无稀土磁铁电动汽车牵引电机的研发

自1997年丰田普锐斯（Toyota Prius）上市以来，混合动力电动汽车（HEV）成为主流，在汽车牵引电机中使用稀土磁铁已成为普遍现象。特别是稀土磁性材料钕铁硼（NdFeB），由于具有显著的性能优势，使得紧凑型、扭矩和功率密集型电力牵引电机的开发成为可能。随着诸如日产聆风（Nissan Leaf）等大众市场电池电动汽车（BEV）进入市场，这种趋势继续存在。然而，由于对供应安全的地缘政治担忧，2011-2012年这些材料的价格大幅上涨。虽然价格最近已恢复到接近历史水平，但各国政府和许多混合动力和电动汽车制造商仍然担心这一问题，还对这些材料的环境可持续性提出了疑问，这进一步鼓励用户考虑替代方案。

钕铁硼磁体和电力牵引电动机

1983年住友特种金属（Sumitomo Special Metals）获得烧结钕铁硼（NdFeb）磁性材料专利，使得其在电机性能方面产生了阶跃变化。钕是被称为轻稀土元素（LREE）的材料家族的一员，其他元素包括镧（用于光学）和钐（也用于磁性材料），这些元素使得钕铁硼磁铁能提供较高的性能水平，它们的最大能量产品相比，见下图，明显高于其他磁性材料。NdFeB磁铁在高环境温度下工作的一个关键因素是镝，这一种稀土元素（hre）被添加到NdFeB中，能增加磁铁的高温矫顽力（耐退磁能力），大约100°C。这对于在高功率密度应用中（如车辆牵引）使用这些磁铁至关重要。在电动牵引电机中，NdFeB磁铁允许以很小的体积产生非常强的磁场。

电机中稀土磁铁的替代品

磁铁制造商正在寻求降低磁铁的稀土含量，同时保持或提高其性能。日立金属公司（Hitachi Metals）就是一个例子。据报道，与传统的NdFeB材料相比，该公司开发出的磁铁可降低镝含量，但不会降低其高温矫顽力。这种磁铁是使用一种新工艺制造的，该工艺涉及到镝在磁铁材料中的扩散，而不是直接合金化。其他厂商正试图将磁铁中的颗粒尺寸减小到纳米级，在保证性能情况下，减少稀土的用量。

第二个领域是利用回收的稀土材料，计算机硬盘驱动器多年来一直使用含钕和镝的稀土磁铁。据报告，这些材料的价值高达数十亿美元，正在研究回收这些材料的技术，但是，人们对此类回收磁性材料的质量和重复性存在担忧。

在电机设计方面，使用较少的稀土磁性材料同时产生高转矩密度，已经做了大量的工作。在这方面最成功的方法集中在混合电机技术的使用上，在“凸极”转子结构中镶嵌少量磁性材料。宝马i3电动汽车采用了这种电机技术的一个例子，它采用了一种高度突出的转子拓扑结构，从1千克磁铁中产生250牛米的扭矩和125千瓦的功率。

其他磁性材料

铝镍钴（Alnico）是在20世纪30年代发展起来的，尽管这些磁铁提供高剩余磁通密度，它们的矫顽力非常低，因此退磁的高风险，使它们不具有吸引力，仅用于高功率密度电机。美国艾姆斯大学的研究人员正致力于改善这些材料的矫顽力。

钐钴（smco）磁铁是在20世纪70年代开发的，并经常用于航空航天应用，它们具有吸引力，因为它们可以承受比NdFeb更高的温度，而不会发生退磁。然而，它们与钕铁硼磁铁一样或更贵，还含有稀土材料钐和昂贵的钴。

最后的选择可能是铁氧体磁铁，使用自20世纪50年代。这些是由氧化铁结合金属锶，钡或钴。为了增加残余磁通密度，TDK等公司成功地引入了大量镧，这也是一种稀土金属，但镧基铁氧体的成本仍然比NdFeB低很多。

软件系统的可用性，使得电机几何结构的快速优化在这方面非常重要，使得磁性材料在不降低电机性能的情况下最小化。然而，必须注意确保磁铁不受反向磁场的影响，这可能导致磁铁永久退磁。因此，设计必须确保在故障条件下引起的短路电流不会很高。