稀土,顾名思义的话,不过是稀有的土,实际上它是一种稀有的金属元素,是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称。这种材料在当今时代应用范围极广,石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料都能看到它们的身影,有着“工业维生素”的称号。
而在汽车行业,稀土所扮演最关键的角色,便是作为永磁材料。用在什么地方呢?就是当今丰田、本田所擅长的混动车中的驱动电机,以及其它车企的插混、纯电动车驱动电机。永磁铁是这些汽车驱动电机中必不可少的部件,而稀土则是制作永磁铁必不可少的材料。
实际上,稀土的重要作用并不仅仅体现在民用产品,很多高精尖的军事武器如果离开了稀土,都会失去作用。战斗机发射的激光制导炸弹、军舰发射的巡航导弹以及美国最先进的隐形战机,都大量使用了从中国进口的稀土材料。
幸运的是,如此重要的稀土,在我们国土上有着庞大的储量,当今全球稀土总产量中,中国占的比重高达80%以上(一说90%以上)。科技发达的国家,不管是日本、美国还是欧洲,都是中国稀土资源的大客户。
正如中东国家曾发起三次石油危机一样,稀土在中国手中也是一个非常有力的武器,而我们第一次认真使用这项武器,便是在2010年的钓鱼岛危机之后。2010至2011年期间,中国的稀土出口配额削减了七成以上,同时稀土的价格也飙升了数倍以上,让丰田、本田、日产等依赖稀土的车企产生了巨大的危机。
钓鱼岛风波逐渐平息之后,中国的稀土出口量逐渐恢复,价格也慢慢回落到接近危机前的水平,但这件事情让日本车企及相关的其它产业意识到,过于依赖中国的稀土是有风险的。正是从那时开始,这些日本车企都下定决心,寻找不再依赖稀土的新技术。
从这段声明可以看出,本田是同供应商大同特殊钢一同研发的新电机技术,技术核心是在保证耐热性、强磁性及扭矩输出的前提下,通过钕磁铁摆脱了对重稀土的依赖。这里我们首先要注意到“重稀土”的描述,钕本身也是稀土元素,但和传统电动机中采用的
镝(dí)和铽(tè)不同,钕属于轻稀土,而后两者属于重稀土。
既然都是稀土,本田依然依靠钕,岂不还要看中国政府的脸色?并非如此。中国虽然在稀土产出中占比很大,但澳大利亚、巴西、印度、斯里兰卡也都是稀土出口国,钕这种轻稀土材料可以比较轻松地在这些国家获取。也就是说,如果本田的钕磁铁确实能够在成本与性能上媲美传统磁铁,其将来在混动车方面确实可以大大减轻对中国的依赖。
不过,这里要注意的是,本田的钕磁铁技术是准备用在混动车型中,首款搭载的将是今年秋季上市的新一代Freed混动版。这款车与飞度共平台,搭载本田的i-DCD混动系统,未来其它本田的混动车型也将陆续换装新的钕磁铁电机。
绕线转子电机,是另一种无需稀土的方案,这种电机中,交流旋转磁场被作用在定子电机绕组上(这点同感应式电机和永磁式电机相同)。铜绕组代替了转子中的永磁铁,通过定子部位的绕组线圈中的电流产生磁场,这样一来,就需要一个装置来将定子与转子之间连通起来,这个装置就是集电环。集电环是一个导电旋转的环,上面安装了静止不动的碳刷,用来提供导电通路。
不过,这个装置缺点是,当碳刷随着时间的不断损耗,集电环的可靠性也受到影响。碳刷的损耗会在电机中产生积碳,并导致出现电路故障。解决这个问题,可以通过目前一些智能手机的无线充电类似的电传输系统,但这种技术目前尚未成熟,且效率可能并不高。目前雷诺通过与德国大陆集团的合作,在Fluence及Zoe等车型中采用了这种绕线转子电动机。
开关磁阻电机,是利用所谓的磁阻来产生扭矩的原理。由于磁通量有着沿最小磁阻通过的性质:“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合,从而产生磁拉力,进而形成磁阻性质的电磁扭矩”,同时“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”,因此会产生磁阻扭矩。
这种方案被证实有着很低的成本以及很强的扭矩密度,其性能同当前现有的稀土磁电机非常接近。不过它的问题是容易产生很强的扭矩波动,和其它电动机相比也有着更高的噪声,对于电动汽车而言目前并不适用。但通过优化控制系统与电机的设计,将来这些负面因素可能得到减轻。
其它车企的努力方向则是尽量减少对于稀土的应用,这方面投入实用的一个例子是宝马的i3电动车。这款车搭载的电机为混合式电动机(hybrid motor),原理是在凸极转子结构中加入少量的磁材料,并采用高凸极转子拓扑,从而通过大约1千克的磁铁实现了250 N·m的扭矩和125kW的功率。
那么,看到这里大家都会问,以上几种无需稀土或减少稀土应用的技术方案中,谁才有可能成为主流呢?其实,这个问题本身可能就是有问题的,就像当前的燃油动力系统中,汽油、柴油、涡轮增压、自然吸气都长期共存,虽然不同的方案有着不同的优缺点,但每个方案可能都有着足够的生存空间。
在上述几种电动机方案中,铁氧体磁铁及开关磁阻电机在大规模生产时的成本最低,但厂商需要注意的是,尽量避免电力电子转换器及电池等系统部件中的额外成本,且两项技术目前都没有经过实际验证。每项技术都有着自己的优缺点,但它们也都有投入大规模实用的潜力。
稀土磁铁在未来很长时间预计还会扮演非常重要的角色,特别是在电动汽车中,每个车轮都需要安装一个独立的电机,这就对扭矩密度提出了非常高的要求。
当前基于钕铁硼的稀土磁铁依然是电动与混动车最广泛使用的技术,其极高的扭矩密度使得电动机可以实现较小的体积与重量,同时提供很高的效率。尽管如此,鉴于稀土的成本以及供应的不确定性,人们一定会努力探索其它解决方案。
雷诺与特斯拉已经分别应用了绕线转子电动机和感应式电动机,均摆脱了稀土磁铁。而磁阻电机与铁氧体技术将来有可能实现更高性能的驱动电机。
短期来看,确实如此。但我们也要明白,在上世纪90年代以前的数十年中,全球最大的稀土产出国不是中国,而是美国,中国大规模开始开采稀土,是在上世纪80年代末、90年代初才开始的。
也就是说,其它国家(特别是美国)并非没有稀土资源,只是因为种种原因(环保、成本、战略安全等)逐渐停止了开采。当市场需求足够强时,中国的稀土资源并非独一份。
稀土开采“后遗症”,目前来看,基于稀土的永磁铁电机虽然是最好的方案,但它本身并不完美,缺点包括原材料成本高、有一定的环境污染且在使用时有噪音大等缺点。而国外车企正努力研发的其它方案,虽然有的并不成熟、有的局限性高,但目前也都取得了可观的进展,特斯拉的感应式电机以及本田新公布的钕磁铁电机就是例子。
所以,长远来看,本土车企如果继续依赖基于稀土的永磁铁电机,将来同国外车企在新能源汽车时代的技术差距可能越来越大。而目前我们在这些比较新的技术研发中,已经被甩在了后面。
了解更多防爆电机技术知识请继续关注本站更新情况或联系我们的在线客服人员进行咨询:15138382006
本文【防爆电机】-电机之家平台发布,转载注明本站地址:http://www.fbdjshop.com/