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特斯拉弃用稀土为时尚早？永磁电机磁材料的应用与迭代

dawa

2023-06-17

文章摘自电子发烧友媒体作者李宁远

在低能效电机渐渐满足不了各项需求的今天，高能效电机完成对低能效电机的替代已经是大势所趋，高能效电机也就是我们熟知的无刷直流（BLDC）与永磁同步（PMSM）电机。

永磁同步电机，PMSM，全称permanent magnet synchronous motor，PMSM是高精度定速驱动的理想选择，电机控制的本质是控制转速和扭矩，PMSM就是利用磁场产生转矩。PMSM与BLDC二者最明显的区别在反电势上，我们可以将反电势理解成电机的特征码，通过确定反电势的波形和大小，可以轻而易举地区分电机类型与大小。因为BLDC与PMSM的定子绕组设计的差异，造成了两种高能效电机的反电势不同，这里就不展开了。

PMSM中的磁材料，永磁与软磁

永磁同步电机利用磁场产生转矩，那自然离不开磁材料。根据磁材料对在磁场中的反应，一般分为顺磁性、抗磁性、反铁磁性、铁磁性以及亚铁磁性。对永磁同步电机来说，这个磁性材料指的是铁磁性以及亚铁磁性材料，因为这两种磁性材料对外磁场反应强烈，始于强磁性材料。

强磁性材料包括了永磁材料、软磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一经磁化，很难退磁，而软磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁。对于永磁同步电机来说，其中用得较多就是永磁材料和软磁材料。永磁材料作为磁源，提供磁动势，就像电路中的电动势，软磁材料磁导率高，作为导磁材料，起传导磁力线的作用。

永磁材料目前的划分有三大类，金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，软磁材料则有铁氧体软磁、金属粉芯、金属软磁和非晶纳米晶等。两种磁材料的最不同的特征在于矫顽力不同。矫顽力的定义为使已磁化的磁材无法向外磁路提供能量（但磁体内部仍具有一定能量）而必须施加的、与原磁化方向相反的外磁场强度，单位为Oe或A/m。简单一点理解就是矫顽力越高，材料越不容易退磁。永磁材料的目标是不断追求更高的矫顽力，强化不退磁能力，软磁则开始降低矫顽力，追求更高的磁导率。

软磁可以起到电能参数变换，提高磁性元件效率并节省空间的作用，目前作为各类电机、变压器、继电器、电感器、滤波器等元器件的磁芯应用在新能源汽车、机器人、光伏等诸多领域。

稀土永磁材料的升级与对比

永磁材料因为其优异的抗退磁能力，是制造各类电机的重要原材料。金属永磁合金是第一代永磁材料，泛指不包括稀土金属的Fe基和Co基的合金永磁体，第一代永磁材料的矫顽力大概在0.38-1.53kOe，一般应用于电气仪表等领域。以氧化铁为主要原料的第二代永磁体尽管性能并非最优，但是制备原材料储量丰富，工艺简单，成本也较低，极高的性价比让它在各类电机中有着广泛的应用。

到了稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已经从钐钴永磁发展到烧结钕铁硼。钐钴永磁工作温度高，耐腐蚀性好，磁性能也较为优秀，但是因为其含有战略化合元素钴，因此性价比不高。烧结钕铁硼是现在最热门的稀土永磁材料，不管是磁性能、矫顽力还是磁能积。都有着远超其他材料的性能，在各类永磁电机里有着旺盛的需求。唯一的劣势在于温度稳定性比较差，需要通过添加其他元素来改善温度性能。

根据中国电子材料行业协会磁性材料分会的数据，钕铁硼稀土永磁材料在汽车工业中应用的占比最高，达到了49%。不仅是矫顽力上的差异，磁能积上的极大差异也意味着在单位磁场强度下钕铁硼体积更小，这也非常有利于节省电机空间。尤其是高性能钕铁硼磁材料（矫顽力与磁能积之和大于60），能大大减小电机体积，减轻电机质量，缩小电机能量损耗并提高整个电机系统效率。

特斯拉弃用稀土磁材仅技术路线可行

近日，特斯拉宣布下一代永磁电机将完全不使用稀土材料，在永磁同步电机领域掀起了一阵热议。

抛开整个电动汽车永磁电机成本和产业链的因素，仅从技术可行性上来说，完全弃用稀土实现无稀土永磁电机，这条技术路线其实并不新鲜，这些年一直存在，众多车企、电机厂商都在尝试去除稀土在永磁电机的使用含量甚至不用，但这么多年进展甚微。

因为事实是其他永磁材料实现的永磁电机在各项性能上均不如稀土永磁，比如铁氧体永磁电机。尤其是在汽车续航能力方面，使用磁强度更弱材料的电机需要额外消耗大量能量维持磁场强度，这势必会大大减少续航能力。从强磁材料的性能来看，稀土磁材就是目前综合性能就是远超其他永磁材料，完全弃用不可能在短时间内找到相似的最优解。

即便是在研的第四代铁氮永磁材料，也需要使用稀土，而且距离其商业化还有很长的距离。

小结

随着科技的进步，去稀土并非有一件不可能的事。但在目前全球磁材料没有突破进展的情况下，稀土磁材，尤其是高性能钕铁硼磁材，在永磁电机里的应用还没有比它性价比更高的方案。