無稀土馬達時代到來

[作者 盧傑瑞]

無論是基於政治影響、生產成本，或保護環境的前提下，開發出不需要稀土的電動車用馬達，已經是全球電機業者卯足全力發展的一個重大方向。

電動車採用感應馬達，從20世紀的90年代到2000年代初期，實際上已經有相當長的一段時間。然而，隨著永磁同步馬達的出現，感應馬達已經逐漸不被採用。

但是，永磁同步馬達需要透過稀土元素來確保耐熱性（這是磁鐵的弱點），並且可以在小型尺寸的馬達中產出高扭力。

目前混合動力（HV）和純電動車（EV）等永磁同步馬達，幾乎都是使用釹、鏑和?等重稀土材料，這是因為透過使用稀土，可以提高馬達的耐熱性，並且獲得高驅動力和發電量。不過，因為全球電動車，以及風力發電等再生能源的普及，刺激了稀土的需求增加，也因此推動了價格飆升。

稀土限制迫使開發新一代車用馬達

由於2010年釣魚台列嶼發生中國與日本漁船相撞事故的風波影響，對此中國政府針對日本限制稀土出口。近期再加上中美摩擦，導致中國又宣布限制稀土出口到美國，且由於與美國的貿易局勢持續緊張，中國對於稀土的輸出可能會再次受到限制，這一點已在接下來的出貨量得到了證實（圖一）。

這迫使了美日歐等車廠紛紛改變電動車馬達開發策略，朝向減少使用稀土材料，甚至完全不使用稀土的技術轉變。美國政府更是從政策面著手，透過反通膨法案的規範，要求美國車廠對於電動車整車組裝的零組件，以及礦物原料都必須要從北美當地提供，如果車上的磁鐵大量使用中國來的礦物，就無法獲得補助。日本政府也調整政策，致力於減少稀土使用量以降低風險，或協助業者分散稀土來源。

這樣的演變，使得BMW、豐田和通用汽車等其他汽車製造商，也開始呼籲減少對稀土的依賴。

特斯拉以發展無稀土永磁馬達為目標

特斯拉在2023年3月宣布將推出一款全新永磁馬達（PMSM），完全不使用稀土元素，背後的考量應該和美國政府的補助息息相關。

其實特斯拉最早使用的馬達，並沒有使用稀土，因為他們一開始採用的是交流電馬達。但為了降低成本，在後續所開發的車型，開始使用永磁直流馬達來驅動後輪，並透過在馬達轉子中放置永久磁鐵，傳動軸無需感應電流即可旋轉。

在降低對稀土的依賴方面，根據動力總成工程副總裁Colin Campbell表示，目前Model 3和Model Y已經將稀土消耗量減少了四分之一。

Campbell在這次宣布特斯拉將不再使用稀土元素的演講中，展示了2張關於三種「神秘材料」關鍵性投影片，稀土1、稀土2和稀土3。第一張投影片展示了目前的特斯拉，馬達中使用的稀土總量從500克到10克不等（圖二）；下一張投影片是未來技術的目標數據，一切都設定為「0」（圖三）。

從磁性材料研究人員的角度來看，這個「稀土1」是什麼就一目了然了。它就是釹，與鐵和硼結合時可以產生強大的永久磁場。但以目前來說，幾乎沒有其他物質具有這種特性，能夠產生足以提供2000公斤的特斯拉汽車、工業機器人和戰鬥機等提供動力。如果特斯拉的馬達中不再使用釹等稀土元素的話，那麼他們會使用哪種磁鐵來代替？便成了現場最大的黑箱技術。

產業界已經有專家朝向猜測利用鈷或是鐵氧體等其他化學元素來取代釹，其中被認為最有可能的是鐵氧體。鐵氧體是一種將鐵和氧與少量金屬（例如鍶）混合製成的陶瓷。它價格便宜且易於生產，自20世紀以來，它已被用於各種情況，包括用作保持冰箱門關閉的磁鐵材料。

另一方面，根據國外的媒體報導，因為鐵氧體的磁力只有同量的釹的十分之一左右，這就產生了磁力不足的新問題。但由於特斯拉的老闆Elon Musk是出了名的不妥協，因此如果特斯拉堅持要使用鐵氧體的話，就必須在某個地方做出妥協。

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