近日，特斯拉負(fù)責(zé)動(dòng)力總成業(yè)務(wù)的副總裁Colin Campbell表示，公司下一代電機(jī)將完全不使用稀土材料。這條訊息就像投入平靜湖面的一顆石子，在行業(yè)內(nèi)引起了一陣騷動(dòng)。據(jù)悉，2017～2022年，由于提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，特斯拉已成功地使Model 3驅(qū)動(dòng)模塊的稀土使用量減少了25％。而在2020年，特斯拉方面就曾透露，正在開(kāi)發(fā)一種新型無(wú)磁電機(jī)——表面永磁體開(kāi)關(guān)磁阻（SPSRM）電機(jī)，它結(jié)合了永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻（SRM）電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)，可以在不使用稀土材料的情況下，實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度和高扭矩密度。

特斯拉號(hào)稱(chēng)新能源汽車(chē)時(shí)代的風(fēng)向標(biāo)，其主張的無(wú)稀土電機(jī)會(huì)是怎么一回事？又能在業(yè)內(nèi)濺起多大的“水花”？

無(wú)稀土不等于無(wú)磁

在踐行綠色低碳路徑，全面推進(jìn)電氣化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)變革背景下，電池、電機(jī)和電控成為新能源汽車(chē)必不可少的“新三大件”，其中電機(jī)承擔(dān)了與車(chē)輛行駛相關(guān)的所有功能。

目前，新能源汽車(chē)上使用的電機(jī)主要有3種：永磁同步電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)是行業(yè)的主流選擇，但因其采用稀土材料成本較高且儲(chǔ)量受限，近年來(lái)被替代的聲音愈發(fā)高漲。

據(jù)了解，稀土材料幾乎占到永磁電機(jī)成本的20％。作為一類(lèi)具有特殊物理和化學(xué)性質(zhì)的金屬元素，其在許多高科技領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。坊間有一個(gè)生動(dòng)的比喻，如果說(shuō)石油是工業(yè)的血液，那稀土就是工業(yè)的維生素，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)而言尤甚。在永磁電機(jī)中，釹鐵硼（NdFeB）是最常用的永磁材料之一，具有很高的剩磁和能量積。而它的3種稀土組成元素：釹（Nd）、鐠（Pr）、鏑（Dy），對(duì)改善電機(jī)的動(dòng)磁性、耐熱性，延長(zhǎng)壽命，降低噪聲等方面有較大幫助。因此，盡管成本較高，但永磁電機(jī)一直是新能源汽車(chē)的主流配置。

特斯拉下一代電機(jī)將完全不使用稀土材料的主張，似乎讓永磁電機(jī)和稀土材料的地位有所動(dòng)搖。從技術(shù)和市場(chǎng)的角度來(lái)看，行業(yè)的趨勢(shì)到底應(yīng)該怎么解讀？

其實(shí)，特斯拉并不是惟一一家提出電機(jī)不用稀土的企業(yè)。2021年，德國(guó)汽車(chē)零部件公司馬勒開(kāi)發(fā)出一款無(wú)需稀土材料的新型電機(jī)；隨后在2022年，寶馬也推出了第5代無(wú)稀土電機(jī)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，特斯拉等企業(yè)急于開(kāi)發(fā)無(wú)稀土電機(jī)，與其說(shuō)是技術(shù)發(fā)展使然，不如說(shuō)更多是出于對(duì)地緣政治因素的考量。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約97％的稀土原材料由中國(guó)供應(yīng)。資料顯示，稀土是具有獨(dú)特性能的重要戰(zhàn)略資源，是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)及國(guó)防科技工業(yè)不可或缺的關(guān)鍵元素。此前，中國(guó)的稀土出口價(jià)格較低，隨著稀土原材料的開(kāi)采和提煉成本不斷提升，稀土材料出口管控趨嚴(yán)，國(guó)外車(chē)企開(kāi)始另覓出路。

不過(guò)，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，僅僅因?yàn)殡姍C(jī)不使用稀土就稱(chēng)作“無(wú)磁”并不準(zhǔn)確。浙江方正電機(jī)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“方正電機(jī)”）總經(jīng)理牛銘奎對(duì)《中國(guó)汽車(chē)報(bào)》記者表示，稀土永磁只是建立同步電機(jī)主磁場(chǎng)的一種方式，企業(yè)也可采用其他方式，但無(wú)論如何，必須建立磁場(chǎng)才能使電機(jī)運(yùn)行，因此提出無(wú)磁電機(jī)明顯是“噱頭”。在他看來(lái)，特斯拉的計(jì)劃很好理解，電機(jī)不使用稀土可能會(huì)采用以下幾種方式：利用鐵氧體代替稀土作為永磁體，或采用電勵(lì)磁同步電機(jī)，再有就是交流感應(yīng)電機(jī)。

關(guān)于特斯拉的3個(gè)猜想

作為電動(dòng)汽車(chē)的領(lǐng)軍者，特斯拉的動(dòng)向引起了整個(gè)電機(jī)行業(yè)的關(guān)注。關(guān)于不使用稀土的下一代特斯拉電機(jī)，博格華納工程部經(jīng)理霍從崇有三個(gè)猜想。

第一，“不使用稀土”可能指的是不使用重稀土，而非所有稀土。霍從崇對(duì)記者表示：“通常意義上，電機(jī)使用的稀土多是指重稀土，如鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、釹（Nd）、鐠（Pr）等元素。不同電機(jī)采用的重稀土元素不同，因?yàn)槠浯媪可?、成本高?，F(xiàn)在，企業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)向更多使用輕稀土，減少重稀土使用量?！?

第二，采用電勵(lì)磁同步電機(jī)替代永磁同步電機(jī)也是一種可能的方式。電勵(lì)磁電機(jī)的核心是用電勵(lì)磁線(xiàn)圈代替永磁鐵，通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈的電流量來(lái)改變磁力強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)不同車(chē)速下的不同動(dòng)力性能要求。同時(shí)，電勵(lì)磁線(xiàn)圈可以消除永磁鐵在高溫下退磁和失速的缺點(diǎn)，高轉(zhuǎn)速下減小勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)弱磁，通過(guò)控制勵(lì)磁強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，安全性也更好。寶馬的第5代無(wú)磁電機(jī)采用的就是這種方式。

電勵(lì)磁電機(jī)與永磁電機(jī)的最大區(qū)別在于轉(zhuǎn)子，前者的原理是轉(zhuǎn)子上增加線(xiàn)圈，利用碳刷裝置將勵(lì)磁電流引入。但是，這又帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，碳刷的可靠性和耐久性會(huì)對(duì)電機(jī)的工作效率產(chǎn)生很大影響。

第三，混合勵(lì)磁的方式原則上也可以實(shí)現(xiàn)。這種新型電機(jī)在保持較高效率的前提下，改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩種勵(lì)磁源共同產(chǎn)生主磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制，改善電機(jī)調(diào)速、驅(qū)動(dòng)性能或調(diào)壓特性。即永磁體不采用稀土材料，而是用鐵氧體，再加入一些電勵(lì)磁等，但這種方案磁性不好，工作效率有限，若想保證工作效率就要犧牲電機(jī)的精巧度，電機(jī)需要做得更大、更重。

“當(dāng)然，我們目前還無(wú)法排除特斯拉在新材料上取得了重大突破的可能性；但如果沒(méi)有，這3種方案我認(rèn)為還是第一種的可能性最大。”霍從崇表示，目前已有美國(guó)企業(yè)可以研發(fā)出電機(jī)“零”重稀土使用量的方案，相信這對(duì)特斯拉而言也不是什么困難的挑戰(zhàn)。

永磁電機(jī)地位尚不可撼動(dòng)

汽車(chē)電動(dòng)化變革時(shí)代，對(duì)電池、電機(jī)、電控的發(fā)展都提出了新的要求。未來(lái)，電機(jī)究竟朝什么方向發(fā)展？隨著市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性能的追求越來(lái)越高，四驅(qū)成為諸多性能車(chē)的高端配置，雙軸電機(jī)被越來(lái)越多的車(chē)企采用。永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)又會(huì)被如何選擇？

方正電機(jī)電機(jī)開(kāi)發(fā)部總監(jiān)陳靜對(duì)記者表示，近日他在一場(chǎng)工作討論中與行業(yè)人士充分交流后得出一致結(jié)論：永磁電機(jī)仍是市場(chǎng)主流。

“永磁同步電機(jī)很早就得到廣泛使用，已有幾十年的發(fā)展歷史。最早被采用的是鐵氧體材料，能量密度僅為稀土永磁體的1/2～1/3。所以，從2000年左右，行業(yè)開(kāi)始將稀土材料添加到永磁體中，大大提高了電機(jī)的能量密度?！迸ｃ懣鼘?duì)記者介紹道。他認(rèn)為，產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)離不開(kāi)技術(shù)本身的特性，從目前的電機(jī)性能來(lái)看，稀土永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是其他類(lèi)型電機(jī)無(wú)法媲美的，因此仍會(huì)是大部分新能源汽車(chē)的首選，尤其是作為主驅(qū)電機(jī)。

據(jù)了解，相較于其他類(lèi)型電機(jī)，永磁電機(jī)自身存在磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁，沒(méi)有相應(yīng)的損耗，可以提供最大的扭矩，傳輸效率性能極佳；同時(shí)，能夠做到小體積、低重量，大大節(jié)省了底盤(pán)空間；但高溫易退磁、不能實(shí)時(shí)調(diào)控轉(zhuǎn)速也是其硬傷。

電勵(lì)磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)不使用稀土材料，從而節(jié)省了成本，但也存在突出的問(wèn)題。電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有滑環(huán)碳刷裝置，可靠性較差，碳刷需要定期維護(hù)更換，維護(hù)成本較高。感應(yīng)交流電機(jī)則由于通過(guò)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁力有滯后性；但感應(yīng)交流異步電機(jī)擁有更好的高速性能，目前普遍作為四驅(qū)車(chē)組合配置。比如，特斯拉Model 3采用感應(yīng)交流電機(jī)與永磁電機(jī)配合作為四驅(qū)車(chē)輛的前軸電機(jī)；蔚來(lái)的車(chē)型則與Model 3相反，采用了前輪永磁同步電機(jī)＋后輪交流異步電機(jī)的組合方案。

對(duì)此，牛銘奎解釋說(shuō)：“雖然感應(yīng)電機(jī)也可以達(dá)到和永磁電機(jī)同等工效，但會(huì)增加銅、硅鋼等其他材料的用量，也更大、更重，占用空間更多，并非整車(chē)的最佳選擇方案，因此當(dāng)前行業(yè)很少采用異步電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)?！?

臥龍采埃孚汽車(chē)電機(jī)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理陳曉勇對(duì)記者直言，特斯拉的發(fā)言看似很有噱頭，但對(duì)國(guó)內(nèi)電機(jī)企業(yè)并沒(méi)有太大沖擊?！按蠹叶加泄沧R(shí)，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)電機(jī)的主流仍是永磁電機(jī)，電勵(lì)磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的效率無(wú)法與之比擬。全球稀土含量足夠，短時(shí)間內(nèi)不太可能出現(xiàn)顛覆永磁電機(jī)的情況?！彼Q(chēng)。

多位業(yè)內(nèi)人士也持相同看法。在霍從崇看來(lái)，在中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)，至少10年內(nèi)仍會(huì)以永磁電機(jī)為主，在這個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有供應(yīng)鏈危機(jī)且國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)電機(jī)也在趨向更少使用重稀土，成本不斷下探，優(yōu)勢(shì)愈發(fā)突出。

整個(gè)電機(jī)行業(yè)都在降低重稀土的應(yīng)用，但不會(huì)不用稀土。國(guó)家新能源汽車(chē)重點(diǎn)科技專(zhuān)項(xiàng)總體專(zhuān)家組電機(jī)責(zé)任專(zhuān)家貢俊在接受記者采訪時(shí)指出，中國(guó)的礦產(chǎn)量足夠，不必焦慮。同時(shí)，隨著滲鏑工藝的發(fā)展，行業(yè)能夠做到減少重稀土的用量。目前來(lái)看，特斯拉不會(huì)放棄永磁電機(jī)這條路，最多是考慮如何不使用重稀土。

“國(guó)外不少企業(yè)已能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)只使用輕稀土，但從市場(chǎng)情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)客戶(hù)對(duì)無(wú)重稀土方案的接受程度不高；另外，這種方案會(huì)有退磁問(wèn)題，導(dǎo)致效率變低，是需要著力解決的問(wèn)題?！被魪某绺嬖V記者。

稀土不再是制約瓶頸

整個(gè)電機(jī)行業(yè)都開(kāi)始向少稀土化方向發(fā)展，尤其是減少重稀土的使用量。牛銘奎表示，重稀土和輕稀土的儲(chǔ)量及價(jià)格差異都很大，比如鐠釹目前市場(chǎng)價(jià)70多萬(wàn)元／噸，鋱則高達(dá)2000多萬(wàn)元／噸，鑭鈰系稀土成本更低，僅為幾萬(wàn)元／噸。所以，行業(yè)在推動(dòng)取消重稀土，減少輕稀土鐠釹的用量，取得了不錯(cuò)的成果。

“就像此前的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)減少鋼板的厚度，降低整備質(zhì)量，再通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或焊接工藝的提升，讓整車(chē)有更好的剛度，既不降低安全性，也能有效實(shí)現(xiàn)輕量化?，F(xiàn)在，電機(jī)少稀土化也是一樣的思路?！迸ｃ懣M(jìn)一步解釋道。

記者了解到，隨著技術(shù)進(jìn)步，電機(jī)材料的使用發(fā)生了很大變化。陳靜告訴記者：“最早使用磁性材料做磁鋼時(shí)，我們是將稀土元素與鐵的基材混合燒制，這樣整個(gè)稀土材料就在磁鋼里成均勻分布。但實(shí)際上，永磁同步電機(jī)的退磁原理決定了磁鋼表面區(qū)域的重稀土含量需要提高，中心區(qū)域的重稀土含量應(yīng)該較低，并非均勻分布。傳統(tǒng)的磁鋼采用均勻燒結(jié)工藝，實(shí)際上有很大一部分重稀土材料在使用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值?！?

近年來(lái)，由于制造工藝進(jìn)步，磁鋼的表面和內(nèi)部可以做分區(qū)處理，采用晶界擴(kuò)散技術(shù)，修復(fù)并增加磁體表面磁性能。據(jù)悉，日本研究者最早提出了“晶界擴(kuò)散”的概念，采用特殊工藝使重稀土通過(guò)擴(kuò)散，只存在于晶界而不進(jìn)入晶內(nèi)，不僅提高了釹鐵硼材料的性能，還大大減少了重稀土元素的總量，降低了材料成本。國(guó)內(nèi)的晶界擴(kuò)散技術(shù)發(fā)展也較為迅猛，幾乎成為新產(chǎn)品的標(biāo)配，大幅降低了重稀土用量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通過(guò)更有針對(duì)性的磁鋼選區(qū)擴(kuò)散方案，方正電機(jī)每年重稀土的使用量都能減少20％～30％，目前已減少將近50％?！暗?，重稀土的使用量會(huì)否在一定程度上接近零，目前還沒(méi)有明確的解決方案，因?yàn)橹叵⊥翆?duì)改善磁鋼性能，抗震動(dòng)、抗高溫很有價(jià)值，所以短期內(nèi)無(wú)法完全被代替?！迸ｃ懣鼜?qiáng)調(diào)。

在貢俊看來(lái)，稀土應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)到了一個(gè)較高的水準(zhǔn)，目前已不是最核心的攻關(guān)目標(biāo)。國(guó)外企業(yè)在做無(wú)稀土或少稀土方案，完全不用擔(dān)心稀土資源存量。

事實(shí)上，不少企業(yè)正在開(kāi)發(fā)低成本鑭、鈰添加燒結(jié)釹鐵硼磁體的制備技術(shù)，以面向低成本和可調(diào)磁通稀土永磁體的市場(chǎng)需求。晶粒細(xì)化、晶界擴(kuò)散和晶界調(diào)控等技術(shù)，也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于批量生產(chǎn)，降低了重稀土鋱和鏑的用量，從而降低了產(chǎn)品的原材料成本。

“此前，大家都很糾結(jié)，我國(guó)雖有稀土資源優(yōu)勢(shì)，但擔(dān)心實(shí)際使用中價(jià)格波動(dòng)太大，材料和工藝上的創(chuàng)新也受制于稀土的價(jià)格水平。目前的趨勢(shì)是，為了減小電機(jī)的體積，企業(yè)會(huì)把電機(jī)轉(zhuǎn)速往高做，這就降低了對(duì)磁性的要求?，F(xiàn)在，行業(yè)對(duì)稀土牌號(hào)的要求越來(lái)越低，再繼續(xù)往下走，對(duì)重稀土的用量也會(huì)越來(lái)越少。”貢俊表示。

對(duì)此，牛銘奎也從三方面進(jìn)行了分析：第一，全球稀土儲(chǔ)量足夠使用，完全不必焦慮；其次，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展條件下，電機(jī)對(duì)稀土的使用量較之前少了很多，對(duì)稀土的依賴(lài)程度有所降低；再次，值得一提的是隨著電機(jī)回收行業(yè)的發(fā)展，廢舊電機(jī)的稀土材料在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)接近100％的提純和回收，這也是一個(gè)重要的稀土來(lái)源?！耙郧爸圃煲慌_(tái)電機(jī)所需的稀土材料，今后或?qū)⒆鲇糜谏a(chǎn)兩臺(tái)新電機(jī)?！彼硎?，未來(lái)隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，電機(jī)回收可能會(huì)是稀土材料的重要來(lái)源，“稀土達(dá)峰”也有望提前實(shí)現(xiàn)。屆時(shí)，稀土材料可能會(huì)與新能源汽車(chē)一樣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)的動(dòng)態(tài)平衡。

來(lái)源：中國(guó)電機(jī)網(wǎng)