题记：尽管有技术优势，但社会、政治和环境障碍使稀土金属变得不受欢迎。

2022 BMW iX EV

随着汽车制造商为所有细分市场以及越来越多的预算推出各种车型，汽车市场终于转向了期待已久的电力驱动。这将见证为这些电动汽车提供动力的电动机生产相应的繁荣，这是一个挑战。

大多数电动汽车在其电机中使用永磁体，因为与使用电磁体的电机相比，从此类电机中获取令人满意的功率和效率更容易。问题在于，这些永磁体的强度是通过使用稀土金属得到加强的，就像 1980 年代第一款紧凑型耳机首次在其扬声器驱动器中使用这种材料时一样。

在永磁体电机中主要关注的元素是钕和镝。不同的是，汽车电机中的磁铁比耳机扬声器中的磁铁需要更多的这种材料。根据美国地质调查局的数据，每台电动机平均含有 200 克钕和 30 克镝。

据国际能源署称，预计电动汽车产量的增加将使电动汽车的镝需求量从 2017 年的 180 至 360 吨增加到 2030 年的 6,000 至 13,000 吨。与此同时，IEA 预测钕将从 582吨2017 年增加到了1,162吨，到 2030 年将增加到20,000 到 40,000 吨。

这就是我们遇到这种增长会给汽车制造商带来的问题的地方。为提取稀土而开采的矿石通常也含有放射性元素。根据 IDTechEx Research 的数据，从矿石中分离所需稀土的过程使用了大量致癌物质，如硫酸盐、氨和盐酸，因此处理一吨稀土材料会产生 2,000 吨有毒废物。

因此，大幅增加稀土金属开采存在环境障碍。此外，外媒称地缘政治风险可能会使这些材料变得遥不可及，或者使它们变得非常昂贵，目前我国控制着世界90%的稀土供应。 IDTechEx Research 报道称，2011 年在与日本的外交争端中促使我国限制稀土出口时，钕和镝的价格分别上涨了约 750% 和 2,000%。

据丰田称，添加镝（以及在较小程度上，铽）是为了提高磁铁在高温下保持磁化的能力（这称为“矫顽力（coercivity）”）。该公司于 2018 年宣布，已开发出世界上第一个零镝或铽的低钕、耐热磁体。该设计将钕的使用量减少了 50%，其中一部分钕被低成本的稀土镧和铈所取代。

丰田试图通过将磁体晶粒的尺寸减小来降低对稀土金属的需求

丰田发现，通过将磁体晶粒的尺寸减小到传统钕磁体中所发现的尺寸的十分之一或更少，并扩大晶界区域，可以在高温下保持高矫顽力。

简单地用钕和铈交换钕会导致运动性能下降。丰田工程师开发了抑制矫顽力和耐热性恶化的技术，即使用镧和铈代替钕，并开发出一种具有与早期钕磁铁相当的耐热性水平的磁铁。

减少稀土是通用汽车对其 Ultium 系列电动机采用的方法，这些电动机将用于从悍马 SUV 开始的新电动汽车中。该公司负责电气化战略和电池工程的总经理 Tim Grewe 表示，这使公司能够坚持使用永磁电机，同时减少对有问题的稀土材料的依赖。

通用汽车的 62 千瓦感应电机

通用汽车的 62 千瓦感应电机是 Ultium 系列的入门级产品，将用于全轮驱动应用。

“这是一个如何看待多变量问题并以不同的方式解决它的问题，”格鲁解释道。 “如果您查看钕和锂酸盐、镝、铽等添加剂，我们会在您需要的地方使用最少的量。我们把它放在我们需要的地方，以获得最大的效果。”他说，由于对稀土采矿对劳动者和环境影响的担忧，通用汽车在获取这些材料的地方很谨慎。 “我们拥有经过审核的安全、可持续、合乎道德的材料，”格鲁说。

研究员试图从煤灰中提取稀土元素

桑迪亚国家实验室正在开发一种以合乎道德的方式采购的稀土的未来选择，研究员徐广平正在那里寻求从煤灰中提取这些元素，煤灰是燃煤电厂的有毒残留物。

徐的分离方法使用二氧化碳、水和柠檬酸，而不是矿工使用的刺激性化学品。 “这项技术不仅可以在短时间内以对环境无害的方式提取稀土金属，而且实际上可以通过减少散布在美国的煤炭废物的毒性来改善环境，”徐说。

这种处理具有对煤灰解毒的额外效果，将其从有害废物转化为可用作混凝土填料或农业表土的产品。 “理论上，一家美国公司可以利用这种技术开采煤炭和煤炭副产品以获取稀土金属，并与中国矿业竞争，”徐说。此外，出于美国国家安全的目的，“拥有稀土金属的替代来源以避免受外国供应的支配可能是合理的。”

或者，汽车制造商可以从永磁电机转向使用电磁铁的电机。特斯拉在其部分电机中使用了感应电磁铁，大众、宾利和宝马都已承诺通过这条途径完全消除对稀土的使用。虽然通用汽车等公司指出永磁体的扭矩和效率优势，但 Drive System Design 的电动汽车研究人员表示，感应磁铁没有理由不能取代它们。

该公司在一份报告中表示：“我们的研究向我们证明，感应电机在某些应用中可能与它们的（永磁体）等效物一样具有经济可行性，同时避免受到稀土材料成本波动的影响。” “通过根据客户使用情况优化计算最佳负载分配策略，PM 和感应拓扑的组合也有可能在同一辆车内（例如在 4 轮驱动应用中）产生巨大影响。”这是通用汽车和特斯拉在全轮驱动车型中混合两种电机时使用的策略。

宝马新款 iX 电动跨界 SUV 动力系统负责人 Gerhard Baumgartner 解释说，电机电场的精确管理使感应电机与永磁电机一样高效和强大。 “这更复杂，”他承认。 “通过控制电场来做到这一点并不容易。”然而，结果是电机效率为 93%，鲍姆加特纳说。

BMW iX EV 的集成电动机组件

在我们对 iX 和 i4 的驾驶体验中，它们都采用了这些新的无稀土电机，我们发现这些汽车表现出出色的扭矩响应和加速度，因此使用这种设计似乎没有性能损失。而且这两款车都有 300 英里的续航里程，因此效率也与最新的永磁车型相当。

所有车型的所有制造商真正大规模生产电动汽车将需要解决稀土问题，因此看到工程师设计多种解决方案来克服这一障碍是令人鼓舞的。

（参考来源：EVdesign）