特斯拉永磁电机不用稀土了？怎么做到的？

在本月初举办的特斯拉投资者上，Elon Musk等人以关于能源和环境的漫无边际、详细的讨论开始，然后转变为一系列基本上可以预见的公告和吹嘘。然后，莫名其妙地传来了一个绝对的重磅炸弹：“我们设计了我们的下一个驱动单元，它使用永磁电机，根本不使用任何稀土元素，”特斯拉电力总监Colin Campbell宣称。

这是一个惊人的发现，让大多数永磁专家都感到警惕和困惑。特拉华大学的研究员Alexander Gabay直截了当地说：“我怀疑在不久的将来任何非稀土永磁体都可以用于同步牵引电机。” 在瑞典的乌普萨拉大学，物理学家Alena Vishina阐述道，“我不确定是否有可能只使用不含稀土的材料来制造强大而高效的电机。”

在最近的一次磁学会议上，位于阿灵顿的德克萨斯大学教授Ping Liu询问其他研究人员他们对特斯拉的声明有何看法。“没有人完全理解这一点，”他报告说。（特斯拉没有回复要求详细说明Campbell评论的电子邮件。）

特斯拉的技术实力不容小觑。但另一方面，这家公司——尤其是它的首席执行官——有过偶尔做出耸人听闻的声明但没有成功的历史（例如，我们仍在等待35,000 美元的 Model 3 ）。

这里的问题是物理学，即使是特斯拉也无法改变。当晶体中某些原子的电子自旋被迫指向同一方向时，某些晶体材料就会出现永磁现象。这些对齐的自旋越多，磁性越强。为此，理想的原子是那些未配对的电子在所谓的3d 轨道中围绕原子核聚集的原子。顶部是铁，有四个不成对的 3d 电子，顶部是钴，则有三个。

但仅凭 3d 电子还不足以制造超强磁铁。正如研究人员几十年前发现的那样，通过在 4f 轨道上添加具有未成对电子的晶格原子，尤其是稀土元素钕、钐和镝，可以大大提高磁强度。这些 4f 电子增强了晶格的一种称为磁各向异性的特性——实际上，它们促进了原子的磁矩与晶格中特定方向的粘附。反过来，可以利用它来实现高矫顽力，让永磁体保持磁化状态的基本特性。此外，通过几个复杂的物理机制，未配对的 4f 电子可以通过协调和稳定晶格中 3d 电子的自旋排列来放大晶体的磁性。

自 1980 年代以来，基于钕、铁和硼 (NdFeB)的化合物的永磁体主导了高性能应用，包括电机、智能手机、扬声器和风力涡轮发电机。伦敦 Roskill Information Services 2019 年的一项研究发现，汽车牵引电机中使用的永磁体中有90%以上是 NdFeB。

那么，如果特斯拉的下一款电机不是稀土永磁体，那会是哪种？在愿意推测的专家中，选择是一致的：铁氧体磁铁。在迄今为止发明的非稀土永磁体中，只有两种在大规模生产：铁氧体和另一种称为铝镍钴（铝镍钴）的永磁体。特斯拉不会使用 Alnico， IEEE Spectrum联系的六位专家坚称。这些磁铁很脆弱，更重要的是，全球钴供应量不足，它们仅占永磁体市场的不到 2% 。

基于一种氧化铁的铁氧体磁铁价格便宜，按销售额计算占永磁体市场的近 30%。但它们也很脆弱（一个主要用途是关上冰箱门）。永磁体的一个关键性能指标是其最大能量积，以兆高斯-奥斯特 (MGOe) 为单位测量。它反映了磁体的强度及其矫顽力。对于汽车牵引电机常用的那种钕铁硼，这个值一般在35MGOe左右。对于最好的铁氧体磁铁，它大约是 4。

特斯拉投资者日3 月 1 日的会议以关于能源和环境的漫无边际、详细的讨论开始，然后转变为一系列基本上可以预见的公告和吹嘘。然后，莫名其妙地传来了一个绝对的重磅炸弹：“我们设计了我们的下一个驱动单元，它使用永磁电机，根本不使用任何稀土元素，”特斯拉电力总监科林坎贝尔宣称-培养工程。

这是一个惊人的发现，让大多数永磁专家都感到警惕和困惑。特拉华大学的研究员Alexander Gabay直截了当地说：“我怀疑在不久的将来任何非稀土永磁体都可以用于同步牵引电机。” 在瑞典的乌普萨拉大学，物理学家Alena Vishina阐述道，“我不确定是否有可能只使用不含稀土的材料来制造强大而高效的电机。”

这里的问题是物理学，即使是特斯拉也无法改变。

在最近的一次磁学会议上，位于阿灵顿的德克萨斯大学教授Ping Liu询问其他研究人员他们对特斯拉的声明有何看法。“没有人完全理解这一点，”他报告说。（特斯拉没有回复要求详细说明坎贝尔评论的电子邮件。）

特斯拉的技术实力不容小觑。但另一方面，这家公司——尤其是它的首席执行官——有过偶尔做出耸人听闻的声明但没有成功的历史（例如，我们仍在等待35,000 美元的 Model 3 ）。

这里的问题是物理学，即使是特斯拉也无法改变。当晶体中某些原子的电子自旋被迫指向同一方向时，某些晶体材料就会出现永磁现象。这些对齐的自旋越多，磁性越强。为此，理想的原子是那些未配对的电子在所谓的3d 轨道中围绕原子核聚集的原子。顶部是铁，有四个不成对的 3d 电子，顶部是钴，有三个。

但仅凭 3d 电子还不足以制造超强磁铁。正如研究人员几十年前发现的那样，通过在 4f 轨道上添加具有未成对电子的晶格原子，尤其是稀土元素钕、钐和镝，可以大大提高磁强度。这些 4f 电子增强了晶格的一种称为磁各向异性的特性——实际上，它们促进了原子的磁矩与晶格中特定方向的粘附。反过来，可以利用它来实现高矫顽力，让永磁体保持磁化状态的基本特性。此外，通过几个复杂的物理机制，未配对的 4f 电子可以通过协调和稳定晶格中 3d 电子的自旋排列来放大晶体的磁性。

自 1980 年代以来，基于钕、铁和硼 (NdFeB)的化合物的永磁体主导了高性能应用，包括电机、智能手机、扬声器和风力涡轮发电机。伦敦 Roskill Information Services 2019 年的一项研究发现，汽车牵引电机中使用的永磁体中有90%以上是 NdFeB。

那么，如果特斯拉的下一款电机不是稀土永磁体，那会是哪种？在愿意推测的专家中，选择是一致的：铁氧体磁铁。在迄今为止发明的非稀土永磁体中，只有两种在大规模生产：铁氧体和另一种称为铝镍钴（铝镍钴）的永磁体。特斯拉不会使用 Alnico， IEEE Spectrum联系的六位专家坚称。这些磁铁很脆弱，更重要的是，全球钴供应量不足，它们仅占永磁体市场的不到 2% 。

有超过 20 种永磁体不使用稀土元素，或者使用的稀土元素不多。但这些都没有在实验室之外产生影响。

基于一种氧化铁的铁氧体磁铁价格便宜，按销售额计算占永磁体市场的近 30%。但它们也很脆弱（一个主要用途是关上冰箱门）。永磁体的一个关键性能指标是其最大能量积，以兆高斯-奥斯特 (MGOe) 为单位测量。它反映了磁体的强度及其矫顽力。对于汽车牵引电机常用的那种钕铁硼，这个值一般在35MGOe左右。对于最好的铁氧体磁铁，它大约是 4。

西班牙巴斯克材料、应用和纳米结构中心的磁学研究员Daniel Salazar Jaramillo说：“即使你得到性能最好的铁氧体磁铁，你的性能也会比钕铁硼低 5 到 10 倍。”。因此，与使用 NdFeB 磁体构建的同步电机相比，基于铁氧体磁体的同步电机将更大、更重、更弱，或者两者兼而有之。

可以肯定的是，还有许多其他永磁体不使用稀土元素或使用的稀土元素不多。但这些都没有在实验室之外产生影响。商业上成功的永磁体所需的属性列表包括高磁场强度、高矫顽力、耐高温、良好的机械强度、易于制造以及不依赖稀缺、有毒或由于其他原因而有问题的元素. 今天的所有候选人都未能勾选其中一个或多个方框。

氮化铁磁体，来自初创公司 Niron Magnetics 的磁体，是新兴的不使用稀土元素的永磁体中最有前途的磁体之一。

但一些研究人员说，再给它几年时间，其中一两个很可能会取得突破。其中最有前途的是：氮化铁 Fe 16 N 2。明尼阿波利斯的一家初创公司Niron Magnetics现在正在将这项技术商业化，这项技术是2000 年代初期明尼苏达大学的Jian Ping Wang在ARPA-E 的资助下开创的，此前他曾在 Hitachi 工作。Niron 的执行副总裁 Andy Blackburn 告诉Spectrum，该公司打算在 2024 年晚些时候推出其首款产品。Blackburn 表示，这将是一种能量积高于 10 MGOe 的永磁体，他预计其将应用于扬声器和传感器等领域。如果成功，这将是自40年前的钕铁硼以来第一个商业化的新型永磁体，也是自60年前最好的铁氧体类型锶铁氧体以来第一个商业化的非稀土永磁体。

据 Blackburn 称，Niron 将在 2025 年推出能量积超过 30 MGOe 的磁铁。为此，他做出了一个相当大胆的预测：“它将具有与钕一样好或更好的通量。它将具有铁氧体的矫顽力，并且具有钐钴的温度系数”——优于钕铁硼。如果磁铁真的能够结合所有这些属性（一个很大的假设），它将非常适合用于电动汽车的牵引电机。

布莱克本宣称，未来还会有更多。“所有这些新的纳米级工程能力使我们能够创造出 20 年前不可能制造的材料，”他说。