電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在低能效電機(jī)漸漸滿足不了各項(xiàng)需求的今天，高能效電機(jī)完成對(duì)低能效電機(jī)的替代已經(jīng)是大勢(shì)所趨，高能效電機(jī)也就是我們熟知的無(wú)刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機(jī)。

永磁同步電機(jī)，PMSM，全稱permanent magnet synchronous motor，PMSM是高精度定速驅(qū)動(dòng)的理想選擇，電機(jī)控制的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)速和扭矩，PMSM就是利用磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。PMSM與BLDC二者最明顯的區(qū)別在反電勢(shì)上，我們可以將反電勢(shì)理解成電機(jī)的特征碼，通過(guò)確定反電勢(shì)的波形和大小，可以輕而易舉地區(qū)分電機(jī)類型與大小。因?yàn)锽LDC與PMSM的定子繞組設(shè)計(jì)的差異，造成了兩種高能效電機(jī)的反電勢(shì)不同，這里就不展開了。

PMSM中的磁材料，永磁與軟磁

永磁同步電機(jī)利用磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，那自然離不開磁材料。根據(jù)磁材料對(duì)在磁場(chǎng)中的反應(yīng)，一般分為順磁性、抗磁性、反鐵磁性、鐵磁性以及亞鐵磁性。對(duì)永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)磁性材料指的是鐵磁性以及亞鐵磁性材料，因?yàn)檫@兩種磁性材料對(duì)外磁場(chǎng)反應(yīng)強(qiáng)烈，始于強(qiáng)磁性材料。

強(qiáng)磁性材料包括了永磁材料、軟磁材料以及功能性磁性材料。永磁的特性在于一經(jīng)磁化，很難退磁，而軟磁也容易磁化，但是磁化后容易退磁。對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，其中用得較多就是永磁材料和軟磁材料。永磁材料作為磁源，提供磁動(dòng)勢(shì)，就像電路中的電動(dòng)勢(shì)，軟磁材料磁導(dǎo)率高，作為導(dǎo)磁材料，起傳導(dǎo)磁力線的作用。

永磁材料目前的劃分有三大類，金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁，軟磁材料則有鐵氧體軟磁、金屬粉芯、金屬軟磁和非晶納米晶等。兩種磁材料的最不同的特征在于矯頑力不同。矯頑力的定義為使已磁化的磁材無(wú)法向外磁路提供能量（但磁體內(nèi)部仍具有一定能量）而必須施加的、與原磁化方向相反的外磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為Oe或A/m。簡(jiǎn)單一點(diǎn)理解就是矯頑力越高，材料越不容易退磁。永磁材料的目標(biāo)是不斷追求更高的矯頑力，強(qiáng)化不退磁能力，軟磁則開始降低矯頑力，追求更高的磁導(dǎo)率。

軟磁可以起到電能參數(shù)變換，提高磁性元件效率并節(jié)省空間的作用，目前作為各類電機(jī)、變壓器、繼電器、電感器、濾波器等元器件的磁芯應(yīng)用在新能源汽車、機(jī)器人、光伏等諸多領(lǐng)域。

稀土永磁材料的升級(jí)與對(duì)比

永磁材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的抗退磁能力，是制造各類電機(jī)的重要原材料。金屬永磁合金是第一代永磁材料，泛指不包括稀土金屬的Fe基和Co基的合金永磁體，第一代永磁材料的矯頑力大概在0.38-1.53kOe，一般應(yīng)用于電氣儀表等領(lǐng)域。以氧化鐵為主要原料的第二代永磁體盡管性能并非最優(yōu)，但是制備原材料儲(chǔ)量豐富，工藝簡(jiǎn)單，成本也較低，極高的性價(jià)比讓它在各類電機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。

到了稀土永磁材料，目前主要的稀土材料已經(jīng)從釤鈷永磁發(fā)展到燒結(jié)釹鐵硼。釤鈷永磁工作溫度高，耐腐蝕性好，磁性能也較為優(yōu)秀，但是因?yàn)槠浜袘?zhàn)略化合元素鈷，因此性價(jià)比不高。燒結(jié)釹鐵硼是現(xiàn)在最熱門的稀土永磁材料，不管是磁性能、矯頑力還是磁能積。都有著遠(yuǎn)超其他材料的性能，在各類永磁電機(jī)里有著旺盛的需求。唯一的劣勢(shì)在于溫度穩(wěn)定性比較差，需要通過(guò)添加其他元素來(lái)改善溫度性能。

	金屬永磁	鐵氧體永磁	釤鈷永磁	釹鐵硼
剩磁強(qiáng)度	中	低	中	高
矯頑力	低	中	高	極高
磁能積	中	低	高	極高
工作溫度（℃）	-250-550	-40-250	-250-525	-125-220

根據(jù)中國(guó)電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)磁性材料分會(huì)的數(shù)據(jù)，釹鐵硼稀土永磁材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用的占比最高，達(dá)到了49%。不僅是矯頑力上的差異，磁能積上的極大差異也意味著在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下釹鐵硼體積更小，這也非常有利于節(jié)省電機(jī)空間。尤其是高性能釹鐵硼磁材料（矯頑力與磁能積之和大于60），能大大減小電機(jī)體積，減輕電機(jī)質(zhì)量，縮小電機(jī)能量損耗并提高整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)效率。

特斯拉棄用稀土磁材僅技術(shù)路線可行

近日，特斯拉宣布下一代永磁電機(jī)將完全不使用稀土材料，在永磁同步電機(jī)領(lǐng)域掀起了一陣熱議。

拋開整個(gè)電動(dòng)汽車永磁電機(jī)成本和產(chǎn)業(yè)鏈的因素，僅從技術(shù)可行性上來(lái)說(shuō)，完全棄用稀土實(shí)現(xiàn)無(wú)稀土永磁電機(jī)，這條技術(shù)路線其實(shí)并不新鮮，這些年一直存在，眾多車企、電機(jī)廠商都在嘗試去除稀土在永磁電機(jī)的使用含量甚至不用，但這么多年進(jìn)展甚微。

因?yàn)槭聦?shí)是其他永磁材料實(shí)現(xiàn)的永磁電機(jī)在各項(xiàng)性能上均不如稀土永磁，比如鐵氧體永磁電機(jī)。尤其是在汽車?yán)m(xù)航能力方面，使用磁強(qiáng)度更弱材料的電機(jī)需要額外消耗大量能量維持磁場(chǎng)強(qiáng)度，這勢(shì)必會(huì)大大減少續(xù)航能力。從強(qiáng)磁材料的性能來(lái)看，稀土磁材就是目前綜合性能就是遠(yuǎn)超其他永磁材料，完全棄用不可能在短時(shí)間內(nèi)找到相似的最優(yōu)解。

即便是在研的第四代鐵氮永磁材料，也需要使用稀土，而且距離其商業(yè)化還有很長(zhǎng)的距離。

小結(jié)

隨著科技的進(jìn)步，去稀土并非有一件不可能的事。但在目前全球磁材料沒(méi)有突破進(jìn)展的情況下，稀土磁材，尤其是高性能釹鐵硼磁材，在永磁電機(jī)里的應(yīng)用還沒(méi)有比它性價(jià)比更高的方案。