新能源汽车电驱系统中的“工业维生素”稀土

时间: 2024-07-20 19:31:59 |   作者: 家居及玩具

　　稀土元素因其独特的物理和化学性质，在现代工业中扮演着至关重要的角色，被比喻为“” 这些元素在永磁材料中的应用尤为突出，特别是在新能源汽车、风力发电、节能家电等行业。

　　早期的永磁材料是以铁和铁族元素为重要组元的合金型永磁材料，又称永磁合金。最重要的包含铝镍钴（AlNiCo）和铁铬钴（FeCrCo）系2类永磁合金。20世纪初，通过铸造工艺制备而成，也称铸造永磁材料。

　　◎1880年前后，先采用碳钢制成了永磁材料，最大磁能积（BHmax）约为1.6 kJ/m3。后发展为钨钢、钴钢等金属永磁材料。

　　◎1931年，研发出了铁镍铝合金（Fe-Ni-Al），矫顽力超过400 Oe，后在此基础上添加了钴铜钛（Co、Cu、Ti）等元素。通过在铁中添加了铝镍钴（Al、Ni 、Co）3种元素，经浇注和热处理后得到铝镍钴系磁钢，即著名的铝镍钴磁体（AlNiCo）。

　　◎1947年，铁氧体永磁材料的开发降低了永磁体的成本，拓宽了其应用场景范围，特别是对于高频领域和中大功率电动机的应用。

　　◎1960年，钐钴（SmCo）永磁材料的开发（最初是RCo5，后来发展为R2Co17），标志着永磁材料的一个新时代，这样一种材料具有高磁能积和良好的高温稳定性，使得电机可以在较小的体积内产生强大的磁场，来提升了电机的效率和功率密度。

　　◎1980年，钕铁硼（NdFeB）永磁材料的发明，因其优异的磁性能和相比来说较低的成本，迅速成为“磁王”，它使得电机在重量和体积上进一步减小，同时保持和提高磁性能，在许多领域取代了钐钴材料。

　　目前的新能源汽车常使用的稀土永磁体就是基于钕铁硼（NdFeB）材料，其基础化学式为Nd2Fe14B，晶体结构是六方晶系，具有极高的磁晶各向异性，这使得材料在磁化后能保持强磁场而不易失去磁性，具有高磁能积和高矫顽力，很适合用于电动汽车的驱动电机。由于稀土永磁体的高强度磁场，即使在小型化的电机中也能实现高效的能量转换，这也使得永磁电机成为新能源汽车的理想选择。

　　永磁电机的工作原理是基于电磁学的基本定律。在永磁同步电机（PMSM）中，永磁体通常安装在转子上，而定子则由绕组构成。当电流通过定子绕组时，会产生旋转磁场。由于永磁体具有固有的磁场，它们会试图与定子磁场对齐，由此产生转矩，推动转子转动。电机的速度和方向能够最终靠改变施加给定子绕组的电流的频率和相位来控制。

　　前面我们提到过磁能积，钕铁硼具有极高的磁能积，这在某种程度上预示着可以产生更强大的磁场。这直接转化为电机更高的功率密度和效率，允许电机在更小的体积和重量下工作，这很贴合当前新能源电机的小型化趋势。

　　还有前面提过的矫顽力是指材料抵抗外部磁场去磁的能力。钕铁硼具备高矫顽力，使得它能在强磁场环境中保持磁性，这对于在复杂电磁环境下的电机运行至关重要。而且钕铁硼的力能指标也不错，力能指标是衡量电机在单位质量下输出的力的量度。钕铁硼永磁电机的力能指标是优于传统电机的，这也使其成为高功率密度应用的理想选择。此外，钕铁硼永磁材料还允许电机设计更大的气隙，这简化了电机的装配，也提高了容错率，还能减少电机噪声。

　　尽管钕铁硼永磁材料性能优越，但其耐热性相对较差，居里温度（材料失去永磁性的温度）较低，大约在310°C左右。在高温环境下，钕铁硼的磁性能会显著下降，甚至发生磁性损失。

　　一般钕铁硼的工作时候的温度为80°C到200°C，在温度上升时，钕铁硼的磁强度会逐渐降低。一般而言，每升高1摄氏度，钕铁硼的磁强度会降低约0.11%。但是，如果温度不超过钕铁硼的最高工作时候的温度，这种磁性损失是可逆的，冷却后磁性能可以恢复。

　　钕铁硼有不同的耐温等级，这取决于其配方和制造工艺。常见的耐温等级包括N（标准级）、M、H、SH、UH、EH或AH，对应的最高工作时候的温度从大约80°C到230°C不等。N系列的钕铁硼标准耐温约为80°C，而在高温环境下工作的钕铁硼（如EH或AH级）能承受高达200°C以上的温度。

　　当然热稳定性能够最终靠多种方式得到一定的改善，例如在制作的完整过程中添加一些稀土元素，但能够在 120°C 以上工作的钕磁材料会变得很昂贵，例如在钕铁硼合金中添加镝（Dy）或铽（Tb）等重稀土元素可以明显提高其耐热性。这些元素可以替换部分钕原子，形成更稳定的相，来提升矫顽力和居里温度，但这些元素不仅价格更高，而且供应量也有限，成本的增加不言而喻。

　　此前，在在NE时代2024xEV电驱动论坛期间，金龙稀土和正海磁材的演讲中都提到过技术，旨在通过将这些元素渗透到晶界，来提升磁体的矫顽力，而不需过多依赖昂贵的重稀土元素

　　也可以减小晶粒尺寸到纳米级别来增加材料内部的界面，来提升磁体的耐热性和抗退磁能力。亦或者采用表面处理（如锌、镍、电泳、钝化等）来增加氧化层，来提升钕磁铁的耐热性和耐腐蚀性。

　　当前很多企业都在强调减少对高价稀土元素的依赖，比如探索铈基磁体等替代材料，（铈（Ce）是一种相对较便宜且储量丰富的稀土元素，相比镝（Dy）和铽（Tb）等其他稀土元素，铈的价格更稳定），钐铁氮磁体可以制成粘结磁体，通过将钐铁氮磁粉与粘接剂混合，可以制备出具有设计灵活性的高性能粘结磁体，适用于各种形状和尺寸的磁路设计。

　　稀土铁碳（Re-Fe-C）永磁材料：另一种正在研究的第四代材料，它的目标是通过碳的加入来改进磁性能和成本效益，同时减少对某些稀有且昂贵的稀土元素的依赖，但是目前，稀土铁碳磁体的磁性能，尤其是在高温度下的稳定性，还不足以与高性能的钕铁硼磁体相媲美。

　　回收与再利用也是目前的大方向之一，开发高效的磁体回收技术，包括机械破碎、化学溶解和磁选等，实现资源的循环利用。