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稀土永磁電機:稀土資源將成為電動車電機主要耗材

2016-07-16 11:12:09點擊數(0)已有0人評論 來源:電機之家(www.nbrongkai.cn)

稀土,顧名思義的話,不過是稀有的土,實際上它是一種稀有的金屬元素,是元素周期表ⅢB族中鈧、釔、鑭系17種元素的總稱。這種材料在當今時代應用范圍極廣,石油、化工、冶金、紡織、陶瓷、玻璃、永磁材料都能看到它們的身影,有著“工業維生素”的稱號。

而在汽車行業,稀土所扮演最關鍵的角色,便是作為永磁材料。用在什么地方呢?就是當今豐田、本田所擅長的混動車中的驅動電機,以及其它車企的插混、純電動車驅動電機。永磁鐵是這些汽車驅動電機中必不可少的部件,而稀土則是制作永磁鐵必不可少的材料。

稀有永磁的應用

永磁同步電動機

實際上,稀土的重要作用并不僅僅體現在民用產品,很多高精尖的軍事武器如果離開了稀土,都會失去作用。戰斗機發射的激光制導炸彈、軍艦發射的巡航導彈以及美國最先進的隱形戰機,都大量使用了從中國進口的稀土材料。

幸運的是,如此重要的稀土,在我們國土上有著龐大的儲量,當今全球稀土總產量中,中國占的比重高達80%以上(一說90%以上)。科技發達的國家,不管是日本、美國還是歐洲,都是中國稀土資源的大客戶。

稀土永磁電機

釣島危機后鏑(紅線)與釹(灰線)的價格趨勢

正如中東國家曾發起三次石油危機一樣,稀土在中國手中也是一個非常有力的武器,而我們第一次認真使用這項武器,便是在2010年的釣魚島危機之后。2010至2011年期間,中國的稀土出口配額削減了七成以上,同時稀土的價格也飆升了數倍以上,讓豐田、本田、日產等依賴稀土的車企產生了巨大的危機。

鏑(紅線)與釹(灰線)的價格趨勢

釣魚島風波逐漸平息之后,中國的稀土出口量逐漸恢復,價格也慢慢回落到接近危機前的水平,但這件事情讓日本車企及相關的其它產業意識到,過于依賴中國的稀土是有風險的。正是從那時開始,這些日本車企都下定決心,尋找不再依賴稀土的新技術。


從這段聲明可以看出,本田是同供應商大同特殊鋼一同研發的新電機技術,技術核心是在保證耐熱性、強磁性及扭矩輸出的前提下,通過釹磁鐵擺脫了對重稀土的依賴。這里我們首先要注意到“重稀土”的描述,釹本身也是稀土元素,但和傳統電動機中采用的

鏑(dí)和鋱(tè)不同,釹屬于輕稀土,而后兩者屬于重稀土。

既然都是稀土,本田依然依靠釹,豈不還要看中國政府的臉色?并非如此。中國雖然在稀土產出中占比很大,但澳大利亞、巴西、印度、斯里蘭卡也都是稀土出口國,釹這種輕稀土材料可以比較輕松地在這些國家獲取。也就是說,如果本田的釹磁鐵確實能夠在成本與性能上媲美傳統磁鐵,其將來在混動車方面確實可以大大減輕對中國的依賴。


不過,這里要注意的是,本田的釹磁鐵技術是準備用在混動車型中,首款搭載的將是今年秋季上市的新一代Freed混動版。這款車與飛度共平臺,搭載本田的i-DCD混動系統,未來其它本田的混動車型也將陸續換裝新的釹磁鐵電機。


繞線轉子電機,是另一種無需稀土的方案,這種電機中,交流旋轉磁場被作用在定子電機繞組上(這點同感應式電機和永磁式電機相同)。銅繞組代替了轉子中的永磁鐵,通過定子部位的繞組線圈中的電流產生磁場,這樣一來,就需要一個裝置來將定子與轉子之間連通起來,這個裝置就是集電環。集電環是一個導電旋轉的環,上面安裝了靜止不動的碳刷,用來提供導電通路。

不過,這個裝置缺點是,當碳刷隨著時間的不斷損耗,集電環的可靠性也受到影響。碳刷的損耗會在電機中產生積碳,并導致出現電路故障。解決這個問題,可以通過目前一些智能手機的無線充電類似的電傳輸系統,但這種技術目前尚未成熟,且效率可能并不高。目前雷諾通過與德國大陸集團的合作,在Fluence及Zoe等車型中采用了這種繞線轉子電動機。


開關磁阻電機,是利用所謂的磁阻來產生扭矩的原理。由于磁通量有著沿最小磁阻通過的性質:“磁通總是沿著磁導最小的路徑閉合,從而產生磁拉力,進而形成磁阻性質的電磁扭矩”,同時“磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻和增大磁導的本性”,因此會產生磁阻扭矩。

這種方案被證實有著很低的成本以及很強的扭矩密度,其性能同當前現有的稀土磁電機非常接近。不過它的問題是容易產生很強的扭矩波動,和其它電動機相比也有著更高的噪聲,對于電動汽車而言目前并不適用。但通過優化控制系統與電機的設計,將來這些負面因素可能得到減輕。


其它車企的努力方向則是盡量減少對于稀土的應用,這方面投入實用的一個例子是寶馬的i3電動車。這款車搭載的電機為混合式電動機(hybrid motor),原理是在凸極轉子結構中加入少量的磁材料,并采用高凸極轉子拓撲,從而通過大約1千克的磁鐵實現了250 N·m的扭矩和125kW的功率。

稀土永磁電機

哪種技術會成為主流?

那么,看到這里大家都會問,以上幾種無需稀土或減少稀土應用的技術方案中,誰才有可能成為主流呢?其實,這個問題本身可能就是有問題的,就像當前的燃油動力系統中,汽油、柴油、渦輪增壓、自然吸氣都長期共存,雖然不同的方案有著不同的優缺點,但每個方案可能都有著足夠的生存空間。



基于鐵氧體磁鐵的驅動電機

在上述幾種電動機方案中,鐵氧體磁鐵及開關磁阻電機在大規模生產時的成本最低,但廠商需要注意的是,盡量避免電力電子轉換器及電池等系統部件中的額外成本,且兩項技術目前都沒有經過實際驗證。每項技術都有著自己的優缺點,但它們也都有投入大規模實用的潛力。

稀土磁鐵在未來很長時間預計還會扮演非常重要的角色,特別是在電動汽車中,每個車輪都需要安裝一個獨立的電機,這就對扭矩密度提出了非常高的要求。


釹鐵硼磁鐵與驅動電機

當前基于釹鐵硼的稀土磁鐵依然是電動與混動車最廣泛使用的技術,其極高的扭矩密度使得電動機可以實現較小的體積與重量,同時提供很高的效率。盡管如此,鑒于稀土的成本以及供應的不確定性,人們一定會努力探索其它解決方案。

雷諾與特斯拉已經分別應用了繞線轉子電動機和感應式電動機,均擺脫了稀土磁鐵。而磁阻電機與鐵氧體技術將來有可能實現更高性能的驅動電機。


短期來看,確實如此。但我們也要明白,在上世紀90年代以前的數十年中,全球最大的稀土產出國不是中國,而是美國,中國大規模開始開采稀土,是在上世紀80年代末、90年代初才開始的。

也就是說,其它國家(特別是美國)并非沒有稀土資源,只是因為種種原因(環保、成本、戰略安全等)逐漸停止了開采。當市場需求足夠強時,中國的稀土資源并非獨一份。

稀土永磁電機

稀土開采“后遺癥”,目前來看,基于稀土的永磁鐵電機雖然是最好的方案,但它本身并不完美,缺點包括原材料成本高、有一定的環境污染且在使用時有噪音大等缺點。而國外車企正努力研發的其它方案,雖然有的并不成熟、有的局限性高,但目前也都取得了可觀的進展,特斯拉的感應式電機以及本田新公布的釹磁鐵電機就是例子。

所以,長遠來看,本土車企如果繼續依賴基于稀土的永磁鐵電機,將來同國外車企在新能源汽車時代的技術差距可能越來越大。而目前我們在這些比較新的技術研發中,已經被甩在了后面。


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