Bez vzácnych zemín a bez motora? Počúvanie domácich dodávateľov interpretujúcich výhody a nevýhody redukcie vzácnych zemín v motoroch
China Auto News
Nedávno Colin Campbell, viceprezident divízie pohonných jednotiek Tesly, povedal, že motory novej generácie spoločnosti nebudú vôbec používať materiály vzácnych zemín. Táto správa bola ako kameň hodený do pokojného jazera, čo spôsobilo rozruch v priemysle. Uvádza sa, že od roku 2017 do roku 2022 Tesla úspešne znížila používanie vzácnych zemín v hnacom module Modelu 3 o 25 percent z dôvodu zlepšenia účinnosti prevodového systému. V roku 2020 Tesla zverejnila, že vyvíja nový typ nemagnetického motora – motor SPSRM (Surface Permanent Magnet Switched Reluctance), ktorý kombinuje výhody motorov s permanentnými magnetmi a motorov so spínanou reluktanciou (SRM). , pričom sa vyhýba nevýhodám oboch, môže dosiahnuť vysokú účinnosť, vysokú hustotu výkonu a vysokú hustotu krútiaceho momentu bez použitia materiálov vzácnych zemín.
Tesla je známa ako veterná lopatka novej éry energetických vozidiel, aký motor bez vzácnych zemín obhajuje? Koľko „šplechov“ to dokáže v priemysle narobiť?
Žiadna vzácna zemina neznamená žiadny magnetizmus
Na pozadí praktizovania zelenej a nízkouhlíkovej cesty a podpory rozvoja elektrifikácie všestranným spôsobom sa batérie, motory a elektronické ovládacie prvky stali „tromi novými hlavnými časťami“, ktoré sú nevyhnutné pre nové energetické vozidlá. motory vykonávajú všetky funkcie súvisiace s riadením vozidla. .
V súčasnosti sa v nových energetických vozidlách používajú tri hlavné typy motorov: synchrónne motory s permanentným magnetom, synchrónne motory s elektrickým budením a striedavé asynchrónne motory. Synchrónne motory s permanentnými magnetmi sú hlavnou voľbou v tomto odvetví, ale kvôli vysokým nákladom na materiály vzácnych zemín a obmedzeným zásobám V posledných rokoch je hlas nahradenia čoraz hlasnejší.
Rozumie sa, že materiály vzácnych zemín predstavujú takmer 20 percent nákladov na motory s permanentnými magnetmi. Ako trieda kovových prvkov so špeciálnymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami sa široko používa v mnohých oblastiach špičkových technológií. Na trhu existuje živá metafora. Ak je ropa krvou priemyslu, potom sú vzácne zeminy vitamínmi priemyslu, najmä pre automobilový priemysel. V motoroch s permanentnými magnetmi je neodýmový železobór (NdFeB) jedným z najčastejšie používaných materiálov s permanentnými magnetmi s vysokou remanenciou a energetickým produktom. A jeho tri druhy základných prvkov vzácnych zemín: neodým (Nd), prazeodým (Pr) a dysprózium (Dy), ktoré sú veľkou pomocou pri zlepšovaní dynamického magnetizmu, tepelnej odolnosti, predlžovaní životnosti a znižovaní hluku motora. Preto aj napriek vysokým nákladom boli motory s permanentnými magnetmi vždy hlavnou konfiguráciou nových energetických vozidiel.
Zdá sa, že tvrdenie Tesly, že ďalšia generácia motorov nebude vôbec používať materiály vzácnych zemín, otriaslo statusom motorov s permanentnými magnetmi a materiálov vzácnych zemín. Ako by sme mali interpretovať trend v odvetví z hľadiska technológie a trhu?
Tesla v skutočnosti nie je jedinou spoločnosťou, ktorá navrhuje, aby motory nepoužívali vzácne zeminy. V roku 2021 vyvinula nemecká spoločnosť na výrobu automobilových dielov Mahle nový motor, ktorý nevyžaduje materiály vzácnych zemín; potom v roku 2022 BMW uviedlo na trh aj piatu generáciu motora bez obsahu vzácnych zemín. Zasvätenci priemyslu sa domnievajú, že Tesla a ďalšie spoločnosti túžia po vývoji motorov bez obsahu vzácnych zemín ani nie tak kvôli technologickému rozvoju, ale skôr z geopolitických úvah.
Podľa štatistík približne 97 percent svetových surovín vzácnych zemín dodáva Čína. Podľa údajov je vzácna zemina dôležitým strategickým zdrojom s jedinečnými vlastnosťami a nevyhnutným kľúčovým prvkom pre transformáciu tradičných priemyselných odvetví, rozvoj rozvíjajúcich sa priemyselných odvetví a národného priemyslu obranných technológií. Predtým boli čínske vývozné ceny vzácnych zemín nízke. S neustálym rastom nákladov na ťažbu a rafináciu surovín vzácnych zemín sa sprísnila kontrola vývozu materiálov vzácnych zemín a zahraničné automobilky začali hľadať iné východisko.
Odborníci z priemyslu sa však domnievajú, že nazvať motor „bez magnetu“ len preto, že nepoužíva vzácne zeminy, je nepresné.Niu Mingkui, generálny manažérspoločnosti Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(ďalej len „Founder Motor“), povedal reportérovi „China Automobile News“, že permanentné magnety vzácnych zemín sú len jedným zo spôsobov, ako vytvoriť hlavné magnetické pole synchrónnych motorov, a podniky môžu použiť aj iné metódy, ale v akomkoľvek V prípade , musí byť vytvorené magnetické pole, aby sa motor rozbehol, takže navrhnúť nemagnetický motor je zjavne „trikom“. Podľa jeho názoru je Teslov plán dobre pochopený. Pre motory, ktoré nepoužívajú vzácne zeminy, možno použiť nasledujúce metódy: použitie feritu namiesto vzácnych zemín ako permanentných magnetov alebo použitie elektricky budených synchrónnych motorov a potom striedavých indukčných motorov.
3 dohady o Tesle
Hnutia Tesly ako lídra elektrických vozidiel pritiahli pozornosť celého automobilového priemyslu. Čo sa týka motora Tesla novej generácie, ktorý nepoužíva vzácne zeminy,Manažér inžinierstva BorgWarner Huo Congchongmá tri dohady.
Po prvé, „žiadne vzácne zeminy“ nemusia znamenať žiadne ťažké vzácne zeminy, nie všetky vzácne zeminy. Huo Congchong povedal novinárom: „Vo všeobecnosti sa vzácne zeminy používané v motoroch vzťahujú na ťažké vzácne zeminy, ako je terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), neodým (Nd), prazeodým (Pr) a ďalšie prvky. . Rôzne motory používajú rôzne ťažké prvky vzácnych zemín kvôli ich malým zásobám a vysokým nákladom. Spoločnosti teraz využívajú viac ľahkých vzácnych zemín a znižujú používanie ťažkých vzácnych zemín.“
Po druhé, je tiež možné nahradiť synchrónny motor s permanentným magnetom synchrónnym motorom s elektrickým budením. Jadrom elektrického budiaceho motora je nahradiť permanentný magnet elektrickou budiacou cievkou a zmeniť magnetickú silu úpravou prúdu cievky, aby sa dosiahli rôzne požiadavky na výkon pri rôznych rýchlostiach vozidla. Súčasne môže elektrická budiaca cievka eliminovať nevýhody demagnetizácie a zastavenia permanentného magnetu pri vysokej teplote a oslabenie poľa môže byť realizované znížením budiaceho prúdu pri vysokej rýchlosti a zmena rýchlosti môže byť realizovaná ovládaním. intenzita budenia a bezpečnosť je tiež lepšia. Toto robí piata generácia bezmagnetického motora BMW.
Najväčší rozdiel medzi elektrickým budiacim motorom a motorom s permanentným magnetom je rotor. Princíp prvého je pridať cievky k rotoru a použiť zariadenie s uhlíkovou kefou na zavedenie budiaceho prúdu. To však prinieslo nový problém, spoľahlivosť a životnosť uhlíkovej kefky bude mať veľký vplyv na efektivitu práce motora.
Po tretie, v princípe možno realizovať aj spôsob zmiešaného budenia. Za predpokladu zachovania vysokej účinnosti tento nový typ motora mení štruktúru topológie a hlavné magnetické pole je generované dvoma budiacimi zdrojmi na realizáciu regulácie a riadenia a zlepšenie regulácie rýchlosti, výkonu pohonu alebo charakteristiky regulácie napätia motora. . To znamená, že permanentný magnet nepoužíva materiály vzácnych zemín, ale používa ferit, a potom pridáva nejaké elektrické budenie atď., Ale toto riešenie má zlé magnetické vlastnosti a obmedzenú efektivitu práce. väčší a ťažší.
"Samozrejme, stále nemôžeme vylúčiť možnosť, že Tesla urobila zásadný prelom v oblasti nových materiálov; ale ak nie, myslím si, že prvé z týchto troch riešení je najpravdepodobnejšie." Existujú americké spoločnosti, ktoré dokážu vyvinúť riešenie na použitie „nulových“ ťažkých vzácnych zemín v motoroch. Verím, že to pre Teslu nie je náročná výzva.
Stav motora s permanentným magnetom ešte nie je otrasený
V ére automobilovej elektrifikácie boli predložené nové požiadavky na vývoj batérií, motorov a elektronických ovládacích prvkov. Akým smerom sa bude motor vyvíjať v budúcnosti? Keďže snaha trhu o výkon vozidla je stále vyššia a vyššia, pohon všetkých štyroch kolies sa stal špičkovou konfiguráciou mnohých výkonných automobilov a dvojosové motory si osvojilo stále viac automobilových spoločností. Ako si vybrať medzi motorom s permanentným magnetom a indukčným motorom?
Chen Jing, riaditeľ oddelenia vývoja motorov spoločnosti Founder Motors, povedal novinárom, že nedávno dospel ku konzistentnému záveru po tom, čo plne komunikoval s odborníkmi z odvetvia v pracovnej diskusii: motory s permanentnými magnetmi sú stále hlavným prúdom na trhu.
"Synchrónne motory s permanentnými magnetmi sa vo veľkej miere používajú už dlhú dobu a majú za sebou desaťročia vývoja. Prvýkrát boli použité feritové materiály a hustota energie je len 1/2 až 1/3 hustoty permanentných magnetov vzácnych zemín. Preto okolo roku 2000 priemysel začal pridávať materiály vzácnych zemín do permanentných magnetov, čo výrazne zlepšilo energetickú hustotu motora. Novinárom to povedal Niu Mingkui. Verí, že vývojový trend produktov je neoddeliteľný od vlastností samotnej technológie. Podľa súčasného výkonu motora sú výhody motorov s permanentnými magnetmi zo vzácnych zemín neporovnateľné s inými typmi motorov, takže bude stále prvou voľbou pre väčšinu nových energetických vozidiel, najmä sa používa ako hlavný hnací motor.
Je zrejmé, že v porovnaní s inými typmi motorov majú motory s permanentnými magnetmi svoje vlastné magnetické polia, nevyžadujú budenie, nemajú žiadne zodpovedajúce straty, môžu poskytnúť maximálny krútiaci moment a majú vynikajúcu účinnosť prenosu; zároveň môžu dosiahnuť malú veľkosť a nízku hmotnosť, čo výrazne šetrí, avšak pri vysokej teplote sa ľahko demagnetizuje a nedá sa nastaviť rýchlosť v reálnom čase.
Elektrické budiace motory a indukčné motory nepoužívajú materiály vzácnych zemín, čím šetria náklady, ale existujú aj nevyriešené problémy. Štruktúra rotora synchrónneho motora s elektrickým budením je komplikovaná a je tu zariadenie s uhlíkovou kefou so zberným krúžkom, ktoré má nízku spoľahlivosť. Uhlíkovú kefku je potrebné pravidelne udržiavať a vymieňať a náklady na údržbu sú vysoké. Indukčný AC motor generuje indukované magnetické pole rezaním magnetického poľa, takže magnetická sila má hysterézu; ale indukčný striedavý asynchrónny motor má lepší výkon pri vysokých rýchlostiach a v súčasnosti sa bežne používa ako konfigurácia kombinácie pohonu všetkých štyroch kolies. Napríklad Tesla Model 3 používa indukčný striedavý motor kombinovaný s motorom s permanentným magnetom ako motor prednej nápravy vozidla s pohonom všetkých štyroch kolies; Weilaiov model je opakom Modelu 3, používa kombináciu synchrónneho motora s permanentným magnetom predného kolesa a striedavého asynchrónneho motora na zadnom kolese Kombinovaný program.
V tejto súvislosti Niu Mingkui vysvetlil: „Aj keď indukčný motor môže dosiahnuť rovnakú efektivitu práce ako motor s permanentným magnetom, zvýši množstvo iných materiálov, ako je meď a kremíková oceľ, a je tiež väčší, ťažší a zaberá viac miesta. Súčasný priemysel preto len zriedka používa asynchrónne motory ako hlavný hnací motor.“
Chen Xiaoyong, produktový manažér spoločnosti Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,povedal novinárom bez okolkov, že Teslovo vystúpenie sa zdalo byť trikom, no na domáce motorové spoločnosti nemal veľký vplyv. "Všetci sa zhodujú na tom, že hlavným prúdom domácich motorov pre vozidlá s novou energiou sú stále motory s permanentnými magnetmi a účinnosť elektrických budiacich motorov a indukčných motorov sa s nimi nedá porovnávať. Globálny obsah vzácnych zemín je dostatočný a je nepravdepodobné, že by to podvrátilo motory s permanentnými magnetmi v krátkom čase, “povedal.
Rovnaký názor zastávajú aj mnohí zasvätení z odvetvia. Podľa názoru Huo Congchonga budú čínskemu automobilovému trhu ešte minimálne 10 rokov dominovať motory s permanentnými magnetmi. V tejto oblasti neexistuje žiadna kríza dodávateľského reťazca a domáce motory nových energetických vozidiel majú tiež tendenciu používať menej ťažké vzácne zeminy a náklady naďalej klesajú. , výhody sú čoraz výraznejšie.
Celý automobilový priemysel znižuje používanie ťažkých vzácnych zemín, ale vzácne zeminy sa nebudú využívať. V rozhovore s novinármiGong Jun, odborník na motorovú zodpovednosť národnej špeciálnej celkovej expertnej skupiny pre kľúčové technológie pre nové energetické vozidlá, poukázal na to, že čínska banská produkcia je dostatočná, takže sa netreba obávať.Súčasne s rozvojom procesu infiltrácie dysprosia môže priemysel znížiť množstvo ťažkých vzácnych zemín. V súčasnosti sa Tesla motora s permanentným magnetom nevzdá, nanajvýš zváži, ako nevyužiť ťažké vzácne zeminy.
„Mnoho zahraničných spoločností dokázalo použiť pre motory len ľahké vzácne zeminy, ale z pohľadu trhových podmienok domáci zákazníci príliš neakceptujú riešenie ťažkých vzácnych zemín, navyše toto riešenie bude mať problémy s demagnetizáciou, čo bude mať za následok nižšie efektívnosť. Je to problém, ktorý treba vyriešiť.“ Novinárom to povedal Huo Congchong.
Vzácna zemina už nie je prekážkou
Celý automobilový priemysel sa začal rozvíjať smerom k znižovaniu vzácnych zemín, najmä k znižovaniu používania ťažkých vzácnych zemín. Niu Mingkui povedal, že zásoby a ceny ťažkých vzácnych zemín a ľahkých vzácnych zemín sú veľmi odlišné. Napríklad súčasná trhová cena prazeodýmu a neodýmu je viac ako 700,000 juanov/tona, terbium je až viac ako 20 miliónov juanov/tona a cena lantánu a céru vzácnych zemín je nižšia. Desiatky tisíc juanov / tona. Preto priemysel dosiahol dobré výsledky pri podpore eliminácie ťažkých vzácnych zemín a znižovaní množstva ľahkých vzácnych zemín, prazeodýmu a neodýmu.
„Rovnako ako predchádzajúca odľahčená konštrukcia automobilov, znížením hrúbky oceľového plechu, znížením pohotovostnej hmotnosti a následným zlepšením konštrukčného návrhu alebo procesu zvárania má vozidlo lepšiu tuhosť, ktorá neznižuje bezpečnosť, ale zároveň efektívne dosahuje nízka hmotnosť. Kvantifikácia. Teraz je myšlienka zníženia obsahu vzácnych zemín v motoroch rovnaká." Niu Mingkui ďalej vysvetlil.
Reportér sa dozvedel, že s pokrokom technológie prešlo použitie motorových materiálov veľkými zmenami. Chen Jing novinárom povedal: "Keď sme prvýkrát použili magnetické materiály na výrobu magnetov, zmiešali sme a vypálili prvky vzácnych zemín a materiály na báze železa, takže celý materiál vzácnych zemín bol v magnetoch rovnomerne rozložený. Ale v skutočnosti bol permanentný magnet synchrónny motor Princíp demagnetizácie určuje, že obsah ťažkých vzácnych zemín v povrchovej oblasti magnetickej ocele je potrebné zvýšiť a obsah ťažkých vzácnych zemín v centrálnej oblasti by mal byť nízky a nie rovnomerne rozložený. Tradičná magnetická oceľ využíva jednotný proces spekania a v skutočnosti sa používa veľká časť ťažkých materiálov vzácnych zemín. Tento proces nehral svoju náležitú hodnotu."
V posledných rokoch sa vďaka pokroku vo výrobnom procese môže povrch a vnútro magnetickej ocele rozdeliť a na opravu a zvýšenie magnetických vlastností povrchu magnetu sa používa technológia difúzie na hranici zŕn. Uvádza sa, že japonskí vedci prvýkrát navrhli koncept „difúzie na hranici zŕn“ pomocou špeciálneho procesu, aby sa ťažké vzácne zeminy difundovali iba na hranici zŕn a nie do zrna, čo nielen zlepšuje výkon materiálov NdFeB, ale aj výrazne znižuje celkové množstvo ťažkých prvkov vzácnych zemín znižuje náklady na materiál. Technológia domácej difúzie na hranici zŕn sa tiež rýchlo rozvíjala a stala sa takmer štandardnou konfiguráciou nových produktov, čím sa výrazne znížilo množstvo ťažkých vzácnych zemín. Podľa neúplných štatistík môže Founder Motor prostredníctvom cielenejšej difúznej schémy na výber magnetickej ocele každoročne znížiť používanie ťažkých vzácnych zemín o 20 percent až 30 percent a doteraz sa znížilo takmer o 50 percent. „Neexistuje však jasné riešenie, či sa používanie ťažkých vzácnych zemín bude do určitej miery blížiť k nule, pretože ťažké vzácne zeminy sú cenné pre zlepšenie výkonu magnetickej ocele, antivibráciu a odolnosť voči vysokým teplotám, takže nie je možné ich v krátkodobom horizonte úplne nahradiť,“ zdôraznil Niu Mingkui.
Podľa Gong Juna technologický pokrok v oblasti aplikácií vzácnych zemín dosiahol pomerne vysokú úroveň a už to nie je hlavný cieľ výskumu. Zahraničné spoločnosti pracujú na riešeniach bez vzácnych zemín alebo bez nich, takže sa netreba obávať o zásoby zdrojov vzácnych zemín.
V skutočnosti mnohé spoločnosti vyvíjajú technológiu prípravy lacných sintrovaných magnetov NdFeB s prídavkom lantánu a céru, aby uspokojili trhový dopyt po lacných permanentných magnetoch vzácnych zemín s nastaviteľným tokom. Zušľachťovanie zŕn, difúzia hraníc zŕn a regulácia hraníc zŕn a ďalšie technológie sa tiež široko používajú v hromadnej výrobe, čím sa znižuje množstvo terbia a dysprózia ťažkých vzácnych zemín, čím sa znižujú náklady na surovinu produktu.
"Predtým boli všetci veľmi zamotaní. Hoci moja krajina má výhody zdrojov vzácnych zemín, obáva sa, že kolísanie cien pri skutočnom využívaní bude príliš veľké a inováciu materiálov a procesov obmedzuje aj cenová hladina vzácnych zemín." zeminy. Súčasným trendom je znižovanie objemu motorov. , Podniky zvýšia rýchlosť motora, čím sa znížia požiadavky na magnetizmus. V súčasnosti má priemysel čoraz nižšie požiadavky na triedy vzácnych zemín, a ak budú naďalej klesať, zníži sa aj množstvo ťažkých vzácnych zemín.“ povedal Gong Jun.
V tomto smere to Niu Mingkui analyzoval aj z troch hľadísk: po prvé, globálne zásoby vzácnych zemín sú dostatočné, takže sa netreba vôbec obávať; po druhé, za súčasných podmienok technologického rozvoja je používanie vzácnych zemín v motoroch oveľa menšie ako predtým a stupeň závislosti od vzácnych zemín Opäť stojí za zmienku, že s rozvojom priemyslu recyklácie motorov sa vzácne zeminy materiály odpadových motorov možno technicky vyčistiť a recyklovať takmer na 100 percent, čo je tiež dôležitý zdroj vzácnych zemín. "Materiály vzácnych zemín potrebné na výrobu jedného motora v minulosti môžu byť v budúcnosti použité na výrobu dvoch nových motorov." Povedal, že keďže trh s novými energetickými vozidlami v budúcnosti naďalej rastie, recyklácia motorov môže byť dôležitým zdrojom materiálov vzácnych zemín. Očakáva sa tiež, že "Rare Earth "Dafeng" bude realizovaný v predstihu. materiály môžu dosiahnuť organickú dynamickú rovnováhu rovnako ako nové energetické vozidlá.
