用于电动机的稀土磁体替代品

内蒙古巴彦鄂博矿，蕴藏稀土矿物（图片：路透社）

最基本的电动机由两个主要部分组成：定子和转子。定子是固定部件，它利用线圈或磁铁产生磁场。该磁场产生力，使转子旋转。

通过不断利用电能改变磁场的极性（还记得同极相斥的原理吗？），转子就能保持持续运动。这种运动产生的动力可以用来驱动风扇、水泵或机器。

磁铁磁力越强，电机的功率输出和使用寿命就越长。稀土矿物，例如钕 (Nd)、镝 (Dy) 和钐 (Sm)，非常重要，因为添加这些材料可以制造出比标准铁磁铁磁力更强、体积更小、重量更轻、效率更高的产品。

全球供应

稀土矿物并非真的稀少，而是开采和加工难度极大。虽然世界各地大部分地区都蕴藏着不同的稀土元素，但开采这些稀土是否可行，则需具体情况具体分析。由于投资巨大且对环境影响显著，许多潜在的矿址最终都未能获得批准。

但也有例外。一些总部位于中国的公司（例如中国北方稀土）开采稀土矿物已有数十年历史。凭借这项专业技术以及庞大的产量，中国已成为世界领先的稀土供应国。据估计，中国目前开采了全球约70%的稀土矿石，并拥有全球高达80%的稀土加工能力。

中国凭借其市场主导地位，制定了一系列与稀土出口相关的战略。这其中蕴含着多重含义，但出口的限制或增加都可能是为了获取政治和/或经济优势。

中国对稀土市场的掌控力如此之强，以至于它实际上控制着全球稀土市场价格。根据不同的目标，中国政府可以削减或增加稀土供应。增加供应会导致全球稀土价格下跌，从而降低新矿项目启动的可能性，并可能由于开采成本超过市场价值而导致其他生产商破产。相反，削减供应会提高稀土价值，并有助于中国制造的产品在市场上获得竞争优势。

MP Materials公司位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠，运营着美国唯一的稀土开采和加工设施（图片：路透社）。

稀土的战略重要性不容低估。由于中国的市场主导地位，美国近期公布了建立稀土和其他关键矿产贸易区的计划，试图削弱中国在该领域的市场主导地位。

稀土替代品

如前所述，稀土矿物可用于制造具有电机制造商所青睐的特性的永磁体。其中最常见的是钕铁硼磁体，它由钕（一种稀土矿物）、硼和铁组成。

虽然也有其他替代方案，但这些方案也存在一些缺点。例如，铁氧体磁铁（由于其制造工艺和物理性质与真正的陶瓷材料相似，也被称为“陶瓷”磁铁）可以用氧化铁和钡/锶制成，无需稀土矿物。然而，尽管这些磁铁使用的材料廉价且易于获取，但它们的磁力较弱，因此需要使用更大的磁铁才能达到相同的磁力效果。

所谓铝镍钴磁铁，由铝、镍、钴和铁制成，是另一种替代稀土元素的途径。它们比铁氧体磁铁磁力更强，且具有良好的温度稳定性。但同样，它们的整体磁力较弱，而且钴的来源也存在一些问题。

将锰与铝（MnAl）或铋（MnBi）结合也可以制造不含稀土的磁铁，但稳定性和耐久性仍然是问题。

没有磁铁

也可以制造不含永磁体的电动机。感应电机、磁阻电机或铜励电机都采用了无磁体的解决方案。

例如，宝马已在其电动汽车中使用外励同步电机（EESM）。这些“电动引擎”由宝马自主研发，并在位于奥地利施泰尔的工厂生产（铸铝外壳来自德国兰茨胡特工厂），将应用于即将推出的“新级别”（Neue Klasse）车型所使用的第六代电动动力系统中。

“能量损失减少了 40%，成本降低了 20%，重量减轻了 10%。所有这些都对车辆整体效率提高约 20% 做出了重大贡献，”宝马全球动力总成开发负责人马丁·考夫曼解释道。

宝马第六代无磁电机现已在斯太尔工厂投产（图片：宝马）

与永磁体不同，EESM电机利用外部直流电流激励转子周围的铜线圈产生磁场。定子中的交流电流产生旋转磁场，转子锁定在该磁场上——这就是“同步”一词的由来。通过调节施加到转子的电流，可以控制转矩并优化效率。

最终得到的是一种高效电机，它能够提供可控磁场。虽然其扭矩密度略低于使用稀土永磁体的电机，但如果稀土价格高昂，该系统的成本可能会更低。

线圈压缩

还有其他无磁解决方案。总部位于英国的先进电机公司（Advanced Electric Machines）开发了一系列适用于公路和非公路应用的电机。这些电机采用线圈压缩技术，即先绕制定子线圈，然后进行机械压缩。这使得绕组的“填充率”高达60%至85%，从而提高了电机的能量输出和冷却效率。

该公司近期已发布了第二代HDRM300C电机。这款专为重型和商用车辆应用而设计的新型号电机，据称槽填充率超过80%。此外，由于采用铝绕组，该电机可完全回收利用。

新型插入式连接器取代了之前的电缆接头，简化了安装和维护，同时最大限度地提高了可靠性。此外，电机还采用了升级的轴承和母线连接，以支持更高的运行速度。

展望未来

价值数十亿美元的问题是，使用稀土金属制造的磁铁的电动机是否会被使用无磁铁技术的型号所取代。

采用稀土矿物制造的磁铁在重量和尺寸方面具有非常优异的性能。加之这项技术已是成熟可靠的现有技术，这意味着虽然一些轻型车辆可能会改用无磁电机，但大多数车辆仍可能继续使用这项技术。

在其他领域，无磁电机的尺寸和重量略有增加可能并非什么缺点，这将加速重型卡车和公共汽车（尤其是后者）向这类电机的转变，因为越来越多的城市和市政当局正在转向零排放交通网络。

因此，中国在稀土矿产市场的主导地位似乎还将继续。然而，在车辆适用性和投资支持相契合的情况下，显然存在绕过稀土市场并从中获益的机会。