技术突破可实现无稀土电动汽车

磁性材料有助于打破垄断

随着全球制造的电动汽车和卡车越来越多，围绕建造性能*、绿色的理想汽车的竞争正在展开。竞争目标是研制一种牵引电机，其功率、可靠性和重量至少与当今行业标准的稀土永磁同步电机一样，但不含稀土元素。钕和镝等稀土元素带来了高昂的环境成本和供应链风险，而中国对这些元素持有近乎垄断的份额。

在这种背景下，得益于通用航空航天公司的材料科学突破，同步磁阻电机引起了人们的兴趣。已知有两家公司正在开发具有非凡特性的材料，通用公司就是其中之一。这种非凡特性是指，当暴露在强磁场中时，材料的不同区域被磁化强度完全不同，要么完全没有被磁化，要么被高度磁化。在2023年一篇令人印象深刻的论文中，通用公司的研究人员报告称，他们使用一种双相磁性材料为同步磁阻电机生产了一种无稀土转子，该电机有着引人瞩目的特性。

“我相信这种材料会改变游戏规则。”IEEE会士、威斯康星州密尔沃基马奎特大学电气与计算机工程教授艾曼?艾尔拉菲（Ayman El-Refaie）说。艾尔拉菲于2005年发起了通用公司的双相材料项目。

通用公司的突破性材料

在测试中，通用公司电机的性能明显优于传统同步磁阻电机，这些传统同步磁阻电机除了转子由传统磁性材料制成以外，其他方面都与通用的电机相同。例如，在一次试验中，带有双相转子的电机在转速为1.4万转/分时，功率输出为23千瓦；同等转速下传统转子电机的功率输出仅为3.7千瓦。实验通用电机的峰值效率为94%，与目前商用电动汽车中使用的*佳电机不相上下。

要理解双相材料的前景，可以从同步磁阻电机的一些基础知识开始。它们与其他电机一样，有一个定子和一个转子。定子中旋转的磁场会磁化并作用于转子，转子通常由一种名为电工钢的铁磁合金制成。然后，转子会因为一种名为磁阻的现象而旋转，磁阻是一种会导致铁磁材料与磁场的磁力线对齐的特性。定子旋转磁场时，磁化的转子会不断地与旋转的磁场对齐，从而产生转矩。

转子和定子之间的磁相互作用会使转子旋转，磁相互作用集中在转子和定子上均匀间隔、被称为磁极的位置。不过，来自转子磁极的这些磁力线往往会互相干扰，减少可用于连接到相应定子磁极的磁力线或磁通量。通用公司双相材料研究团队的另一位资深人士、现任明尼阿波利斯Niron Magnetics公司首席技术官的弗兰克?约翰逊（Frank Johnson）说：“这会降低电机产生的总扭矩，因为产生的扭矩主要取决于转子和定子中电机磁极之间的磁通链。”

要将磁极在磁性上彼此隔离，一种选择是*小化转子磁极周围的桥和柱结构。在磁性材料较少的情况下，这些结构产生的磁通量较少，因此产生的干扰也较少。不过，这并不是一个很好的选择，因为将结构*小化会使这些区域变窄，导致机械性能变弱。这种弱点会极大地限制转子旋转的速度，从而限制电机的功率。

不过，使用双相材料，就可以使桥和柱不被磁化，而且可以使其更宽、更结实。通用公司在其实验性电机中就是这样做的。

目前还没有哪家公司能提供适用于大功率机器的双相磁性材料，《科技纵览》采访过的人也没有能够表明通用航空航天公司是否会许可或制造这种材料。（通用航空航天公司拒绝让研究人员接受《科技纵览》的相关采访。）除了通用公司，已知的*一家从事双相磁性材料研究的公司是前身为日立金属株式会社的Proterial公司。

马奎特大学的艾尔拉菲表示，随着进一步的开发，通用公司的双相材料可以得到改进。例如，该材料的*大饱和磁通密度为1.5特斯拉，远低于普通电工钢的极限值2特斯拉。磁通密度是衡量材料磁化强度的指标。

不过，技术进步可能并非实现商业化的*大障碍。约翰逊说：“找到愿意并且能够生产用于制造双相转子的轧制金属板的钢铁生产商是一个重要的障碍。我们开发的合金具有非常低的成本要素，这就产生了矛盾，使其成为一个很难的商业案例，除非有非常大的制造量，并投资大量的设备。”

如果这种材料真的投入大规模生产，那么其优势将远远超过同步磁阻电机。马奎特大学、韩国庆山庆南大学和俄罗斯乌法科技大学的项目已经证明了双相材料在永磁同步电机和发电机中的优势。

艾尔拉菲说：“受益的不仅仅是内部永磁电机（IPM）机器，出于不同的原因，它在其他类型的机器中也有优势。”