活动,正式揭晓了“宏图”第三章。马斯克表示,希望整个人类社会未来都可以采用清洁能源行业动态,在2050 年前实现100%能源可持续。
公司提到,随着世界向清洁能源过渡,稀土的需求在急剧增加,不仅在满足下游需求方面有难度,而且在开采稀土有环境和健康风险,因此,公司已设计了下一代使用永磁电机的驱动单元,将完全不使用稀土材料。新产品将具有更低的成本,同时保持高效。
在Model3 中,特斯拉通过使用永磁同步电机替代感应电机,大幅提升性能与整体续航里程。考虑到材料成本以及供应链安全,公司在宏图3 上明确提出将发展并应用无稀土电机。
我们认为,发展无稀土电机至少包含两条路径,其一,虽然特斯拉已表示将继续使用永磁电机,我们仍对更换电机类型做出探讨,其二是更换目前永磁电机中使用的以钕铁硼为主的稀土材料。
电机类型方面,主要包括:永磁同步电机、交流异步电机、ob真人开关磁阻电机以及励磁电机。其中,永磁同步电机与交流异步电机为目前新能源汽车市场常见方案选择。
永磁同步电机在新能源汽车领域目前被广泛使用,永磁电机对比其他类型电机具有较高的功率密度和转矩密度,可以有效减小体积。由于转子转动惯量小,因此具有更好的动态性能以及更低的噪声。而永磁同步电机的劣势在于,其成本相对更高,使用钕铁硼永磁体对稀土材料依赖较高。
交流异步电机,其优点在于成本较低,工艺相对简单,对工作环境温度的适应性更强。缺点在于异步电机对比永磁同步电机在同样的功率和扭矩下,所需要的体积和重量大于同步电机。目前,异步电机的控制精度以及能耗方面仍存在一定差距,面对复杂使用场景,如反复启停、加减速时,电机效率低于同步电机。从综合能耗的角度上,异步电机弱于永磁同步电机。特斯拉在四驱车型采用前异步、后永磁同步的布局,单电机车型则仅使用永磁同步电机。
励磁电机对比永磁电机,使用电源提供电流通过转子绕组产生励磁,而非直接使用永磁体,因此不依赖于稀土材料。由于励磁可以调节,在低速及高速场景下都可以提供合适的励磁。ob真人但是,由于励磁电机转子绕组耐温较差ob真人,转子冷却问题更加突出,且转子本身结构复杂,降低了电机系统的可靠性,维护成本较高。
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor :SRM),也成为可变磁阻电机,是近年来兴起的调速电机类型。由于其结构简单、具备高速运行能力、对高温不敏感等特点被广泛关注。开关磁阻电机在运行过程中,绕组的电感随着转子的旋转而变化,从而存在转矩脉冲以及较高噪声等缺点ob真人。
由于开关磁阻电机目前装车的可能性较低,对比以上其他电机方案,综合性能、成本以及可靠性方面对比,目前永磁同步电机方案的综合优势仍要高于其他电机方案。感应电机在性能上逊色于永磁电机与励磁电机,而励磁电机在可靠性方面弱于永磁电机。同时,特斯拉在活动中表示将继续使用永磁电机,因此,我们认为,从材料替代的角度探讨无稀土电机方案的潜在路径更为合适。
替换稀土永磁 材料路线方面,目前主流想法包括使用铁氧体、铝镍钴来替代钕铁硼,从而减少稀土的使用。对比以上常见磁性材料的剩余磁通密度以及矫顽力,包括铁氧体与铝镍钴等常见磁性材料对比钕铁硼性能仍较弱。钐钴材料在性能上与钕铁硼差异较小,但钐钴仍属于稀土永磁材料ob真人,不符合0 稀土的替代需求。
研究发现,硬磁材料之中氮化铁(α“-Fe16N2)在理论性能上具备替代钕铁硼的可能性。铁基磁性化合物通常具有较高的饱和磁化强度,晶格间隙的氮原子改变了金属之间的原子距离,从而对磁性材料的性能产生影响。NironMagnetics 是美国新兴磁材厂商,将纳米材料工程与冶金方法结合,致力于打造高强度、无稀土永磁体氮化铁。Niron 表示,氮化铁具有所有已知化合物中最高的磁通密度,比任何已知的永磁化合物高50%以上。
材料性能方面,Niron 的创始人王建平教授的《Environment-friendly bulkFe16N2 permanent magnet: Review and prospective》中提到,α“-Fe16N2采用环保型原材料,具有极高的饱和磁通密度(2.9T)以及极高的磁各向异性常数(1.8 MJ/m3)。从成本角度,氮化铁由铁和氮元素制程,成本对比稀土材料将大幅下降。Ni ron 同时表示在氮化铁制备过程中,对环境污染对比其他材料平均减少2/3,最高减少95%。
应用方面,Niron 表示,已与通用汽车(GM)、马凯特(marquette)大学合作开发无稀土材料的电动汽车传动系统(Drivetrains)。英国Motor Design公司分别基于Niron 的氮化铁以及钕磁铁设计了两台Prius 级别30kW,125Nm电机,对比钕永磁电机,在保留了原始电机直径的情况下,应用Niron 的材料可以使得电机体积下降10%,磁材节省15-30%。
综合以上,我们认为考虑无稀土电机的方案,应从材料替换的角度出发,而氮化铁(α“-Fe16N2)材料作为降低永磁电机稀土材料的使用上,具有较高的可能性。建议关注氮化铁制备及产业链机会。