近日，特斯拉負責動力總成業(yè)務的副總裁Colin Campbell表示，公司下一代電機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——表面永磁體開關磁阻（SPSRM）電機，它結合了永磁電機和開關磁阻（SRM）電機的優(yōu)點，同時避免了兩者的缺點，可以在不使用稀土材料的情況下，實現(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向標，其主張的無稀土電機會是怎么一回事？又能在業(yè)內濺起多大的“水花”？

無稀土不等于無磁

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

目前，新能源汽車上使用的電機主要有3種：永磁同步電機、電勵磁同步電機和交流異步電機，永磁同步電機是行業(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成本的20％。作為一類具有特殊物理和化學性質的金屬元素，其在許多高科技領域都得到廣泛應用。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，但永磁電機一直是新能源汽車的主流配置。

特斯拉下一代電機將完全不使用稀土材料的主張，似乎讓永磁電機和稀土材料的地位有所動搖。從技術和市場的角度來看，行業(yè)的趨勢到底應該怎么解讀？

其實，特斯拉并不是惟一一家提出電機不用稀土的企業(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；隨后在2022年，寶馬也推出了第5代無稀土電機。業(yè)內人士認為，特斯拉等企業(yè)急于開發(fā)無稀土電機，與其說是技術發(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，全球約97％的稀土原材料由中國供應。資料顯示，稀土是具有獨特性能的重要戰(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，國外車企開始另覓出路。

不過，業(yè)內專家認為，僅僅因為電機不使用稀土就稱作“無磁”并不準確。浙江方正電機股份有限公司（以下簡稱“方正電機”）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運行，因此提出無磁電機明顯是“噱頭”。在他看來，特斯拉的計劃很好理解，電機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，再有就是交流感應電機。

關于特斯拉的3個猜想

作為電動汽車的領軍者，特斯拉的動向引起了整個電機行業(yè)的關注。關于不使用稀土的下一代特斯拉電機，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。不同電機采用的重稀土元素不同，因為其存量少、成本高?，F(xiàn)在，企業(yè)開始轉向更多使用輕稀土，減少重稀土使用量?！?

第二，采用電勵磁同步電機替代永磁同步電機也是一種可能的方式。電勵磁電機的核心是用電勵磁線圈代替永磁鐵，通過調整線圈的電流量來改變磁力強度，從而實現(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，高轉速下減小勵磁電流就可以實現(xiàn)弱磁，通過控制勵磁強度可實現(xiàn)轉速變化，安全性也更好。寶馬的第5代無磁電機采用的就是這種方式。

電勵磁電機與永磁電機的最大區(qū)別在于轉子，前者的原理是轉子上增加線圈，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現(xiàn)。這種新型電機在保持較高效率的前提下，改變拓撲結構，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生主磁場，實現(xiàn)調節(jié)和控制，改善電機調速、驅動性能或調壓特性。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的精巧度，電機需要做得更大、更重。

“當然，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種方案我認為還是第一種的可能性最大?！被魪某绫硎荆壳耙延忻绹髽I(yè)可以研發(fā)出電機“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)。

永磁電機地位尚不可撼動

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

方正電機電機開發(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論：永磁電機仍是市場主流。

“永磁同步電機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，大大提高了電機的能量密度?！迸ｃ懣鼘τ浾呓榻B道。他認為，產(chǎn)品的發(fā)展趨勢離不開技術本身的特性，從目前的電機性能來看，稀土永磁電機的優(yōu)勢是其他類型電機無法媲美的，因此仍會是大部分新能源汽車的首選，尤其是作為主驅電機。

據(jù)了解，相較于其他類型電機，永磁電機自身存在磁場，無需勵磁，沒有相應的損耗，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、不能實時調控轉速也是其硬傷。

電勵磁電機和感應電機不使用稀土材料，從而節(jié)省了成本，但也存在突出的問題。電勵磁同步電機轉子結構復雜，有滑環(huán)碳刷裝置，可靠性較差，碳刷需要定期維護更換，維護成本較高。感應交流電機則由于通過切割磁場產(chǎn)生感應磁場，磁力有滯后性；但感應交流異步電機擁有更好的高速性能，目前普遍作為四驅車組合配置。比如，特斯拉Model 3采用感應交流電機與永磁電機配合作為四驅車輛的前軸電機；蔚來的車型則與Model 3相反，采用了前輪永磁同步電機＋后輪交流異步電機的組合方案。

對此，牛銘奎解釋說：“雖然感應電機也可以達到和永磁電機同等工效，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，因此當前行業(yè)很少采用異步電機作為主驅電機?！?

臥龍采埃孚汽車電機有限公司產(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，但對國內電機企業(yè)并沒有太大沖擊?！按蠹叶加泄沧R，國內新能源汽車電機的主流仍是永磁電機，電勵磁電機和感應電機的效率無法與之比擬。全球稀土含量足夠，短時間內不太可能出現(xiàn)顛覆永磁電機的情況?！彼Q。

多位業(yè)內人士也持相同看法。在霍從崇看來，在中國汽車市場，至少10年內仍會以永磁電機為主，在這個領域沒有供應鏈危機且國內新能源汽車電機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。

整個電機行業(yè)都在降低重稀土的應用，但不會不用稀土。國家新能源汽車重點科技專項總體專家組電機責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)已能夠實現(xiàn)電機只使用輕稀土，但從市場情況來看，國內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計，通過減少鋼板的厚度，降低整備質量，再通過結構設計或焊接工藝的提升，讓整車有更好的剛度，既不降低安全性，也能有效實現(xiàn)輕量化。現(xiàn)在，電機少稀土化也是一樣的思路?！迸ｃ懣M一步解釋道。

記者了解到，隨著技術進步，電機材料的使用發(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。但實際上，永磁同步電機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)域的重稀土含量應該較低，并非均勻分布。傳統(tǒng)的磁鋼采用均勻燒結工藝，實際上有很大一部分重稀土材料在使用過程中沒有發(fā)揮出應有的價值?！?

近年來，由于制造工藝進步，磁鋼的表面和內部可以做分區(qū)處理，采用晶界擴散技術，修復并增加磁體表面磁性能。據(jù)悉，日本研究者最早提出了“晶界擴散”的概念，采用特殊工藝使重稀土通過擴散，只存在于晶界而不進入晶內，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。國內的晶界擴散技術發(fā)展也較為迅猛，幾乎成為新產(chǎn)品的標配，大幅降低了重稀土用量。據(jù)不完全統(tǒng)計，通過更有針對性的磁鋼選區(qū)擴散方案，方正電機每年重稀土的使用量都能減少20％～30％，目前已減少將近50％?！暗?，重稀土的使用量會否在一定程度上接近零，目前還沒有明確的解決方案，因為重稀土對改善磁鋼性能，抗震動、抗高溫很有價值，所以短期內無法完全被代替?！迸ｃ懣鼜娬{。

在貢俊看來，稀土應用領域的技術進步已經(jīng)到了一個較高的水準，目前已不是最核心的攻關目標。國外企業(yè)在做無稀土或少稀土方案，完全不用擔心稀土資源存量。

事實上，不少企業(yè)正在開發(fā)低成本鑭、鈰添加燒結釹鐵硼磁體的制備技術，以面向低成本和可調磁通稀土永磁體的市場需求。晶粒細化、晶界擴散和晶界調控等技術，也已經(jīng)廣泛應用于批量生產(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，我國雖有稀土資源優(yōu)勢，但擔心實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，為了減小電機的體積，企業(yè)會把電機轉速往高做，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”硎尽?

對此，牛銘奎也從三方面進行了分析：第一，全球稀土儲量足夠使用，完全不必焦慮；其次，當前技術發(fā)展條件下，電機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回收行業(yè)的發(fā)展，廢舊電機的稀土材料在技術上可以實現(xiàn)接近100％的提純和回收，這也是一個重要的稀土來源?！耙郧爸圃煲慌_電機所需的稀土材料，今后或將做用于生產(chǎn)兩臺新電機?！彼硎?，未來隨著新能源汽車市場持續(xù)增長，電機回收可能會是稀土材料的重要來源，“稀土達峰”也有望提前實現(xiàn)。屆時，稀土材料可能會與新能源汽車一樣，實現(xiàn)有機的動態(tài)平衡。

來源：中國電機網(wǎng)