新能源汽车的驱动系统中，电机是产生主要驱动力的核心部件。作为现今的主流驱动电机之一的永磁同步电机最重要、最独特的组成部分就是转子上的永磁铁。而近些年的价格大幅波动以及中国拥有世界上绝大部分储存量的事实，又将作为制造永磁铁最重要的材料来源的稀土，变成了炙手可热的话题。本系列短文将向大家介绍一下对新能源汽车行业来说最重要的稀土元素及他们的应用。
一、 稀土金属元素
稀土元素是17种特殊的元素的统称，它的得名是因为瑞典科学家在提取稀土元素时应用了稀土化合物，所以得名稀土元素。稀土元素是周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称，其中原子序数为57～71的15种化学元素又统称为镧系元素。
如图 1 的元素周期表所示，稀土元素共有17个，分别是钪(Scandium, Sc)、钇(Yttrium, Y)、镧(Lanthanum, La)、铈(Cerium, Ce)、镨(Praseodymium, Pr)、钕(Neodymium, Nd)、钷(Promethium, Pm)、钐(Samarium, Sm)、铕(Europium, Eu)、钆(Gadolinium, Gd)、铽(Terbium, Tb)、镝(Dysprosium, Dy)、钬(Holmium, Ho)、铒(Erbium, Er)、铥(Thulium, Tm)、镱(Ytterbium, Yb) 以及镥(Lutetium, Lu)。
稀土元素常被分为轻稀土元素 (LREE = light rare earths elements) 和重稀土元素 (HREE = heavy rare earths elements)。轻稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)七个元素，亦称铈族稀土元素。重稀土元素包括钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)以及钇(Y)和钪(Sc)十个元素，亦称钇族稀土元素。
尽管钇的原子量仅为89，但由于其离子半径在其它重稀土元素的离子半径链环之中，其化学性质更接近重稀土元素。在自然界也与其它重稀土元素共生。故它被归为重稀土组。
图 1: 稀土元素在元素周期表中的位置 (Schüler et al. 2011)
二、稀土金属元素的应用
自18世纪初发现第一个稀土元素以来，稀土行业已有两个多世纪的历史，其应用变得日趋广泛。现今，稀土在冶金、陶瓷、化工、电子、医疗、超导等领域发挥着巨大作用。图 2 为2018年稀土元素在其主要应用领域的投入分布占比。
图 2: 2018年全球稀土元素的应用情况分布 （grandviewresearch.com）
从图 2可以看出，永磁铁是稀土元素的一个主要应用场景。而17种稀土元素中，用于制造永磁铁的元素包括钐、钕、镨、铽和镝元素。
图 4 展示了各种类型的永磁铁在上个世纪的能量密度的发展趋势。此处的能量密度指的是最大磁能积<BH>max，这是一个用来衡量磁铁储存能量的能力的参数，是图 3 上的磁滞曲线上B与H的最大的乘积。单位既可以用兆高·奥（MGOe），也可以用J/m3。1MGOe等于105/(4π) J/m3，即近似等于8 kJ/m3。
图 3: 磁铁的磁滞曲线 (electricalacademia.com)
图 4: 不同种类的永磁体的能量密度的发展情况 (Gutfleisch et al. 2011)
从图 4 右上角的图可以看出，稀土磁铁的历史从20世纪60年代中期开始，以钐钴磁铁的发明为开端。相对于传统的铁氧体磁铁和铝镍钴磁铁，钐钴磁铁的能量密度得到了大幅提升。永磁铁能量密度的第二次飞跃式提升则是在20世纪80年代的钕铁硼磁铁的发明下实现的。
图 4 的左下方的内容则展示了各种永磁铁达到同一能量密度所需的体积的对比。可以看出，要达到相同的能量密度，钕铁硼磁铁需要的材料比其他类型的永磁铁少得多。也因此，从图 5 展示的2019年全球市场现有的不同种类的永磁铁的占比分布中可以看出，现在超过一半的永磁铁都是由钕铁硼材料制造的。
图 5: 不同种类的永磁铁的市场占比 （grandviewresearch.com）
三、稀土磁铁的分类
图 6 展示了稀土永磁铁的大致的分类，主要分为钐钴磁铁和钕铁硼磁铁两种。其中钕铁硼磁铁根据生产工艺不同又可以分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼。
稀土金属永磁体分类（德国 Oeko-Institut ）
两种主要稀土金属的比较：
- 钐钴磁铁（ Samarium-Cobalt magnet/SmCo magnet）
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优点：相对于钕铁硼磁铁（NdFeB magnet）更耐高温（200-350 °C）、更耐腐蚀
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缺点：钐钴合金非常脆且易断裂
所以相对于钕铁硼磁铁来说，钐钴磁铁主要应用一些小众产品上，且市场份额较小。
2. 钕铁硼磁铁（neodymium iron boron magnet/NdFeB magnet）
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主要基于Nd2Fe14B合金，其中稀土金属含量大概占27%。
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除了钕（neodymium，Nd）元素，镨（praseodymium，Pr）、镝（Dysprosium，Dy）等稀土元素及其他元素如钴（Cobalt, Co）元素也会被添加到合金中。
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在许多应用中， 稀土金属的平均含量为31% (Buchert et al. 2012)。
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镨元素主要用于替代昂贵的钕元素，根据Hatch（2011），钕和镨的混合比例直到3:1的时候还可以没有质量损失。
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掺杂镝元素主要用于提高高温时的矫顽场强。掺杂比例到10% (Hoenderdaal et al. 2013) 的时候，工作温度可以提高到80°C - 200°C，此时钕铁硼磁铁的磁性依然可以保持稳定。
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因此磁铁的组成成分可以根据应用领域而变化：
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在较低温度范围（比如用于麦克风）中工作的钕铁硼金属通常钕和镨元素的含量为31%，而在相对较高温度区间（比如用于电机中）中工作的磁铁钕和镨元素通常会有一部分被镝元素代替。
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钕铁硼磁铁的能量密度可以达到400KJ/m3，也因此该磁铁是现今最强的永磁体。
下表总结了两种稀土磁铁的各种参数对比。由于钕铁硼磁铁较高的能量密度，它也是新能源汽车行业永磁同步电机的主要磁铁。
表格1：钕铁硼磁铁与钐钴磁铁的对比
参考文献： Untersuchung zu Seltenen Erden: Permanentmagnete im industriellen Einsatz in Baden-Württemberg - Öko-Institut e. V., Freiburg
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