綠色經(jīng)濟(jì)需要大量磁鐵

編譯 莫莊非

裝配線上的綠色未來電動(dòng)汽車電機(jī)

第11屆國(guó)際電力電子、機(jī)器和驅(qū)動(dòng)器會(huì)議（PEMD2022）2022年在英國(guó)紐卡斯?fàn)柺信e辦。如果你是參會(huì)者，定會(huì)為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的巨大性能提升而驚嘆。此外，你也可能思考這樣一個(gè)問題：我們距離那個(gè)全面電動(dòng)化、綠色經(jīng)濟(jì)的無碳時(shí)代，還有多遠(yuǎn)？

電動(dòng)汽車（包括全電池驅(qū)動(dòng)、燃料電池和插電式混合動(dòng)力汽車）的全球銷量在2021年翻了一番，創(chuàng)下660萬輛的歷史新高。根據(jù)《2022年全球電動(dòng)汽車展望》（Global Electric Vehicle Outlook 2022）報(bào)告，現(xiàn)在電動(dòng)汽車銷量占汽車總銷量的5%～6%，一周的成交額超過2012年一整年的成交額。

業(yè)界關(guān)于電動(dòng)汽車市場(chǎng)的預(yù)測(cè)不盡相同。不過根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司IHS Markit的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2030年，全球電動(dòng)汽車的年銷量將增加至6 500萬輛。相比之下，燃油車的年銷量將從2021年的6 800萬輛下降到2030年的3 800萬輛。

每輛新出廠的電動(dòng)汽車都至少需要一臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)。目前有約85%的電動(dòng)車都使用帶永久磁體（PM）的電機(jī)，因?yàn)樗鼈冃首罡撸?8.8%）；少數(shù)使用交流感應(yīng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)，但其效率比永磁電機(jī)低4%～8%，而重量和體積各多出60%和70%。

盡管如此，這些非永磁電機(jī)和發(fā)電機(jī)仍然非常適用于卡車、輪船和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)等。此外，易回收性也是其重要優(yōu)勢(shì)——理論上，它們可以由單一材料（例如鋁）制成，然后在使用壽命結(jié)束后被熔化回收。諸如特斯拉之類的汽車企業(yè)甚至將永磁體和電磁方法用于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，以優(yōu)化汽車性能和續(xù)航里程。但我們需要知道，倘若沒有固態(tài)電子技術(shù)的巨大進(jìn)步，電動(dòng)汽車行業(yè)絕無可能推陳出新。

磁引力

數(shù)千年前，希臘北部城市馬格尼西亞的一位牧羊人注意到自己鞋上的釘子被一塊磁性礦石牢牢吸住。自此，這類“磁石”走入了人類的生產(chǎn)生活，長(zhǎng)期被用作指南針為行者導(dǎo)航。直到19世紀(jì)初，丹麥科學(xué)家漢斯?奧斯特（Hans Christian ?rsted）才發(fā)現(xiàn)電流可以影響指南針的磁性。

1821年，邁克爾?法拉第（Michael Faraday）將一根自由懸掛的電線浸入水銀池中，并于池內(nèi)放置了一塊永久磁體，電線通電時(shí)，水流就開始繞磁鐵旋轉(zhuǎn)。這便是第一臺(tái)展示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。1832年，英國(guó)科學(xué)家威廉?斯特金（William Sturgeon）發(fā)明了第一臺(tái)能轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的直流電動(dòng)機(jī)。美國(guó)發(fā)明家夫妻托馬斯?達(dá)文波特（Thomas Davenport）和艾米麗?達(dá)文波特（Emily Davenport）大約在同一時(shí)間制造出首臺(tái)實(shí)用的電池供電直流電動(dòng)機(jī)。

一些稀土材料的價(jià)格飛漲，促使人們對(duì)新的磁體成分進(jìn)行大量研究。

這些電機(jī)被用于運(yùn)行機(jī)床和印刷機(jī)。但由于電池電源成本高昂，電機(jī)并未取得商業(yè)上的成功，達(dá)文波特夫婦最后破產(chǎn)了。其他試圖開發(fā)電池供電直流電機(jī)的發(fā)明者也苦苦掙扎于電源成本問題。到了19世紀(jì)80年代，人們將注意力轉(zhuǎn)向了交流電機(jī)，因?yàn)榻涣麟娍梢栽诟邏合逻h(yuǎn)距離傳輸。

第一臺(tái)交流“感應(yīng)電機(jī)”由意大利物理學(xué)家伽利略?費(fèi)拉里斯（Galileo Ferraris）于1885年發(fā)明。驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的電流由定子繞組的磁場(chǎng)通過電磁感應(yīng)獲得。這款杰作的美妙之處是，它可以在沒有與轉(zhuǎn)子電連接的情況下制造——這也是尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）抓住的商業(yè)良機(jī)。特斯拉在1887年獨(dú)立發(fā)明了自己的感應(yīng)電機(jī)，并于次年獲得了交流電機(jī)的專利。

然而，多年來永久磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度不高于天然磁鐵礦的水平（約0.005 T）。直到20世紀(jì)30年代，隨著鋁鎳鈷合金（主要是鋁、鎳和鈷的合金）的發(fā)展，實(shí)用的永磁直流電機(jī)和發(fā)電機(jī)才成為可能。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了低成本的鐵氧體（陶瓷）永磁體；進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，業(yè)界研制出更強(qiáng)大的釤鈷磁體。

但要說真正意義上的變革，還屬20世紀(jì)80年代釹永磁體的問世。釹永磁體的主要成分為稀土金屬釹以及鐵和硼。現(xiàn)階段N42級(jí)釹磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為1.3 T。當(dāng)然了，磁場(chǎng)強(qiáng)度并非磁體和電機(jī)設(shè)計(jì)的唯一關(guān)鍵指標(biāo)，工作溫度也很重要。

永久磁體的性能會(huì)因加熱升溫而下降，一旦溫度超過“居里點(diǎn)”（釹磁鐵的居里點(diǎn)約為320 ℃），它們就會(huì)完全退磁，電機(jī)也就成了擺設(shè)。所有稀土磁體（包括釹、鈷和釤）的另一個(gè)重要特點(diǎn)是具備高矯頑性（或者叫保磁力），也就是工作時(shí)不易退磁。為制造擁有最高矯頑性和最佳溫度性能的磁鐵，生產(chǎn)者需向其加入少量重稀土元素，例如鏑、鋱和鐠。

供應(yīng)問題

稀土元素供不應(yīng)求。根據(jù)咨詢公司磁性材料2021年發(fā)布的一份報(bào)告，預(yù)計(jì)到2030年，全球?qū)︹S磁鐵的總需求將比現(xiàn)在高出55 000噸，其中40%來自電動(dòng)汽車，11%來自風(fēng)力渦輪機(jī)。

中國(guó)目前生產(chǎn)了全球90%的釹磁鐵，這就是為什么美國(guó)、歐盟和其他國(guó)家都在努力發(fā)展自己的供應(yīng)鏈能力，以免處于劣勢(shì)。一些稀土材料價(jià)格飛漲，也促使從業(yè)者開展大量研究工作，以尋找新型磁體成分，提升對(duì)現(xiàn)有磁體的回收水平，研制更先進(jìn)的交流感應(yīng)電機(jī)。

無論你怎么看，要想實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)，我們就需要大量磁鐵。

資料來源 Physics World