绿色经济需要大量磁铁

编译 莫庄非

装配线上的绿色未来电动汽车电机

第11届国际电力电子、机器和驱动器会议（PEMD2022）2022年在英国纽卡斯尔市举办。如果你是参会者，定会为电动机和发电机的巨大性能提升而惊叹。此外，你也可能思考这样一个问题：我们距离那个全面电动化、绿色经济的无碳时代，还有多远？

电动汽车（包括全电池驱动、燃料电池和插电式混合动力汽车）的全球销量在2021年翻了一番，创下660万辆的历史新高。根据《2022年全球电动汽车展望》（Global Electric Vehicle Outlook 2022）报告，现在电动汽车销量占汽车总销量的5%～6%，一周的成交额超过2012年一整年的成交额。

业界关于电动汽车市场的预测不尽相同。不过根据市场调研公司IHS Markit的数据，预计到2030年，全球电动汽车的年销量将增加至6 500万辆。相比之下，燃油车的年销量将从2021年的6 800万辆下降到2030年的3 800万辆。

每辆新出厂的电动汽车都至少需要一台大功率电动机。目前有约85%的电动车都使用带永久磁体（PM）的电机，因为它们效率最高（98.8%）；少数使用交流感应电机和发电机，但其效率比永磁电机低4%～8%，而重量和体积各多出60%和70%。

尽管如此，这些非永磁电机和发电机仍然非常适用于卡车、轮船和风力涡轮发电机等。此外，易回收性也是其重要优势——理论上，它们可以由单一材料（例如铝）制成，然后在使用寿命结束后被熔化回收。诸如特斯拉之类的汽车企业甚至将永磁体和电磁方法用于更复杂的设计中，以优化汽车性能和续航里程。但我们需要知道，倘若没有固态电子技术的巨大进步，电动汽车行业绝无可能推陈出新。

磁引力

数千年前，希腊北部城市马格尼西亚的一位牧羊人注意到自己鞋上的钉子被一块磁性矿石牢牢吸住。自此，这类“磁石”走入了人类的生产生活，长期被用作指南针为行者导航。直到19世纪初，丹麦科学家汉斯•奥斯特（Hans Christian Ørsted）才发现电流可以影响指南针的磁性。

1821年，迈克尔•法拉第（Michael Faraday）将一根自由悬挂的电线浸入水银池中，并于池内放置了一块永久磁体，电线通电时，水流就开始绕磁铁旋转。这便是第一台展示旋转运动的电动机。1832年，英国科学家威廉•斯特金（William Sturgeon）发明了第一台能转动机械的直流电动机。美国发明家夫妻托马斯•达文波特（Thomas Davenport）和艾米丽•达文波特（Emily Davenport）大约在同一时间制造出首台实用的电池供电直流电动机。

一些稀土材料的价格飞涨，促使人们对新的磁体成分进行大量研究。

这些电机被用于运行机床和印刷机。但由于电池电源成本高昂，电机并未取得商业上的成功，达文波特夫妇最后破产了。其他试图开发电池供电直流电机的发明者也苦苦挣扎于电源成本问题。到了19世纪80年代，人们将注意力转向了交流电机，因为交流电可以在高压下远距离传输。

第一台交流“感应电机”由意大利物理学家伽利略•费拉里斯（Galileo Ferraris）于1885年发明。驱动感应电机的电流由定子绕组的磁场通过电磁感应获得。这款杰作的美妙之处是，它可以在没有与转子电连接的情况下制造——这也是尼古拉•特斯拉（Nikola Tesla）抓住的商业良机。特斯拉在1887年独立发明了自己的感应电机，并于次年获得了交流电机的专利。

然而，多年来永久磁体的磁场强度不高于天然磁铁矿的水平（约0.005 T）。直到20世纪30年代，随着铝镍钴合金（主要是铝、镍和钴的合金）的发展，实用的永磁直流电机和发电机才成为可能。20世纪50年代出现了低成本的铁氧体（陶瓷）永磁体；进入20世纪60年代后，业界研制出更强大的钐钴磁体。

但要说真正意义上的变革，还属20世纪80年代钕永磁体的问世。钕永磁体的主要成分为稀土金属钕以及铁和硼。现阶段N42级钕磁铁的磁场强度约为1.3 T。当然了，磁场强度并非磁体和电机设计的唯一关键指标，工作温度也很重要。

永久磁体的性能会因加热升温而下降，一旦温度超过“居里点”（钕磁铁的居里点约为320 ℃），它们就会完全退磁，电机也就成了摆设。所有稀土磁体（包括钕、钴和钐）的另一个重要特点是具备高矫顽性（或者叫保磁力），也就是工作时不易退磁。为制造拥有最高矫顽性和最佳温度性能的磁铁，生产者需向其加入少量重稀土元素，例如镝、铽和镨。

供应问题

稀土元素供不应求。根据咨询公司磁性材料2021年发布的一份报告，预计到2030年，全球对钕磁铁的总需求将比现在高出55 000吨，其中40%来自电动汽车，11%来自风力涡轮机。

中国目前生产了全球90%的钕磁铁，这就是为什么美国、欧盟和其他国家都在努力发展自己的供应链能力，以免处于劣势。一些稀土材料价格飞涨，也促使从业者开展大量研究工作，以寻找新型磁体成分，提升对现有磁体的回收水平，研制更先进的交流感应电机。

无论你怎么看，要想实现绿色经济，我们就需要大量磁铁。

资料来源 Physics World