What is rare earth permanent magnet motor?

稀土永磁馬達：讀懂磁體牌號

真正進入磁體的稀土元素只有四種

稀土家族共有十七個元素：十五個鑭系元素，加上鈧與釔。其中幾乎沒有幾個會進到馬達裡。商用永磁體以釹與鐠作為主要稀土成分，以釤構成鈷系磁體，另外摻入少量鏑與鋱來提高矯頑力。這一族裡其餘的元素，要麼是分離製程的副產品，要麼屬於完全不同的產業。

這在採購上很重要，因為「稀土馬達」被當成單一材料在使用。它至少涵蓋兩族物理特性不同的材料，而每一族裡又有十來個熱限值各異的牌號。只寫「稀土磁體」而不寫別的，等於什麼都沒指定。

4f 殼層為什麼關鍵

4f 電子殼層埋得夠深，其磁矩大致不受晶體場遮蔽影響，因而產生極大的磁晶異向性。材料因此抗拒沿著偏好軸以外的任何方向被磁化，也抗拒被反向磁場推出那個狀態。這份抗拒就是矯頑力，正是它讓一片薄磁體能在狹小氣隙裡撐住大量磁通。

鐵氧體做的是同一件事，磁通密度大約只有三分之一。燒結鐵氧體的剩磁約 0.38 到 0.44 特斯拉，燒結釹鐵硼約 1.1 到 1.45 特斯拉。在氣隙與定子固定的前提下，這個比值決定了馬達是需要一座大機座，還是可以握在手裡。更深入的比較，包含感應馬達仍然佔優的場合，見永磁馬達與感應馬達。

釹鐵硼與釤鈷：用強度換耐溫

這兩族不是同一樣東西的好版與壞版，而是對同一個問題的兩種回答。決定選擇的是磁體必須承受的溫度，轉矩需求幾乎不參與其中。

什麼時候該選釤鈷

120 K 的溫升就足以定案。釹鐵硼在這個區間約損失 13%剩磁，釤鈷不到 4%。再加上居里溫度比工作範圍高出兩倍以上、不必指定耐蝕鍍層、轉子經得起長時間熱浸而不必重算，較高的材料成本就不再是決定性的數字。

實務上，迫使做出決定的往往是環境，而不是設計者的偏好。高溫製程管線上的泵、置於無對流真空腔體內的致動器、火警後仍須運轉的馬達、井下工具：這些場合不論轉矩需求怎麼寫，都會把選擇推向 SmCo。其餘情況的答案都是 NdFeB，真正的工作就轉到牌號選擇上。

一個牌號承載兩項資訊

標準命名把磁能積與耐溫等級塞進一小串字裡。以 N42SH 為例，42 是以百萬高斯奧斯特表示的最大磁能積，約 334 kJ 每立方公尺；字母 SH 是耐溫等級，連帶規定了本質矯頑力的下限與最高工作溫度。

後綴不是強度等級

這一行最昂貴的誤解，是以為後綴愈高就是愈好的磁體。它代表的是更耐熱，而且代價是雙向的。鏑與鋱提高矯頑力，卻與鐵次晶格反鐵磁耦合，把剩磁往下拉，因此 35UH 的 Br 比單純的 N35 略低，即使兩者名義上都是 35 級。

成本也同樣實在：鏑與鋱是四種在用元素中蘊藏量最少的兩種。只因應用場合「感覺很重要」就選 UH，而其實較小的溫升或較好的冷卻路徑就能把磁體維持在 110 °C，等於付了兩次錢，一次付在重稀土，一次付在讓出去的磁通上。各材料類別所引用之最小值標準化於 IEC 60404-8-1，牌號宣稱應以該文件查核 ^[1]。

在成本敏感的牌號裡，同樣的替代邏輯朝反方向運作：部分釹由遠較充裕的鑭或鈰取代。剩磁下降，牌號數字跟著下降，但價格降得更多。比較同一名義工況的兩份報價時，買方該問的是供應商往哪個方向移動，因為答案不會寫在轉子上。

最高工作溫度不是材料常數

表中的數字以典型磁路為前提。抗退磁能力取決於磁體所處磁路的磁導，而不只取決於材料，因此同一牌號在厚而閉合良好的磁路裡能耐更多熱，在薄而開放的磁路裡則少一些。供應商只報 UH 可達 180 °C 卻不說明磁導係數，報的是經驗法則，不是保證。

這就是為什麼退磁分析必須在實際轉子幾何、實際最壞溫度下進行，如下文所述。兩具使用完全相同磁體的轉子，安全運轉上限可能不同，因為其中一具漏磁路徑較大，或磁體較薄。

高溫磁體的算術

溫度在永磁馬達裡進入兩次。磁體失去磁通，銅獲得電阻。兩者朝同一方向移動，合起來的代價遠大於任一單獨效應。

對極對數為 p、每相峰值磁通鏈為 lambda 的三相電機，每安培轉矩為 1.5 乘以 p 乘以 lambda。四極馬達的 p 是 2，20 °C 下 0.159 韋伯的磁通鏈給出 0.477 牛頓米每安培的轉矩常數，因此 10 A 產生 4.77 牛頓米。下表把這台機器一路帶到 140 °C 以上。該轉矩式的推導見如何計算馬達轉矩。

兩個會疊加的溫度效應

表格只算到磁體，但繞組的溫度大致相同，而銅電阻率每克耳文上升 0.393%，因此 140 °C 的繞組比 20 °C 時電阻約高 47%。兩者相乘，額外電流的 1.327 與電阻的 1.472，得到 1.95。同一轉矩在 140 °C 下的銅損，幾乎是冷機時的兩倍。

這個倍數說明了磁體溫度為什麼必須放進設計迴路。它也解釋了一種看似選型錯誤、其實不是的失效：馬達在冷態試驗台上表現正常，放進高溫箱體一小時後過熱，多半是按 20 °C 指定、卻在 130 運轉。迴路會自己閉合：多出來的銅損加熱繞組，繞組加熱轉子，轉子再加熱磁體。

最壞情況是短路，不是過載

可逆損失在磁體冷卻後會回來。不可逆損失不會，因為工作點已落到第二象限退磁曲線的膝點以下，部分材料已經翻轉。設計上要問的是：在磁體會遇到的最高溫度下，膝點在哪裡，以及需要多強的磁場才會抵達它。

工程師往往用想像一個過載來檢驗這件事。多數機器裡真正的主控情境是高溫下的端子短路。定子電流只受電機阻抗限制，它產生的磁場直接對抗磁體，而短路讓端子電壓消失，供電端也沒有反向磁通可以幫忙。超出變頻器能力的弱磁，則從另一個方向造成相同結果。

為什麼熱敏電阻保護不了磁體

站得住腳的分析要把兩者耦合起來：算出變頻器在最高冷卻溫度下對端子短路能送出的峰值電流，換算成磁體層內的退磁磁場，與最高磁體溫度下 B-H 曲線的膝點比較，並留下餘裕。能針對實際轉子幾何提出這份計算的供應商，比只報一個牌號就停下來的供應商更有價值。

磁體分段可降低高速下的渦電流發熱，讓磁體離極限更遠。轉子表面速度會透過諧波損耗推高磁體溫度，因此相同牌號的高速設計，在相同繞組溫度下餘裕比低速設計更小。

磁體如何改變轉子

牌號定下來之後，問題就變成磁體要放在哪裡，而這個選擇對電機的改變比牌號更大。兩種標準拓樸的行為差異，大到各自服務不同應用。

牌號與拓樸直接交互作用。採用 UH 磁體的內置式設計，可以守住四比一的定功率範圍而不冒退磁風險，因為磁體藏在鐵後方，磁阻轉矩分擔了一部分工作。表面貼式設計想做到相同範圍，就需要持續的弱磁電流把工作點往下推，結果不是換更高矯頑力的牌號，就是降低最高轉速。這兩個決定因此必須同時定案。

伺服應用的比較對象通常是其他永磁電機，而非感應馬達；相關取捨見BLDC 馬達與 PMSM 馬達。由這些選擇延伸出的產品線，則列在PMSM 馬達頁面。

查核效率宣稱

永磁馬達通常以效率作為賣點，而效率宣稱恰恰是資料手冊上最常被寫成無從查核的一項。下列四份文件各管不同的事，多數混亂來自把其中一份的等級，拿去對上另一份的試驗方法。

對常見宣稱的三點修正

效率等級與技術中立。IEC 60034-30-1 明言不區分電機技術，這正是感應馬達與永磁馬達得以互相比較的前提。設計良好的感應電機能達到 IE4，同步磁阻電機能達到 IE5。磁體本身並不授予等級 ^[2]。

等級之間的差距也比行銷話術暗示的小。以 7.5 kW 四極 50 Hz 電機為例，標準把 IE4 定在 92.1%、IE5 定在 93.0%，而這些百分比藏住了真正有用的數字：IE4 的損耗 643 W 對上 IE5 的 565 W，相差約 79 W，也就是損耗的 12%。確實存在、值得爭取，但遠小於一枚標籤給人的印象。

變頻器供電電機則完全落在該標準之外。變速電機的效率等級在 IEC TS 60034-30-2，而 IEC 60034-2-3 的試驗方法評估七個標準運轉點，而非單點 ^[3][5]。因此變頻器驅動的伺服馬達掛上 IE5 標章，依據的是另一份文件，買方該問清楚是哪一份。電網直接供電電機的量測鏈則在 IEC 60034-2-1 ^[4]。兩種供電情境的實務差異，見變頻馬達與一般馬達。

磁體真正拿掉的是轉子繞組損耗：感應轉子帶著感應電流，因此有實實在在的銅損，在小型電機裡這是損耗預算中最大的兩項之一。刪掉它，正是永磁電機不必加大機座就能登上最高等級的原因。效率等級的更廣泛比較，見馬達效率等級是什麼與IE2 與 IE3。

規格表上該寫什麼

一張只寫「稀土永磁馬達，5 kW」的採購單，等於給供應商近乎無限的空間。下列幾行能把空間關起來。

未附溫度基準的轉矩常數，是永磁馬達資料手冊最常見的缺漏；而退磁計算，則是把牌號選擇從意見變成工程決定的那一份文件。這兩行都不貴。整機的額定與熱行為仍由 IEC 60034-1 管轄 ^[6]，外殼防護則由 IEC 60034-5 管轄 ^[7]。銘牌上實際會寫什麼、更換決策能依據什麼，見如何讀懂馬達銘牌。

哪些場合划算，哪些不划算

只要轉矩密度、部分負載效率或寬定功率範圍比初次成本更重要，永磁電機就佔優。只要工況是間歇的、環境溫度不受控、價格是決定性變數，它就不佔優。

最後一列值得說白一點，因為它在商務上最有用。每年固定轉速運轉兩百小時的機器，永遠賺不回價差；把磁體馬達指定進那種工況，是沒有回報的成本。能源論證只在年運轉時數高、負載會變動的地方成立，不能當成通則。

為從動機械選馬達，邏輯與選任何其他原動機相同；流體負載的順序見為泵選對馬達，各機種的家族關係則整理在交流同步馬達與同步馬達與感應馬達。

六個一路帶到量產的錯誤

1. 把「稀土馬達」當成一條規格。釹鐵硼與釤鈷的溫度係數相差三倍。兩者都不點名的報價，等於任一種都能交。
2. 為了保險買最高後綴。它耗掉剩磁、金錢，有時還得為了塞進較弱的磁體而重畫轉子。便宜的解法通常在散熱。
3. 引用轉矩常數卻不給溫度。同一台馬達在 140 °C 的轉矩常數比 20 °C 低 13%。沒有溫度基準的 Kt 無從查證。
4. 以為繞組感測器會保護磁體。磁體是獨立的熱質量，可以在繞組讀數仍正常時就越過膝點。
5. 用過載來檢驗退磁。多數機器的主控情境是高溫下的端子短路，而它恰恰是最少被分析的一個。
6. 在標準範圍外套用 IE5 宣稱。變頻器供電電機歸 IEC TS 60034-30-2，不是 IEC 60034-30-1；資料手冊上兩者不能互換。

故障排查：症狀、原因、處置

前兩列是區分熱問題與材料問題的那一對，而反電動勢量測就是定案的依據。永久失磁通的電機，在固定測試轉速下會呈現永久偏低的反電動勢，這是十五分鐘就能做完、不必拆轉子的檢查。

Greensky Power 如何指定磁體

我們把磁體牌號視為馬達規格的一部分，而不是一項採購來的零件。也就是說，牌號、矯頑力下限與所假設的磁導係數，會在轉子畫圖之前就與客戶議定；退磁情境按最高磁體溫度分析，而不是按繞組溫度。

實務上，我們的一份報價會多帶四項「不指定磁體」的報價給不出來的東西：附最小矯頑力的牌號與後綴、連同適用溫度的轉矩常數、由我們所提冷卻配置支撐的最高磁體溫度，以及任何效率宣稱所依據的標準編號。工況偏熱時，我們在圖面發出之前就說清楚，畢竟現場失效是代價很高的發現方式。

如果你手上已有轉子設計，想按真實工作週期檢查牌號，把轉矩曲線、環境溫度，以及變頻器送入短路的峰值電流給我們。這三個數字就決定了答案。把工作週期交給我們的工程團隊，或從馬達應用資料庫與客製馬達方案開始。效率論證的更深入說明，見高效率馬達為什麼更有效率。

參考文獻

1. IEC. (2023). IEC 60404-8-1:2023, Magnetic materials – Part 8-1: Specifications for individual materials – Permanent magnet (magnetically hard) materials, Edition 4.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/68440/
2. IEC. (2025). IEC 60034-30-1:2025, Rotating electrical machines – Part 30-1: Efficiency classes of line operated AC motors (IE code), Edition 2.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/91195
3. IEC. (2016). IEC TS 60034-30-2:2016, Rotating electrical machines – Part 30-2: Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code), Edition 1.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/30830
4. IEC. (2024). IEC 60034-2-1:2024, Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests, Edition 3.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/67756
5. IEC. (2024). IEC 60034-2-3:2024, Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors, Edition 2.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/67758
6. IEC. (2026). IEC 60034-1:2026, Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance, Edition 15.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/89961
7. IEC. (2020). IEC 60034-5:2020, Rotating electrical machines – Part 5: Degrees of protection provided by the integral design of rotating electrical machines (IP code) – Classification, Edition 5.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/64224
8. IEC. (2018). IEC 60034-14:2018, Rotating electrical machines – Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher – Measurement, evaluation and limits of vibration severity, Edition 4.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/59889
9. European Parliament and Council. (2024). Regulation (EU) 2024/1252 establishing a framework to ensure a secure and sustainable supply of critical raw materials. Official Journal of the European Union. https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2024/1252/oj
10. U.S. Geological Survey. (2025). Mineral Commodity Summaries 2025: Rare Earths. U.S. Department of the Interior. https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-rare-earths.pdf

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