红极一时钐钴系

稀土元素的一个重要应用是用来做永磁材料，永磁材料是一类应用广泛的功能材料。

说起磁铁，人类对它的认识和应用已经有好几千年的历史了。传说黄帝在涿鹿大战蚩尤时，大雾弥天，伸手不见五指，黄帝利用磁石指南的特性，制备了能指示方向的原始指南车，终于大获全胜。

三千多年以前，我们的老祖先在探寻铁矿时，就发现自然界中有天然磁铁矿石 （主要成分是四氧化三铁Fe3O4），这种矿石能吸引铁针和铁屑，故称“慈石”。《管子》中最早记载有 “山上有磁石者，其下有铜金。”《山海经》中也有类似记载。《吕氏春秋》对此的描述为 “慈招铁，或引之也。”那时称 “磁”为 “慈”，形象地将磁石吸引铁比喻为如同慈母吸引子女，认为石为铁之母，有慈和不慈，慈者能吸铁，不慈者则不能。《水经注》中有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃入门”者就会被查出的记载。北宋时期，我国人民用磁铁与铁针摩擦使其磁化，制成了世界最早的指南针。指南针是我国古代的伟大发明，是早期航海和行军打仗时辨别方向不可或缺的工具，传入欧洲后在航海大发现中发挥了不可替代的作用。但最早解答 “指南针为何能够指南”问题的却不是中国人，而是英国著名的医生、物理学家W.吉尔伯特。

图9-1 指南针

图9-2 ［英］吉尔伯特 （1544～1603）

直到15世纪，人们对物质磁性的认识还只是停留在对天然磁石的简单利用上，没有从理论的高度去认识、总结和解释各种磁现象，磁学作为一门科学是十六世纪以后的事。英王的御医吉尔伯特在大量观察和实验的基础上科学地研究了磁与电的现象，1600年写成名著 《论磁》，系统地总结和阐述了他对磁的研究成果，成为科学史上研究磁学的开山鼻祖，由此翻开了磁学研究和应用的新篇章。

后来，人们在发现钴 （1733年）、镍 （1754年）后不久，就认识到它们也像铁那样具有强磁性，强磁性也称铁磁性。具有铁磁性的元素不多，到目前为至，人们共发现有11种纯元素的晶体具有铁磁性，分别是3d元素的铁、钴、镍和4f元素的钆、铽、镝、钬、铒、铥及面心立方的镨和钕。具有铁磁性的合金和化合物比较多。这些铁磁性物质的特点是，只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，且相对磁导率在10～106数量级。

其实所有的物质都有磁性，只不过大小不同而已。人们按照物质磁化时磁化率的大小和符号将其分为五种，分别是抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。其中前三种属于弱磁性，需要精密仪器才能检测出来，应用很少。后两种是强磁性，在技术上应用广泛，通常所说的磁性材料就是指铁磁性和亚铁磁性材料。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流感生磁力。1825年，英国工程师斯特金发明电磁体，1831英国物理学家法拉第发现电磁感应现象。从此开启了人类的电磁时代。

1895年，法国物理学家居里发现温度对物质铁磁性的影响很大，如铁在某一临界温度TC以上会失去其强磁性，这个温度TC称为居里点。

1907年，法国物理学家外斯为了解释铁磁性特征，在朗之万顺磁理论的基础上，提出了 “分子场”假设，认为在铁磁性物质内部存在分子场，由分子场引起自发磁化，使原子磁矩平行一致取向，铁磁性物质在消磁状态下被分割成许多小的磁畴，磁畴内部原子磁矩平行取向，不同磁畴之间磁化方向不同。铁磁体的磁化过程就是磁体由多磁畴状态转变为与外加磁场同向的单一磁畴的过程。一个典型的磁畴宽度约为10-3cm，体积约为10-9cm3，内部大约含有1014个原子。后来的实验证实了外斯的假设是正确的。近一个世纪的各种实验和理论的发展，只是对外斯理论的补充和完善。

1928年，德国物理学家海森堡在量子力学的基础上提出了交换作用模型，认为铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用，从而解释了铁磁性物质分子场的起源问题。

从磁化和退磁的难易程度，磁性材料又可分为软磁材料和永磁材料。容易磁化、也容易退磁的材料通称为软磁材料。难于磁化、也不易退磁的材料通称为硬磁或永磁材料。在现代社会中，永磁材料的应用范围十分广泛，在交通、通讯、自动化、音像、计算机、电机、仪器仪表、石油化工、磁分离、医疗器械等领域中都不可或缺，在一些日常用品或玩具中也常见到永磁材料的身影。可以说，永磁材料已成为我们生活和生产中的常见材料，是支撑现代电子信息产业发展的基础材料，与现代文明息息相关。在现代工业与科学技术中，应用广泛的永磁材料有铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其他永磁材料等四大类。

表征永磁体性能好坏的三个主要参数是剩磁、矫顽力和磁能积，它们的含义分别是：

剩磁Br：永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场后，所保留的Br称为剩余磁感应强度，也是开磁路的气隙中所能得到的磁感应强度。

矫顽力Hc：使磁化至技术饱和的永磁体的B降低到零，所需要加的反向磁场强度称为磁感矫顽力，简称为矫顽力，是永磁体保持其永磁特性能力的参数。

磁能积BH：代表了磁铁在气隙空间，即磁体两磁极空间所建立的磁能量密度，也就是单位体积的静磁能量。磁能积（BH）max是衡量永磁体储存磁能密度的重要参数之一，它等于磁体的Bm和Hm的乘积，称为最大磁能积。使用磁体时，对应一定能量，当然希望磁体体积越小越好，这样可使设备小型化。

人们对磁性材料的探索和研制是伴随磁学理论的建立、发展和完善逐步深入的。18世纪已经出现人造磁铁，但制造更强的磁性材料却经历了一个十分漫长的过程。19世纪末20世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢（最大磁能积约2.7k J/m3）、铬钢和钴钢（最大磁能积约7.2k J/m3）作永磁材料。20世纪30年代蓬勃发展的无线电技术迫切需要高频损耗小的铁磁性材料。当时的磁性材料磁能积很低，不足1MG·Oe（兆高奥，1MG·Oe=7.96k J/m3），用它制成的电机体积非常庞大，无法满足要求。

铝镍钴 （Al Ni Co）永磁材料是最早开发出来的一种永磁材料，由铝、镍、钴、铁和微量的其他金属构成的一种合金。1931年，日本材料专家Mishima发现一种特定成分的铝镍钴合金的矫顽力极高，是当时最好的磁钢的两倍。铝镍钴系磁铁的优点是剩磁高 （最高可达1.35T）、温度系数低，最高使用温度可达520℃，缺点是矫顽力很低 （通常小于160k A/m），退磁曲线非线性。铝镍钴磁铁容易磁化，也易退磁。后来生产的铝镍钴永磁材料的最大磁能积可达85k J/m3，矫顽力为780oersted，居里温度为860℃，最高工作温度为525℃左右，在各种仪器仪表和其他应用领域得到广泛应用。

磁铁矿是最早发现和应用的天然铁氧体，天然磁铁矿石电阻率很低，磁能积也低。1933年，日本首先研制出含钴铁氧体的永磁材料，随后法、日、德、荷等国相继开展对铁氧体的研究。1935年，荷兰J.L.斯诺克研制成功含锌软磁铁氧体，1946年实现工业化生产。1952年，J.J.文特等人研制成功以Ba Fe12O19为主要成分的永磁性铁氧体，钡铁氧体的出现，降低了永磁体成本，将永磁材料的应用范围拓宽到高频领域。铁氧体永磁体的主要原料包括Ba Fe12O19和Sr Fe12O19，通过陶瓷工艺法制造而成，质地较硬，属脆性材料，有很好的耐温性、价格低廉、性能适中，最大磁能积可达40k J/m3，成为应用最广泛的永磁体。1956年E.F.贝尔托和F.福拉报道亚铁磁性的Y3Fe5O12的研究结果，其中代换离子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu等稀土离子。这类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同，又称为石榴石结构铁氧体。永磁铁氧体产品在高技术领域如家电 （微波炉、空调、电动小家电）、办公用品 （复印机、传真机）汽车、摩托车、高保真音响、仪表传感器件上的应用仍占有一定的市场份额，但更多地用在传统的中低档产品领域，如扬声器、吸附磁体、玩具电机、磁选器件。

在70年代发现稀土磁铁之前，铝镍钴合金是最强的永磁材料。Al Ni Co永磁材料开发成功使永磁材料的大规模应用成为可能。一个世纪以来，材料的剩磁Br提高不大，磁能积的提高主要归功于矫顽力Hc的提高。而矫顽力的提高主要得益于对磁性材料本质的认识、高磁晶各向异性化合物的发现及制备技术的进步。

60年代，稀土磁体的出现为永磁体的应用开辟了一个新时代，由此掀起了稀土研究和应用的一个热潮。其中钴基稀土永磁材料包括钐钴系、镨钴系和铈钴系等，不同的稀土元素构成的钴基化合物永磁材料具有不同的磁性能，其中以钐钴系稀土永磁材料最具代表性，是永磁材料发展史上的里程碑。

1967年，旅美奥地利物理学家K.J.斯奈特等在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的稀土钐钴磁铁（Sm Co5），并用粉末粘结法成功地制成Sm Co5永磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀土永磁已经历第一代Sm Co5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17 （1974年），发展到第三代Nd-Fe-B（1982年）永磁材料。

钐钴永磁不但磁性强，磁能积达14～28MG·Oe，且具有很高的矫顽力和优异的高温使用性能，成为当时电子工业和军工特殊用途的新宠。

通常，在一定的电机体积下，要提高电机的额定功率需要大幅度提高电机的转速。稀土永磁电机不需要励磁绕组，结构简单，磁场部分无发热源，无需冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可取较大值，使大幅度提高转速成为可能，所以稀土永磁电机的转速可达每分钟几万到几十万转。与直流电动机相比，相同功率的稀土电机体积可减小60%，损耗可降低20%，且不要电刷和换向器，维护方便。与电励磁的直线电机相比，磁场部分重量仅60%，整体底盘重量只有77%。由于宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机，传统电机难以在这些特殊场合使用，钐钴永磁电机却能满足这些特殊要求。所以钐钴永磁的出现，迅即受到人们的高度关注。

1969年7月20日，美国载人宇宙飞船 “阿波罗11号”首次成功登上月球，实现了人类登月梦想，成为人类研究宇宙、探索宇宙的一个里程碑。后来阿波罗多次登月计划的顺利实现，其导航系统上都采用了钐钴永磁体，还保证了以后一系列航天计划的顺利实施。钐钴永磁材料在阿波罗上的应用被看作稀土用于尖端技术的典范。钐钴永磁体的诞生，使钐在20个世纪70年代红极一时，成为科技界和产业界热烈追捧的明星。

图9-3钐钴永磁体

图9-4钕铁硼永磁体

但钐钴磁体因资源较少和材料价格昂贵使其发展受到一定限制。因为钴是一种稀缺昂贵的战略物资，钐钴永磁中含Co超过60wt%，钐在地壳中的储藏量又较少。70年代中期，正当Sm Co系列磁体的研究和开发方兴未艾之际，扎伊尔危机爆发，钴的供应中断，价格飞涨，Sm的价格也很昂贵，使得Sm Co系列磁体成本居高不下，严重影响了它的应用和推广。为了摆脱Sm、Co的束缚，通过取代Co或减少Co添加量来降低磁体成本，人们很自然地将目光投向了成本低廉的稀土-铁基磁体的研究，由此开启了稀土-铁基磁体的新时代。

钕铁硼（Nd2Fe14B）磁体是日本住友特殊金属公司的佐川真人等人于1982年发明的，主要由钕、铁与硼等化学元素所构成，是迄今具有最强磁力的永久磁铁，也是目前商品化性能最高的磁铁，被称为磁王，拥有极高的磁性能，其最大磁能积是铁氧体的10倍以上，达到创纪录的58MGOe，为一系列的技术创新开辟了道路。Nd Fe B材料的主相晶粒分布在微米之间、大小均匀、晶界清晰、晶粒规则且表面缺陷少，其主相体积百分率可达90%以上，富Nd相薄且分布均匀。机械加工性能极好，工作温度最高可达200℃，且质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比。磁体体积小、质量轻，有利于仪器仪表的小型化、轻型化和薄形化。钕、铁比钐、钴资源丰富，钕在稀土中的含量比钐丰富5～10倍，价格相对低廉，具有更强的市场竞争力，受到格外关注。

自从钕铁硼磁体被开发成功以来，通过科技界的不断努力，其组成不断优化，制作工艺不断提高，性能不断改善，应用越来越广，已取代了许多钐钴磁体的市场。它的问世也使钕的身价倍增，一跃成为稀土家族中最显赫的成员。钕铁硼的诞生还引起了国际磁学界的轰动，被称为磁学领域的一大突破，位列当年世界十项重大科技成果之一。这类材料具有超乎寻常的功能，能使电子信息设备在不断提高性能的同时，还实现了设备的轻、薄、小型化。用它代替其他永磁材料，可使器件的体积和重量成倍下降，成为汽车制造、通用机械、电子信息产业和尖端技术不可缺少的功能材料。如今Nd Fe B永磁材料已被广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家用电器等领域，还被确定为电动汽车主发动机的首选材料。

90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子元件的进一步发展和改进，稀土永磁电机的应用和开发正向大功率化 （超高速，高转矩）、高功能化和微型化方向发展。烧结钕铁硼磁体的磁能积也由279k J/m3（35MGOe）提升至474k J/m3（59.5MGOe）。为进一步提高钕铁硼永磁材料的矫顽力和温度性能，在生产中通常加入少量的稀土金属铽和镝作为改性添加剂，以加铽的效果最好。铽的许多优异特性使其成为许多功能材料不可缺少的一员，在一些应用领域具有不可取代的地位。但铽价格昂贵，出于成本考虑，人们在研究和生产中尽量不用和少用铽。金属镝的价格比较便宜，被用来作添加剂代替金属铽提高钕铁硼永磁材料矫顽力，在钕铁硼永磁体中添加2%～3%的镝，能显著提高磁体的矫顽力。随着钕铁硼永磁材料产业的迅猛发展，金属镝的需求迅速增长。

图9-5 烧结钕铁硼制备工艺流程

但钕铁硼磁体化学活性较强，耐腐蚀性较差，必须对其表面进行涂层处理 （如镀Zn、Ni、电泳、钝化等），且居里温度较低。因此，钐钴磁体在高热使用稳定性和抗腐蚀等性能方面一直处于优势地位，目前仍然是某些工业特别是军事和航空等领域的首选材料，这方面的潜在市场依然比较大。

Nd Fe B永磁材料在美国和日本分别用烧结法和快淬法投入了批量生产，在高新技术领域得到广泛地应用，推动了社会和科技的进步。尽管Nd Fe B系永磁材料在中国和欧洲也得到了很大的发展，但烧结和快淬Nd Fe B系永磁材料的专利为日本和美国控制，为摆脱被动局面，90年代初欧共体提出了一个 “欧共体稀土永磁开发与研究规划建议书”，该计划的一项重要内容就是，通过拨款组织欧洲10个国家58个实验室，120多名科学家进行稀土永磁材料的研究，寻找新一代的铁基稀土永磁材料。

1990年原子间隙磁铁Sm-Fe-N问世，这是一种以Sm2Fel7N2.3金属间化合物为基相的稀土永磁合金。1990年爱尔兰人J.科伊等人发现Sm2Fel7在300℃以上通过气相-固相反应，不可逆地大量吸收氮。氮原子进入Sm2Fe17生成一种新的填隙化合物——Sm2Fe17N2.3，不仅使Sm2Fe17的单胞体积增大，还使其居里温度明显提高，在室温下有高的饱和磁化强度和大的各向异性场。这些具备优良永磁材料的重要特性，引发广泛关注。1991年日本宣布开发成功高性能各向异性的钐铁氮磁粉及粘结磁体，磁能积达到20MGOe以上。这是一种新的具有较高居里温度的铁基稀土化合物，有人称之为第四代稀土永磁合金。

钕铁硼永磁材料虽然具有优异的磁性能，但居里温度低，在一些特殊应用上，钕铁硼无法满足需要。所以人们希望在第二代钐钴型永磁材料的基础上进行改良，既保证永磁材料适应一定的高温环境，也能使其磁性能进一步增强。钐铁氮磁体的负温度系数介于钐钴和钕铁硼合金之间，可以在200℃以下使用，对其在汽车等领域的应用非常有利。因为在汽车或摩托车中需要使用150～200℃范围内稳定性好的永磁体，这些正是钐铁氮合金的前景所在。

由于Sm2Fe17N2.3化合物中的氮原子是在300℃以上温度被Sm2Fe17吸收进去的，当温度升高到550℃以上时，氮原子会从Sm2Fe17N2.3化合物中脱出，直到变成Sm2Fe17。因此要做成全致密的烧结型磁体非常困难，只能采用与树脂、塑料或低熔点金属混合做成粘结型磁体，或者在低于450℃以下做成热压磁体。

1991年，德国物理学家E.F.克内勒提出双相复合磁铁交换作用的理论基础，指出纳米晶磁铁的发展前景，引发人们对纳米领域磁性材料研发的关注。

此外，在历史上被用作永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、Mn Bi、A1Mn C合金等。这些合金因性能不高、成本不低，已很少采用。Al Ni Co、Fe Cr Co、Pt Co等合金在一些特殊场合还有应用。虽然Ba、Sr铁氧体仍是目前用量最大的永磁材料，但逐渐被钕铁硼材料取代的趋势不可逆转。当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。

图9-6 永磁材料的磁能积随年代的变化关系图

按照现代磁学理论，物质的磁性是组成物质的基本粒子的磁性的集体反映，原子的磁矩主要来源于原子中的电子，等于电子轨道磁矩和自旋磁矩矢量和。从海森堡交换作用模型可知物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳层，充分条件是相邻原子间的交换积分常数大于0。

稀土元素拥有强磁性的原因在于其未满的4f亚层受到5s、5p、6s亚层的屏蔽，受晶体电场的影响较小，其轨道磁矩未被 “冻结”，故原子磁矩较大。由于存在轨道磁矩，自旋磁矩与轨道磁矩之间的耦合作用很强，表现在稀土永磁合金的磁晶各向异性能和磁弹性能很大。同时，稀土永磁合金的晶体结构为六角晶系或四方晶系，具有强烈的单轴各向异性，是稀土永磁获得高矫顽力的基础。

但对于纯稀土合金，4f亚层受到屏蔽，稀土原子间4f-4f电子云交换作用较弱，交换积分常数较小，故合金居里温度较低。纯稀土合金的居里温度大都在室温以下，很难获得适用的永磁材料。铁钴镍等过渡族金属在室温下具有很强的铁磁性，同时具有较高的居里温度。稀土族金属与铁、钴等过渡族金属组成合金后，能否提高稀土族金属的居里温度，从而获得性能优良的永磁材料，就成为人们关注的一个焦点。正是在这样的理论指导下，从20世纪50年代开始，人们开始对稀土-过渡族合金的磁性能进行了一系列的深入的研究，并很快获得了突破性的进展。

稀土永磁材料在电机领域的应用相当重要，且极为广泛。在美、日和欧等发达国家和地区，稀土永磁材料在电机中的应用已占稀土永磁总销售额60%以上。稀土永磁电机的应用范围极为广泛，遍及航空、航天、国防、装备制造、工农业生产和日常生活的各个领域，种类几乎覆盖了整个电机行业。

电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。19世纪20年代世界上出现的第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代，后来电磁式电机一直占据主流地位。随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究。20世纪30年代铝镍钴永磁体问世后，永磁电机开始发展，但因价格较高，铝镍钴永磁电机应用面并不广。40年代廉价铁氧体的出现使永磁电机的应用量大幅增加，铁氧体在各种微型和小型电机中纷纷得到应用，应用面从玩具电机、音像电机、汽车微电机到工业用的小功率驱动和伺服驱动电机等。统计显示，500W以下的直流电机中永磁电机占92%以上，其中绝大多数是铁氧体永磁电机。铁氧体磁性较差，磁能密度低，气隙磁场强度较小，只能制造容量小的电机，不适合高性能电机的需要。60～70年代钐钴永磁体的应用使高性能伺服电机得到实现，80年代钕铁硼永磁体诞生和性能的不断提高，已引起电机行业发生巨大变化。相信各种伺服电机，不论是直流和交流，还是步进电机、异步电机都将过渡到永磁电机，直至被彻底取代。

在电机发展过程中，每当出现新的永磁材料，都会使电机的结构和功能发生巨大变革，促进电机在设计理论、计算方法和结构工艺方面大大提高。钕铁硼稀土永磁材料的出现和高速发展，为永磁无刷电机提供高剩磁感应强度、高矫顽力、高磁能积的永磁体，对其温度系数大、居里点低、容易氧化生锈的不足，也在不断改进。如今钕铁硼永磁材料的最高工作温度可达180℃，一般也可达到150℃，通过涂覆处理可解决其氧化生锈问题。全球钕铁硼产量在过去三十年中取得了快速增长，由1983年的不足1吨增加到2010年的13.43万吨。2000年，稀土磁体 （钕铁硼+钐钴）产值就已超过铁氧体，成为磁体市场的主体。2010年全球永磁体市场产量约100万吨，其中铁氧体年产量近90万吨，稀土永磁仅占总产量的10%多一点，但产值却远远超过铁氧体。如按现价计算，全球钕铁硼市场规模约80亿美元。钕铁硼永磁体因为重量轻、体积小、磁性强等诸多优势，已经开始逐步替代铁氧体永磁体，假设钕铁硼永磁体能替代50%的铁氧体磁体，则其产值将达千亿美元。

稀土永磁电机的发展方向是微型化和超薄型化，钕铁硼的最大磁能积很高，能制成超薄型、超微型和低惯量电机，实现了电机的超微薄型结构，这在过去是难以想象的。如片状无刷直流电机采用高集成化模块，厚度仅4.3mm。直径几毫米以下的超小型电机用作医疗用微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。目前世界上最小的永磁电机外径仅0.8mm，长度仅1.2mm。

稀土永磁材料的研究、开发对微特电机的发展和应用产生了巨大的推动作用。稀土永磁材料具有高的剩磁和矫顽力及磁能积，且具有良好的动态回复特性，尤其适合于高性能的微特电机。微特电机是指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同，且体积和输出功率都很小的微型和精密电机，其外径不大于130mm，功率在数百毫瓦到数百瓦之间，已在军事、民用的各种现代化装备及其控制系统中得到广泛应用。

网络领域使用的微特电机要求电机小型化、片状化、高速化、轻量化、高精度、高性能等，数量约占整个微特电机的38%，HDD主轴电机、打印机主轴电机、复印机主轴电机、计算机风机、高档DVD主轴电机都是采用精密永磁无刷电机。这些电机均采用粘结钕铁硼，日本83%的粘结钕铁硼用于该类永磁无刷电机。

稀土永磁电机最明显的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能，有经济型和高性能型两个发展方向。其中经济型主要用于音响声像设备，其特点是数量极大，价格低廉，一般每只几元。我国大陆每年制造的微特电机有数十亿台，占全球总产量的60%以上，经济型微特电机产量也占了全球总产量的绝大部分。

钐钴永磁电机在高温、高真空等特殊环境下，如宇航设备、原子能设备、水下机器人、NC机床方面的应用仍占主导地位。钕铁硼磁体产生的磁场远远超过电流励磁，可制造出数千k W的大中型电机，是很多新技术及其产业的基础，在高技术产品如核磁共振成像仪、手机振动、硬盘驱动器音圈、光盘驱动器主轴、电动工具、电动车等领域的应用超过37%。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，能制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床、加工中心、柔性生产线、机器人、电动车、高性能家用电器、计算机等。美国通用汽车公司年需钕铁硼电机两亿多台。

采用稀土永磁体能明显减轻电机重量，缩小体积。如10k W发电机，常规发电机重量达220kg，永磁发电机重量仅为92kg，只有前者的45.8%。计算机磁盘驱动器，采用铁氧体的尺寸达35.6cm，采用钕铁硼后只有8.9cm，到如今只有6.4cm。德国用于推进舰船的六相变频电源供电的1095k W、230r/min稀土永磁电动机，与以前的直流电动机相比，体积减小60%、总损耗降低20%，还省去了电刷和换向器，维护方便。荷兰菲利浦公司以70W微电机作过比较，稀土永磁电机体积为电流励磁电机的1/4，铁氧体励磁电机的1/2。

稀土永磁电机的高性能是传统电机所不能及的，数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1∶10000，可实现精密控制驱动，转速控制精度可达到0.1‰，可实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动，具有运行精度高、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。

稀土永磁电机高效节能，平均节电10%以上，专用稀土永磁电机高达15%～20%。美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机，与老式串激直流起动电机相比，重量从6.21kg降到4.2kg，体积减小1/3，效率提高45%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上。

永磁电机目前是车用电机的主流，分为永磁直流有刷电机与永磁无刷电机，主要区别是永磁体放置的位置。前者将永磁体放在不转动的定子上并在转子上安置线圈，须经碳刷与换向片将电流传递至转子上，优点是以机械接触的方式使电机随时处于最大转矩的输出条件，但碳刷、换向片间的磨损与转子线圈散热不易等因素，限制了电动机在高速、大电流状况下的应用。永磁无刷电机将永磁体放在转子上并使用其他感测组件来达到类似碳刷、换向片的功能，优点是散热容易、无碳刷磨损，可摆脱高速与大功率化的限制。永磁无刷电机集新型永磁材料、电力电子、集成电路、计算机及电机技术于一体，其应用越来越广泛，将逆变器装入电机内，使之成为一体，做到系统整体小型化。在相同的额定功率和额定转速下，与单相异步电机相比，永磁无刷直流电机的体积仅38%，重量34.8%，用铜量20.9%，用铁量36.5%，效率提高10%以上。汽车工业是钕铁硼永磁应用较多的领域之一。在每辆汽车中，一般有30个部位需要使用永磁体。国外豪华轿车中使用微电机的数量高达70只以上，用以完成轿车上的各种控制动作。传统动力汽车微特电机采用钕铁硼磁体的电机效率比普通电机高8%～50%、电耗降低10%以上、重量减少50%以上。

另外，家电领域使用的电机约占整个微特电机总量的15%，涉及空调、洗衣机、电冰箱等主要家电。

为解决大气污染问题，国内外都十分重视开发实用的电动汽车。电动汽车用电动机既要求体积小、重量轻、效率高，又要求在高温和严酷条件下的运行可靠性。目前发展趋势之一是在车轮轮箍中装入外转子稀土永磁电动机，以直接驱动电动汽车或电车。无论是油电混合、生物燃料混合，还是未来的氢动力燃料电池车及纯电动车，都离不开永磁电机，它是未来汽车真正的心脏，是现在汽车发动机及变速箱的替代品。

武器装备、机器人、宇航等领域也需要微特电机，它们选用电机的品种规格繁多，如美国军用微特电机有5000多种，尽管需求量不很多，一年才几百万台，却对提高武器装备的快速性、小型化、可靠性和可维性，满足武品装备伺服控制系统的要求却至关重要。

现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。航空用电机对其体积、重量有极为严格的要求。现代航空飞行器中，每千克设备重量大约需要15～30kg的附加重量来支持。采用稀土永磁电机来减轻航空飞行器的自重，更大限度地增加荷载，无论对民航飞机还是军用飞机都有极为重要的意义。

未来的永磁磁悬浮列车的建造需要大量的永磁材料。磁悬浮技术的研究源于德国， 1922年德国赫尔曼·肯佩尔提出电磁悬浮原理，1934年申请磁悬浮列车专利。磁悬浮技术通过电磁场的 “同性相斥、异性相吸”作用来实现机车和路轨间的上浮、约束和驱动，依靠磁场力使列车和导轨脱离接触处于悬空状态，减少摩擦阻力，实现机车紧贴路面但又是无接触的高速飞行。不同于传统列车利用车轮和钢轨之间的相互作用来解决支撑、导向和驱动问题。磁悬浮列车快速、低耗、安全、舒适、经济、无污染，运行成本和能耗低，比高速列车省电30%，能耗仅为飞机的40%左右，比汽车少耗能30%。永磁磁悬浮根据永磁补偿式悬浮技术原理研制，利用开放磁场的磁能积幂函数变化规律，用永磁材料制造的斥悬浮和吸悬浮工作机构相互补偿形成的，使列车的总悬浮力等于 “斥悬浮力+吸悬浮力”之和。通过永磁体与永磁体及导磁介质之间的排斥和吸引力，实现悬浮功能，悬浮不需要电能，达到悬浮后不耗能，列车的动力和制动通过永磁装置来实现。这与德国的常导电磁悬浮、日本的超导电动磁悬浮列车是不一样的。

钕铁硼永磁材料是制造风力发电机的理想材料，钕铁硼永磁发电机与普通电机比，体积小，重量轻，寿命更长。近些年来风力发电发展较快，风力发电钕铁硼永磁体在风力发电机组中的用量也在快速增加，1兆瓦的机组大约需要使用钕铁硼1吨，是钕铁硼材料应用的巨大潜在市场。钕铁硼稀土磁体在全球市场容量已超过100亿美元，预计未来20～30年内不会有比它更优异的替代品。

磁性薄膜材料是微电子与信息技术中重要的一类功能材料。随着现代社会高技术的发展，要求研制越来越多的新型磁性薄膜材料和器件。稀土永磁薄膜材料是稀土永磁材料发展的方向之一。永磁薄膜材料可以用来制备微型电机，在信息、微型机械、微型机器人等方面应用前景非常广阔。稀土永磁薄膜材料有利于相关器件微型化、功能兼容一体化，在计算机、信息、机电等行业有迫切需求。自90年代起，国际上陆续有稀土永磁薄膜材料制备、表征和性能的报道。

磁性材料在军事领域应用也很广泛。装上磁性传感器的水雷或者地雷能有效提高杀伤力。在飞机表面涂一层特殊的磁性材料——吸波材料可制成隐形战机，如美国的F117隐形战斗机便是一个成功运用隐身技术的例子。

图9-7 全球烧结钕铁硼的主要产地的产量 （吨/年）

数据显示，日本日立金属公司在全球申请了600多项钕铁硼专利技术，美国麦格昆磁公司和Neomax公司积极应用各种专利战略，长期垄断了钕铁硼产品在美国、加拿大、欧盟、日本等市场。专利限制已经成为制约我国钕铁硼行业发展的最大瓶颈。