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不含稀土的電機,将在新能源汽車上普及!

目前在電動車上使用的電動機有兩種——永磁同步電機和無磁感應交流異步電機。

永磁同步電機技術成熟,而且效率較高,是以被應用在大部分單電機設計的電動車上。但永磁電機有一個大的缺點——它需要用到珍貴的稀土材料。

而感應交流異步電機優點是無需稀土,但缺點就是扭矩密度和功率密度低,而且體積較大。

是以為了降低對稀土的依賴,同時確定電機性能。很多汽車品牌都在開發沒有稀土的電機。

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特斯拉公布的計劃,将使用磁鐵,但沒有使用稀土的磁鐵制造電機。這就是所謂的非稀土電機。

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特斯拉的計劃不是減少稀土,而是幹脆放棄使用。目标物質是镉。準确地說,是以钕鐵硼(NdFeB)為基礎,為了在高溫環境下維持磁性特性,形成了“镝Dysprosium”塗層的磁鐵。用镉制成的3公斤磁鐵可以舉起300公斤以上的重物體。這是一塊強大的磁鐵,很容易制造出像磁力一樣高效、強大的電機。

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之是以要制造不使用镉的磁鐵,是為了用環保的方法生産環保汽車。稀土在開采的過程中也會産生很多的污染。

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除了污染以外,作為一種戰略資源,中國供應了全球97%的稀土,而從2008年開始中國開始采取稀土出口的限制措施。甚至有人說“中東有石油,中國有稀土”。

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如果不想使用稀土,就必須開發新的磁鐵。專家們認為,這實際上近乎不可能。是以要尋找對策。目前,擺脫稀土的電機技術開發正在分兩步進行。使用SR(Switched Reluctance)電機的結構改良技術和鐵氧體(Ferrite)磁鐵。

SR電機是指在沒有永久磁鐵的情況下改變磁阻路徑,産生旋轉力的電機。因為不用磁鐵本身,是以完全不用稀土。類似的方式有電磁感應電動機。這是在銅布線上制造磁場,為馬達産生電力的方式。雖然具有價格低廉的優點,但在效率方面比使用磁鐵的馬達差,是以在行駛距離方面也會受到損失。特斯拉Model S搭載的電機就是這種方式。

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鐵氧體是指包括氧化鐵在内的磁性陶瓷。改善了鐵氧體的磁化特性,用作電機的永久磁鐵,不用稀土也可以制造電機。而特斯拉就是專注于此。

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除了特斯拉以外,全球很多汽車品牌也都在開發不含稀土的電機。

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豐田曾表示,将從2012年開始開發不使用稀土的新磁鐵。6年後的2018年2月,豐田宣布在世界上首次開發出一種新型磁鐵,該磁鐵減少了镉,甚至具有耐熱性。豐田的磁鐵與普通電動汽車電機相比,将镉的使用量減少了50%。是以,用镧(lanthanum)和铈(cerium)代替了不足的性能和耐熱性。再加上采用了抑制性能下降的新技術,開發出了可以發揮與現有钕磁鐵同等性能的新技術。

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日産也曾宣布,将從2012年開始使用将除氟量減少40%的發動機。本田2016年表示,将在混合動力汽車用馬達上使用未使用稀土的電機。

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寶馬正在通過第五代eDrive技術量産非稀土發動機。首次使用該電機的車型是X3的電動汽車版本iX3。該電動機被稱為交流同步電動機(AC synchronous motor),寶馬強調可以實作更高的能量密度、更快的開關頻率和更好的熱管理。沒有提及電機刷的壽命。

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大衆汽車決定使用利用钕的永久磁鐵,但不使用其他兩種稀土Terbium和Dysprosium。此外,在所有電動汽車陣容中,後輪将使用永磁電機,前輪将使用無磁電機。

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通用汽車選擇了與豐田相同的路線。也就是說,雖然利用磁鐵,但要降低對稀土的依賴度。電機名為Ultium Drive Unit,由180kW(245馬力)前輪驅動電機和255kW(347馬力)後輪驅動電機,再加上發揮62kW(84馬力)的AWD助攻電機共三個電機組成。該電機首次使用的車型是GMC悍馬EV。在此之前,雪佛蘭Volt EV使用了同時使用钕和鐵氧體的電機,減少了稀土的使用。

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雷諾、Valeo和西門子開發了EESM(electrically excited synchronous motor)。原本應該有磁鐵的轉子位置用銅代替,驅動電機的方式。今後計劃用于雷諾的多種電動汽車。

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德國Vitesco Technologies也于2022年開發出了與雷諾相同的EESM電機。到目前為止,主要是利用磁鐵生産PSM(Permanently excited Synchronous Machines)電機,但通過技術克服了不使用磁鐵産生的弱點。他特别強調,在高速領域比PSM電機更有效率,同時比PSM電機價格更低,二氧化碳足迹也減少了,兼具可持續性。

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德國汽車零部件企業馬勒(Mahle)也開發出了利用銅代替磁鐵的電磁鐵的馬達。馬勒的電機在高溫環境下的效率也超過95%,理想條件下的效率為96%。其特點是降低了随着溫度上升的功率變化,不僅可以應對普通轎車,還可以應對高負荷的商用車。

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采埃孚制造所有種類的電機。從使用永磁電機到非稀土電機,種類繁多。從68馬力到750馬力,400伏和800伏,直徑從150毫米到400毫米,從小型車到大型卡車,組成了多種産品組合。2015年開發出了磁感應方式的電機,而不是磁鐵,速度也比較快。

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美國博格華納公司(BorgWarner)開發了HVH(High-Voltage Hairpin)電機。電動汽車用電機通過磁感應方式産生動力,在此過程中,為了解決摩擦損失的機械接觸,還在研究綜合無線感應電力傳輸系統。

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英國汽車零部件企業裡卡多(Ricardo)2015年開發出非稀土電機。第一個成品是發揮85kW(約115馬力)的電機,自主命名為Rapid Design and Development of a Switched Reluctance Traction Motor(SR)。裡卡多解釋說,随着電動汽車所需的性能、小型封裝化和輕量化的實作,甚至降低了成本。

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現代汽車集團也在開發非稀土電機。因為還在研發階段,是以無法透露确切的内容,但設定的目标是在不使用稀土的情況下提高效率和性能,這一點與其他企業沒有差別。

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研究調查機構IdTechEX的資料顯示,截至2020年,電動汽車和插電式混合動力汽車使用的電機中,77%使用了钕磁鐵。不使用磁鐵的感應電動機占17%。但随着各企業積極開發不使用稀土的電機,非稀土電機的種類和方式将更加多樣化。