波士頓, 2023年8月14日 — 近年來,現代科技中使用稀土的情況一直引起人們的關注。但隨著電動汽車(EV)需求的增加,這個問題變得越來越突出。2022年電動汽車市場中使用基於稀土永磁電機的電機占82%。中國在很大程度上控制著稀土的供應,這導致過去幾年稀土價格的大幅波動,2011/2012年曾出現很大升幅,2021-2022年期間也出現大幅上漲。重要的是,與一些其他技術相比,可以使用多種方法消除電機中的稀土使用,本文將概述這些方法以及它們的優缺點和應用情況。
本文根據IDTechEx最新的《2024-2034年電動汽車電機》報告。該報告分析了電動汽車不同電機技術在性能、材料、市場應用和未來潛力方面的情況。
簡要描述一下電機的構成,固定部分(定子)有金屬線圈(通常為銅線)通電產生磁場。這個磁場再驅動電機旋轉部分(轉子)旋轉。在稀土永磁電機中,永磁體位於轉子上。
1. 感應電機
感應電機(或異步電機)的定子產生的旋轉磁場導致轉子上產生感應電流,進而在轉子上產生磁場,被定子線圈產生的輻射磁場吸引或排斥。感應電機使用銅或鋁條或線圈作為轉子。這種電機通常在短時間內可以提供良好的峰值功率和扭矩密度,但從散熱角度來看可能存在一定困難,效率也通常低於永磁電機。
感應電機一直是電動汽車市場中的主流選擇,特斯拉一直使用直到Model 3(採用永磁設計)。在汽車市場,奧迪和奔馳等廠商仍然支持感應電機,但感應電機現在主要用作輔助電機,用於加速增強,因為在不工作時不會產生阻力,無需解耦器。
2. 繞組轉子電機
也稱為外激磁同步電機(EESM),繞組轉子同步電機(WRSM)用線圈繞組取代了轉子上的永磁體,通過直流電流導通線圈繞組產生磁場。這種結構可以同時控制定子和轉子磁場。缺點是轉子需要額外加工步驟來安裝繞組,並需要刷子將電能傳輸到轉子。歷史上,這種電機的功率和扭矩密度通常較低,但現代版本與永磁電機相比已經無異議。
雷諾早期在Zoe車型中採用了這種技術,現在BMW和日產也採用了這種設計,第一級供應商MAHLE提出了無線傳輸電能到轉子的版本,消除了刷子。
3. 誘導式電機
誘導式電機(SRM)在結構上可能最簡單,轉子主要由鋼製成。轉子鋼材的磁滯率低於周圍空氣,所以磁通優先通過鋼材,縮短其通路,驅動轉子旋轉。儘管結構簡單可靠,但誘導式電機的功率和扭矩密度一直比其他類型低,並伴有扭矩脈動和噪音問題。
雖然誘導式電機主要用於工業或重型應用,但人們正大力研發其電動汽車應用。公司如Turntide Technologies增加了更多轉子和定子極數,並開發了更先進的控制系統,以克服過去的缺點。英國Advanced Electric Machines開發了一種新型電機,其分段轉子結構保持簡單但聲稱可以消除噪音和扭矩脈動,同時提高功率和扭矩密度;這一設計是與賓利合作的一個項目的核心。
4. 替代磁性材料
雖然許多汽車製造商已逐步減少了電機中的稀土含量,但特斯拉聲稱其下一代驅動系統將採用無稀土永磁電機,引起了廣泛關注。人們正在開發多種替代稀土的永磁材料,磁性能方面有望與稀土材料相媲美;這些材料處於不同程度的商業化階段。
替代磁性材料的問題在於,其磁性能通常遠遜於稀土材料。例如,同時生產稀土磁體和鐵氧體磁體的製造商顯示,以相同尺寸的鐵氧體磁體替代稀土磁體,電機功率將下降50-70%,意味著要匹配相同功率,需要更多的磁性材料和/或更大尺寸的電機。
Proterial開發了一種磁性能「在鐵氧體磁體中處於世界領先水平」的磁體。只需要增加20%的磁性材料即可保持電機功率密度不變。Niron Magnetics正在研發亞鐵氮化物磁體,其下一代版本計劃與鈮磁性能相媲美。PASSENGER是一個歐洲項目,研發鍶鐵氧體和錳鋁碳合金。雖然研發工作正在進行,但真正性能可與稀土材料媲美的替代材料仍需一段時間;然而,通過對電機設計進一步優化,其性能可能不需要完全匹配。
5. 高速鐵氧體電機進一步優化
雖然使用鐵氧體磁體將顯著降低電機性能,但通過優化電機的其他多個方面,可能可以減輕這種影響。澳大利亞公司Ultimate Transmissions提交了一項專利,認為這可能是特斯拉消除電機稀土的一條路徑。
該設計使用更大尺寸的鐵氧體磁體,工作速度更高(2萬轉/分),可以與尺寸相近的稀土永磁電機匹配功率。一個挑戰是如何有效固定轉子上的磁體;一個潛在解決方案是使用碳纖維包裹轉子(特斯拉在Plaid車型中已經證明了這一技術)。另一個挑戰是鐵氧體磁體需要加熱才能發揮最佳效果,與鈮磁體相反,但這並非不可能實現。
需要注意,這種設計目前仍處在模擬階段,特斯拉消除稀土的方法可能與此不同,例如開發自己的替代磁性材料。但在模擬中,這種方法顯示出類似功率,成本下降,重量下降,以較小的扭矩和長度為代價。
IDTechEx預測無稀土電機技術的顯著增長。來源:IDTechEx
結論
人們正日益重視(尤其是在中國以外),減少電機中的稀土含量。各種策略都有其自身的利弊和機會,為電機製造商和材料供應商提供了機會。IDTechEx預測,稀土永磁電機將繼續主導市場,主要是由於中國在電動汽車市場及其他國家新開發的稀土礦。但是,預計到2034年,無稀土選項(包括上述方法)將佔市場近30%。