有前途的实验电机正在使用独特的材料和巧妙的配置。

电动汽车面临的困境显而易见。全球应对气候变化的努力有赖于大幅减少对化石燃料的依赖。要做到这一点，需要实现交通运输电气化，主要是从内燃机车辆转向电动传动系统车辆。如此巨大的转变意味着电力牵引电机的使用将不可避免地增多，几乎所有此类电机都依赖于含有稀土元素的磁铁，而从矿物中提取稀土元素并将其加工成工业产品的过程会导致严重的环境恶化。对于中国以外的汽车制造商而言，还有一个额外因素：现在，约90%的加工稀土元素来自中国，因此，这些公司越依赖稀土，关键供应链就越脆弱。

在此背景下，人们正在大力设计和测试不使用稀土元素（或稀土元素使用相对较少）的先进电动汽车（EV）电机。几乎所有工业化国家的政府机构、企业和院校都在努力应对这一挑战并经常展开合作。在美国，相关举措包括国家实验室长期致力于开发不使用稀土元素的永磁体和电机设计。此外，在2023年11月宣布的一项合作中，通用汽车和Stellantis正在与一家名为Niron Magnetics的初创公司合作，致力于基于Niron的无稀土永磁体开发电动汽车电机。2023年3月，汽车制造商特斯拉的一名高层宣布，该公司的“下一个驱动单元”将基于永磁体，但“完全不使用稀土元素”，此消息令观察人士震惊。在欧洲，来自工业界和学术界的20家合作伙伴组成了Passenger联盟，致力于开发用于电动汽车的无稀土永磁体。

近十年来，我们一直在位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）研究牵引电机的磁性和其他方面的设计，该实验室也是美国电动汽车先进电机研究中心。作为美国能源部美国驱动技术联盟的一员，我们一直在与来自美国国家可再生能源实验室、艾姆斯实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的同事们一起研究先进电机的概念。该联盟还包括美国桑迪亚国家实验室、普渡大学和伊利诺伊理工大学。

通过这些活动，你可能会认为工程师们现在已经对无稀土电动机的可能性有了深入的了解。确实如此，我们和其他研究人员正在评估不使用稀土元素的有前景的永磁材料，还在评估能最好地利用这些材料的合理电机设计变动。此外，我们还在评估完全不使用永磁体的先进电机设计。最重要的是，用非稀土磁铁代替稀土磁铁的代价是电机性能下降，但设计、制造和材料方面的创新将能够弥补（甚至可能完全抵消）这种性能差距。目前已经有关于创新电机喜人成果的报道，据称其性能与最好的永磁同步电机相当。

稀土元素（业内人士通常称之为REE）具有独特的性质，是许多现代技术不可或缺的元素。其中一些元素，如钕、钐、镝和铽，可以与铁、钴等铁磁性元素结合，产生的晶体不仅具有高磁性，还具有很强的抗退磁性。用于衡量磁铁这些重要品质的指标通常被称为最大能量积，以兆高斯奥斯特（MGOe）为单位。迄今为止发明的最强大、商业上最成功的永磁体是钕铁硼，其能量积在30到55 MGOe之间。

对于基于永磁体的电动机而言，其磁体越强，电机的效率越高、越紧凑，也越轻便。因此，目前性能最高的电动汽车电机都使用了钕铁硼磁铁。不过，巧妙的电机设计可以缩小基于稀土永磁体的电机与基于其他类型磁铁的电机之间的性能差距。要理解其中的原理，需要对电动机有更多的了解。

电机有两种基本类型：同步电机和感应电机。大多数现代电动汽车使用的都是转子配备了永磁体的同步电机。感应电机只使用电磁铁，因此不含稀土。尽管美国、欧洲和亚洲的若干研发项目正努力改进感应电机，但其性能通常无法与永磁同步电机相提并论，因此目前大多数电动汽车车型并未采用感应电机。

“同步电机”一词是指电机的转子（转动的部分）与定子（保持静止的部分）产生的变化磁场同步旋转。在转子中，永磁体嵌入了围绕结构的圆圈中。在定子中，电磁铁同样呈圆形排列，一个接一个地用电脉冲形成旋转磁场。该过程会使转子磁铁和定子磁铁依次相互吸引和排斥，产生旋转和扭矩。

同步电机也分为几类。表面贴装永磁同步电机和同步磁阻电机是两大重要类型。在前一组中，永磁体安装在转子的外表面，定子和转子的不同部位相互吸引或排斥，从而产生扭矩。另一方面，在同步磁阻电机中，转子根本不需要永磁体。使电机旋转的是一种称为磁阻的现象，磁阻指的是材料对通过它的磁通量的阻力程度。铁磁材料的磁阻值较低，并倾向于与强磁场对齐。利用这一现象，便可使磁阻电动机中的铁磁转子旋转。（部分磁阻电机还会使用永磁体来辅助旋转。）

如果电机主要依赖于定子和转子磁场之间的相互作用，则称为永磁主导电机；如果取决于磁阻差异所产生的扭矩，则为永磁辅助电机。结合使用两种扭矩（因永磁体的吸引和排斥产生的扭矩，以及由磁力线沿最小磁阻路径流动产生的扭矩）是工程师们努力实现高性能电机以减少对稀土磁铁依赖的关键策略。

目前结合这两种扭矩的最常见的电机类型是内装式永磁电机，其中嵌入转子内的永磁体提高了磁阻扭矩。包括通用汽车、特斯拉和丰田在内的许多商用电动汽车制造商现在都在使用这种类型的转子设计。

丰田普锐斯的电机设计凸显了该方法的有效性。在这类电机中，磁铁质量在13年内显著下降，从2004款普锐斯中的1.2千克降至2017款普锐斯中的约0.5千克。雪佛兰Bolt电机的情况也是如此，与其前身雪佛兰Spark的电机相比，其电机中磁铁材料的总使用量减少了30%。

不过，要如何完全摆脱稀土元素呢？其中有两种可能：在电机中充分利用不含稀土元素的永磁体，或者使用完全舍去永磁体的电机，转而使用电磁铁。

要了解特定的无稀土永磁体是否适用于强大的牵引电机，必须考虑永磁体的几个附加特性：剩磁和矫顽力。先回想一下用于比较不同永磁材料强度的指标——最大能量积。最大能量积、剩磁和矫顽力这3个参数在很大程度上表明了永磁材料在电动机中的性能。

剩磁是指在使永磁体磁化的磁场撤回后，永磁体中剩余的磁强度，用力线的密度来测量。剩磁很重要，没有剩磁就没有永磁体。材料的剩磁越高，产生扭矩的磁引力和斥力就越强。

永磁体的矫顽力是衡量其抗退磁能力的指标。矫顽力值越高，外部磁场使磁体退磁的难度就越大。对于电动汽车牵引电机而言，钕铁硼等永磁材料具有较高的最大能量积、高剩磁和高矫顽力。没有任何无稀土永磁体同时具备这些特性。因此，若用电机中的铁氧体磁体代替钕铁硼磁体，可以预见到扭矩输出会降低，还必须承受更大的磁体在运行过程中退磁的风险。

通过设计同时利用永磁体和磁阻的电机，电机工程师可以将两者之间的差异缩小到最低程度。但是，即使采用高度优化的设计，基于铁氧体磁铁的电机也会很重，如果要达到与稀土磁铁电机相同的性能，可能会重1/3或更多。

尽可能地集中磁通量是一种通过铁氧体磁铁获得最大性能的技术。这类似于让水流经漏斗：水在狭窄的开口中流动更快。研究人员已经制造出这样的机器，称为辐条铁氧体磁铁电机，但发现它们比基于稀土磁铁的同类电机重30%左右。此外，辐条式电机制造起来很复杂，并且存在机械方面的挑战。

有设计师建议使用另一种非稀土磁铁，即一种由铝镍钴合金制成的磁铁，俗称磁钢，通常用于保持冰箱门关闭。虽然磁钢的剩磁很高，但矫顽力很低，容易退磁。

为了解决这个问题，研究人员已经研究并设计了可变磁通记忆电机，使用电流的磁化分量来帮助产生扭矩，从而有效地防止磁铁在运行过程中退磁。此外，艾姆斯实验室的研究人员已经证明，磁钢可以在保持高剩磁的同时提高矫顽力。

最近，氮化铁（FeN）这种新型永磁材料颇受关注。这种磁铁由Niron Magnetics公司生产，具有相当于稀土磁铁剩磁水平的高剩磁，但与磁钢一样，其矫顽力低，约为同类钕铁硼磁铁（NdFeB）的1/5。由于这些根本的性质差异，氮化铁磁体需要开发新的转子设计，可能类似过去的磁钢电机。Niron目前正在与包括通用汽车在内的汽车合作伙伴开发这种设计。

锰铋（MnBi）则是广受讨论、用于未来电机的另一种不含稀土的永磁材料，这也一直是匹兹堡大学、爱荷华州立大学和Powdermet公司合作研究的主题。工程师们设计了使用锰铋磁体的表面贴装永磁同步电机。这些磁体的剩磁和矫顽力高于铁氧体磁体，但低于钕铁硼磁体。研究人员发现，锰铋磁体电机可以产生与钕铁硼磁体电机相同的扭矩输出，但代价很大，因为其体积增加了60%，重量增加了65%。积极的一面则在于，用锰铋磁体代替钕铁硼磁体可以将电机的总成本降低32%。

减少电机中稀土含量的另一种策略是只去除部分磁体中使用的重稀土元素。例如，钕铁硼磁体通常含有少量的重稀土元素镝，用于提高其在高温下的矫顽力。（重稀土金属的供应量通常小于钕等轻稀土。）不使用重稀土元素的原因是高温矫顽力会受到影响。

因此，设计这种电机的主要挑战在于转子冷却问题。去年，在美国橡树岭国家实验室，我们开发了100千瓦的牵引电机，其磁体未使用重稀土元素。其另一个很好的特点是它的电力电子设备集成在电机中。这类电力电子设备包括了逆变器，可从电池中获取直流电并以适当频率为电机提供交流电以驱动机器。

在防止磁铁过热方面，我们面临着几个根本性挑战。永磁体是良导体，就像转子磁铁在电机运行时一样，当电导体在磁场中运动时，便会产生电流。这些电流不会产生扭矩，但会使磁铁升温并导致其消磁。减少升温的方法之一是用彼此绝缘的细段来制造磁铁，从而打破电流循环的路径。在我们的电机中，每段只有1毫米厚。

我们选择了使用一种叫做N50的钕铁硼磁体，该磁体可在高达80℃的温度下工作。此外，我们需要使用碳纤维和环氧树脂系统来加固转子的外径，使其以高达每分钟2万转的速度旋转。分析了电机原型后，我们发现，以最高速度运行时，有必要迫使空气通过电机以降低其温度。虽然并不理想，但这是避免在设计中使用重稀土元素的合理折中方案。

要制造完全不含稀土元素的大功率电机，近期最具吸引力的选择或许是制造同步电机，其转子配备电磁铁（即线圈），其中可包括或不包括铁氧体磁铁。但这样做需要以某种方式将电流传递至旋转的线圈。

传统的解决方案是使用碳刷与旋转的金属环（称为滑环）进行电接触。该技术允许对转子施加直流电，使其电磁铁通电。不过，电刷会产生灰尘，最终会磨损，因此，这样的电机不适合用于电动汽车。

为了解决这一问题，工程师们设计了名为旋转变压器或励磁器的装置，该装置采用了电感或电容系统将电力无线传输至旋转转子。与传统的永磁同步电动机相比，此类电机有很大的优势，只需控制转子电磁铁的电流便可精确调节转子的磁场。这反过来又实现了“磁场弱化”技术，该技术可以在很大的工作速度范围内保持高效率。

最近值得关注的一个例子就是汽车供应商采埃孚集团制造的一款电机。2023年，该公司宣布生产了一款同步电机，其转子中的电磁铁由安装在机器转子轴内的感应系统提供动力。该公司一位高级职员表示，此款220千瓦电机的功率密度和效率特性与目前用于电动汽车的钕铁硼永磁电机相当。

新材料还可帮助弥合稀土磁铁和非稀土磁铁电机之间的差距。例如，以卓越磁性闻名的高硅钢是颇具前景的候选转子结构，具有提高无稀土电机磁性效率的潜力。同时，使用高导电性铜合金或超导铜线可大大降低电损耗并提高整体性能。例如，将铜的导电性提高1倍，可以使部分电机的体积缩小30%。这类材料的战略整合可大大缩小含稀土电机和无稀土电机之间的性能差距。

另一个可以产生巨大影响的先进材料的例子是通用航空航天公司开发的双相磁性材料，这种材料可在特定区域强磁化或完全不磁化。通过有选择地使转子的某些部分完全不磁化，通用电器的航空航天团队证明了几乎可以消除所有漏磁，这反过来又使其得以放弃在电机中使用稀土永磁体。

向无稀土电机过渡是一项重大而关键的工程。虽然这项工作绝非易事，但相关研究已开始产出有趣而鼓舞人心的成果。很快将会有多种设计可供选择，不过也需要进行一系列复杂的权衡。电机重量、功率密度、成本、可制造性和整体性能动态都将是重要的考虑因素。毫无疑问，能否在市场上获得成功将取决于一系列同样复杂的经济因素，因此很难预测哪种设计将占据主导地位。

不过，越来越明了的是，不含稀土的电机有朝一日将会成为主流。这需要持续作出协调一致的努力。但我们认为，工程师们没有理由不驾驭这一复杂转变，从而确保下一代电动汽车更环保。在美国橡树岭国家实验室和其他地方，支持人工智能的电机设计工具正在加速无稀土电机的开发。

如今，稀土磁体的大规模使用伴随着技术利益与环境和道德考量之间的争论。很快，这些争论可能就不再重要。

我们还没发展到那一步。与任何重大技术转型一样，通往无稀土电机的道路绝非坦途，但这将是一段值得踏上的旅程。

作者：Vandana Rallabandi、Burak Ozpineci、Praveen Kumar