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特斯拉宏图计划公布日，除了减少75%SiC 引起汽车和SiC界极大震动（点这里.），为降电子设备复杂性和成本，特斯拉还指向汽车“心脏”——占据成本较高的电机（占动力系统约15%），宣布下一代永磁电机将不再使用稀土材料，也使得A股稀土板块开盘遭重挫，牵动稀土、电机和汽车界的神经。
“稀土造永磁电机” 是当前最为主流的方式，特斯拉曾经确实使用过无稀土的交流感应电机，但因扭矩与功率密度低、体积大等原因，在2018年Model 3上市时特地转用稀土造永磁电机。那么下一代不用稀土，真的可以在不损失能效的前提下实现吗？“稀土造”作为当前最具性价比的方式，普遍认为不可能实现，这也是情理之中。但特斯拉的话，不能不信，但也不能全信。本文将着力探讨以下几个问题，看看不用永磁王稀土造的可能性。问题3：不损失能效的前提下，“去稀土化”能实现吗？电机关系到汽车的最高车速、加速时间、爬坡能力等。永磁电机，即可以在制造电机转子时加入永磁材料，使电机性能得到进一步提升，小巧紧凑，效率更高。通常将一经磁化即能保持恒定磁性的材料，称为永磁材料，大致可分为2类：一是一般永磁材料，如铝镍钴（AlNiCo）、铁氧体（锶钡及镁锰铁氧体等）；二是稀土永磁材料，如钐系磁体（如SmCo5）及钕系磁体（如钕铁硼NdFeB）。稀土材料比十九世纪的铝镍钴磁性能高100多倍，为永磁材料的应用开辟了新纪元。其中钕铁硼又属世界上磁能积最高的永磁材料，为铁氧体高3倍，被誉为“现代永磁之王”，这个材料带来的变革，具有划时代的意义。
永磁材料的分类（来源：行家说Research）
当前来看，在永磁电机上，最主流应用的稀土磁性材料即是钕铁硼。稀土材料主要掌握在中日两国。其中稀土矿中国供给占60-70%，冶炼分离超过90%。中国永磁材料的研制虽然相比欧美日国家，均晚了10多年，但是我国稀土资源丰富，所以在稀土永磁材料研制和生产神速，实现赶超。故稀土资源不丰富的国家一直在努力寻求一个没有稀土的永磁电机技术路线。而特斯拉大概就是为了摆脱稀土在美国的供应不足的问题，减轻对供应链层面限制的担忧。目前稀土价格偏高。稀土材料占电机最大成本，在30%以上，若换掉稀土材料，有机会大幅降本。稀土材料制成的磁铁（如钕铁硼磁铁）的采矿、提取和制造过程是劳动密集型、昂贵且对环境有害。此次宏图计划重点是“疯狂的拯救地球计划”， 不用稀土，可一定程度达成环保目标。所以综上，对于特斯拉而言，持续存在的供应链和地缘政治问题，会让稀土材料的价格和供应都不稳定，加上特斯拉本身的环保战略，“去稀土化”就容易理解了。特斯拉弃用稀土电机，无非两条路：一是换材料，即采用非稀土永磁材料，二是换电机工作方式，比如采用自励电机。此前宝马i7就已经采用既不含稀土材料的电励磁同步电机。
电动机分类（来源：行家说Research）
从目前电动机市占来看，电动车以永磁同步电动机和三相异步电动机为主，业内普遍认为，从综合性能来看，稀土永磁同步电机最具优势。相关数据显示，2021年国内新能源车永磁同步电机装机比例已超过98%。而有一些高端电动车的动力系统，也会采用搭载“前永磁，后感应”的双电机配置。但特斯拉在会上明确，仍然采用“永磁机”，所以理论上“从材料替代的角度”而非“电机类型”，来探讨无稀土电机的潜在路径，更为合适。电机专家王志新教授最近也公开表示，早在5年前，国内就有技术团队观察到特斯拉在进行“去稀土化”相关研究，近年来开始有向产品化发展的趋势。目前来看，以下3种材料替换方案的可行性被业界讨论最多。按照前面的说法，铝镍钴是最早开发出来的一种永磁材料，其次是铁氧体永磁。虽然这些材料在特殊领域仍有应用，但随着稀土永磁的问世，在磁性能上的碾压性优势，使得这两种材料在永磁在电机中的应用逐步被取代。换言之，虽然采用铝镍钴或铁氧体永磁可以降低成本，但也将意味着牺牲磁性性能，这是技术上“开倒车”行为。特斯拉作为一个主机厂，为平衡成本和性能，如果原有的技术路线又有了新的技术突破，也可能采用铁和镍等材料作为稀土材料上的替代，用损失一部分效率或者续航，来应对可能的供应链紧张或者成本问题。如在自动驾驶层面的传感器选择上，特斯拉就一直坚持成本更低的纯视觉路线，而拒绝价格高昂的激光雷达，但是当技术出现一定突破，将有可能重新选择。（点这里. 特斯拉自动驾驶新宠:“4D雷达”及供应链盘点）此外，值得注意的是，以上两种材料，不像稀土开发易踩“环保红线”，较为符合特斯拉的这次宏图计划中的环保战略。但若只是更换现有材料就能达到的事情，在这种重要级别的大会上重点提出，似乎又不太合乎常理。所以，行家说推测，更大概率是采用特殊新型磁性材料代替稀土。在众多新型磁性材料中，氮化铁磁体（Fe16N2）值得期待，与钐钴硬磁材料相比，尤其是纳米尺度的氮化铁更是制备磁性液体和磁性器件的理想原料，也正因为不含稀土元素，这类永磁材料得到了广泛的关注。在理论性能上具备替代“永磁王钕铁硼”的可能性。据行家说了解，目前在全球范围内，重点主推氮化铁磁体的是美国Niron。行家说发现，Niron是美国一家新兴磁材厂商，这家公司的技术背景是美国的明尼苏达大学（联合创始人王建平教授），且获得了美国能源部高级研究计划署(ARPA-E)的多次资助，和沃尔沃汽车技术基金的投资，管理团队中有通用汽车前高管。目前通用汽车公司和美国马凯特大学也与Niron开发了 EV 动力传动系统。早在2021年，就筹集2130万美元主要就是用于无稀土氮化铁永磁体商业化，最近的一笔是2022年11月获得ARPA-E 1750 万美元投资，这一材料丰富，不受供应限制或价格不稳影响，且生产过程在某些环境影响比稀土材料少95%。Niron提到，氮化铁具有所有已知化合物中最高的磁通密度（行家说注：磁通密度与电动机中的扭矩密度成正比, 氮化铁目前约在1-1.5T，钕磁铁约为 1.3 T），且有非常低的可逆温度系数，这意味着它在极高和极低的工作温度下，比其他材料都更能保持其磁性。且制造工艺结合了纳米材料工程的突破与广为人知的成熟冶金方法，可以实现不到稀土材料一半的成本来提供高性能磁体。（主流的稀土磁铁NdFeB中的钕成本约为120 美元/每公斤，而铁和氮仅为数十美分每公斤）此前，Niron在2021年曾公开，第二代磁铁将提供1.5T的磁场强度，并将解决更高扭矩密度和高工作温度的应用——包括电动汽车传动系统和风力涡轮机，将开始对选定的合作伙伴进行有限数量的供应。据行家说了解，目前，已有六家全球领先的磁铁设备制造商与 Niron 达成合作。包括沃尔沃汽车、西部数据等，以及全球前五大的电动工具制造商。此外，据了解，英国一家Motor Design公司基于Niron 的氮化铁以及钕磁铁材料，分别设计了两台适用于 Toyota Prius 的30kW、125Nm驱动电机。结果显示，与稀土材料NdFeB 相比，在直径不变的情况下，钢和铜用量减少，体积和重量减少了 10-15%，磁材节省了15-30%。（视频来源：Niron Magnetics，Youtube）加入行家说动力总成群，请加VX：hangjiashuo888 
来源：Niron Magnetics
当然，氮化铁磁体也有明显缺点。电动机所需的永磁体需要高能量密度，或高磁性和矫顽力。而氮化铁矫顽力就明显低于钕。（行家说注：矫顽力代表磁性材料抵抗退磁的能力，即保持相同磁性水平的能力），氮化铁在 4000 到 5000 Oe之间，而稀土材料钕的矫顽力约为 12,000 Oe或更高，但会随着温度升高而下降。据了解，雪佛兰 Bolt 动力传动系统在2023年底将使用 Niron 的第二代磁体材料。此外在投资者日上，特斯拉也强调了铁是地球上最常见的元素，如何发展铁基电池十分重要。所以在电池和电机上同时进行“铁元素”相关的研究，也合乎环保战略。从Niron开始小批量供应，到现在已经有近两年时间。种种迹象表明，Niron氮化铁磁体确实存在替换稀土材料的可能性，特斯拉转用这一材料具备可行性。此外，同样在2021年，美国匹兹堡大学与纳米工程复合材料生产商Powdermet也公开了共同研发的基于MnBi(锰－铋)的无稀土电机。同样也获得了美国能源部20万美元的拨款。这种材料成本低、磁晶各向异性高和在室温下有良好的磁化强度，且MnBi 的低温相 (LTP) 具有正的矫顽力温度系数（高达 200 °C），这使其成为永磁电机等高温应用的潜在候选者。MnBi 的挑战在于，传统的制造方法需要高热量才能将单个材料转化为大磁铁，而这种热量会降低磁铁的能量密度。为了解决这个问题，美国能源部 (DOE) 关键材料研究所 (CMI) 和艾姆斯国家实验室的研究人员开发了一种替代制造工艺。研究人员开发了一种基于微观结构工程制造锰铋 (MnBi) 磁体的新方法——首先每种材料使用非常细的粉末，其次使用温暖的加热方法（而不是高温方法）来形成磁铁，再添加一种非磁性成分，以防止谷物颗粒相互接触。这种称为“晶界相”的额外元素则为磁体提供了更多结构，并防止穿过单个晶粒的磁性影响其他晶粒。这一进步代表着在不使用稀土的情况下制造紧凑、节能的电动机迈出了关键一步。
在实验室中制造的越来越小的磁铁，展示了如何扩大制造方法。（来源：美国能源部艾姆斯国家实验室）
目前艾姆斯国家实验室也正与Powdermet合作来大规模生产用于新型电动机的 MnBi 磁体。综上，行家说Research认为，从美国能源部的投资力度和Niron、Powdermet各自目前的成果来看，氮化铁磁体商业化进程比MnBi(锰铋)更快，所以特拉斯采用氮化铁磁体的几率显然更高。不过，特斯拉电机何时起不用稀土，这是最大的bug，毕竟新材料的研发不是一朝一夕之事，尤其汽车行业对电机等关键部件的认证可能需要多年才能完成，这或许也是特斯拉没有直接公布采用何种新材料或技术的原因。如此，稀土厂商也不必过于紧张，仍然有时间准备应对。同时，即使特斯拉采用了不用稀土的技术路线，国内新能源汽车品牌，也未必一定会跟进，毕竟中国并不缺稀土供应。
