不用稀土永磁，到底行不行？

Insigne

特斯拉下一代永磁電機不用稀土，馬斯克在之前的投資者大會上這樣放言，一言重挫稀土產(chǎn)業(yè)，受其波及，行業(yè)個股一度紛紛下挫。老馬大嘴一張，殺傷力如此之大，難道稀土永磁真的要徹底涼涼？

一、不用稀土永磁，到底行不行？

# H2 q$ ]$ z5 p& m5 Q: _" O% a

電機，是新能源汽車的三大核心零部件之一，是新能源汽車的“心臟”，重要性不言而喻。一般來說，電動車的驅動電機分為兩大類：一種是永磁同步電機，另一種是異步交流電機。

. N+ G0 c5 ?0 o3 `8 |

兩者相比，各有優(yōu)劣。

! A4 S& j% @3 b# M$ R4 o

永磁同步電機，往往需要用到以釹鐵硼為主的稀土永磁材料，該材料可對電機整體性能改善，使電機工作更為穩(wěn)定，提高電機的效率，改善電機的耐熱性，使電機更耐用，更輕量化，是車企的主流選擇。而異步交流電機的功率和扭矩更低，體積更大，不過相對便宜。

特斯拉早期推出的電動汽車，使用的就是交流異步電機。不過，隨著上海超級工廠投產(chǎn)，特斯拉也開始使用稀土永磁同步電機，或兩種電機混合使用。

然而，一貫“離經(jīng)叛道”、熱衷成本控制的馬斯克，此前曾在特斯拉投資者大會高調表示，現(xiàn)在的Model 3永磁電機稀土量減少了25%，而下一代電機將不再使用稀土材料。

問題的關鍵在于：永磁同步電機少用、或者不用稀土材料，到底行不行？

“這在技術上是可行的。”羅建教授認為，如果電機不用稀土，得分幾種情況：一種是，電機完全不使用磁性材料，變成了沒有永磁體的電機。第二種是，稀土永磁體和其他永磁材料混用。第三種是，電機還用永磁體，但不再使用稀土，而用其他替換材料。僅從技術路徑上說，以上三種方法都能實現(xiàn)。

而采取哪一種電機，取決于不同的應用場景，不同的電機其實都有機會。

絕大多數(shù)情況下，永磁體能建立磁場，能夠提高效率。但在電機高速運轉時，永磁體的磁場一旦過強，就需要減弱磁場，這會帶來能量損耗。這時候，永磁體就變成一個“壞事”。

因此，這些年業(yè)界提出了相應的解決方案：比如，電動四驅車的一根軸采用永磁電機， 另外一根軸采用異步電機，兩者相互搭配。比如，特斯拉在Model3等車型上，其前輪用了交流感應電動機，后輪用了永磁同步電動機驅動。這類混合驅動方式兼顧了性能和效率，還能減少對稀土材料的用量。

羅建指出，如果車輛在滑行，此時異步機里因為沒有磁場，本身不會帶來附加損耗。可如果是永磁電機，里面有磁場，即使不通電，也會帶來附加損耗。所以，不同時間、不同工況下使用什么電機，是可以討論的。

5 T9 C$ d7 ^  l3 c, G4 ~' c: c

而另一種情況，則是在同步電機的基礎上，用電力磁場替換永磁體。此外，還有一種“折中”方案，即采用永磁輔助電機：“電機的磁場，一部分由永磁體建立，另一部分用由定子電流通過轉子磁阻建立。”

9 n/ A, p. a) N9 F9 \

這樣做，有什么好處？

新能源汽車電機和工業(yè)電機最大的不同是，新能源車的電機速度是從0變到最大，沒有一個額定速度。因此，人們想用一臺永磁電機，在所有的速度范圍內都達到最好效果，難度很大，也不現(xiàn)實：“所以，從綜合效率優(yōu)化的成本來說，用稀土永磁材料、以及非稀土永磁材料（比如鐵氧體），共同輔助搭配，做一個永磁輔助電機，是一個不錯的解決方案。”

此前，特斯拉動力總成工程負責人科林·坎貝爾在投資者日上發(fā)表講話，指出下一代電車，將會去除電動汽車永磁電機中的稀土。

但問題是，他沒有提供將會采用什么技術，何時上市以及使用范圍。

“馬斯克不用稀土永磁，可新材料是什么沒有公布。”上海有色金屬網(wǎng)稀土分析師楊佳文向網(wǎng)易科技《能量場》表示，如果特斯拉想開發(fā)新的技術，或者運用新的材料，先不說能否商業(yè)化生產(chǎn)，可開發(fā)周期是多久，也沒有說明。

二、馬斯克有沒有可能發(fā)現(xiàn)新材料？

; P9 |" L- I) u2 _

如果馬斯克依舊想用永磁體電機，但不使用稀土材料，這是否可行呢？

特斯拉電動汽車永磁電機如果不使用稀土材料，可能的方向是兩種：一種是使用現(xiàn)有的無稀土永磁材料進行改進，另一種是使用新型無稀土永磁材料。

( E0 m# G% ~$ k/ j, s* d

第一種方向，“如果特斯拉用鐵氧體永磁替代稀土永磁，那么電機要提供相同的磁能時，所需永磁體的體積將增大10～12倍。這一技術方案不符合電動汽車對車身輕量化的需求。”

. ^8 x- A" T, @

而如果馬斯克要使用新型的無稀土永磁材料，這在技術、規(guī)模化量產(chǎn)上都存在難點。

舉個例子。

2012年，美國能源部實施了一個研發(fā)無稀土永磁材料的REACT計劃，對Fe16N2、MnBi等多種材料進行研究，但至今沒有重大進展。主要原因，是替換稀土的材料且需要可批量生產(chǎn)的塊體材料制造工藝：但現(xiàn)階段，全球還沒有找到美國REACT計劃中候選永磁材料的制造工藝。

除了制造工藝的難點，新材料從發(fā)明到規(guī)模化生產(chǎn)，仍需要時間。

" y. R: \' I. i; u  ^

比如，2022年年底，美國愛荷華州立大學艾姆斯實驗室的夏薇儀和東京大學固體物理研究所櫻井正弘等人，就在PANS發(fā)表文章，證明了他們的機器學習（ML）指導框架能夠在幾天內，完成無稀土磁性化合物Fe3CoB2的計算發(fā)現(xiàn)和實驗合成，而該材料適用于無稀土永磁應用。

. [3 X$ z' ~  E7 w% F. b% X- i

“盡管如此，即使找到替代釹鐵硼的新型永磁材料，要將其投入規(guī)模化生產(chǎn)，樂觀地說至少5年以上。”當下稀土永磁電機的核心材料釹鐵硼，早在1983年就已經(jīng)發(fā)明，但規(guī)模化生產(chǎn)也等到了2000年以后。

“現(xiàn)階段沒有這樣的技術基礎。”楊佳文談到，2022年，鐠釹金屬（釹鐵硼原材料之一）漲到130多萬/噸，大家還在用，說明現(xiàn)階段沒有可以完全替代釹鐵硼永磁的材料。

! k+ O% l, C3 u( Q1 s

三、稀土永磁貴不貴？

馬斯克為何如此“著急”去宣告自己的“去稀土計劃”？

3 t; \; F% w7 ^+ T! n' p( l

對此，人們猜想馬斯克執(zhí)著于“去稀土”，在于成本考量。公開資料顯示，電動車采用的稀土永磁電機，運用到的稀土材料釹鐵硼，一般能占到永磁電機成本的50%。

“一臺常見的100多kWh的新能源電車，其永磁電機大致消耗1公斤到3公斤的釹鐵硼”

8 O( }  o  f/ B

除了電動車的主要驅動電機，電動車還會裝配幾十臺微電機，主要應用于汽車的發(fā)動機、底盤、車身三大部位及附件中。根據(jù)汽車行業(yè)估算，每輛經(jīng)濟型汽車需配備20臺以上小電機，轎車至少需60臺以上小電機，豪華型轎車需近百臺小電機。

+ V# c5 _6 S" S; Z

查閱相關資料得知，如果按照行業(yè)平均數(shù)據(jù)而言，純電動汽車的電池、電機、電控占整車成本之比分別為37%、7%、6%。稀土永磁同步電機，主要由永磁體、定子鐵芯、殼體、轉子和定子繞組等組成，分別占電機45%、17%、13%、7%和6%的成本。

4 j! s3 g0 j. t1 ]5 Z0 w6 k

照此推算，電車的永磁體材料約占整車成本的3.2%，并非電動車最大的成本。如果按整車15萬元價格計算，一臺電車的永磁體成本約4800元，按釹鐵硼平均價格450元/kg計算，整車將用大約10～11kg釹鐵硼。

, o1 E  e6 L  V5 V

“特斯拉的永磁電機不使用稀土材料，主要基于產(chǎn)業(yè)鏈可控考慮，成本考慮次之。”電動汽車的最大成本是動力電池，其中正極材料約占整車成本16.7%，而稀土永磁體僅占整車成本約3%。

! x7 t3 k1 ?3 y9 e8 M- S

如果僅從成本方面考量，電動汽車要降成本，主要對象不是去除稀土永磁體。

四、“馬斯克追求的政治正確”

一沒有公布技術路線，二沒有公布可替換的新材料，三沒有公布計劃的準確時間——當技術、材料、成本都無法得出一個合理的解釋，馬斯克究竟打的什么小算盤？

“他對投資者要有交代。”羅建對《能量場》表示，國外的投資者，對近年來稀土價格的劇烈波動，以及供應鏈是否可持續(xù)性，是有擔憂的。

/ J2 E$ P2 [0 s$ }  C& V/ F. }7 y' ^

“美國電動汽車制造十分擔憂過分依賴中國。”張明表示，目前美國電動汽車制造對中國的動力電池（中國精練了全球80%的原材料，擁有77%的電池產(chǎn)能，制造了60%的電池組件）和稀土永磁材料（尤其釹鐵硼材料，中國銷量占全球90%以上）依賴度非常高：“此前，美國特朗普政府計劃擺脫對中國的依賴已成為了美國的‘政治正確’”

實際上，特朗普政府在2021年8月宣布啟動了一項計劃，到2030年使美國一半的新車實現(xiàn)電動化。為吸引投資者，馬斯克此次提出了這些大膽的計劃，與他以前的投資宣傳手法如出一轍。

馬斯克雄心勃勃地宣布到2030年，要每年生產(chǎn)2000萬輛電動汽車，屆時，如果馬斯克還用稀土永磁電機，2000萬輛電動汽車將至少需要10萬噸的稀土永磁：“如此大的需求量，到時候不可能美國化，這將對美國投資產(chǎn)生多大的影響？所以，馬斯克獨出心裁，給美國政府和投資者一個似是而非的新方向。”

數(shù)據(jù)顯示，我國是高性能釹鐵硼永磁材料的第一大生產(chǎn)國，2022年，我國稀土永磁累計注冊企業(yè)達到1964家。而隨著近年來國內公司技術的進步與向高端產(chǎn)品轉型的政策鼓勵，我國高性能釹鐵硼磁材產(chǎn)量激增，目前已經(jīng)占據(jù)世界產(chǎn)量比例接近70%。

海關總署數(shù)據(jù)顯示，2013年以來我國稀土永磁體出口量持續(xù)增長，2022年我國稀土永磁體出口達53288噸，同比增長8.6%，創(chuàng)歷史新高。

中國稀土永磁體產(chǎn)量的激增，也意味著包含特斯拉在內的眾多外國車企，對中國稀土永磁的依賴越來越重。為了擺脫這樣的依賴，各國車企早已在行動。

比如，日本和歐洲的科技機構、公司和車企正在嘗試開發(fā)非稀土，或少用稀土的永磁同步電機。而近十年來，各國都在該技術領域進行了密集的研發(fā)，無稀土永磁材料的研發(fā)成了各國攻克的重點。

五、“別國走他們的路，我們理性審視”

永磁電機是稀土材料的重要應用領域，但不是唯一的應用領域。實際上，包括航天、機械、電子、激光、陶瓷、合金制造等眾多領域，覆蓋我國經(jīng)濟民生的各行各業(yè)，對稀土材料都有著旺盛且持續(xù)增長的需求。

' g0 A2 L4 w4 l8 Y& o# B( h4 E& d* g

然而，馬斯克的一席話，卻在一定程度上，對我國的釹鐵硼市場，乃至整個稀土行業(yè)都帶來了沖擊。

4 c" w1 K4 D' a+ M

就馬斯克的去稀土化的“猜想”，比亞迪方面表示，目前公司主驅電機均為永磁同步電機，扭矩密度和功率密度大，工況效率高，已實現(xiàn)平臺化，產(chǎn)業(yè)化。當下，比亞迪主驅為永磁同步電機，輔驅為異步電機的技術路線不會改變。

而面對馬斯克“去稀土化”，究竟如何看待？

7 a8 m+ X7 V* c5 t2 w* G

我們國家稀土永磁材料（釹鐵硼）產(chǎn)業(yè)，具備著其它國家不具有的先天優(yōu)勢，不管從礦物開采、金屬提煉、稀土合金、稀土永磁材料、到電動汽車，全產(chǎn)業(yè)鏈完整，具有規(guī)模化效益優(yōu)勢，人才培養(yǎng)和儲備全球第一。

而為了適應低成本需求，諸如晶界擴散技術和鑭鈰雙合金稀土永磁材料技術，現(xiàn)在都得到了大規(guī)模應用，并在國家科技部專項支持下不斷提升稀土永磁材料技術：“我們國家要有產(chǎn)業(yè)自信，別國走他們的路，我們理性審視！”

除了技術層面分析，我們還應該看到洋人不用稀土可能有他的立場。我們國家不用跟風，在發(fā)展釹鐵硼的這些事情上，一定要站穩(wěn)立場。

當然，如果特斯拉真的降了成本，或者有技術突破，這個是值得學習的。僅僅是因為擔心稀土的供應的問題，那沒有必要。

sgxap666

用異步電機就好了

yangxl10

sgxap666 發(fā)表于 2023-4-11 09:43
: J' N2 j, L+ h用異步電機就好了

* Y9 X4 X( y3 o0 k7 A異步電機的效率是硬傷

702736

yangxl10 發(fā)表于 2023-4-11 10:45
# n+ s9 x9 G( `/ \異步電機的效率是硬傷

' k/ n$ L* \8 X' a0 ^還有啟動電流
4 ]% j5 M3 E6 x- i/ K