿元，不过占公司营收比例较小。业内消息指出，其谐波磁场电机功率密度突破10kW/kg。据了解，卧龙电驱的“高品质多谐波磁场调制电机关键技术及应用”获湖北省科学技术发明奖一等奖。
 
 
新莱福
新莱福2025年9月在投资者交流平台中表示，公司的电机用高性能钐铁氮磁体现正处于中试转量产线的建设阶段，预计9月底完成第一条小批量线的建设。但是钐铁氮材料优势尚未完全发挥，随着材料技术的发展以及更高性能磁体的出现，其未来竞争优势将进一步凸显。
 
新莱福专注以磁性材料和电子陶瓷材料为代表的新型功能材料研发与生产，进入2026年公司，公司加速布局高端新材料，重点推进钐铁氮稀土永磁材料（第四代永磁）产业化。
 
目前新莱福的钐铁氮相关产品的最大磁能积已 达到12MGOe以上。在技术研发上，2024年公司主要聚焦于高性能钐铁氮磁粉的开发，应 用方向为电机等对工作温度应用要求较高的领域。已成功开发 出可将磁体矫顽力和磁性能达到较高水平的粉体材料，该材料正有序推进 量产转化，相关产品也将逐步实现在电机领域的商业化应用落地。
 
 
小结：
当前，无论是谐波磁场电机的技术迭代，还是第四代稀土永磁材料钐铁氮的商业化进程，都已成为行业内高度共识的未来发展方向。
 
然而，尽管前景广阔，这两项技术目前均处于从“实验室突破”向“规模化量产”跨越的早期阶段。谐波磁场电机面临着磁路设计复杂、制造精度高等挑战；钐铁氮材料则受限于氮化工艺难控制等制备瓶颈。因此，目前仅有少数具备深厚技术储备的企业——如恒帅股份、新莱福等先行者正试图在下一代电机生态中抢占先机，随着技术成熟度的提升与人形机器人市场的爆发，这一细分赛道有望迎来供需两端的加速共振。
 
下一期，我们将介绍另一种新型电驱动技术—— GaN（氮化镓）驱动技术，了解GaN技术在人形机器人领域的技术进展以及落地情况。