在电动汽车领域，一场围绕电机材料创新的革命正在悄然进行。随着全球对减少化石燃料依赖和应对气候变化的紧迫性日益增强，电动汽车的普及成为关键一环。然而，当前电动汽车电机普遍依赖稀土元素，其开采和加工过程对环境造成了严重影响，且供应链高度集中在中国，这让汽车制造商们面临挑战。
为了摆脱这一困境，世界各地的科研机构、企业和高校正积极投身于无稀土或低稀土电机技术的研发。在美国，橡树岭国家实验室作为电动汽车先进电机研究中心，正与美国国家可再生能源实验室、艾姆斯实验室及威斯康星大学麦迪逊分校等机构合作，共同探索先进电机的设计概念。这些努力旨在寻找能够替代稀土磁铁的新材料，并优化电机设计，以弥补性能上的差距。
其中，一种备受瞩目的解决方案是开发不使用稀土元素的永磁体。例如，通用汽车和Stellantis正与Niron Magnetics公司合作，致力于基于无稀土永磁体的电动汽车电机开发。特斯拉也宣布了其下一代驱动单元将完全不使用稀土元素，这一消息震惊了业界。在欧洲，由20家工业界和学术界合作伙伴组成的Passenger联盟，则专注于开发用于电动汽车的无稀土永磁体。
然而，无稀土电机的开发并非易事。稀土元素因其独特的磁性性质而被广泛应用于现代技术中，尤其是钕铁硼永磁体，其能量积高、剩磁强、矫顽力大，是目前性能最高的电动汽车电机的首选材料。要找到能够替代钕铁硼的无稀土永磁体，需要综合考虑剩磁、矫顽力等多个性能指标。
目前，研究人员正在评估多种有前景的非稀土永磁材料，如铁氧体磁铁、铝镍钴合金（磁钢）以及新型永磁材料如氮化铁（FeN）和锰铋（MnBi）。然而，这些材料在性能上均无法与钕铁硼相媲美。例如，铁氧体磁铁虽然成本低廉，但剩磁和矫顽力较低，导致电机重量增加、性能下降。磁钢则容易退磁，需要特殊设计来防止其在使用过程中失去磁性。
为了弥补这些性能差距，电机工程师们正在探索新的设计策略。一种方法是结合使用永磁体和磁阻效应，通过优化转子设计来最大限度地提高电机的扭矩输出。另一种方法是开发可变磁通记忆电机，利用电流的磁化分量来帮助产生扭矩，从而防止磁铁退磁。还有研究人员正在研究如何通过改进材料和制造工艺来提高无稀土电机的性能。
尽管面临诸多挑战，但无稀土电机的研发已经取得了一些令人鼓舞的进展。例如，一些基于非稀土永磁体的电机已经能够实现与钕铁硼电机相当的扭矩输出，尽管其体积和重量有所增加。同时，通过优化电机设计和使用新材料，如高硅钢和高导电性铜合金，可以进一步提高无稀土电机的性能。
还有一些创新策略旨在减少电机中稀土元素的使用量，而不是完全去除它们。例如，通过改进磁体材料和制造工艺，可以减少对重稀土元素的依赖。在美国橡树岭国家实验室，研究人员开发了一款100千瓦的牵引电机，其磁体未使用重稀土元素，并通过集成电力电子设备和优化转子冷却系统来提高电机的性能。
随着无稀土电机技术的不断进步和成本的降低，它们有望成为未来电动汽车的主流选择。这将有助于减少对稀土元素的依赖，降低环境影响，并促进电动汽车产业的可持续发展。然而，要实现这一目标，还需要持续的创新和协调一致的努力。
