在电动汽车驱动电机中采用无重稀土钕铁硼磁体可降低供应链风险，但会牺牲高温矫顽力并增加退磁风险。本文剖析了无重稀土与传统含镝铽牌号的工程权衡，强调必须基于峰值温度下的实测退磁曲线进行评估。设计工程师将掌握如何在磁路中分配矫顽力裕度，通过优化热管理、调整磁体厚度及抑制电枢反应来避免退磁。采购决策者将明确采用该材料所需的系统级设计调整，从而在保障电机可靠性的前提下，做出兼顾供应安全与合规目标的明智决策。
无重稀土 NdFeB 磁体在新能源汽车电机中的实际表现如何？
为什么采购和设计工程师必须重新审视无镝/无铽磁材牌号
电动汽车驱动电机工程师面临的抉择已不再仅仅是“选择哪种磁材牌号”，而是在将稀土供应风险和客户合规要求纳入设计成本后，哪种牌号依然可行。十多年来，镝和铽一直是常用的添加剂，有助于烧结钕铁硼在驱动电机转子的高温环境下保持矫顽力。这两种元素也集中在供应链中地缘政治敏感的部分，且越来越多的客户规范现在正寻求减少或消除它们的使用。因此，工程上的问题在于：无重稀土（HRE-free）牌号在矫顽力和温度裕度上的代价，与其所能换取的合规性、成本稳定性和供应安全性收益相比，是否可以接受。这实质上是在高温矫顽力裕度的可量化下降与无法从BH曲线上直接读出的重稀土暴露风险降低之间进行权衡。
在本文中，“无重稀土”是指在不添加镝或铽的情况下获得矫顽力的烧结钕铁硼磁体——通常通过轻稀土晶界扩散、晶界相工程、提高钕/镨含量并细化微观结构，或通过上述途径的组合来实现。性能问题不在于这类磁体能否在车辆中工作——实际已有量产应用——而在于特定牌号能否在您的电机实际额定的扭矩-转速-温度包络范围内保持其工作点。
无重稀土与含镝/铽牌号在驱动电机设计的关键维度上存在差异
以下比较并未使用通用的最大磁能积 (BH)max 表格。对于驱动电机而言，决定性因素是特定温度下的矫顽力裕度、该牌号在不发生不可逆退磁的情况下仍能提供可用磁通的温度、矫顽力处理工艺、供应链风险敞口以及成本趋势。诸如 UH 和 EH 等牌号字母代表的是室温矫顽力/常规最高使用温度等级；它们不能替代转子峰值温度下的退磁曲线。
| 比较维度 | 传统含镝/铽钕铁硼（以 UH–EH 等级为例） | 无重稀土钕铁硼（以 SH–UH 等级为例，通常采用扩散工艺） | 对设计的意义 |
|---|---|---|---|
| 20 °C 下的内禀矫顽力 | 指定为 UH/EH 时较高；在中国常见的牌号规范中，20 °C 下 UH 通常 ≥1990 kA/m，EH ≥2388 kA/m | 在室温下可满足 SH 级，若工艺能力强也可满足 UH 级；在未查看证书前，不要想当然地认为其字母等级较低 | 室温 Hcj 仅设定了起点。峰值温度下的膝点才是必须对照负载线进行校验的参数。 |
| 150–180 °C 下的矫顽力保持率 | 通常能保持较大比例的室温 Hcj，因为镝/铽提高了 Hcj 并支撑了高温膝点 | 保持率通常较低；即使 20 °C 的牌号字母看起来相似，膝点也可能在较低温度下出现 | 不可逆磁通损失开始发生的温度，是从供应商处获取的最重要的单一数据。 |
| 剩磁 Br | 相当；镝的替代会轻微稀释磁化强度 | 当镝/铽不占据晶格时，剩磁相当或略高 | 如果 Br 确实相当，气隙磁通（因此在给定电流下的扭矩）就不必是限制因素。需确认特定温度下的 Br，而不仅仅是 20 °C 时的数据。 |
| 数据手册最高使用温度 | 根据 GB/T 13560，通常为 180 °C (UH) 或 200 °C (EH)，在参考磁导系数下给出 | 相同的牌号字母意味着相同的常规最高温度 Tmax，但商用无重稀土牌号也提供 SH (150 °C) 级。电机内的实际能力可能低于字母所暗示的水平 | 如果包括热点在内的磁体峰值温度超过了高温曲线在您的磁导系数和峰值电流下所能支持的范围，请更改冷却方式或几何结构——或者保留含镝/铽的牌号。 |
| 矫顽力处理工艺 | 镝/铽分布于基体和/或晶界扩散 | 轻稀土扩散、晶界相工程和/或更高的钕-镨含量配合微观结构控制 | 穿过磁体厚度的扩散均匀性决定了实际的矫顽力。要求提供特定温度下的退磁曲线，而不仅仅是一个牌号字母。 |
| 合规性与供应敞口 | 镝和铽是重稀土，供应集中，且在主要司法管辖区被列为关键原材料 | 避免或大幅减少重稀土含量 | 支持客户的 ESG 和关键原材料报告。这是一项采购优势，但不能替代有效工作点的验证。 |
| 成本与价格波动 | 更易受镝/铽价格波动的影响 | 在其他条件相同的情况下，单位磁能成本通常更低且更稳定 | 磁体 BOM 成本更具可预测性，但这可能会被磁体体积、冷却或几何结构的改变所抵消。 |
| 监管方向 | 在明确要求减少重稀土的领域，面临日益严格的客户审查 | 顺应客户和政策减少重稀土依赖的压力 | 早期设计导入可降低客户日后强制要求减少镝/铽含量时被迫重新设计的风险。 |
工程上的结论很直接：无重稀土牌号并不会自动降低扭矩，但通常会减少温度裕度和膝点裕度。这正是必须重新审视转子热设计、磁体厚度和峰值电流退磁的维度。
矫顽力裕度随温度缩小，且必须在磁路中进行预算分配
烧结钕铁硼的内禀矫顽力随温度下降而降低。在液冷驱动转子所关注的温度范围内，线性温度系数是常见的一阶工程近似；但它不能替代在磁体峰值温度下实测的 J-H 曲线。决定磁体能否“存活”的，不是 20 °C 下的 Hcj，也不是将 Hcj(T) 与零进行比较。关键在于局部工作点是否仍高于该温度下退磁曲线的膝点。
工作点是磁体在温度 T 下的 J-H（或 B-H）曲线与磁路负载线的交点。该负载线由几何结构决定——磁化方向上的磁体厚度、气隙、漏磁和周围铁芯——通常总结为磁导系数，再加上峰值电流下定子电枢反应产生的退磁场。因此，一个有用的设计不等式是：
并留有一定裕度，以涵盖热点散布、制造公差和曲线不确定性。此处 是磁体内部的局部退磁场， 是温度 T 下的膝点场强，而非内禀矫顽力 。 是极化强度已降至零时的场强；以 为目标进行设计，意味着在不可逆损失已经开始后才进行设计。
有两个几何事实很容易被弄反。在组装好的电机中，更薄的磁体（磁化方向上的长度更小）通常会降低磁导系数并增加自退磁场。增加磁体厚度、减小气隙或以其他方式提高磁导系数，都能改善抗退磁能力；而为了“减少匝数 N”去减薄磁体则无济于事。峰值扭矩下的电枢反应通常是驱动电机中更大的威胁，尤其是在采用集中绕组的情况下，且这种威胁是局部的——IPM（内置永磁）转子的拐角和 SPM（表贴永磁）转子的后缘是典型的首先失效区域。单一的椭球退磁因子，或忽略峰值电流的二维负载线，都无法捕捉到这一现象。
如果将含镝/铽牌号替换为标称温度等级相同的无重稀土牌号，在 Br 相当的情况下，给定电流下的扭矩不一定会下降，但矫顽力裕度通常会下降。这一裕度必须通过以下一种或多种手段来恢复：
- 降低磁体峰值温度（改善冷却、控制损耗或采用较温和的工况）；
- 提高磁导系数（通常意味着增加磁体厚度和/或减小气隙——而不是减薄磁体）；
- 降低定子产生的峰值退磁磁动势（电流限制、控制策略或保护磁体拐角的磁路几何结构）；
- 选择其实测高温膝点确实能避开局部 的牌号。
上述任何一项都可能以质量、效率、电流能力或冷却能力为代价。这是一个系统级的权衡，而不是简单的牌号替换。
第二个定量影响是对于您的负载线而言，不可逆磁通损失开始发生的温度。该温度不是从 20 °C 数据手册中线性外推得出的，也不由 UH/EH 字母等级来保证。它取决于膝点形状、晶界处理工艺以及实际退磁场（包括电枢反应）。对于无重稀土候选材料，该起始点通常早于 20 °C 等级相似的含镝/铽牌号。唯一可靠的证据是在您将实际运行的磁体峰值温度下测量的退磁曲线——并且，如果工况包括该温度下的高电流，还需检查局部工作点，而不仅仅是开路高温曲线。在转子几何结构冻结之前，务必坚持获取这些数据。
无重稀土牌号仅在特定的温度、负载线和工况窗口内可行
当满足以下窗口条件时，将无重稀土牌号视为有效选择；当超出该窗口时，则视为错误选择。
首先，必须通过热分布图了解磁体峰值温度，而不是假设其等于冷却液温度，并使其保持在实测膝点在实际负载线上达到的温度以下。数据手册中的“最高工作温度”已经假设了一个参考磁导系数（通常接近 1），且未包含您的热点或峰值电流电枢反应。一个实用的起始规则是：将包括局部热点在内的磁体峰值温度保持在比该牌号数据手册 Tmax 低 20–30 °C 左右的水平，然后确认高温曲线在峰值电流下仍能避开负载线。20–30 °C 的区间是为测量不确定性和转子差异留出的裕度；它不是物理常数。如果冷却系统无法维持经过验证的裕度，那么无论节省了多少镝/铽，无重稀土牌号都是错误的选择。
其次，必须在实际磁路中控制退磁场。磁体厚度、气隙、磁极几何结构和峰值 d 轴电流决定了工作点是否位于膝点之上。如果现有设计使用了薄磁体，并依赖高 Hcj 的含镝/铽牌号来承受峰值电流，那么切换到无重稀土牌号就是一个几何结构和控制问题，而不仅仅是材料替换。
第三，必须如实定义最恶劣工况点：峰值磁体温度下、峰值电流时的峰值扭矩，包括逆变器实际允许的瞬态过程。在额定扭矩和平均工况下进行的认证，会漏掉将磁体推过膝点的事件。
第四，必须将转子寄生发热视为对矫顽力预算的直接攻击。分段磁体、关注 PWM 和空间谐波磁场下的磁体涡流，以及不将额外热量排入磁体的转子热路径，都是让无重稀土牌号发挥作用的一部分。它们不是可选的附加项。
第五，在矫顽力依赖于晶界扩散的情况下，磁体厚度是一把双刃剑：更厚的磁体有助于提高磁导系数，但扩散在厚部件中可能不均匀。扩散质量（而非证书上的牌号字母）决定了高温膝点。这是一个工艺和检验问题，应纳入采购规范中。
当无法控制膝点、热极限或工况循环时，不应使用无重稀土磁体
最常见的失效模式不是单次灾难性的退磁事件，而是累积的不可逆磁通损失。当磁体在其膝点附近工作时，热循环和电流循环都会各自造成剩磁的微小永久下降。经过大量循环后，扭矩会漂移至低于规格要求。这种模式在短期认证测试中很容易被遗漏，因为它表现为缓慢的漂移，而非硬性故障。
第二种失效模式是误用温度等级。如果该牌号仅凭室温 Hcj 进行销售，而晶界处理工艺处于边缘水平，那么 150–180 °C 下的真实膝点可能会远低于牌号字母所暗示的水平。数据手册上的等级不等于电机规格。要求提供实际磁体峰值温度下的退磁曲线，并对照包括峰值电流在内的局部负载线验证膝点。
第三个边界是应用包络本身。当电机经常承受高持续过载、转子冷却无法改善到足以保护膝点，或者磁体峰值温度确实高于高温曲线所能支持的范围且几何结构无法更改时，无重稀土磁体通常是错误的选择。在这些情况下，含镝/铽牌号仍然是物理上正确的选择；成本和供应方面的考量必须让位于保持磁体工作点在膝点之上。
第四个边界是出于合规驱动且未进行重新设计的替换。如果客户强制要求“无重稀土”，商业权衡便不复存在，电机必须围绕无重稀土牌号进行设计——对温度、厚度、峰值电流以及高温曲线的检验需进行全面的工程设计。将牌号直接替换到未作改动的含镝/铽转子中，并指望裕度依然足够，这正是缓慢磁通损失模式在现场出现的原因。
骏材磁应用将无重稀土磁体适配于电机包络，而非孤立地替换牌号
在这一决策中，应用合作伙伴的价值不在于纸箱上的牌号字母。而在于验证该牌号能否在特定的运行包络中存活。骏材磁应用的磁路与磁体应用结构设计工作正是针对这一验证：负载线、局部退磁场和热分布图必须在设计阶段获取，而不是在转子开模之后。骏材磁应用团队可以根据磁极几何结构、电流分布和温度分布对磁体工作点进行建模，并建议无重稀土牌号是否可行，或者是否需要更改厚度、冷却方式或磁路几何结构以恢复膝点裕度。
在过渡阶段，骏材磁应用的快速原型制作服务（最快 3-7 天即可提供样品），允许在生产工装投入之前，在转子或测试夹具上对无重稀土候选材料进行验证。这是回答该牌号能否在这款电机中保持工作点的务实方法。
由于上述失效模式是可测量的，永磁体质量检验是第三个关键要素。高温下的退磁曲线、针对规定牌号的矫顽力验证，以及尺寸和涂层检查，正是区分“纸上谈兵”的牌号与“现场实用”的牌号的关键。检验与永磁体行业使用的测量方法保持一致，因此数据可以直接与电机设计团队的需求进行对比。
对于在性能之外还权衡供应安全性的采购团队而言，骏材磁应用的全球供应和区域交付支持也是降低风险的一部分。选择无重稀土牌号通常是为了减少对集中的重稀土供应链的敞口；批次间一致的质量以及来自多个区域的交付能力，正是使这一选择具有可操作性而非仅仅停留在口头上的关键。
下一步：将牌号选择转化为经过验证的工作点
- 提取真实运行包络。 定义磁体峰值温度（包括热点）、峰值电流下的峰值扭矩，以及逆变器允许的最恶劣瞬态过程，并在比较牌号之前对照冷却设计进行确认。
- 要求提供特定温度下的退磁曲线，而不仅仅是牌号字母。 索取实际磁体峰值温度下的 J-H 或 B-H 曲线，并对照计算出的局部负载线（包括电枢反应）验证膝点。
- 在切换前量化膝点裕度。 在相同几何结构和相同的峰值电流、峰值温度点上，比较现有的含镝/铽牌号与无重稀土候选材料。将低于数据手册 Tmax 20–30 °C 的缓冲视为起始热裕度，然后在高温曲线上进行确认。
- 联系骏材磁应用进行咨询和磁路审查。 团队可以对磁体工作点进行建模，推荐适合该包络的无重稀土牌号和几何结构，并在 3-7 天内交付快速原型以供台架验证。访问 https://www.aicmagnetics.com 开启关于驱动电机磁体设计的讨论。
参考文献
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