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稀土永磁电机:稀土资源将成为电动车电机主要耗材

2016-07-16 11:12:09点击数(0)已有0人评论 来源:电机之家(www.fbdjshop.com)

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。

稀有永磁的应用

永磁同步电动机

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。

稀土永磁电机

钓岛危机后镝(红线)与钕(灰线)的价格趋势

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。

镝(红线)与钕(灰线)的价格趋势

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。

稀土永磁电机

哪种技术会成为主流?

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。



基于铁氧体磁铁的驱动电机

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。


钕铁硼磁铁与驱动电机

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。

稀土永磁电机

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。


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