無稀土馬達時代到來 電動車駛向永續(xù)之路

無論是基于政治影響、生產(chǎn)成本，或保護環(huán)境的前提下，開發(fā)出不需要稀土的電動車用馬達，已經(jīng)是全球電機業(yè)者卯足全力發(fā)展的一個重大方向。
電動車采用感應(yīng)馬達，從20世紀的90年代到2000年代初期，實際上已經(jīng)有相當長的一段時間。然而，隨著永磁同步馬達的出現(xiàn)，感應(yīng)馬達已經(jīng)逐漸不被采用。
但是，永磁同步馬達需要透過稀土元素來確保耐熱性（這是磁鐵的弱點），并且可以在小型尺寸的馬達中產(chǎn)出高扭力。
目前混合動力（HV）和純電動車（EV）等永磁同步馬達，幾乎都是使用釹、鏑等重稀土材料，這是因為透過使用稀土，可以提高馬達的耐熱性，并且獲得高驅(qū)動力和發(fā)電量。不過，因為全球電動車，以及風(fēng)力發(fā)電等再生能源的普及，刺激了稀土的需求增加，也因此推動了價格飆升。

稀土限制迫使開發(fā)新一代車用馬達
由于2010年中國政府針對日本限制稀土出口，近期再加上中美摩擦，導(dǎo)致中國又宣布限制稀土出口到美國，且由于與美國的貿(mào)易局勢持續(xù)緊張，中國對于稀土的輸出可能會再次受到限制，這一點已在接下來的出貨量得到了證實（圖一）。

 

圖一 愛沙尼亞的Silmet工廠，一名工人展示分離過程中的稀土氧化物。（source：AXION）

這迫使了美日歐等車廠紛紛改變電動車馬達開發(fā)策略，朝向減少使用稀土材料，甚至完全不使用稀土的技術(shù)轉(zhuǎn)變。美國政府更是從政策面著手，透過反通膨法案的規(guī)范，要求美國車廠對于電動車整車組裝的零組件，以及礦物原料都必須要從北美當?shù)靥峁绻嚿系拇盆F大量使用中國來的礦物，就無法獲得補助。日本政府也調(diào)整政策，致力于減少稀土使用量以降低風(fēng)險，或協(xié)助業(yè)者分散稀土來源。這樣的演變，使得BMW、豐田和通用汽車等其他汽車制造商，也開始呼吁減少對稀土的依賴。

特斯拉以發(fā)展無稀土永磁馬達為目標
特斯拉在2023年3月宣布將推出一款全新永磁馬達（PMSM），完全不使用稀土元素，背后的考慮應(yīng)該和美國政府的補助息息相關(guān)。
其實特斯拉最早使用的馬達，并沒有使用稀土，因為他們一開始采用的是交流電馬達。但為了降低成本，在后續(xù)所開發(fā)的車型，開始使用永磁直流馬達來驅(qū)動后輪，并透過在馬達轉(zhuǎn)子中放置永久磁鐵，傳動軸無需感應(yīng)電流即可旋轉(zhuǎn)。
在降低對稀土的依賴方面，根據(jù)動力總成工程副總裁Colin Campbell表示，目前Model 3和Model Y已經(jīng)將稀土消耗量減少了四分之一。
Campbell在這次宣布特斯拉將不再使用稀土元素的演講中，展示了2張關(guān)于三種「神秘材料」關(guān)鍵性投影片，稀土1、稀土2和稀土3。第一張投影片展示了目前的特斯拉，馬達中使用的稀土總量從500克到10克不等（圖二）；下一張投影片是未來技術(shù)的目標數(shù)據(jù)，一切都設(shè)定為「0」（圖三）。

圖二 目前特斯拉馬達中，使用的稀土總量從500克到10克不等。（source：TESLA）

 
圖三 特斯拉新一代馬達技術(shù)的研發(fā)目標數(shù)據(jù)，稀土的使用量都設(shè)定為「0」。（source：TESLA）
從磁性材料研究人員的角度來看，這個「稀土1」是什么就一目了然了。它就是釹，與鐵和硼結(jié)合時可以產(chǎn)生強大的永久磁場。但以目前來說，幾乎沒有其他物質(zhì)具有這種特性，能夠產(chǎn)生足以提供2000公斤的特斯拉汽車、工業(yè)機器人和戰(zhàn)斗機等提供動力。如果特斯拉的馬達中不再使用釹等稀土元素的話，那么他們會使用哪種磁鐵來代替？便成了現(xiàn)場最大的黑箱技術(shù)。
產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)有專家朝向猜測利用鈷或是鐵氧體等其他化學(xué)元素來取代釹，其中被認為最有可能的是鐵氧體。鐵氧體是一種將鐵和氧與少量金屬（例如鍶）混合制成的陶瓷。它價格便宜且易于生產(chǎn)，自20世紀以來，它已被用于各種情況，包括用作保持冰箱門關(guān)閉的磁鐵材料。
另一方面，根據(jù)國外的媒體報導(dǎo)，因為鐵氧體的磁力只有同量的釹的十分之一左右，這就產(chǎn)生了磁力不足的新問題。但由于特斯拉的老板Elon Musk是出了名的不妥協(xié)，因此如果特斯拉堅持要使用鐵氧體的話，就必須在某個地方做出妥協(xié)。

日本大發(fā)汽車改變繞線技術(shù)開發(fā)新車用馬達
相對于特斯拉的馬達材料選擇策略改變，日本大發(fā)汽車企圖跳出永磁馬達的競爭圈，透過旗下的METALART和Yamada Power Unit展開合作，開發(fā)了一種無需永久磁鐵的同步磁阻馬達（SynRM）。Yamada Power Unit的核心技術(shù)是開發(fā)無人機和電動車動力裝置。而Metal Art的業(yè)務(wù)是以制造引擎和變速箱零件為主。
就如前述，目前電動車的永久磁同步馬達，是使用稀土元素作為磁鐵主原料，而日益上漲的價格已經(jīng)是永久磁同步馬達擴大市場的一個障礙。盡管這款SynRM實際量產(chǎn)的時間尚未確定，但目標是創(chuàng)建低成本、高效制造的SynRM馬達。
SynRM的想法透過定子磁力與馬達旋轉(zhuǎn)部分鐵芯磁阻差異，產(chǎn)生的磁極之間的相互作用產(chǎn)生扭矩（旋轉(zhuǎn)力）。由于它僅采用鐵芯和銅的材料來組成，因此可以降低成本、提高制造高效率。

 
圖四 同步磁阻馬達（SynRM）與永久磁石同步馬達的結(jié)構(gòu)差異。（source：METALART）

因此METALART和Yamada Power Unit透過優(yōu)化設(shè)計作業(yè)，對超過10萬個設(shè)計外型進行了形狀仿真，大幅度地提高了SynRM的產(chǎn)量和效率。此外還改變繞線方法，不僅達到縮小產(chǎn)品尺寸的目標，還可以減少約10%的銅用量。
目前METALART和Yamada Power Unit主要開發(fā)的目標是，縮小SynRM的尺寸，同時還降低大量生產(chǎn)的成本，并從電動四輪驅(qū)動應(yīng)用開始商業(yè)化。因為許多大公司已經(jīng)進入電動車驅(qū)動系統(tǒng)，市場的競爭非常劇烈。因此在初期希望避開此一紅海戰(zhàn)場，轉(zhuǎn)向?qū)Ｗ⒂谛⌒退妮嗱?qū)動的后驅(qū)車這一利基市場。

日產(chǎn)X-in-1總成技術(shù)降低稀土使用比例
同樣是日系車廠的日產(chǎn)，在2023年3月宣布將采用名為「X-in-1」的全新動力總成技術(shù)，到2026年將動力總成的成本較2019年降低30%（圖五）。此外，混合動力電動車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的價格，預(yù)計將在同一時間達到接近的水平。
針對電動車的部分，日產(chǎn)表示，隨著固態(tài)電池技術(shù)的引入，相信「最終」也將達到相同的價格水平。全新動力總成技術(shù)-X-in-1，在透過整合馬達和逆變器，并直接冷卻逆變器內(nèi)部的電子組件，整體尺寸縮小了25%。

 
圖五 日產(chǎn)對于X-in-1的目標是，到2026年將動力總成的成本降低30%。（source：NISSAN）

其中電動車馬達的技術(shù)部分，日產(chǎn)在新一代的SUV電動車-Aria中采用了線繞磁場系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是不采用永久磁鐵，而是利用電流的通過，由繞線制成的轉(zhuǎn)子磁力線圈（電磁鐵）產(chǎn)生磁場，來達到減少稀土中特別稀有的重稀土的使用。這個技術(shù)是基于已在雷諾電動車中實際使用的技術(shù)而開發(fā)。
它的優(yōu)點是即使在高速運轉(zhuǎn)和高速旋轉(zhuǎn)時，也不會損失效率。但由于電刷機構(gòu)需要空間直接向線圈傳遞電流，因此體積較大，成本較高。因此，日產(chǎn)正積極開發(fā)了一種減少稀土用量的永磁同步電機。
日產(chǎn)期望到2025年，透過這些新技術(shù)，將稀土的使用比例降低到1%以下。達到此目標下，對馬達最大的設(shè)計是，改變馬達轉(zhuǎn)子表面的形狀后，可以減少熱損失來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)上，是透過分離放置在轉(zhuǎn)子周圍的磁鐵來降低發(fā)熱，但是在這種新一代的設(shè)計中，則是利用磁鐵緊密地放置一起，減少稀土材料的使用量。

ZF藉新技術(shù)來取代永磁馬達
以商用車傳動和底盤技術(shù)聞名的的德國業(yè)者ZF Friedrichshafen，開發(fā)了一款不使用磁鐵的電動汽車馬達，而其性能更與永磁同步馬達相當，但體積更小。
ZF的這款轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)勵磁同步馬達（I2SM），是透過轉(zhuǎn)子軸中的感應(yīng)勵磁裝置傳輸磁場能量，這與目前市場上的自勵同步馬達（SESM）的無磁概念截然不同，相比之下，電感式勵磁器可將轉(zhuǎn)子的能量傳輸損耗降低15%（圖六）。
此外，和使用含稀土材料磁鐵的PSM相比，生產(chǎn)過程中可減少二氧化碳排放量高達50%。ZF表示，這樣的設(shè)計將使得電機結(jié)構(gòu)獨特緊湊，具有最大的功率輸出和扭矩密度，ZF相信這種先進的I2SM馬達是永磁同步馬達的最佳替代產(chǎn)品。


圖六  I2SM是透過轉(zhuǎn)子軸中的感應(yīng)勵磁裝置傳輸磁場能量，可將轉(zhuǎn)子的能量傳輸損耗降低15%。（source：ZF Friedrichshafen）
除了結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大，以及不使用稀土等優(yōu)點外，I2SM還可消除傳統(tǒng)PSM電子馬達中，所出現(xiàn)的阻力損失。因此，在某些特定的環(huán)境行駛下更能顯出優(yōu)勢性，如高速公路上長時間高速行駛時，效率更高。
在傳統(tǒng)的SESM概念中，轉(zhuǎn)子中的磁場是由電流而不是磁鐵產(chǎn)生的，這通常需要滑動或電刷組件，因此必須有很大的改進幅度。此外，還無法進入干燥的安裝空間，即無法進行油冷卻，并且需要額外的密封制成另一方面，傳統(tǒng)SESM還在軸向上使用了約90mm的空間。
為了提供具有競爭力的獨立勵磁同步電機優(yōu)勢，ZF成功地彌補了普通獨立勵磁同步電機在設(shè)計上的不足。勵磁系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子在空間上的中立整合意味著不存在軸向空間上的劣勢。
此外，ZF功彌補了典型自勵同步馬達的設(shè)計缺陷，開發(fā)出更具優(yōu)勢的自勵同步馬達。特別是，采用了新一代的轉(zhuǎn)子設(shè)計后，轉(zhuǎn)矩密度已經(jīng)明顯高于傳統(tǒng)產(chǎn)品，同時因為將勵磁系統(tǒng)整合到轉(zhuǎn)子的空間內(nèi)，除了軸向空間的損失已不存之外，轉(zhuǎn)子中功率密度的增加，使得性能也大幅度的提高。
未來，ZF計劃將I2SM技術(shù)開發(fā)到可大量生產(chǎn)的水平，并將其作為電子驅(qū)動平臺的選項之一，開發(fā)不同車款的車廠可根據(jù)各自的應(yīng)用選擇400V架構(gòu)或800V的架構(gòu)。值得一提的是，800V架構(gòu)在電力的電子機構(gòu)中采用了最新的碳化硅技術(shù)芯片。

未來電動車用馬達的發(fā)展趨勢
新觀念技術(shù)
車用馬達的技術(shù)發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)中，對于耗能、動力輸出和成本的要求是相當嚴格，目前除了SESM、SynRM-IPM和SRM等技術(shù)之外，也有相當多的技術(shù)想法被提出來。

這些新一代的創(chuàng)新馬達技術(shù)包括：
● Linear實驗室的High Efficiency Torque（HET）：越來越受到業(yè)界和工程師的關(guān)注。Linear Labs這種獨特的高效磁扭矩技術(shù)，與類似功率和尺寸的傳統(tǒng)馬達相較，所能提供的扭矩重量比高出3倍。除了不需要使用變速箱外，在材料的革命性上，銅的使用量減少了30%，更完全不使用稀土磁體，而是使用現(xiàn)成的鐵氧體磁鐵。
● 橫向磁通馬達（Transverse Flux motors）：也開出現(xiàn)在車用馬達討論的范圍中，被視為是傳統(tǒng)徑向磁通系統(tǒng)（Radial Flux Systems）的替代品。
● TSRF新型高效電動馬達：電動車制造商Omega Seiki Mobility（OSM）在2022年2月宣布，與以色列新創(chuàng)公司EVR Motors結(jié)成策略聯(lián)盟，在印度生產(chǎn)基于TSRF技術(shù)的新型高效電動馬達，可用于目前和未來的電動車車型。這款馬達采用了梯形定子徑向磁通（TSRF）技術(shù)，可支持大功率和扭力范圍，電壓范圍為48V至800V，適合不同功率等級和各種速度。

無稀土電機
環(huán)境和供應(yīng)挑戰(zhàn)是電機設(shè)備制造商發(fā)展「無稀土馬達策略」的驅(qū)動力。不過，稀土是一個以中國為中心的重大地緣政治問題，雖然稀土對環(huán)境具有極大的破壞性，但在大多數(shù)情況下，當今絕大多數(shù)最先進的電動汽車都需要這些非常稀有、非常昂貴、對環(huán)境破壞性極大的材料來實現(xiàn)高性能。
因此，無論是基于政治影響、生產(chǎn)成本，或保護環(huán)境的前提下，開發(fā)出不需要稀土的電動車用馬達，已經(jīng)是全球電機業(yè)者卯足全力發(fā)展的一個重大方向，而全球電動車產(chǎn)業(yè)也都在引頸期盼著這個時代的到來。