开发对稀土磁铁依赖度更低的电机 | Automotive IQ

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1997年，丰田打破了现状，推出了第一代普锐斯，其搭载的混合动力系统使用了稀土磁铁。

钕铁硼（NdFeB）等材料带来了巨大的性能优势，使得制造体积小但功率大的牵引电机成为可能。然而，到了2012年，这些材料的价格开始上涨，行业随之寻找更具可用性和可持续性的替代品。

问题是，还有哪些现成的替代方案可以继续生产强大且可靠的动力总成？

据electronicdesign.com报道，主要有四种类型的磁铁：陶瓷（铁氧体）、铝镍钴（AlNiCo）、钐钴（SmCo）和钕（NdFeB）。后者是混合动力和电动汽车电机中最常用的材料之一。钕磁铁具有更高的剩磁，以及高得多的矫顽力和能量产出，但通常居里温度低于其他替代品。

“包含铽和镝的特殊钕磁铁合金已被开发出来，具有更高的居里温度，使其能够承受高达200°C的高温。由于稀土磁铁的特性，没有其他磁铁材料能匹配其高强度性能。你实际上无法真正替代稀土磁铁，”Alliance LLC总裁Da Vukovich在该文章中被引用说道。

除了上述四种主要类型的磁铁外，稀土磁铁还分为两类：轻稀土（LRE）和重稀土（HRE）。“全球稀土储量中约85%为轻稀土，15%为重稀土。后者是提供适用于许多汽车应用的高温额定磁铁的关键，”electronicdesign.com表示。

现实情况是，2018年，全球生产的所有电动汽车中，有93%的动力总成由稀土制成的永磁电机驱动。

这比前一年的数据增加了1%。从Adamas Intelligence的EV Motor Power and Motor Metals Tracker平台数据中提取的这些信息表明，由于体积更小、效率更高，该技术继续成为最常用的技术。

稀土磁铁的使用与历史

永磁同步电机采用由稀土（如镝、钆或钕）组成的磁铁。得益于它们，动力总成不需要外部励磁或电刷来在转子中产生磁场，并在暴露于定子外部产生的磁场时使其旋转，这使得它们更加紧凑和简单。

磁通密度是这些磁铁用于产生运动所生成能量的特性。其主要特点是，磁化后，它们能保留其磁力线，类似于电荷移动的电池。

永磁体在1990年代开始在工业上普及，如今被用于大多数电动汽车。Adamas数据显示的这一现实归因于其更高的效率：与异步感应电机相比高达15%，达到更高的可用功率密度，无论是重量功率密度（kW/kg）还是体积功率密度（kW/cm3）。

这类电机最大的问题在于它们含有稀有材料，由于其稀缺性且来源仅限于少数国家。这使得它们的制造成本更高。

然而，从OEM（原始设备制造商）的角度来看，其更高的效率允许另一个基本组件——电池——做得更小，从而降低成本。

Adamas补充说，未来对永磁电机的需求将继续增长。但这一趋势可能会因电动汽车供需的增加而发生逆转，这导致每kWh的电池成本下降速度快于预期。这为使用感应电机以避免使用来自少数供应商的稀缺材料打开了大门。

例如，特斯拉从一开始就在其电动汽车中使用这种类型的电机。宝马在其新一代第五代电机中，打算放弃永磁电机。经过多年的开发，该公司实现了一个非常紧凑的系统，能够产生高达250kW的功率，并且得益于外部励磁，还能提供更大的扭矩控制，最大化功率和效率。

减少对稀土依赖的新型电机

自2013年以来，德国研究机构弗劳恩霍夫（Fraunhofer）一直在评估汽车电气化到来前稀土的可用性。该研究旨在为更高效地利用这些材料寻找新解决方案。

研究结果最近公布，包括一系列优化的生产工艺、回收指南以及替代稀土的新材料的使用。

该研究所已经能够证明，通过应用其研究结论中描述的解决方案，目前对这些材料（特别是镝和钕）的需求可以减少五分之一。

在研究中，使用了两个没有外部激励的电机——即使用镝和钕的永磁体来激活电机转子中的磁场并使其旋转。这种类型的电机是目前汽车行业在其电动汽车中最常用的，因为它不需要用于外部转子励磁的电气部件，从而使得电机非常紧凑且易于制造。因此，其需求将随之大幅增加。

据该项目发言人Ralf B. Wehrspohn教授介绍，最初的目标是将研究中两个电机的稀土使用需求减少一半。通过结合不同的技术方法，他们不仅实现了这一目标，甚至超出了预期。

研究人员自己表示：“该项目因其广度和深度而独一无二。”所使用的系统方法包括使用各种类型磁性材料的量子计算机模拟，一直到制备几乎最终形式的磁铁原型以用于电机。还研究了使用阶段后稀土的回收。

该组织现在将寻求与行业合作，将研究成果推向市场。

这项研究的开始源于2013年这些材料价格的突然上涨。占全球产量90%的中国宣布暂停出口，引发了市场危机。这种情况暴露了欧洲市场对中国产业的依赖，因此德国大型汽车集团急于寻找可行的替代方案。

丰田减少新型电机中钕的使用量

丰田正在开发稀土金属使用量减少高达50%的电机，此举是在汽车制造商竞相扩大电动汽车产品线之际，出于对供应短缺的担忧。

这家日本公司为电机创造了一种新型磁铁，可以将钕的使用量减少一半，同时消除铽和镝等其他元素。丰田将改用镧和铈，其成本比钕低20倍。该汽车制造商已经与供应商达成协议来制造这些磁铁。

稀土的主要供应商之一是中国，但当局打击非法采矿的行动影响了这些金属的生产。丰田在电气化领域有宏大的计划，不能冒险依赖无法保证大规模生产的金属。

丰田预计，从2025年起钕的需求将超过供应，届时该公司打算为其产品线中的每款车提供电气化版本。到2030年，这家日本汽车制造商计划销售550万辆电气化汽车，包括插电式混合动力、纯电动和燃料电池混合动力汽车。

用于电动汽车电池的锂和钴金属的生产也令制造商感到担忧。例如，特斯拉一直在与全球主要锂生产国之一的智利政府进行谈判，计划在该南美国家建立一家锂加工厂。另一方面，三星SDI致力于开发无钴电池，而这种金属的生产也引发了争议。

可用性的受限和缺乏可持续性正促使行业减少对稀土磁铁的依赖。正如我们所报道的，生产可行、可持续的替代品的工作正在顺利进行，其供应将保持足够的灵活性，以适应甚至最乐观的全球电动汽车销量预测。

资讯来源

• Automotive IQ (2020-01-22)
• 原文： 开发对稀土磁铁依赖度更低的电机 | Automotive IQ