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不用稀土永磁,马斯克要“去中国化”?

2023-06-14 14:2863550

 

特斯拉下一代永磁电机不用稀土。

图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文来源于微信公众号网易科技(ID:tech_163),作者 | 普子胥,钛媒体经授权发布。  

特斯拉下一代永磁电机不用稀土,马斯克在之前的投资者大会上这样放言,一言重挫稀土产业,受其波及,行业个股一度纷纷下挫。老马大嘴一张,杀伤力如此之大,难道稀土永磁真的要彻底凉凉?

“马斯克是一个有雄心的和大胆敢想的人物。特斯拉下一代电动车不使用稀土,是顺应美国发展电动汽车计划的‘政治正确’的投资策略,我们要理性看待,不适过度解读。”

中国电子科技集团公司首席专家、中国电子材料行业协会磁性材料分会秘书长、中国稀土学会常务理事张明向网易科技《能量场》表示,屁股决定脑袋,马斯克的策略更多是一种“迫不得已”的交代。

“以前有一种倾向。一有争论,那洋人都是对的。”上海大学机自学院电气工程系教授罗建对《能量场》表示,马斯克不用稀土,可能有他的立场:“不能说洋人不用稀土,我们就跟风。”

不用稀土永磁,,到底行不行?

电机,是新能源汽车的三大核心零部件之一,是新能源汽车的“心脏”,重要性不言而喻。一般来说,电动车的驱动电机分为两大类:一种是永磁同步电机,另一种是异步交流电机。

两者相比,各有优劣。

永磁同步电机,往往需要用到以钕铁硼为主的稀土永磁材料,该材料可对电机整体性能改善,使电机工作更为稳定,提高电机的效率,改善电机的耐热性,使电机更耐用,更轻量化,是车企的主流选择。而异步交流电机的功率和扭矩更低,体积更大,不过相对便宜。

特斯拉早期推出的电动汽车,使用的就是交流异步电机。不过,随着上海超级工厂投产,特斯拉也开始使用稀土永磁同步电机,或两种电机混合使用。

然而,一贯“离经叛道”、热衷成本控制的马斯克,此前曾在特斯拉投资者大会高调表示,现在的Model 3永磁电机稀土量减少了25%,而下一代电机将不再使用稀土材料。

问题的关键在于:永磁同步电机少用、或者不用稀土材料,到底行不行?

“这在技术上是可行的。”罗建教授认为,如果电机不用稀土,得分几种情况:一种是,电机完全不使用磁性材料,变成了没有永磁体的电机。第二种是,稀土永磁体和其他永磁材料混用。第三种是,电机还用永磁体,但不再使用稀土,而用其他替换材料。仅从技术路径上说,以上三种方法都能实现。

而采取哪一种电机,取决于不同的应用场景,不同的电机其实都有机会。

罗建以不采用永磁材料技术路线向《能量场》举例。在绝大多数情况下,永磁体能建立磁场,能够提高效率。但在电机高速运转时,永磁体的磁场一旦过强,就需要减弱磁场,这会带来能量损耗。这时候,永磁体就变成一个“坏事”。

因此,这些年业界提出了相应的解决方案:比如,电动四驱车的一根轴采用永磁电机, 另外一根轴采用异步电机,两者相互搭配。比如,特斯拉在Model3等车型上,其前轮用了交流感应电动机,后轮用了永磁同步电动机驱动。这类混合驱动方式兼顾了性能和效率,还能减少对稀土材料的用量。

罗建指出,如果车辆在滑行,此时异步机里因为没有磁场,本身不会带来附加损耗。可如果是永磁电机,里面有磁场,即使不通电,也会带来附加损耗。所以,不同时间、不同工况下使用什么电机,是可以讨论的。

而另一种情况,则是在同步电机的基础上,用电力磁场替换永磁体。此外,还有一种“折中”方案,即采用永磁辅助电机:“电机的磁场,一部分由永磁体建立,另一部分用由定子电流通过转子磁阻建立。”罗建表示。

这样做,有什么好处?

罗建谈到,新能源汽车电机和工业电机最大的不同是,新能源车的电机速度是从0变到最大,没有一个额定速度。因此,人们想用一台永磁电机,在所有的速度范围内都达到最好效果,难度很大,也不现实:“所以,从综合效率优化的成本来说,用稀土永磁材料、以及非稀土永磁材料(比如铁氧体),共同辅助搭配,做一个永磁辅助电机,是一个不错的解决方案。”

此前,特斯拉动力总成工程负责人科林·坎贝尔在投资者日上发表讲话,指出下一代电车,将会去除电动汽车永磁电机中的稀土。

但问题是,他没有提供将会采用什么技术,何时上市以及使用范围。

“马斯克不用稀土永磁,可新材料是什么没有公布。”上海有色金属网稀土分析师杨佳文向网易科技《能量场》表示,如果特斯拉想开发新的技术,或者运用新的材料,先不说能否商业化生产,可开发周期是多久,也没有说明。

马斯克有没有可能,发现新材料?

如果马斯克依旧想用永磁体电机,但不使用稀土材料,这是否可行呢?

张明向《能量场》表示,特斯拉电动汽车永磁电机如果不使用稀土材料,可能的方向是两种:一种是使用现有的无稀土永磁材料进行改进,另一种是使用新型无稀土永磁材料。

谈到第一种方向,张明表示:“如果特斯拉用铁氧体永磁替代稀土永磁,那么电机要提供相同的磁能时,所需永磁体的体积将增大10~12倍。这一技术方案不符合电动汽车对车身轻量化的需求。”

而如果马斯克要使用新型的无稀土永磁材料,张明表示,这在技术、规模化量产上都存在难点。

为此,张明举了一个例子。

2012年,美国能源部实施了一个研发无稀土永磁材料的REACT计划,对Fe16N2、MnBi等多种材料进行研究,但至今没有重大进展。主要原因,是替换稀土的材料且需要可批量生产的块体材料制造工艺:但现阶段,全球还没有找到美国REACT计划中候选永磁材料的制造工艺。

除了制造工艺的难点,新材料从发明到规模化生产,仍需要时间。

比如,2022年年底,美国爱荷华州立大学艾姆斯实验室的夏薇仪和东京大学固体物理研究所樱井正弘等人,就在PANS发表文章,证明了他们的机器学习(ML)指导框架能够在几天内,完成无稀土磁性化合物Fe3CoB2的计算发现和实验合成,而该材料适用于无稀土永磁应用。

“尽管如此,即使找到替代钕铁硼的新型永磁材料,要将其投入规模化生产,乐观地说至少5年以上。”张明谈到,当下稀土永磁电机的核心材料钕铁硼,早在1983年就已经发明,但规模化生产也等到了2000年以后。

“现阶段没有这样的技术基础。”杨佳文谈到,2022年,镨钕金属(钕铁硼原材料之一)涨到130多万/吨,大家还在用,说明现阶段没有可以完全替代钕铁硼永磁的材料。

稀土永磁贵不贵?

马斯克为何如此“着急”去宣告自己的“去稀土计划”?

对此,人们猜想马斯克执着于“去稀土”,在于成本考量。公开资料显示,电动车采用的稀土永磁电机,运用到的稀土材料钕铁硼,一般能占到永磁电机成本的50%。

“一台常见的100多kWh的新能源电车,其永磁电机大致消耗1公斤到3公斤的钕铁硼”,罗建表示。    


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