特斯拉下代电机不用稀土!专家:决定脑袋马斯克是迫不得已
来源:永磁同步电机    发布时间:2023-10-16 08:35:48

  稀土是现代科技工业不可少的多种元素集合,在半导体领域更是几乎无处不在。全球产能主要分布在中国。其中稀土永磁材料更是磁电转换的关键角色,也是稀土产业最直接的应用产物。

  公开资料显示,电机是稀土最大下游,在稀土永磁的应用中,电机占比超过60%。永磁同步磁阻电机中,稀土永磁体占到整个电机原材料成本的50%左右。

  不过在今年3月份的特斯拉投资日活动上,特斯拉负责动力总成工程的副总裁Colin Campbell介绍称,特斯拉的下一代汽车平台将减少75%的碳化硅。特斯拉下一代永磁电机将完全不使用稀土材料,他们将在紧凑高效的工厂里进行建造。旨为下一代汽车设计所有控制器,以此来降低电子设备的复杂性和成本。

  对此,据网易科技报道,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表示,决定脑袋,马斯克的策略更多是一种“迫不得已”的交代。

  他认为,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投资策略,我们要理性看待,不适过度解读。

  另外,上海大学机自学院电气工程系教授罗建也指出,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。”

  专家还谈到,特斯拉并没有分享可替换的新材料,尽管从技术上分析,有一些可能的选项,比如铁氧体永磁、无稀土磁性化合物等,但似乎都有这样那样的缺点。

  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:是交流异步电机,另一种是永磁同步电机。两者相比,各有优劣。

  交流异步电机,它的励磁,也就是产生磁场,靠的是电流。也就是电流中有一部分是用来产生磁场的,然后转子的转速和旋转磁场的转速不同步,所以叫做异步电动机,正是因为异步,所以产生了转差,转差使转子上的导体产生电流,从而在磁场中受力转动。也是因为这个异步,所以控制起来比同步复杂一点。交流异步电机是线圈和转子铁芯,所以价格实惠公道,成本低,过载能力也强,性能彪悍,皮实耐用。

  永磁同步电机的永磁指的是励磁采用的是永磁体,也就是磁铁。磁铁之前性能不好,但是钕铁硼(稀土元素钕、铁及硼组成的金属间化合物)的稳定性能和大范围的应用,让永磁体的可靠性和稳定能力慢慢的变好了,退磁现象也更少发生了。同步指的是旋转磁场的速度和转子的速度是一致的,要控制转子速度,只要控制磁场转速,也就是交流电频率就可以了。同步自然控制起来更方便一点。

  永磁同步电机因为使用稀土永磁材料更耐用,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。

  “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,但不会再使用稀土,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。

  罗建以不采用永磁材料技术路线举例。在绝大多数情况下,永磁体能建立磁场,可提升效率。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。

  电机专家、上海交通大学电气工程系副主任王志新教授也表示,早在5年前,国内就有技术团队观察到特斯拉在进行有关研究,近年来也慢慢的开始有向产品化发展的趋势。从业界和学界的角度上,要实现不用稀土的永磁电机目前已有两条清晰路线:第一种是永磁辅助同步的励磁电机,最大特色是用钢做转子,能不用稀土。第二种是对稀土本身的替代,制造一种新型的磁性材料,比如铁和镍的材料作为稀土材料上的替代。所以从技术突破上来说永磁电机不依赖稀土是有技术路径的,下一步需要观察特斯拉的技术成果和相关的设计效果。

  永磁电机是稀土材料的重要应用领域,但不是唯一的应用领域。实际上,包括航天、机械、电子、激光、陶瓷、合金制造等众多领域,覆盖我们国家的经济民生的各行各业,对稀土材料都有着旺盛且持续增长的需求。

  然而,特斯拉宣布下一代永磁电机将完全不使用稀土材料之后,却在某些特定的程度上,对我国的钕铁硼市场,乃至整个稀土行业都带来了冲击。同时也引发了人类对于稀土产业未来的思考和担忧。特斯拉虽然没有分享可替换的新材料,但是根据之前的报道和分析,特斯拉可能会采用磁钢材料、钠镁离子电池等新材料来替代部分稀土材料。此外,新工艺可能采用更先进的加工技术和材料处理方法,以实现更高效的永磁电机生产。不过,这些都是推测,具体的情况需要等待特斯拉进一步的官方消息或者相关报告的公布。

  众所周知,稀土短缺是一个全球性问题,减少对于稀土的依赖,不仅仅可以提高资源的可持续利用性,还能够为公司能够带来更大的经济效益。然而,从目前的技术水平来看,稀土材料仍是永磁电机领域中最为优秀的材料,因此,替代稀土材料的研究依旧任重道远。