近日，特斯拉負(fù)責(zé)動力總成業(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。據(jù)悉，2017～2022年，由于提高了傳動系統(tǒng)的效率，特斯拉已成功地使Model 3驅(qū)動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，正在開發(fā)一種新型無磁電機(jī)——表面永磁體開關(guān)磁阻（SPSRM）電機(jī)，它結(jié)合了永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻（SRM）電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時避免了兩者的缺點(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。

特斯拉號稱新能源汽車時代的風(fēng)向標(biāo)，其主張的無稀土電機(jī)會是怎么一回事？又能在業(yè)內(nèi)濺起多大的“水花”？

無稀土不等于無磁

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必不可少的“新三大件”，其中電機(jī)承擔(dān)了與車輛行駛相關(guān)的所有功能。

目前，新能源汽車上使用的電機(jī)主要有3種：永磁同步電機(jī)、電勵磁同步電機(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量受限，近年來被替代的聲音愈發(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。坊間有一個生動的比喻，如果說石油是工業(yè)的血液，那稀土就是工業(yè)的維生素，對汽車產(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），對改善電機(jī)的動磁性、耐熱性，延長壽命，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搖。從技術(shù)和市場的角度來看，行業(yè)的趨勢到底應(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，德國汽車零部件公司馬勒開發(fā)出一款無需稀土材料的新型電機(jī)；隨后在2022年，寶馬也推出了第5代無稀土電機(jī)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，特斯拉等企業(yè)急于開發(fā)無稀土電機(jī)，與其說是技術(shù)發(fā)展使然，不如說更多是出于對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)及國防科技工業(yè)不可或缺的關(guān)鍵元素。此前，中國的稀土出口價格較低，隨著稀土原材料的開采和提煉成本不斷提升，稀土材料出口管控趨嚴(yán)，國外車企開始另覓出路。

不過，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，僅僅因?yàn)殡姍C(jī)不使用稀土就稱作“無磁”并不準(zhǔn)確。浙江方正電機(jī)股份有限公司（以下簡稱“方正電機(jī)”）總經(jīng)理牛銘奎對《中國汽車報》記者表示，稀土永磁只是建立同步電機(jī)主磁場的一種方式，企業(yè)也可采用其他方式，但無論如何，必須建立磁場才能使電機(jī)運(yùn)行，因此提出無磁電機(jī)明顯是“噱頭”。在他看來，特斯拉的計(jì)劃很好理解，電機(jī)不使用稀土可能會采用以下幾種方式：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個猜想

作為電動汽車的領(lǐng)軍者，特斯拉的動向引起了整個電機(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?；魪某鐚τ浾弑硎荆骸巴ǔＲ饬x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)槠浯媪可佟⒊杀靖摺，F(xiàn)在，企業(yè)開始轉(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。電勵磁電機(jī)的核心是用電勵磁線圈代替永磁鐵，通過調(diào)整線圈的電流量來改變磁力強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)不同車速下的不同動力性能要求。同時，電勵磁線圈可以消除永磁鐵在高溫下退磁和失速的缺點(diǎn)，高轉(zhuǎn)速下減小勵磁電流就可以實(shí)現(xiàn)弱磁，通過控制勵磁強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，安全性也更好。寶馬的第5代無磁電機(jī)采用的就是這種方式。

電勵磁電機(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)子上增加線圈，利用碳刷裝置將勵磁電流引入。但是，這又帶來了一個新的問題，碳刷的可靠性和耐久性會對電機(jī)的工作效率產(chǎn)生很大影響。

第三，混合勵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)，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生主磁場，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制，改善電機(jī)調(diào)速、驅(qū)動性能或調(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；但如果沒有，這3種方案我認(rèn)為還是第一種的可能性最大?！被魪某绫硎?，目前已有美國企業(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

汽車電動化變革時代，對電池、電機(jī)、電控的發(fā)展都提出了新的要求。未來，電機(jī)究竟朝什么方向發(fā)展？隨著市場對車輛動力性能的追求越來越高，四驅(qū)成為諸多性能車的高端配置，雙軸電機(jī)被越來越多的車企采用。永磁電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)又會被如何選擇？

方正電機(jī)電機(jī)開發(fā)部總監(jiān)陳靜對記者表示，近日他在一場工作討論中與行業(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τ浾呓榻B道。他認(rèn)為，產(chǎn)品的發(fā)展趨勢離不開技術(shù)本身的特性，從目前的電機(jī)性能來看，稀土永磁電機(jī)的優(yōu)勢是其他類型電機(jī)無法媲美的，因此仍會是大部分新能源汽車的首選，尤其是作為主驅(qū)電機(jī)。

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

電勵磁電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)不使用稀土材料，從而節(jié)省了成本，但也存在突出的問題。電勵磁同步電機(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)則由于通過切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)磁場，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)車輛的前軸電機(jī)；蔚來的車型則與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。

對此，牛銘奎解釋說：“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)?！?

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

多位業(yè)內(nèi)人士也持相同看法。在霍從崇看來，在中國汽車市場，至少10年內(nèi)仍會以永磁電機(jī)為主，在這個領(lǐng)域沒有供應(yīng)鏈危機(jī)且國內(nèi)新能源汽車電機(jī)也在趨向更少使用重稀土，成本不斷下探，優(yōu)勢愈發(fā)突出。

整個電機(jī)行業(yè)都在降低重稀土的應(yīng)用，但不會不用稀土。國家新能源汽車重點(diǎn)科技專項(xiàng)總體專家組電機(jī)責(zé)任專家貢俊在接受記者采訪時指出，中國的礦產(chǎn)量足夠，不必焦慮。同時，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。目前來看，特斯拉不會放棄永磁電機(jī)這條路，最多是考慮如何不使用重稀土。

“國外不少企業(yè)已能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)只使用輕稀土，但從市場情況來看，國內(nèi)客戶對無重稀土方案的接受程度不高；另外，這種方案會有退磁問題，導(dǎo)致效率變低，是需要著力解決的問題?！被魪某绺嬖V記者。

稀土不再是制約瓶頸

整個電機(jī)行業(yè)都開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量及價格差異都很大，比如鐠釹目前市場價70多萬元／噸，鋱則高達(dá)2000多萬元／噸，鑭鈰系稀土成本更低，僅為幾萬元／噸。所以，行業(yè)在推動取消重稀土，減少輕稀土鐠釹的用量，取得了不錯的成果。

“就像此前的汽車輕量化設(shè)計(jì)，通過減少鋼板的厚度，降低整備質(zhì)量，再通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或焊接工藝的提升，讓整車有更好的剛度，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，我們是將稀土元素與鐵的基材混合燒制，這樣整個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程中沒有發(fā)揮出應(yīng)有的價值。”

近年來，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)，通過更有針對性的磁鋼選區(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％。“但是，重稀土的使用量會否在一定程度上接近零，目前還沒有明確的解決方案，因?yàn)橹叵⊥翆Ω纳拼配撔阅?，抗震動、抗高溫很有價值，所以短期內(nèi)無法完全被代替?！迸ｃ懣鼜?qiáng)調(diào)。

在貢俊看來，稀土應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)到了一個較高的水準(zhǔn)，目前已不是最核心的攻關(guān)目標(biāo)。國外企業(yè)在做無稀土或少稀土方案，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)，我國雖有稀土資源優(yōu)勢，但擔(dān)心實(shí)際使用中價格波動太大，材料和工藝上的創(chuàng)新也受制于稀土的價格水平。目前的趨勢是，為了減小電機(jī)的體積，企業(yè)會把電機(jī)轉(zhuǎn)速往高做，這就降低了對磁性的要求?，F(xiàn)在，行業(yè)對稀土牌號的要求越來越低，再繼續(xù)往下走，對重稀土的用量也會越來越少?！必暱”硎?。

對此，牛銘奎也從三方面進(jìn)行了分析：第一，全球稀土儲量足夠使用，完全不必焦慮；其次，當(dāng)前技術(shù)發(fā)展條件下，電機(jī)對稀土的使用量較之前少了很多，對稀土的依賴程度有所降低；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，這也是一個重要的稀土來源。“以前制造一臺電機(jī)所需的稀土材料，今后或?qū)⒆鲇糜谏a(chǎn)兩臺新電機(jī)?！彼硎?，未來隨著新能源汽車市場持續(xù)增長，電機(jī)回收可能會是稀土材料的重要來源，“稀土達(dá)峰”也有望提前實(shí)現(xiàn)。屆時，稀土材料可能會與新能源汽車一樣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)的動態(tài)平衡。

來源：中國電機(jī)網(wǎng)