無稀土馬達時代到來

图一 : ：爱沙尼亚的Silmet工厂，一名工人展示分离过程中的稀土氧化物。（source：AXION）

[作者 卢杰瑞]

无论是基于政治影响、生产成本，或保护环境的前提下，开发出不需要稀土的电动车用马达，已经是全球电机业者卯足全力发展的一个重大方向。

电动车采用感应马达，从20世纪的90年代到2000年代初期，实际上已经有相当长的一段时间。然而，随着永磁同步马达的出现，感应马达已经逐渐不被采用。

但是，永磁同步马达需要透过稀土元素来确保耐热性（这是磁铁的弱点），并且可以在小型尺寸的马达中产出高扭力。

目前混合动力（HV）和纯电动车（EV）等永磁同步马达，几乎都是使用钕、镝和?等重稀土材料，这是因为透过使用稀土，可以提高马达的耐热性，并且获得高驱动力和发电量。不过，因为全球电动车，以及风力发电等再生能源的普及，刺激了稀土的需求增加，也因此推动了价格飙升。

稀土限制迫使开发新一代车用马达

由于2010年钓鱼台列屿发生中国与日本渔船相撞事故的风波影响，对此中国政府针对日本限制稀土出口。近期再加上中美摩擦，导致中国又宣布限制稀土出口到美国，且由于与美国的贸易局势持续紧张，中国对于稀土的输出可能会再次受到限制，这一点已在接下来的出货量得到了证实（图一）。

这迫使了美日欧等车厂纷纷改变电动车马达开发策略，朝向减少使用稀土材料，甚至完全不使用稀土的技术转变。美国政府更是从政策面着手，透过反通膨法案的规范，要求美国车厂对于电动车整车组装的零组件，以及矿物原料都必须要从北美当地提供，如果车上的磁铁大量使用中国来的矿物，就无法获得补助。日本政府也调整政策，致力于减少稀土使用量以降低风险，或协助业者分散稀土来源。

这样的演变，使得BMW、丰田和通用汽车等其他汽车制造商，也开始呼吁减少对稀土的依赖。

特斯拉以发展无稀土永磁马达为目标

特斯拉在2023年3月宣布将推出一款全新永磁马达（PMSM），完全不使用稀土元素，背后的考量应该和美国政府的补助息息相关。

其实特斯拉最早使用的马达，并没有使用稀土，因为他们一开始采用的是交流电马达。但为了降低成本，在后续所开发的车型，开始使用永磁直流马达来驱动后轮，并透过在马达转子中放置永久磁铁，传动轴无需感应电流即可旋转。

在降低对稀土的依赖方面，根据动力总成工程副总裁Colin Campbell表示，目前Model 3和Model Y已经将稀土消耗量减少了四分之一。

Campbell在这次宣布特斯拉将不再使用稀土元素的演讲中，展示了2张关于三种「神秘材料」关键性投影片，稀土1、稀土2和稀土3。第一张投影片展示了目前的特斯拉，马达中使用的稀土总量从500克到10克不等（图二）；下一张投影片是未来技术的目标数据，一切都设定为「0」（图三）。

图二 : ：目前特斯拉马达中，使用的稀土总量从500克到10克不等。（source：TESLA）

图三 : ：特斯拉新一代马达技术的研发目标数据，稀土的使用量都设定为「0」。（source：TESLA）

从磁性材料研究人员的角度来看，这个「稀土1」是什么就一目了然了。它就是钕，与铁和硼结合时可以产生强大的永久磁场。但以目前来说，几乎没有其他物质具有这种特性，能够产生足以提供2000公斤的特斯拉汽车、工业机器人和战斗机等提供动力。如果特斯拉的马达中不再使用钕等稀土元素的话，那么他们会使用哪种磁铁来代替？便成了现场最大的黑箱技术。

产业界已经有专家朝向猜测利用钴或是铁氧体等其他化学元素来取代钕，其中被认为最有可能的是铁氧体。铁氧体是一种将铁和氧与少量金属（例如锶）混合制成的陶瓷。它价格便宜且易于生产，自20世纪以来，它已被用于各种情况，包括用作保持冰箱门关闭的磁铁材料。

另一方面，根据国外的媒体报导，因为铁氧体的磁力只有同量的钕的十分之一左右，这就产生了磁力不足的新问题。但由于特斯拉的老板Elon Musk是出了名的不妥协，因此如果特斯拉坚持要使用铁氧体的话，就必须在某个地方做出妥协。

【欲阅读更丰富的内容，请参阅2023.11月(第97期)智动化Smart Auto杂志】

2023.11月(第97期)马达永续新应用