永磁同步电机主要由哪三个组成

撰文 / 钱亚光

编辑 / 张 南

设计 / 师 超

在前不久的特斯拉投资者大会上，马斯克号称下一代永磁电机技术将完全不使用稀土材料，且不损失能效。

特斯拉提到，在2017年至2022年期间，由于提高了传动系统的效率，他们已成功地将新Model 3驱动模块的稀土使用量减少了25％。据悉，在特斯拉现行使用的电机中，三种稀土元素分别使用了500g、10g和10g。业内猜测，特斯拉展示的三个稀土元素中，第一个元素可能是钕，另外两个是镝和铽。

据特斯拉透露，下一代电机将三种稀土元素的用量都降至0g。此消息公布后，A股稀土板块开盘遭下跌，指数跌幅超过5%。

但就目前汽车业的认知，稀土材料在感应电机上不需要，在永磁同步电机上是不可缺少的，距离真正摆脱稀土永磁材料，还有一段很长的路要走。

稀土不是土

稀土虽然来自于土，但不是土，而是化学元素周期表中镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钇（Y）和钪（Sc）等17种稀有金属元素的总称。

稀土被誉为“工业的维生素”，具有无法取代的优异磁、光、电性能，对改善产品性能，增加产品品种，提高生产效率起到了巨大的作用。

其中，镧用于合金材料和农用薄膜；铈大量应用于汽车玻璃和尾气净化催化剂中；镨广泛应用于玻璃、陶瓷和磁性材料中；钕作为永磁材料广泛用于航天、电子、机械等行业；钷为卫星提供辅助能量；钐应用于原子能反应堆；铕用于制造荧光剂、镜片和液晶显示屏等；钆用于医疗核磁共振成像；铽用于磁光存储、磁光玻璃；铒可用于激光器，镝可用于钕铁硼系永磁体的添加剂以及电影、印刷等照明光源；钬用于制作医疗激光器及光通讯器件；铥用于X光机射线源，进行临床诊断和治疗肿瘤；镱可用于热屏蔽涂层材料、磁致伸缩材料及电脑记忆元件添加剂；镥可作石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应的催化剂；还可用于能源电池技术，钇可作为钢铁及有色合金的添加剂，用于制造电线和飞机受力构件；钪是强还原剂，常用于制造合金，改善合金的强度、硬度和耐热和性能。

据工业和信息化部介绍，目前稀土永磁、发光、储氢、催化等功能材料已是先进装备制造业、新能源、新兴产业等高新技术产业不可缺少的原材料，还广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、新能源、轻工、环境保护、农业等。

稀土在新能源汽车领域的运用，主要有稀土永磁电动机、稀土动力电池、三元催化器中的催化剂及氧传感器中的陶瓷材料等。其中用于电机中的钕铁硼永磁材料，磁能极高，被称作当代“永磁之王”。

稀土永磁电机依靠定子上的线圈和转子上的永磁材料之间的引力和斥力，带动转子转动从而实现的前进和后退。这种电机有着结构简单，形状和尺寸设计灵活，且具备运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高等显著优势，而且该电机的在新能源汽车领域中受到高度重视。

稀土材料对电机性能的改善，还包括提高电机的动磁性，使电机工作更为稳定，同时减少运行时的磁性损失，提高电机的效率；改善电机的耐热性，使电机在高温的条件下仍能正常工作；使电机更耐磨，耐用，减少电机失效率，提高电机的使用寿命；阻碍噪声传播的作用，降低电机的噪声，以改善车内NVH提升乘坐体验等。

可以说，稀土在永磁电机中起着至关重要的作用，而永磁电机很大程度上影响了汽车的性能和效率。从综合性能来说，永磁同步电机也是最具优势的电机方案。数据显示，国内永磁同步电机的装机量高达94%。

新能源汽车中另外一种常见的电机是感应异步电机，其利用电磁感应原理通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换带动电机运作。

相比于永磁电机，虽然感应电机不需要用到稀土材料，具有价格低廉的优点，但其功率和扭矩更低，体积也更大。

为何放弃稀土电机

至于特斯拉为何要坚定不含稀土电机路线，一是要摆脱对稀土永磁材料的依赖，减少对稀土市场波动和供应链风险的影响。由于稀土材料价格受到市场供求、政策调控、环境因素等多重因素的影响，波动性较大。

特别是在近年来中美贸易摩擦加剧的背景下，对于依赖中国进口稀土材料的特斯拉等汽车制造商来说，无疑是一个巨大的威胁和挑战。

二是目前稀土价格偏高，摆脱稀土，是出于降低汽车的成本和价格考虑特斯拉还计划通过自建工厂生产无稀土永磁电机，可以节省稀土材料采购、运输、加工等环节所产生的成本。

三是永磁电机不依赖稀土技术虽不成熟，但已经具备技术路径，包括铁氧体电机、开关磁阻电机、EESM-电励磁同步电机等。此外，可替代的非稀土永磁材料有铝镍钴（AlNiCo）、铁氧体等，也已经进入商业化应用。

据悉，特斯拉下一代电机计划使用铜线圈来替代稀土永磁体，来实现无稀土的永磁转子。这种新型转子结构可以降低成本、减少重量，并且更容易回收利用。目前，特斯拉还没有公布其无稀土永磁电机的具体技术细节和实验数据，其可行性和可靠性还有待验证。

此外，特斯拉还需要克服一些技术难点，比如如何解决铜线圈的稳定性、耐久性和散热性，如何优化电机控制策略等。

除计划使用无稀土永磁电机外，特斯拉还采取了优化汽车设计和配置、寻找替代材料和供应商、回收利用废弃汽车中的稀土材料等方式来减少对稀土的依赖。

例如，特斯拉在其Model3和ModelY等车型上，使用了前后两个不同类型的电动机：前轮驱动由交流感应（ACI）电动机提供，后轮驱动由永磁同步（PMSM）电动机提供。这种混合驱动方式可以兼顾性能和效率，并且可以减少对稀土材料的用量。

特斯拉在其ModelS和ModelX等车型上使用的镍钴铝（NCA）电池，而不是使用含有稀土元素的镍钴锰（NCM）电池。此外，特斯拉还在寻找其他稀土材料供应商，以降低对中国进口稀土材料的依赖程度。

特斯拉还通过回收利用废旧电池中的稀土元素，如废旧电池送到指定工厂进行拆解和分离，提取出稀土元素和其他金属元素，再用于制造新的电池或其他产品，以节约资源、降低成本、减少环境污染。

除了特斯拉，中国、日本和欧洲的科技机构、公司和车企也在尝试开发非稀土或少用稀土的永磁同步电机。

40年前，日本的松下电器申请了关于MnAl基永磁合金之无稀土永磁材料的专利，从而成为全球最早研发无稀土永磁材料的国家之一。

之后，日本的日立麦克斯韦公司也开始研究MnBi基永磁材料。尽管在2000年以前，少数几家日本企业对MnAl基永磁材料和MnBi基永磁材料进行了研发和专利申请，但是之后的十年几乎没有任何“无稀土永磁体”领域的专利活动。

直到2010年，中国开始投入无稀土永磁体的专利布局。在MnAl基、MnBi基及铁氧体等无稀土永磁材料领域，中国几乎与日本同步开始了布局，且在2011年底率先布局了无稀土铁氧体永磁材料专利。

近十年来，各国都在该技术领域进行了密集的研发，创造了专利申请的高峰，而无稀土永磁材料的成分组成也成为了兵家必争之地。

2011年，丰田在旗下小型混合动力汽车上搭载了不含“重稀土元素”的永磁电机；2018年，丰田宣称将进一步研发出含有更少钕元素、但镧和铈含量更高的电机；2022年，本田与日本大同钢铁(Daido Steel)公司联合开发了全球首款没有使用任何重稀土金属的电机。

大众也被曝光使用稀土含量更低、只含铽和镝两种稀土元素的电机。2023年3月，日产也发布下一代电驱系统，同样采用SiC技术以及“无稀土”电机，电驱生产成本降低30%。

宝马和大陆集团联手投资了驱动电机供应商DeepDrive，这家企业开发了一种径向磁通双转子电机，括电力电子设备，可以作为中央或轮毂电机安装在量产车辆中。其电机中磁铁材料减少50%，铁用量减少80%，并且不含重稀土元素。

今年2月，日本电机巨头电产也宣布，最快于今年秋天投放不使用重稀土类的产品。电产称，其部分客户考虑到业务和环保，对不使用稀土的产品期待高涨。

另外，戴姆勒、奥迪、马勒等都在研发含有少量甚至不含稀土元素的电机。

车企执着于“去稀土”，主要还是出于成本的考虑。公开资料显示，永磁同步电机中，稀土永磁体占到整个电机原材料成本的50%左右，每台新能源汽车的驱动电机一般需要2-3.5kg的高性能钕铁硼永磁材料。

当看到稀土价格高企，承受成本压力的车企自然要去寻求更便宜的替代方案。无稀土永磁材料具有成本低、资源丰富、环保等优势，因此在技术研究和产业应用方面具有广阔的前景。

从目前情况来看，新技术尚未广泛应用，无稀土永磁材料的性能和稳定性仍然存在一些问题，需要进一步加强研究和开发，不含稀土的永磁电机也并未实现商业化推广，当下永磁电机的“稀土依赖”仍然严重。

比如“氧化钕”价格，从2021年初的51.05万元/吨万元/吨上涨到了2023年底的77万元/吨，最紧俏的时候吨价一度突破百万元。

对稀土产业有何影响

永磁电机目前是稀土下游最大的应用领域，而永磁电机下游需求最大的风电领域，占比约20%，其次就是新能源汽车，占比约为15%。

特斯拉作为全球最大的新能源汽车制造商，其对稀土材料的需求量也非常巨大。如果特斯拉能够实现无稀土永磁电机的目标，并推广到其所有车型上，肯定会对中国稀土产业造成一定的挑战，因为中国的稀土出口量中有相当一部分是用于制造永磁电机的。

如果特斯拉能够成功实现无稀土永磁电机，并且这种电机在性能、成本和可靠性方面都能达到甚至超过传统永磁电机的水平，那么其他汽车制造商也可能会效仿特斯拉，纷纷推出无稀土永磁电机，也将导致全球对稀土材料的需求量出现下降趋势，从而影响到全球稀土市场的供需关系和价格走势。

然而，这种影响并不会很大或很长久。虽然永磁电机是稀土材料的一个重要应用领域，但并不是唯一或最主要的应用领域，在航天、机械、电子、激光、陶瓷、合金制造、催化剂等众多领域，仍然有着旺盛且持续增长的需求。

根据美国地质调查局（USGS）公布数据显示，从全球储量来看，2022年全球稀土资源总储量约为1.30亿吨，中国储量为4400万吨（占比35.01%），越南储量为2200万吨（占比17.50%），巴西储量为2100万吨（占比16.71%），俄罗斯储量为2100万吨（占比16.71%），四国总计占全球储量的85.93%，其余国家占比14.07%。

从全球产量来看，2022年全球稀土矿产量为30万吨，其中，中国产量为21.0万吨，占全球总产量的70%；美国稀土产量为4.3万吨（占比14%），澳大利亚产量为1.8万吨（占比6%），缅甸产量为1.2万吨（占比4%）。

艾媒咨询分析师认为，无论是从所拥有稀土资源还是产量来看，我国都处于世界领先地位，相关产业具有重要的战略意义。随着双碳目标和“清洁能源”等环保理念得到国家政策支持，预计稀土材料的需求会大幅提升。

中国既是稀土供给大国，也是需求大国。中国的稀土供应自主可控，并在开采、冶炼、加工、应用等全产业链均有布局，形成了一个完整而成熟的产业链。从上游矿产开采，到中游的稀土材料深加工，再到下游的终端应用领域，其产品种类和质量都有着较高的水平和竞争力。

数据显示，2022年，我国稀土永磁累计注册企业为1964家。对于近期特斯拉“摆脱”稀土计划，多家A股稀土行业上市公司纷纷表示，稀土需求不会发生太大变动，稀土行业未来发展充满希望。

中科三环公开表示，从目前来看，稀土永磁电机依然是新能源汽车驱动电机的最优解。新能源汽车市场广阔，单一厂商是否使用稀土永磁电机短期内不会对整个行业产生根本性影响。任何一种永磁材料从研发到产业化应用，都有一段很长的路要走，目前还没有发现性价比更高的永磁材料。

广晟有色表示，目前行业最先进的晶界渗透技术仅可以减少镝、铽等中重稀土的添加量约50％-70％，特斯拉所谓的不使用稀土，并未说明其替代产品或者解决方案，同时行业内也没有其他可替代稀土的重大技术性突破。

金力永磁表示，钕铁硼稀土永磁技术从上世纪80年代发明到现在将近40年，正处于大规模应用而方兴未艾的发展阶段。目前，公司新能源汽车主要客户的订单规模未发生变化，公司经营正常。

此外，北方稀土认为，虽然随着科技的进步可以有替代的产品，但是目前并没有什么东西可以替代。

中信证券研报分析认为，近十年稀土永磁下游应用场景不断打开，传统需求如汽车、风电、变频空调、消费电子等稳健支撑，新兴需求如新能源车、工业节能电机、工业机器人等蓬勃发展，未来人形机器人、永磁磁浮轨道技术等需求潜在增长点或持续涌现，在新兴与传统需求双轮驱动下，稀土产业的长期成长性毋庸置疑。

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