特斯拉棄用稀土為時尚早？永磁電機磁材料的應用與迭代

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在低能效電機漸漸滿足不了各項需求的今天，高能效電機完成對低能效電機的替代已經是大勢所趨，高能效電機也就是我們熟知的無刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機。

永磁同步電機，PMSM，全稱permanent magnet synchronous motor，PMSM是高精度定速驅動的理想選擇，電機控制的本質是控制轉速和扭矩，PMSM就是利用磁場產生轉矩。PMSM與BLDC二者最明顯的區別在反電勢上，我們可以將反電勢理解成電機的特征碼，通過確定反電勢的波形和大小，可以輕而易舉地區分電機類型與大小。因為BLDC與PMSM的定子繞組設計的差異，造成了兩種高能效電機的反電勢不同，這里就不展開了。

PMSM中的磁材料，永磁與軟磁

永磁同步電機利用磁場產生轉矩，那自然離不開磁材料。根據磁材料對在磁場中的反應，一般分為順磁性、抗磁性、反鐵磁性、鐵磁性以及亞鐵磁性。對永磁同步電機來說，這個磁性材料指的是鐵磁性以及亞鐵磁性材料，因為這兩種磁性材料對外磁場反應強烈，始于強磁性材料。

強磁性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經磁化，很難退磁，而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁。對于永磁同步電機來說，其中用得較多就是永磁材料和軟磁材料。永磁材料作為磁源，提供磁動勢，就像電路中的電動勢，軟磁材料磁導率高，作為導磁材料，起傳導磁力線的作用。

永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁，軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無法向外磁路提供能量（但磁體內部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場強度，單位為Oe或A/m。簡單一點理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁。永磁材料的目標是不斷追求更高的矯頑力，強化不退磁能力，軟磁則開始降低矯頑力，追求更高的磁導率。

軟磁可以起到電能參數變換，提高磁性元件效率并節省空間的作用，目前作為各類電機、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應用在新能源汽車、機器人、光伏等諸多領域。

稀土永磁材料的升級與對比

永磁材料因為其優異的抗退磁能力，是制造各類電機的重要原材料。金屬永磁合金是第一代永磁材料，泛指不包括稀土金屬的Fe基和Co基的合金永磁體，第一代永磁材料的矯頑力大概在0.38-1.53kOe，一般應用于電氣儀表等領域。以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體盡管性能并非最優，但是制備原材料儲量豐富，工藝簡單，成本也較低，極高的性價比讓它在各類電機中有著廣泛的應用。

到了稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已經從釤鈷永磁發展到燒結釹鐵硼。釤鈷永磁工作溫度高，耐腐蝕性好，磁性能也較為優秀，但是因為其含有戰略化合元素鈷，因此性價比不高。燒結釹鐵硼是現在最熱門的稀土永磁材料，不管是磁性能、矯頑力還是磁能積。都有著遠超其他材料的性能，在各類永磁電機里有著旺盛的需求。唯一的劣勢在于溫度穩定性比較差，需要通過添加其他元素來改善溫度性能。

	金屬永磁	鐵氧體永磁	釤鈷永磁	釹鐵硼
剩磁強度	中	低	中	高
矯頑力	低	中	高	極高
磁能積	中	低	高	極高
工作溫度（℃）	-250-550	-40-250	-250-525	-125-220

根據中國電子材料行業協會磁性材料分會的數據，釹鐵硼稀土永磁材料在汽車工業中應用的占比最高，達到了49%。不僅是矯頑力上的差異，磁能積上的極大差異也意味著在單位磁場強度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節省電機空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于60），能大大減小電機體積，減輕電機質量，縮小電機能量損耗并提高整個電機系統效率。

特斯拉棄用稀土磁材僅技術路線可行

近日，特斯拉宣布下一代永磁電機將完全不使用稀土材料，在永磁同步電機領域掀起了一陣熱議。

拋開整個電動汽車永磁電機成本和產業鏈的因素，僅從技術可行性上來說，完全棄用稀土實現無稀土永磁電機，這條技術路線其實并不新鮮，這些年一直存在，眾多車企、電機廠商都在嘗試去除稀土在永磁電機的使用含量甚至不用，但這么多年進展甚微。

因為事實是其他永磁材料實現的永磁電機在各項性能上均不如稀土永磁，比如鐵氧體永磁電機。尤其是在汽車續航能力方面，使用磁強度更弱材料的電機需要額外消耗大量能量維持磁場強度，這勢必會大大減少續航能力。從強磁材料的性能來看，稀土磁材就是目前綜合性能就是遠超其他永磁材料，完全棄用不可能在短時間內找到相似的最優解。

即便是在研的第四代鐵氮永磁材料，也需要使用稀土，而且距離其商業化還有很長的距離。

小結

隨著科技的進步，去稀土并非有一件不可能的事。但在目前全球磁材料沒有突破進展的情況下，稀土磁材，尤其是高性能釹鐵硼磁材，在永磁電機里的應用還沒有比它性價比更高的方案。