IDTechEx讨论了4种在电动汽车电机中消除稀土元素的方法以及一个您可能没有听说过的方法

波士顿, 2023年8月14日 —— 近年来,现代技术中使用稀土的问题一直受到关注。但随着电动汽车(EV)需求的增加,这个问题更加引起重视。2022年电动汽车市场中使用基于稀土永磁电机的电机占82%。中国在很大程度上控制着稀土供应,这导致过去几年稀土价格出现显著波动,2011/2012年出现明显上涨,2021-2022年再次大幅上升。关键是,与一些其他技术相比,在电机中消除稀土使用有几种方法,本文将介绍这些方法以及它们的优劣点和采用情况。

本文基于IDTechEx最新发布的《2024-2034年电动汽车电机》报告,分析不同电机技术在性能、材料、市场采用率和未来潜力方面的情况。

简要描述电机的构造,固定部分(定子)有金属线圈(通常为铜)输送电流产生磁场。这个磁场将转动电机的转子部分。在稀土永磁电机中,磁体位于转子上。

1. 感应电机

感应电机(或异步电机)中,定子产生的旋转磁场会在转子上引起感应电流,产生的磁场与定子绕组产生的径向磁场相吸引或排斥。感应电机使用铜或铝条或绕组在转子上。这类电机通常在短时间内具有良好的峰值功率和扭矩密度,但热管理较难,效率通常低于永磁选项。

感应电机一直是电动汽车市场的主流选择,特斯拉一直使用直到Model 3(采用永磁设计)。在汽车市场,一些支持者仍在使用,如奥迪和奔驰,但感应电机现在主要用于辅助加速电机,因为在不工作时不产生阻力,无需离合器。

2. 绕组转子电机

也称为外激同步电机(EESM),绕组转子同步电机(WRSM)用绕组线圈替代永磁体,可以通过直流电流控制转子磁场。优点是可以控制定子和转子磁场。缺点是需要额外工艺给转子添加绕组,需要刷子传输电流到转子。这类电机历史上功率和扭矩密度也较低,但现代版本与永磁电机相当。

雷诺曾在Zoe车型采用这种技术,现在宝马和尼桑也采用这种设计,一级供应商马赫尔也推出了无线传输电流到转子的版本,消除了刷子。

3. 切换磁阻电机

切换磁阻电机(SRM)在构造上可能最简单,转子主要由钢制成。转子钢的磁阻较空气低,磁通量趋向于通过钢,缩短其路径旋转转子。尽管结构简单可靠,但SRM通常功率和扭矩密度较低,还有扭矩脉动和噪音问题。

虽然SRM主要用于工业或重型应用,但人们正大力开发其电动汽车应用。公司如Turntide Technologies增加了转子和定子极数,开发了更先进的控制系统来解决传统问题。英国Advanced Electric Machines开发了一种新型电机,其分段转子结构保持简单但消除了噪音和扭矩脉动,同时提高功率和扭矩密度;这一设计是与宾利合作的项目核心。

4. 替代磁性材料

虽然许多车企不断减少电机中的稀土含量,但特斯拉声称其下一代驱动系统将采用无稀土永磁电机引起广泛关注。人们正在开发各种可替代稀土的永磁材料,商用程度不同。

替代磁性材料的问题是磁性能通常远低于稀土。例如,同时生产稀土磁体和铁素体磁体的制造商显示,同样尺寸的铁素体电机功率可能下降50-70%,即需要更多磁材料和/或更大电机才能达到同等性能。

Proterial开发了磁性能“在铁素体磁体中达到世界最高水平”的磁体。只需要电机磁体增加20%即可保持同等功率密度。Niron Magnetics正在开发铁氮化物磁体,其下一代版本计划与稀土磁体竞争。PASSENGER是欧洲项目,开发锶铁素体和锰铝碳合金。虽有进展,但真正性能可比稀土磁体材料还需时间;通过改进电机设计,也可能不需要完全匹配。

5. 采用高速铁素体电机并进行进一步优化

虽然采用铁素体磁体会显著降低电机性能,但优化许多其他电机特征可能会减轻这种影响。澳大利亚公司Ultimate Transmissions提交了一种铁素体电机设计专利,他们认为这可能是特斯拉消除稀土的一条路。

该设计采用更大的铁素体磁体和更高速度(2万转/分)可以与同规模稀土永磁电机性能相当。一个挑战是如何有效固定转子上的磁体;一种潜在解决方案是使用碳纤维包裹转子(特斯拉在Plaid车型已经展示过这一技术)。另一个挑战是铁素体磁体需要加热才能发挥最佳效果,与稀土磁体相反,但也不是不可能实现。

需要注意,这一设计仍处于模拟阶段,特斯拉可能采取不同方法,如自身开发的替代磁性材料。但通过模拟,这种方法显示出类似功率,成本降低,质量减轻,以略低扭矩为代价并略长机械结构。

IDTechEx预测稀土免磁电机技术将显著增长。来源:IDTechEx

结论

尤其是在中国境外,人们日益关注减少电机中的稀土含量。各种策略各有优劣,为电机制造商和材料供应商提供机会。IDTechEx预测,稀土永磁电机将保持主导地位,这主要得益于中国在电动汽车市场的主导地位以及其他国家稀土矿开采能力的增加。但预计2034年,稀土免磁选项(包括上述内容)将占电机市场近30%。

IDTechEx最新版《2024-2034年电动汽车电机》深入分析不同电机技术、市场采用率、材料利用率和市场预测。研究范围包括汽车、公交车、卡车、面包车、两轮车、三轮车、微型车和飞机等车辆类型的电机和数据。

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