長按識別二維碼，報名2018十大突破性技術中國區線下解讀會
釹鐵硼磁鐵 (NdFeB) 是一種體積小、重量輕、磁性強的永磁體，目前被大量用於混合動力汽車，風力發電以及機器人等多個新興產業。 而釹鐵硼磁鐵最關鍵的材料就是釹（Nd），一種昂貴的稀土元素 。 因此，釹的價格可以直接影響到下游多個行業的利潤。 而豐田近日表示， 針對電機等高能應用領域，成功發明出一款僅需標準釹鐵硼磁鐵幾分之一釹含量的磁鐵，有望打破對於釹的依賴。
對於釹這種稀土元素來說，雖然日益漸增的需求量正在導致其開採量逐漸提高，但與常見的元素相比，它還是十分“稀有”的。 豐田曾表示說： “隨著混合動力與純電動力等電動汽車在未來的銷量越來越高，我們擔憂將會引起釹供應的短缺。 ”
此外，中國在稀土市場中的霸主地位也令下游的外國公司十分擔憂。 比如 2011 年的“稀土危機”就曾導致釹等稀土元素的價格大幅度上漲。 因此，對於十分依賴釹元素來生產普銳斯這種新能源汽車的豐田公司來說，擺脫對中國稀土市場的控制是至關重要的。 豐田這款全新的磁鐵甚至都不需要铽或鏑，這兩種元素經常會被加入釹磁鐵中來提高它在 100 攝氏度以上的操作性。
釹鐵硼磁鐵的優勢在於 可以用極小的體積產生極大的磁場。 在添加鏑之後，釹鐵硼磁鐵也會擁有極高的矯頑力，即磁化後抵抗磁場減退的抗性。
在電動汽車使用的永磁交流電機（PMAC）中，釹鐵硼磁鐵通常會被嵌入轉子中，由電機定子中的電線通電所產生的磁場驅動。 在其它設計中，磁鐵也可以被嵌入定子中，或者受到直流電磁場的驅動。 相比之下，更常見的感應電機則沒有任何磁鐵，僅依靠定子中的電線通過電磁感應所產生的磁場來驅動轉子。
由於永磁電機可以依靠內部釹鐵硼磁鐵的磁場，它們往往體積更小、更輕便。 對於同時需要一個電機電池系統和一個內燃機的混合動力汽車來說，減少電機的體積十分重要。 因此，絕大多數的混合動力汽車都會使用永磁電機。 而作為純電動力汽車的特斯拉 Model S 與 Model X 則選擇使用更沉重的銅線圈感應系統。 不過，據說 Model 3 也轉向了永磁電機來減少體積與重量，兩個與續航里程有直接關係的參數（而且永磁電機的加速能力更強）。 此外，雪佛蘭 Bolt 也使用了釹磁鐵電機。
在豐田的新磁鐵中，豐田選擇使用更便宜的鑭和鈰來代替釹和鏑。 當然，同樣作為稀土元素的鑭和鈰的主要產地也是中國，所以這並不能解決上游供應鏈獨霸的問題。 但是與每公斤 100 美元的釹和每公斤 400 美元的鏑相比，每公斤 5 美元的鑭和每公斤 7 美元的鈰有望將新能源汽車的價格降一大截。
圖丨與傳統釹鐵硼磁鐵那均勻分佈的釹相比，豐田的磁鐵僅將釹放在磁鐵的表面。
為了降低釹的含量，豐田採取了多種手段。 簡單的將磁鐵中的釹替換為鑭和鈰並不現實，因為這將產生一塊矯頑力和耐熱性都不高的劣質磁鐵，意味著電機的性能也會無法保證。 因此，豐田的新磁鐵把所有的鑭和鈰顆粒都固定在內核中，然後再用一層釹把內核包起來。 此外，豐田還降低了所有金屬顆粒的大小。 據研究顯示，降低稀土磁鐵組件的大小可以有效地提高磁鐵存儲的磁能。 而豐田的研究人員成功的將這款磁鐵的組件降至傳統磁鐵的 1/10。
在不損失任何性能和矯頑力的前提下，豐田這款磁鐵的釹含量僅有傳統釹鐵硼磁鐵的 20-50%。 不過對於電動汽車來說， 它們暫時還做不到同等幅度的能效提升，大約只能帶來 20% 的的提升。 不過這也足以降低電機的成本。
目前，這款磁鐵技術還處於初期，需要更多的研究才能被用於汽車中。 豐田希望，這款磁鐵將在 2020 年代初期開始用於汽車的動力轉向系統，在後期再逐漸擴散到電動汽車電機中。
作為混合動力汽車的領頭羊，豐田對於全面進入全電動汽車市場卻十分猶豫。 但是，這並不意味著豐田的研究人員會忽略電動汽車技術。 去年夏天，豐田就曾表示其研究院中有一款比特斯拉和雪佛蘭這些競爭對手所使用的電池更輕、更小、工作溫度範圍更好的固態電池即將進入生產工藝設計。
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編輯：陳翔宇 校審：Harlan
參考：
https://arstechnica.com/cars/2018/02/neodymium-more-like-neo-dont-mium-new-magnet-uses-fewer-key-rare-earths/
http://www.buzzfunnews.com/2018037644.html
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