Inga sällsynta jordartsmetaller och ingen motor? Lyssna på inhemska leverantörer som tolkar ins och outs av reduktion av sällsynta jordartsmetaller i motorer
China Auto News
Nyligen sa Colin Campbell, vicepresident för Teslas drivlinaverksamhet, att företagets nästa generations motorer inte alls kommer att använda sällsynta jordartsmetaller. Detta meddelande var som en sten som kastades i en lugn sjö, vilket orsakade uppståndelse i branschen. Det rapporteras att från 2017 till 2022 har Tesla framgångsrikt minskat användningen av sällsynta jordartsmetaller i Model 3-drivmodulen med 25 procent på grund av förbättringen av effektiviteten i transmissionssystemet. År 2020 avslöjade Tesla att man utvecklar en ny typ av icke-magnetisk motor-Surface Permanent Magnet Switched Reluctance (SPSRM) motor, som kombinerar fördelarna med permanentmagnetmotorer och switchade reluktansmotorer (SRM). , samtidigt som man undviker nackdelarna med båda, kan uppnå hög effektivitet, hög effekttäthet och hög vridmomentdensitet utan att använda sällsynta jordartsmetaller.
Tesla är känd som vindflöjeln i den nya energifordonseran, vilken är den sällsynta jordartsfria motorn den förespråkar? Hur mycket "stänk" kan det göra i branschen?
Inga sällsynta jordartsmetaller betyder inte ingen magnetism
Med bakgrund av att praktisera den gröna och koldioxidsnåla vägen och främja utvecklingen av elektrifiering på ett allsidigt sätt, har batterier, motorer och elektroniska kontroller blivit de "tre nya huvuddelarna" som är oumbärliga för nya energifordon, och motorer åtar sig alla funktioner relaterade till fordonskörning. .
För närvarande finns det tre huvudtyper av motorer som används i nya energifordon: permanentmagnetsynkronmotorer, elektriska excitationssynkronmotorer och asynkrona AC-motorer. Permanentmagnet synkronmotorer är det vanliga valet i branschen, men på grund av de höga kostnaderna för sällsynta jordartsmetaller och begränsade reserver Under de senaste åren har rösten för att bytas ut blivit mer och mer högljudd.
Det är underförstått att sällsynta jordartsmetaller står för nästan 20 procent av kostnaden för permanentmagnetmotorer. Som en klass av metallelement med speciella fysikaliska och kemiska egenskaper har den använts i stor utsträckning inom många högteknologiska områden. Det finns en levande metafor på marknaden. Om olja är industrins blod, så är sällsynta jordartsmetaller industrins vitaminer, särskilt för bilindustrin. I permanentmagnetmotorer är neodymjärnbor (NdFeB) ett av de mest använda permanentmagnetmaterialen, med hög remanens och energiprodukt. Och dess tre typer av sällsynta jordartsmetaller: neodym (Nd), praseodym (Pr) och dysprosium (Dy), som är till stor hjälp för att förbättra den dynamiska magnetismen, värmebeständigheten, förlänga livslängden och minska motorljudet. Därför, trots den höga kostnaden, har permanentmagnetmotorer alltid varit den vanliga konfigurationen av nya energifordon.
Teslas påstående att nästa generations motorer inte alls kommer att använda sällsynta jordartsmetaller verkar ha skakat statusen för permanentmagnetmotorer och sällsynta jordartsmetaller. Ur ett teknik- och marknadsperspektiv, hur ska vi tolka branschtrenden?
Faktum är att Tesla inte är det enda företaget som föreslår att motorer inte använder sällsynta jordartsmetaller. År 2021 utvecklade Mahle, ett tyskt bildelarföretag, en ny motor som inte kräver sällsynta jordartsmetaller; sedan 2022 lanserade BMW också den femte generationens sällsynta jordartsmetallfria motor. Branschinsiders tror att Tesla och andra företag är ivriga att utveckla motorer utan sällsynta jordartsmetaller, inte så mycket på grund av den tekniska utvecklingen, utan mer av geopolitiska hänsyn.
Enligt statistiken levereras cirka 97 procent av världens sällsynta jordartsmetaller av Kina. Enligt uppgifterna är sällsynta jordartsmetaller en viktig strategisk resurs med unika egenskaper och ett oumbärligt nyckelelement för att transformera traditionella industrier, utveckla framväxande industrier och nationell försvarsteknikindustri. Tidigare var Kinas exportpriser för sällsynta jordartsmetaller låga. Med den kontinuerliga ökningen av kostnaderna för gruvdrift och raffinering av sällsynta jordartsmetaller råvaror har exportkontrollen av sällsynta jordartsmetaller blivit strängare och utländska bilföretag har börjat hitta en annan väg ut.
Branschexperter anser dock att det är felaktigt att kalla en motor "magnetisk fri" bara för att den inte använder sällsynta jordartsmetaller.Niu Mingkui, general managerav Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(hädanefter kallad "Founder Motor") , berättade för reportern för "China Automobile News" att permanentmagneter för sällsynta jordartsmetaller bara är ett sätt att fastställa huvudmagnetfältet för synkronmotorer, och företag kan också använda andra metoder, men i alla fall måste ett magnetfält upprättas för att få motorn att gå, så det är uppenbarligen en "gimmick" att föreslå en icke-magnetisk motor. Enligt hans uppfattning är Teslas plan väl förstådd. Följande metoder kan användas för motorer som inte använder sällsynta jordartsmetaller: att använda ferrit istället för sällsynta jordartsmetaller som permanentmagneter, eller använda elektriskt exciterade synkronmotorer, och sedan AC-induktionsmotorer.
3 gissningar om Tesla
Som ledare för elfordon har Teslas rörelser uppmärksammats av hela bilindustrin. När det gäller nästa generations Tesla-motor som inte använder sällsynta jordartsmetaller,BorgWarner Engineering Manager Huo Congchonghar tre gissningar.
För det första kan "inga sällsynta jordartsmetaller" syfta på inga tunga sällsynta jordartsmetaller, inte alla sällsynta jordartsmetaller. Huo Congchong sa till reportrar: "I allmänhet hänvisar de sällsynta jordartsmetallerna som används i motorer till tunga sällsynta jordartsmetaller, såsom terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), neodym (Nd), praseodym (Pr) och andra grundämnen . Olika motorer använder olika tunga sällsynta jordartsmetaller på grund av deras lilla lager och höga kostnader. Nu börjar företag att använda fler lätta sällsynta jordartsmetaller och minska användningen av tunga sällsynta jordartsmetaller."
För det andra är det också möjligt att ersätta permanentmagnetens synkronmotor med en elektrisk excitationssynkronmotor. Kärnan i den elektriska exciteringsmotorn är att ersätta permanentmagneten med den elektriska excitationsspolen och ändra den magnetiska styrkan genom att justera spolens ström, för att uppnå olika kraftprestandakrav vid olika fordonshastigheter. Samtidigt kan den elektriska excitationsspolen eliminera nackdelarna med avmagnetisering och stopp av permanentmagneten vid hög temperatur, och fältförsvagningen kan realiseras genom att reducera excitationsströmmen vid hög hastighet, och hastighetsändringen kan realiseras genom att kontrollera excitationsintensiteten, och säkerheten är också bättre. Detta är vad BMW:s femte generationens magnetlösa motor gör.
Den största skillnaden mellan elektrisk magnetiseringsmotor och permanentmagnetmotor är rotorn. Principen för den förra är att lägga till spolar till rotorn och använda kolborsten för att införa excitationsströmmen. Detta har dock medfört ett nytt problem, kolborstens tillförlitlighet och hållbarhet kommer att ha stor inverkan på motorns arbetseffektivitet.
För det tredje kan sättet för blandad excitation också realiseras i princip. Under förutsättningen att bibehålla hög effektivitet ändrar denna nya typ av motor topologistrukturen, och huvudmagnetfältet genereras av två excitationskällor för att förverkliga reglering och kontroll och förbättra motorns hastighetsreglering, drivprestanda eller spänningsregleringsegenskaper. . Det vill säga att permanentmagneten inte använder sällsynta jordartsmetaller, utan använder ferrit, och lägger sedan till viss elektrisk excitation etc., men denna lösning har dåliga magnetiska egenskaper och begränsad arbetseffektivitet. större och tyngre.
"Vi kan naturligtvis fortfarande inte utesluta möjligheten att Tesla har gjort ett stort genombrott inom nya material, men om inte, tror jag att den första av dessa tre lösningar är den mest troliga." Det finns amerikanska företag som kan utveckla en lösning för användning av "noll" tunga sällsynta jordartsmetaller i motorer. Jag tror att detta inte är en svår utmaning för Tesla.
Statusen för permanentmagnetmotorn är ännu inte skakad
I bilelektrifieringens era har nya krav lagts fram för utvecklingen av batterier, motorer och elektroniska kontroller. I vilken riktning kommer motorn att utvecklas i framtiden? När marknadens strävan efter fordonskraftsprestanda blir högre och högre, har fyrhjulsdrift blivit en avancerad konfiguration för många prestandabilar, och biaxialmotorer har antagits av fler och fler bilföretag. Hur väljer man mellan permanentmagnetmotor och induktionsmotor?
Chen Jing, chef för Motor Development Department of Founder Motors, berättade för reportrar att han nyligen har nått en konsekvent slutsats efter att ha kommunicerat fullständigt med branschfolk i en arbetsdiskussion: permanentmagnetmotorer är fortfarande huvudströmmen på marknaden.
"Permanentmagnetsynkronmotorer har använts i stor utsträckning under lång tid, och har en historia av årtionden av utveckling. Ferritmaterial användes först, och energitätheten är bara 1/2 till 1/3 av den för sällsynta jordartsmetaller permanentmagneter. Därför började industrin från omkring 2000 lägga till sällsynta jordartsmetaller till permanentmagneter, vilket avsevärt förbättrade motorns energitäthet." Niu Mingkui berättade för reportrar. Han menar att utvecklingstrenden av produkter är oskiljaktig från egenskaperna hos själva tekniken. Att döma av nuvarande motorprestanda är fördelarna med permanentmagnetmotorer med sällsynta jordartsmetaller oöverträffade av andra typer av motorer, så det kommer fortfarande att vara förstahandsvalet för de flesta nya energifordon, speciellt den används som huvuddrivmotor.
Det är underförstått att jämfört med andra typer av motorer har permanentmagnetmotorer sina egna magnetfält, kräver inte excitation, har inga motsvarande förluster, kan ge maximalt vridmoment och har utmärkt transmissionseffektivitet; samtidigt kan de uppnå liten storlek och låg vikt, vilket sparar mycket. Det är dock lätt att avmagnetisera under hög temperatur och kan inte justera hastigheten i realtid.
Elektriska magnetiseringsmotorer och induktionsmotorer använder inte sällsynta jordartsmetaller, vilket sparar kostnader, men det finns också utestående problem. Rotorstrukturen för den elektriska excitationssynkronmotorn är komplicerad, och det finns en kolborsteanordning med släpring, som har dålig tillförlitlighet. Kolborsten behöver regelbundet underhållas och bytas ut, och underhållskostnaden är hög. Induktionsväxelströmsmotorn genererar ett inducerat magnetfält genom att skära av magnetfältet, så att den magnetiska kraften har hysteres; men den asynkrona induktionsväxelströmsmotorn har bättre höghastighetsprestanda och används för närvarande ofta som en kombinationskonfiguration med fyrhjulsdrift. Till exempel använder Tesla Model 3 en induktionsväxelströmsmotor kombinerad med en permanentmagnetmotor som framaxelmotor i ett fyrhjulsdrivet fordon; Weilais modell är motsatsen till Model 3, med en kombination av en synkronmotor med permanentmagnet på framhjulet plus asynkronmotor med växelström på bakhjulet. Kombinerat program.
I detta avseende förklarade Niu Mingkui: "Även om induktionsmotorn också kan uppnå samma arbetseffektivitet som permanentmagnetmotorn, kommer den att öka mängden andra material som koppar och kiselstål, och den är också större, tyngre och tar mer plats. Därför använder den nuvarande industrin sällan asynkronmotorer som huvuddrivmotor."
Chen Xiaoyong, produktchef för Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,sa rakt ut till reportrar att Teslas tal verkade vara en gimmick, men att det inte hade någon större inverkan på inhemska bilföretag. "Alla har enighet om att huvudströmmen av inhemska nya energifordonsmotorer fortfarande är permanentmagnetmotorer, och effektiviteten hos elektriska magnetiseringsmotorer och induktionsmotorer kan inte jämföras med dem. Det globala innehållet av sällsynta jordartsmetaller är tillräckligt, och det är osannolikt att det undergrävs permanentmagnetmotorer på kort tid", sa han.
Många branschinsiders har också samma uppfattning. Enligt Huo Congchongs uppfattning kommer den kinesiska bilmarknaden fortfarande att domineras av permanentmagnetmotorer i minst 10 år. Det finns ingen kris i försörjningskedjan på detta område, och inhemska nya energifordonsmotorer tenderar också att använda mindre tunga sällsynta jordartsmetaller, och kostnaderna fortsätter att sjunka. , fördelarna blir mer och mer framträdande.
Hela bilindustrin minskar användningen av tunga sällsynta jordartsmetaller, men sällsynta jordartsmetaller kommer inte att användas. I en intervju med reportrar,Gong Jun, en motoransvarsexpert från den nationella specialövergripande expertgruppen för nyckelteknologi för nya energifordon, påpekade att Kinas gruvproduktion är tillräcklig, så det finns ingen anledning att oroa sig.Samtidigt, med utvecklingen av dysprosiuminfiltrationsprocessen, kan industrin minska mängden tunga sällsynta jordartsmetaller. För närvarande kommer Tesla inte att ge upp permanentmagnetmotorn, på sin höjd kommer den att överväga hur man inte använder tunga sällsynta jordartsmetaller.
"Många utländska företag har bara kunnat använda lätta sällsynta jordartsmetaller för motorer, men ur marknadsförhållandena accepterar inte inhemska kunder lösningen för tunga sällsynta jordartsmetaller särskilt mycket; dessutom kommer denna lösning att ha avmagnetiseringsproblem, vilket resulterar i lägre effektivitet. Det är ett problem som måste lösas." Huo Congchong berättade för reportrar.
Sällsynta jordarter är inte längre en flaskhals
Hela bilindustrin har börjat utvecklas i riktning mot att minska sällsynta jordartsmetaller, särskilt att minska användningen av tunga sällsynta jordartsmetaller. Niu Mingkui sa att reserverna och priserna på tunga sällsynta jordartsmetaller och lätta sällsynta jordartsmetaller är mycket olika. Till exempel är det nuvarande marknadspriset för praseodym och neodym mer än 700,000 yuan/ton, terbium är så högt som mer än 20 miljoner yuan/ton, och kostnaden för sällsynta jordartsmetaller av lantan och cerium är lägre. Tiotusentals yuan / ton. Därför har industrin uppnått goda resultat för att främja eliminering av tunga sällsynta jordartsmetaller och minska mängden lätta sällsynta jordartsmetaller, praseodym och neodym.
"Precis som den tidigare lättviktsdesignen av bilar, genom att minska tjockleken på stålplåten, minska tjänstevikten och sedan förbättra den strukturella designen eller svetsprocessen, har fordonet bättre styvhet, vilket inte minskar säkerheten, men också effektivt uppnår låg vikt. Kvantifiering. Nu är idén att reducera sällsynta jordartsmetaller i motorer densamma." Niu Mingkui förklarade ytterligare.
Reportern fick veta att med teknikens framsteg har användningen av motormaterial genomgått stora förändringar. Chen Jing berättade för reportrar: "När vi först använde magnetiska material för att tillverka magneter, blandade vi och avfyrade sällsynta jordartsmetaller och järnbasmaterial, så att hela materialet med sällsynta jordartsmetaller var jämnt fördelat i magneterna. Men i själva verket var permanentmagneten synkron. motor Principen för avmagnetisering bestämmer att innehållet av tunga sällsynta jordartsmetaller i ytarean av det magnetiska stålet måste ökas, och innehållet av tunga sällsynta jordartsmetaller i det centrala området bör vara lågt och inte jämnt fördelat. Traditionellt magnetiskt stål använder en enhetlig sintringsprocess, och i själva verket används en stor del av tunga sällsynta jordartsmetaller. I processen spelade det inte sitt rätta värde."
På senare år, på grund av framstegen i tillverkningsprocessen, kan ytan och det inre av det magnetiska stålet delas upp, och korngränsdiffusionstekniken används för att reparera och öka magnetytans magnetiska egenskaper. Det rapporteras att japanska forskare först föreslog konceptet "korngränsdiffusion", med hjälp av en speciell process för att få tunga sällsynta jordartsmetaller att diffundera endast i korngränsen och inte in i kornet, vilket inte bara förbättrar prestandan hos NdFeB-material, utan också minskar kraftigt den totala mängden tunga sällsynta jordartsmetaller minskar materialkostnaden. Den inhemska korngränsdiffusionsteknologin har också utvecklats snabbt och har nästan blivit standardkonfigurationen för nya produkter, vilket kraftigt minskar mängden tunga sällsynta jordartsmetaller. Enligt ofullständig statistik, genom ett mer riktat diffusionssystem för val av magnetiskt stål, kan Founder Motor minska användningen av tunga sällsynta jordartsmetaller med 20 procent till 30 procent varje år, och den har minskat med nästan 50 procent hittills. "Det finns dock ingen tydlig lösning på huruvida användningen av tunga sällsynta jordartsmetaller kommer att vara nära noll i viss utsträckning, eftersom tunga sällsynta jordartsmetaller är värdefulla för att förbättra prestandan hos magnetiskt stål, anti-vibration och motstånd mot hög temperatur, så de kan inte ersättas helt på kort sikt, betonade Niu Mingkui.
Enligt Gong Juns uppfattning har tekniska framsteg inom området för sällsynta jordartsmetaller nått en relativt hög nivå, och det är inte längre forskningens kärnmål. Utländska företag arbetar med lösningar utan sällsynta jordartsmetaller eller sällsynta jordartsmetaller, så det finns ingen anledning att oroa sig för beståndet av sällsynta jordartsmetaller.
Faktum är att många företag utvecklar beredningstekniken för billiga lantan- och ceriumtillsatta sintrade NdFeB-magneter för att möta marknadens efterfrågan på billiga och justerbara permanentmagneter för sällsynta jordartsmetaller. Spannmålsförfining, korngränsdiffusion och korngränsreglering och andra tekniker har också använts i stor utsträckning i massproduktion, vilket minskar mängden tungt sällsynt jordartsmetallterbium och dysprosium, vilket minskar råvarukostnaden för produkten.
"Förut var alla väldigt intrasslade. Även om mitt land har fördelarna med sällsynta jordartsmetaller, är det oroligt att prisfluktuationerna i faktisk användning kommer att vara för stora, och innovationen av material och processer begränsas också av prisnivån på sällsynta jordartsmetaller. jordar. Den nuvarande trenden är att minska volymen av motorer. , Företag kommer att öka motorhastigheten, vilket minskar kraven på magnetism. Nu har industrin lägre och lägre krav på sällsynta jordartsmetaller, och om det fortsätter att gå ner, mängden tunga sällsynta jordartsmetaller kommer också att minska." Sa Gong Jun.
I detta avseende analyserade Niu Mingkui det också ur tre aspekter: för det första är de globala reserverna av sällsynta jordartsmetaller tillräckliga, så det finns ingen anledning att oroa sig alls; för det andra, under nuvarande tekniska utvecklingsförhållanden är användningen av sällsynta jordartsmetaller i motorer mycket mindre än tidigare, och graden av beroende av sällsynta jordartsmetaller Återigen är det värt att nämna att med utvecklingen av motoråtervinningsindustrin, den sällsynta jordartsmetallen material i avfallsmotorer kan tekniskt renas och återvinnas till nära 100 procent, vilket också är en viktig källa till sällsynta jordartsmetaller. "De sällsynta jordartsmetallerna som behövdes för att tillverka en motor i det förflutna kan användas för att producera två nya motorer i framtiden." Han sa att eftersom marknaden för nya energifordon fortsätter att växa i framtiden, kan återvinning av motorer vara en viktig källa till sällsynta jordartsmetaller, "Rare Earth "Dafeng" förväntas också förverkligas i förtid. Vid den tiden, sällsynta jordartsmetaller material kan uppnå en organisk dynamisk balans precis som nya energifordon.
