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丰田无稀土电机取得新突破 敲响中国永磁电机丧钟?

2018-03-08 11:36:17     来源:微电机世界网     作者:魏倩    

【大比特导读】悲观的观察者认为,选择稀土永磁电动机,会让中国电动车“死无葬身之地”。

如何减少重稀土类元素的使用量,提高电机耐热性成为各大企业面临的重大课题之一。2018年2月24日,据外媒报道,丰田宣布研发出全球首款耐热电机,抑制了矫顽磁性及耐热性的衰退,未来十年内将被应用于电动车中。

严重依赖中国稀土的日本企业在无稀土电机技术方面迎来了新突破,而稀土资源丰富的中国在这项技术似乎又落后了,随着稀土禁令趋严和价格飞涨,中国高端电机是否会陷入稀土困境?

电机

耐热技术成为无稀土电机突破关键

据外媒报道,2018年2月24日,丰田研发出全球首款耐热电机。丰田方面表示,新款电机磁体采用了新技术,抑制了矫顽磁性及耐热性的衰退,预估将于2020-2025年实现量产,未来十年内将被应用于电动车中。

电动汽车的驱动电机要求140度以上的耐热性,钕磁铁虽可在室温下保持大磁力,但在高温环境下磁力会大幅下降,因此成为国内外众多电机企业发展的重要难题。

早期专家通过将部分钕换成镝及铽等重稀土,一定程度的遏制电机退磁现象,但很难在保持高磁力的同时将耐退磁性一直保持到180℃。且这两种稀土资源产地的地缘政治风险较大,市场行情也容易出现大幅波动,在稳定供应和材料成本方面存在重大风险,至今未被广泛采用。

2016年,本田与大同特殊钢株式会社通过使用热加工法,获取纳米级结晶粒技术,制造出更加具有高耐热性能的磁石,在全球首次将兼具高耐热性和强磁性,完全不使用重稀土成分钕磁铁应用于混合动力车电机。

本田的热加工法虽突破了重稀土类元素瓶颈,回避资源风险,但纳米级结晶提取难度高,实验过程长且复杂,同时受制于技术、投入资金等多方因素,至今未被广泛采用。

据丰田方面表示,这款新电机在未采用铽、镝的条件下,通过利用价格相对便宜的镧及铈替代部分的钕,提升磁体颗粒表面的钕浓度,降低粒芯(grain core)内的浓度,实现了钕总用量减半,降低电机用稀土磁体的成本,使新款电机可耐受高温条件。

针对电机耐热性能的研究,丰田不是首家,近年来,本田、东芝等企业也相继推出了各自在高耐热领域的研究方案。

2016年11月10日,东芝和东芝材料公司宣布,开发出了完全不使用非常稀有的重稀土元素、兼具高磁力和优秀的耐退磁性的耐热电机用高铁浓度钐钴磁铁。

丰田们摆脱稀土依赖之路

其实早在2016年本田汽车已与日本大同钢铁(Daido Steel)公司联合开发了全球首款没有使用任何重稀土金属的电机,可用于油电混合动力汽车。但本田此次与日本大同钢铁联合设计的混合动力车电动机依然采用了轻稀土元素钕,除了中国外,北美和澳大利亚也都供应钕元素。

电机

稀土一直是各大电动机厂商制造大马力电动机的重要原料之一。对于电机生产厂家和电机使用终端客户来说,高耐热是衡量电机好坏的重要指标,目前电动汽车的驱动电机使用的是世界最强磁力的钕磁铁,但由于重稀土类元素的高产矿床在全世界分布不均匀,在稳定供应和材料成本方面存在风险。

混合动力车整合了汽油发动机和电动机以提高行驶效率,在许多发达国家已经成为了主流车型。不过,汽车制造商在获得稳定的镝、铽等稀土元素供应方面一直面临挑战。

彭博社援引咨询公司IHS Automotive分析师Hiroshi Ataka的消息称,目前已着手研发无稀土重机的主要厂商包括日本安川电机(Yasukawa Electric Corp.)、三菱电气(Mitsubishi Electric Corp.)、日本电产(Nidec Corp.)。

2012年1月10日,日本电产公司社长永守重信正式宣布批量生产电动汽车和混合动力车用不含稀土的第二代电机(SR电机),计划2013年向国内外汽车生产厂家提供。

2012年美蓓亚集团推出了不使用钕和镝等稀土元素且可发挥高磁力的强力磁铁制造的“新设计、高扭矩、混合型步进电机”(尺寸为42毫米、步进角1.8°,以下称高扭矩42毫米混合型步进电机),并从10月30日起开始销售。

2013年,三菱电机公司与新能源产业技术综合开发机构(NEDO)共同研制出不使用稀土的电磁石车载发动机。TDK开发出一种不使用镝的永久磁石,准备2014年以后应用于车载发动机。

同年,东芝公司也在加紧开发不使用镝的永久磁石,以澳洲、美国埋藏量丰富的钐为主体。

2015年UQM科技公司宣布推出了一种无需稀土磁体的永磁电机,该电机主要是针对电动汽车和混合动力汽车而设计研发的。

中国方面,2012年珠海格力电器股份有限公司研发出了应用于变频压缩机和空调中的无稀土磁阻电机。

感应电机敲响永磁电机丧钟?

稀土作为世界稀缺资源,巨大的新能源汽车市场将会消耗掉大量的稀土资源,未来将不再能承载汽车产业的发展,永磁电机也将随着被新的电机技术取代,无稀土电机的发展是不可阻挡的趋势。

目前中国在大力发展稀土永磁电机,但永磁电机危机四伏,欧美等国已经开始寻找新的技术路线——继续深化感应电机的性能挖潜,实现对于稀土永磁电机性能的超越,西方电动汽车已经大量采用无稀土的感应电机。

英国技术战略委员会甚至希望,任何采用永磁电动机技术的新能源汽车不得在西方市场销售。因此,悲观的观察者认为,选择稀土永磁电动机,会让中国电动车“死无葬身之地”。

目前,风靡一时的美国特斯拉电动汽车即采用了新型高效率交流异步电机(一种感应电动机),并声称其电动机在高转速区间的扭矩密度已经达到了稀土永磁电动机的水平。

雪佛兰Volt和奔驰Smart电动车均采用的是无稀土的感应电动机。这似乎表明,欧美国家的无稀土电动机技术已经投入使用,并希望用新的电动机技术来取代对中国稀土资源的依赖。

最近,特斯拉旗下Model S车型甚至还采用铜铸转子电机,其优异性能已得到市场检验。作为国内领先的互联网电动汽车制造商,蔚来汽车旗下国内首款采用铜转子感应式异步电机的量产乘用车已于近日上市。

铜矿资源分布相对均衡,美洲、亚洲、澳洲都有分布,全球供应相对稳定,与永磁电机相比,铜转子电机原材料供应不会出现巨大波动,全球各大生产商必将更加重视铜转子电机的研发和生产。

目前国内已有南阳防爆集团、云南铜业压铸科技公司能够生产超高效铜转子电机,并斩获了全球超高效电机能效大赛国际效率奖章。铜转子电机技术问题已经解决,市场大规模应用只是时间问题。

总体而言,中国的无稀土电机的探索之路曲折艰难,很多中小企业乃至资金雄厚的大企都望而却步,但从大环境来讲,它的存在是必然的。

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