在電動汽車領(lǐng)域，一場圍繞電機(jī)材料創(chuàng)新的革命正在悄然進(jìn)行。隨著全球?qū)p少化石燃料依賴和應(yīng)對氣候變化的緊迫性日益增強(qiáng)，電動汽車的普及成為關(guān)鍵一環(huán)。然而，當(dāng)前電動汽車電機(jī)普遍依賴稀土元素，其開采和加工過程對環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，且供應(yīng)鏈高度集中在中國，這讓汽車制造商們面臨挑戰(zhàn)。
為了擺脫這一困境，世界各地的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)和高校正積極投身于無稀土或低稀土電機(jī)技術(shù)的研發(fā)。在美國，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室作為電動汽車先進(jìn)電機(jī)研究中心，正與美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、艾姆斯實(shí)驗(yàn)室及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校等機(jī)構(gòu)合作，共同探索先進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)概念。這些努力旨在尋找能夠替代稀土磁鐵的新材料，并優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)性能上的差距。
其中，一種備受矚目的解決方案是開發(fā)不使用稀土元素的永磁體。例如，通用汽車和Stellantis正與Niron Magnetics公司合作，致力于基于無稀土永磁體的電動汽車電機(jī)開發(fā)。特斯拉也宣布了其下一代驅(qū)動單元將完全不使用稀土元素，這一消息震驚了業(yè)界。在歐洲，由20家工業(yè)界和學(xué)術(shù)界合作伙伴組成的Passenger聯(lián)盟，則專注于開發(fā)用于電動汽車的無稀土永磁體。
然而，無稀土電機(jī)的開發(fā)并非易事。稀土元素因其獨(dú)特的磁性性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代技術(shù)中，尤其是釹鐵硼永磁體，其能量積高、剩磁強(qiáng)、矯頑力大，是目前性能最高的電動汽車電機(jī)的首選材料。要找到能夠替代釹鐵硼的無稀土永磁體，需要綜合考慮剩磁、矯頑力等多個(gè)性能指標(biāo)。
目前，研究人員正在評估多種有前景的非稀土永磁材料，如鐵氧體磁鐵、鋁鎳鈷合金（磁鋼）以及新型永磁材料如氮化鐵（FeN）和錳鉍（MnBi）。然而，這些材料在性能上均無法與釹鐵硼相媲美。例如，鐵氧體磁鐵雖然成本低廉，但剩磁和矯頑力較低，導(dǎo)致電機(jī)重量增加、性能下降。磁鋼則容易退磁，需要特殊設(shè)計(jì)來防止其在使用過程中失去磁性。
為了彌補(bǔ)這些性能差距，電機(jī)工程師們正在探索新的設(shè)計(jì)策略。一種方法是結(jié)合使用永磁體和磁阻效應(yīng)，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)來最大限度地提高電機(jī)的扭矩輸出。另一種方法是開發(fā)可變磁通記憶電機(jī)，利用電流的磁化分量來幫助產(chǎn)生扭矩，從而防止磁鐵退磁。還有研究人員正在研究如何通過改進(jìn)材料和制造工藝來提高無稀土電機(jī)的性能。
盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但無稀土電機(jī)的研發(fā)已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的進(jìn)展。例如，一些基于非稀土永磁體的電機(jī)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)與釹鐵硼電機(jī)相當(dāng)?shù)呐ぞ剌敵?，盡管其體積和重量有所增加。同時(shí)，通過優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)和使用新材料，如高硅鋼和高導(dǎo)電性銅合金，可以進(jìn)一步提高無稀土電機(jī)的性能。
還有一些創(chuàng)新策略旨在減少電機(jī)中稀土元素的使用量，而不是完全去除它們。例如，通過改進(jìn)磁體材料和制造工藝，可以減少對重稀土元素的依賴。在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，研究人員開發(fā)了一款100千瓦的牽引電機(jī)，其磁體未使用重稀土元素，并通過集成電力電子設(shè)備和優(yōu)化轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)來提高電機(jī)的性能。
隨著無稀土電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，它們有望成為未來電動汽車的主流選擇。這將有助于減少對稀土元素的依賴，降低環(huán)境影響，并促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還需要持續(xù)的創(chuàng)新和協(xié)調(diào)一致的努力。
