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特斯拉无稀土电机技术路线大猜测

2023-03-13 汽车电子设计 阅读:
3月2日,特斯拉动力系统和能源工程高级副总裁德鲁·巴格里诺在公司投资者日活动上表示,新能源汽车大规模推广需要更便宜的价格,特斯拉的下一代永磁电机将完全不使用稀土材料,以降低电子设备的复杂性和成本。
 

3月2日,特斯拉动力系统和能源工程高级副总裁德鲁·巴格里诺在公司投资者日活动上表示,新能源汽车大规模推广需要更便宜的价格,特斯拉的下一代永磁电机将完全不使用稀土材料,以降低电子设备的复杂性和成本。wdSednc

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电机是汽车的核心系统,当前新能源汽车普遍采用的是永磁电机,具有能量密度大、运行可靠、调速性能好等特点。而稀土,就是永磁电机里,磁的重要组成部分。永磁电机是稀土下游最大的应用领域。但并不是所有电机都需要稀土元素,它一般在直流电机中使用。交流感应电机无需用到稀土。特斯拉未公布准备用何种方式替代稀土,所以聊聊可能的方向。wdSednc

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Part 1

特斯拉选用过的电机

特斯拉主要选用过两款电机:交流感应电机,和直流永磁电机。wdSednc

最初在Model S和Model X中,使用的交流感应,但从2017年,Model 3上市时采用了新的永磁直流电机,后续其他车型上也一直使用同款电机。wdSednc

● 交流感应电机

交流感应”是通过一部分电流,自己产生磁场。wdSednc

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受磁场影响,闭合的转子绕组线圈中就会有电流产生,电流再次产生磁场,并与定子旋转磁场相互作用,就可以沿旋转磁场的方向旋转起来。但是,转子的转速永远不会与旋转磁场的转速同步。转子的转速总是略低于同步转速,这种电机也因此被命名为交流异步电机wdSednc

感应电机主要包括线圈和转子铁芯,所以价格便宜,成本低,过载能力也强,性能彪悍,皮实耐用,但是效率差一点。wdSednc

 永磁同步电机

永磁指的是动磁采用的是永磁体,也就是磁铁。定子线圈虽然也是绕组线圈结构,但转子却更换为了永磁体,当转子线圈中的电流变化产生旋转磁场时,永磁转子便会跟随磁场一同运动。这种励磁方式无需像交流异步电机那样切割磁力线,定子与转子相互作用更加快速直接wdSednc

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两者的优缺点

永磁同步电机的优点不仅在于结构更加简单,更重要的是体积可以做得更小,这对于重视空间布局和轻量化的电动汽车来说具有极大的优势。同时,定子转子转速同步的先天条件让它只需改变电流频率即可改变转速,调速更加简单、直接。如果特斯拉继续用交流感应电机,的确不需要稀土 。但这种电机扭矩密度和功率密度低、体积又大,应该不是特斯拉的选择。wdSednc

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Part 2

可能的方法是什么

取代稀土有两大可能的方向:一是不要磁铁了,二是把磁铁里的稀土材料用别的材料替代。不要磁铁这个方案比较直接,交流感应电机里也没有磁铁,只有用合适的电磁转换技术生成磁场就行。wdSednc

目前已经有两种做法:wdSednc

 同步磁阻电机(PMaSynRM)

同步磁阻技术将永磁电动机的性能与感应电动机的简单易用相结合。wdSednc

同步磁阻电机(SynRM)作为感应电机的高效替代品,同步磁阻电机的核心理念是转子没有绕组或磁铁,只是将电动钢板堆叠在一起,与旋转磁场对齐的具有气隙的钢转子。转子没有感应电流,因此没有损耗。wdSednc

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这种电机在工业上使用刚起步,可以不用稀土。wdSednc

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 外励磁

在电机绕组里增加励磁线圈,通过调节励磁线圈内的电流大小来调节电机速度。励磁电机技术,利用额外电流通过励磁线圈产生磁场,三相同交流同步电机运行。强耐久和高性能电刷模块,并结合独特的加工技术和石墨复合材料。wdSednc

目前其他车企也采用这个方法。wdSednc

比如宝马集团自主研发的第五代BMW eDrive电驱动系统,已经是量产的无稀土应用。wdSednc

日产ARIYA同样也使用了电励磁同步电机,将同步电机的永磁体转子替换成励磁线圈,并利用电生磁的原理使励磁线圈具备了和永磁体转子一样的磁性。励磁线圈的磁力由电流大小控制,通过控制电流大小,来优化动力的释放。wdSednc

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励磁电机可以在低速时通过降低电流,使扭矩释放变得更加柔和,在高速区间,还可以通过加大电流、提升磁性。wdSednc

这些拿掉磁铁的方法,虽然已经具备可行性,但由于对电机整体的设计变动很大,完全的量产还需要一定的时间。如果能继续保留磁铁的设计,这样改动相对较小,传统的直流电机结构还能得以保留。所以,所以研究稀土的替代品,也是技术人员在积极寻找的一条路wdSednc

 研究稀土的替代品

剑桥大学团队发现了一种制造新型磁性材料铁-镍(tetrataenite)的方法,这可能成为稀土永磁的替代品。这个叫Tetrataenite由50%的铁和50%的镍组成,铁和镍原子交替排列,为规则的周期性晶体结构。它产生一种硬磁,即磁化方向不会轻易改变,其磁性能接近稀土磁体。wdSednc

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美国能源部关键材料研究所和艾姆斯国家实验室的研究人员,也开发出一种基于微结构工程制造 无稀土永磁材料锰铋(MnBi)磁体的新方法,并证明该工艺可以用于制造紧凑、节能电机。锰铋磁体可替代由稀土元素构成的高功率永磁体,研究人员计划进一步扩大这种磁铁的尺寸,并生产用于新型电动机的锰铋磁体。wdSednc

小结:

特斯拉的材料研究能力,是建立在欧美在稀土替代方面的研究之上,对这些新技术的整合。“无稀土”的概念,其实还是因为国外缺少稀土提纯和冶炼的能力。但我们本身具备丰富的稀土的资源,地主家的孩子不缺粮。所以中国的研究人员,一直聚焦于永磁电机的开发。在新方向上的投入比较少,甚至完全不需要。所以这次特斯拉引起轩然大波,其实是两种研究路线的大碰撞。wdSednc

责编:Ricardo
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