Немає рідкоземельних елементів і двигуна? Слухання вітчизняних постачальників, які пояснюють тонкощі зменшення рідкоземельних елементів у двигунах
Китайські автомобільні новини
Нещодавно Колін Кемпбелл, віце-президент відділу силових агрегатів Tesla, заявив, що в двигунах наступного покоління компанії взагалі не використовуватимуться рідкоземельні матеріали. Це повідомлення було схоже на камінь, кинутий у тихе озеро, що спричинило переполох у галузі. Повідомляється, що з 2017 по 2022 рік Tesla успішно скоротила використання рідкісноземельних елементів у приводному модулі Model 3 на 25 відсотків за рахунок підвищення ефективності системи трансмісії. У 2020 році компанія Tesla оголосила, що розробляє новий тип немагнітного двигуна з поверхневим реактивним двигуном з постійними магнітами (SPSRM), який поєднує в собі переваги двигунів з постійними магнітами та реактивних двигунів (SRM). , уникаючи недоліків обох, може досягти високої ефективності, високої щільності потужності та високої щільності крутного моменту без використання рідкоземельних матеріалів.
Tesla відома як флюгер нової ери енергетичних транспортних засобів. Який рідкоземельний двигун вона підтримує? Наскільки «фурору» це може зробити в галузі?
Відсутність рідкоземельних елементів не означає відсутність магнетизму
На тлі практики екологічного та низьковуглецевого шляху та сприяння розвитку електрифікації у всебічний спосіб батареї, двигуни та електронне керування стали «трьома новими основними частинами», які є незамінними для нових транспортних засобів з енергією, а також двигуни виконують усі функції, пов'язані з керуванням транспортним засобом. .
В даний час існує три основних типи двигунів, що використовуються в автомобілях з новою енергією: синхронні двигуни з постійними магнітами, синхронні двигуни з електричним збудженням і асинхронні двигуни змінного струму. Синхронні двигуни з постійними магнітами є основним вибором у галузі, але через високу вартість рідкоземельних матеріалів і обмежені запаси в останні роки голос заміни стає все гучнішим.
Зрозуміло, що на рідкоземельні матеріали припадає майже 20 відсотків вартості двигунів з постійними магнітами. Як клас металевих елементів з особливими фізичними та хімічними властивостями він широко використовується в багатьох галузях високих технологій. На ринку є яскрава метафора. Якщо нафта - це кров промисловості, то рідкоземельні елементи - це вітаміни промисловості, особливо для автомобільної промисловості. У двигунах з постійними магнітами неодимовий залізо-бор (NdFeB) є одним із найбільш часто використовуваних матеріалів постійного магніту з високим рівнем залишкової намагніченості та енергетичним продуктом. І його три види рідкоземельних складових елементів: неодим (Nd), празеодим (Pr) і диспрозій (Dy), які дуже допомагають у покращенні динамічного магнетизму, термостійкості, продовженні терміну служби та зниженні шуму двигуна. Тому, незважаючи на високу вартість, двигуни з постійними магнітами завжди були основною конфігурацією транспортних засобів на новій енергії.
Твердження Tesla про те, що наступне покоління двигунів взагалі не використовуватиме рідкоземельні матеріали, здається, похитнуло статус двигунів з постійними магнітами та рідкоземельних матеріалів. З точки зору технологій і ринку, як ми повинні інтерпретувати тенденцію в галузі?
Насправді Tesla не єдина компанія, яка пропонує, щоб двигуни не використовували рідкоземельні елементи. У 2021 році Mahle, німецька компанія з виробництва автозапчастин, розробила новий двигун, який не потребує рідкоземельних матеріалів; потім у 2022 році BMW також випустила двигун п’ятого покоління без рідкісних земель. Інсайдери в галузі вважають, що Tesla та інші компанії прагнуть розробити рідкоземельні двигуни не стільки через технологічний розвиток, скільки з геополітичних міркувань.
Згідно зі статистичними даними, близько 97 відсотків світової рідкоземельної сировини постачається Китаєм. Згідно з даними, рідкоземельні землі є важливим стратегічним ресурсом з унікальними властивостями та незамінним ключовим елементом для трансформації традиційних галузей промисловості, розвитку галузей, що розвиваються, і національної промисловості оборонних технологій. Раніше китайські експортні ціни на рідкоземельні метали були низькими. З постійним зростанням вартості видобутку та переробки рідкоземельних матеріалів експортний контроль рідкоземельних матеріалів став суворішим, і іноземні автомобільні компанії почали шукати інший вихід.
Однак експерти в галузі вважають, що називати двигун «безмагнітним» лише тому, що в ньому не використовуються рідкоземельні елементи, некоректно.Ніу Мінкуй, генеральний менеджеркомпанії Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(далі іменується як «Засновник двигуна»), сказав репортеру «China Automobile News», що рідкоземельні постійні магніти є лише одним із способів встановити основне магнітне поле синхронних двигунів, і підприємства також можуть використовувати інші методи, але в будь-якому У випадку , для запуску двигуна необхідно встановити магнітне поле, тому пропонувати немагнітний двигун, очевидно, є «трюком». На його думку, план Тесли добре зрозумілий. Наступні методи можуть бути прийняті для двигунів, які не використовують рідкоземельні елементи: використання фериту замість рідкоземельних елементів як постійних магнітів або використання синхронних двигунів з електричним збудженням, а потім асинхронних двигунів змінного струму.
3 припущення про Теслу
Як лідер електромобілів, механізми Tesla привернули увагу всієї автомобільної промисловості. Що стосується двигуна Tesla наступного покоління, який не використовує рідкоземельні елементи,Менеджер з розробки BorgWarner Хуо Конгчонгмає три припущення.
По-перше, «немає рідкісноземельних елементів» може стосуватися не важких рідкісноземельних елементів, а не всіх рідкісноземельних елементів. Хо Конгчонг сказав журналістам: «Загалом, рідкоземельні елементи, що використовуються в двигунах, відносяться до важких рідкоземельних елементів, таких як тербій (Tb), диспрозій (Dy), гольмій (Ho), неодим (Nd), празеодим (Pr) та інші елементи. .У різних двигунах використовуються різні важкі рідкоземельні елементи через їх невеликий запас і високу вартість. Тепер компанії використовують більше легких рідкоземельних елементів і скорочують використання важких рідкоземельних елементів».
По-друге, також можна замінити синхронний двигун з постійним магнітом на синхронний двигун з електричним збудженням. Суть електродвигуна збудження полягає в заміні постійного магніту котушкою електричного збудження та зміні магнітної сили шляхом регулювання струму котушки, щоб досягти різних вимог до потужності на різних швидкостях автомобіля. У той же час котушка електричного збудження може усунути недоліки розмагнічування та зупинки постійного магніту при високій температурі, а ослаблення поля може бути реалізовано шляхом зменшення струму збудження на високій швидкості, а зміна швидкості може бути реалізована шляхом керування інтенсивність збудження та безпека також кращі. Це те, що робить безмагнітний двигун BMW п’ятого покоління.
Найбільша відмінність між двигуном з електричним збудженням і двигуном з постійними магнітами полягає в роторі. Принцип першого полягає в додаванні котушок до ротора та використанні вугільної щітки для введення струму збудження. Однак це принесло нову проблему: надійність і довговічність вугільної щітки матиме великий вплив на ефективність роботи двигуна.
По-третє, принципово може бути реалізований і спосіб змішаного збудження. Згідно з передумовою підтримки високої ефективності, цей новий тип двигуна змінює топологічну структуру, а основне магнітне поле генерується двома джерелами збудження для реалізації регулювання та контролю, а також покращення регулювання швидкості, продуктивності приводу або характеристик регулювання напруги двигуна. . Тобто постійний магніт не використовує рідкоземельні матеріали, а використовує ферит, а потім додає деяке електричне збудження тощо, але це рішення має погані магнітні властивості та обмежену ефективність роботи. більший і важчий.
«Звичайно, ми все ще не можемо виключити можливість того, що Tesla зробила великий прорив у нових матеріалах; але якщо ні, я вважаю, що перше з цих трьох рішень є найбільш імовірним». Є американські компанії, які можуть розробити рішення щодо використання «нульових» важких рідкоземельних елементів у двигунах. Я вважаю, що це не складний виклик для Tesla.
Статус двигуна з постійними магнітами ще не похитнувся
В епоху автомобільної електрифікації були висунуті нові вимоги до розробки акумуляторів, двигунів та електронного керування. В якому напрямку буде розвиватися мотор надалі? У міру того, як ринок шукає потужність автомобіля, повний привід став конфігурацією високого класу для багатьох потужних автомобілів, а двоосьові двигуни почали використовувати все більше й більше автомобільних компаній. Як вибрати між двигуном з постійним магнітом і асинхронним двигуном?
Чень Цзін, директор відділу розвитку двигунів компанії Founder Motors, сказав журналістам, що нещодавно після повного спілкування з професіоналами галузі під час робочої дискусії він дійшов однозначного висновку: двигуни з постійними магнітами все ще є основною тенденцією на ринку.
«Синхронні двигуни з постійними магнітами широко використовувалися протягом тривалого часу та мають десятирічну історію розвитку. Вперше були використані феритові матеріали, а щільність енергії становить лише 1/2-1/3 від щільності рідкоземельних постійних магнітів. Тому приблизно з 2000 року промисловість почала додавати рідкоземельні матеріали до постійних магнітів, що значно покращило щільність енергії двигуна». Ніу Мінкуй сказав журналістам. Він вважає, що тенденція розвитку продуктів невіддільна від характеристик самої технології. Судячи з поточної продуктивності двигуна, переваги рідкоземельних двигунів з постійними магнітами не мають собі рівних з іншими типами двигунів, тому він все ще буде першим вибором для більшості нових транспортних засобів на енергію, особливо він використовується як головний приводний двигун.
Зрозуміло, що порівняно з іншими типами двигунів, двигуни з постійними магнітами мають власні магнітні поля, не вимагають збудження, не мають відповідних втрат, можуть забезпечити максимальний крутний момент і мають відмінні показники ефективності передачі; у той же час, вони можуть досягти невеликого розміру та малої ваги, значно заощаджуючи. Однак його легко розмагнітити під високою температурою та не можна регулювати швидкість у режимі реального часу.
Електродвигуни збудження та асинхронні двигуни не використовують рідкоземельні матеріали, що дозволяє заощадити кошти, але є також невирішені проблеми. Конструкція ротора синхронного двигуна з електричним збудженням є складною, і є пристрій вугільної щітки з контактним кільцем, який має низьку надійність. Вугільну щітку потрібно регулярно обслуговувати та замінювати, а вартість обслуговування висока. Індукційний двигун змінного струму створює індуковане магнітне поле, розрізаючи магнітне поле, тому магнітна сила має гістерезис; але індукційний асинхронний двигун змінного струму має кращу високошвидкісну продуктивність і зараз зазвичай використовується як комбінована конфігурація повного приводу. Наприклад, Tesla Model 3 використовує асинхронний двигун змінного струму в поєднанні з двигуном на постійних магнітах як двигун передньої осі повнопривідного автомобіля; Модель Weilai є протилежністю моделі 3, вона використовує комбінацію синхронного двигуна з постійним магнітом переднього колеса та асинхронного двигуна змінного струму заднього колеса Комбінована програма.
З цього приводу Ніу Мінкуй пояснив: «Хоча асинхронний двигун також може досягти такої ж ефективності роботи, як двигун з постійними магнітами, він збільшить кількість інших матеріалів, таких як мідь і кремнієва сталь, а також він більший, важчий і займає більше місця. Тому сучасна промисловість рідко використовує асинхронні двигуни як головний приводний двигун».
Чень Сяоюн, менеджер із продукції Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,прямо сказав журналістам, що виступ Tesla здавався трюком, але він не мав особливого впливу на вітчизняні автомобільні компанії. «У всіх є консенсус, що основною течією вітчизняних двигунів транспортних засобів на новій енергії все ще є двигуни з постійними магнітами, а ефективність двигунів електричного збудження та асинхронних двигунів не можна порівняти з ними. Глобальний вміст рідкоземельних елементів достатній, і навряд чи він підірве. двигуни з постійними магнітами за короткий час", - сказав він.
Багато інсайдерів галузі також дотримуються такої ж думки. На думку Хуо Конгчонга, на китайському автомобільному ринку принаймні 10 років домінуватимуть двигуни з постійними магнітами. У цій галузі немає кризи в ланцюжку поставок, і вітчизняні двигуни транспортних засобів на новій енергії також мають тенденцію використовувати менш важкі рідкоземельні елементи, і вартість продовжує падати. , переваги стають дедалі помітнішими.
Вся автомобільна промисловість скорочує застосування важких рідкоземельних металів, але рідкоземельні метали використовуватимуться не будуть. В інтерв'ю журналістам,Гун Цзюнь, експерт з питань відповідальності національних нових енергетичних транспортних засобів, спеціальної загальної експертної групи, зазначив, що виробництво шахт у Китаї є достатнім, тому не варто хвилюватися.У той же час, з розвитком процесу інфільтрації диспрозію, промисловість може зменшити кількість важких рідкоземельних елементів. Наразі Tesla не відмовлятиметься від двигуна з постійними магнітами, щонайбільше подумає, як не використовувати важкі рідкоземельні елементи.
«Багато іноземних компаній мали змогу використовувати лише легкі рідкоземельні елементи для двигунів, але з точки зору ринкових умов вітчизняні клієнти не дуже сприймають рішення важких рідкоземельних елементів; крім того, це рішення матиме проблеми з розмагнічуванням, що призведе до зниження Це проблема, яку потрібно вирішити». Про це Хо Конгчонг сказав журналістам.
Рідкісноземельні землі більше не є вузьким місцем
Вся автомобільна промисловість почала розвиватися в напрямку зменшення рідкоземельних металів, особливо скорочення використання важких рідкоземельних металів. Ніу Мінкуй сказав, що запаси та ціни важких рідкісноземельних металів і легких рідкісноземельних металів дуже відрізняються. Наприклад, поточна ринкова ціна празеодиму та неодиму становить понад 700 000 юанів за тонну, тербій – понад 20 мільйонів юанів за тонну, а вартість рідкоземельних елементів лантану та церію нижча. Десятки тисяч юанів / тонна. Таким чином, промисловість досягла хороших результатів у сприянні ліквідації важких рідкісноземельних елементів і зменшенні кількості легких рідкісноземельних елементів, празеодиму та неодиму.
«Так само, як і попередні полегшені конструкції автомобілів, завдяки зменшенню товщини сталевої пластини, зменшенню спорядженої маси, а потім покращенню структурної конструкції або процесу зварювання, автомобіль має кращу жорсткість, що не знижує безпеки, але також ефективно досягає легка вага. Кількісна оцінка. Тепер ідея зменшення рідкоземельних елементів у двигунах та сама». Далі пояснив Ніу Мінкуй.
Репортер дізнався, що з розвитком технологій використання моторних матеріалів зазнало великих змін. Чень Цзін сказав журналістам: «Коли ми вперше використовували магнітні матеріали для виготовлення магнітів, ми змішували та обпалювали рідкоземельні елементи та базові матеріали заліза, щоб весь рідкоземельний матеріал був рівномірно розподілений у магнітах. Але насправді постійний магніт синхронний Двигун Принцип розмагнічування визначає, що вміст важких рідкоземельних елементів на площі поверхні магнітної сталі потрібно збільшити, а вміст важких рідкоземельних елементів у центральній частині має бути низьким і нерівномірно розподіленим.Традиційна магнітна сталь приймає рівномірний процес спікання, і фактично використовується значна частина важких рідкоземельних матеріалів. У процесі це не відіграло належної цінності».
В останні роки, завдяки прогресу виробничого процесу, поверхня та внутрішня частина магнітної сталі можуть бути розділені, а технологія дифузії меж зерен використовується для відновлення та підвищення магнітних властивостей поверхні магніту. Повідомляється, що японські дослідники вперше запропонували концепцію «дифузії між межами зерен», використовуючи спеціальний процес, щоб змусити важкі рідкоземельні елементи дифундувати лише на межі зерна, а не всередину зерна, що не тільки покращує характеристики матеріалів NdFeB, але й значно зменшує Загальна кількість важких рідкоземельних елементів зменшує вартість матеріалу. Вітчизняна технологія дифузії по межах зерен також швидко розвивалася і майже стала стандартною конфігурацією нових продуктів, що значно зменшує кількість важких рідкоземельних елементів. Згідно з неповною статистикою, завдяки більш цілеспрямованій схемі дифузії для вибору магнітної сталі, Founder Motor може скоротити використання важких рідкісноземельних металів на 20-30 відсотків щороку, і наразі воно скоротилося майже на 50 відсотків. «Однак немає чіткого рішення щодо того, чи буде використання важких рідкоземельних металів близьким до нуля певною мірою, оскільки важкі рідкоземельні метали є цінними для покращення характеристик магнітної сталі, антивібрації та стійкості до високих температур, тому їх неможливо повністю замінити в короткостроковій перспективі», — підкреслив Ніу Мінкуй.
На думку Гон Цзюня, технологічний прогрес у сфері застосування рідкоземельних елементів досяг відносно високого рівня, і це більше не є основною метою досліджень. Іноземні компанії працюють над рішеннями без рідкісноземельних елементів або без рідкісноземельних елементів, тому немає необхідності турбуватися про запаси рідкоземельних ресурсів.
Насправді багато компаній розробляють технологію виготовлення недорогих спечених магнітів NdFeB з додаванням лантану та церію, щоб задовольнити ринковий попит на недорогі рідкоземельні постійні магніти з регульованим потоком. Очищення зерна, дифузія меж зерна та регулювання меж зерна та інші технології також широко використовуються в масовому виробництві, зменшуючи кількість важкого рідкоземельного тербію та диспрозію, тим самим знижуючи вартість сировини для продукту.
«Раніше всі були дуже заплутані. Хоча моя країна має переваги рідкоземельних ресурсів, вона стурбована тим, що коливання цін у фактичному використанні будуть занадто великими, а інновації матеріалів і процесів також обмежені рівнем цін на рідкісні Сучасна тенденція полягає в зменшенні об’єму двигунів. Підприємства збільшуватимуть швидкість двигуна, що зменшує вимоги до магнетизму. Зараз промисловість має все нижчі вимоги до сортів рідкоземельних елементів, і якщо вони продовжуватимуть падати, кількість важких рідкісних земель також зменшиться", - сказав Гун Цзюнь.
У цьому відношенні Ніу Мінкуй також проаналізував це з трьох аспектів: по-перше, глобальні запаси рідкісноземельних елементів достатні, тому немає необхідності хвилюватися взагалі; по-друге, за сучасних умов технологічного розвитку використання рідкісноземельних елементів у двигунах значно менше, ніж раніше, і ступінь залежності від рідкісноземельних елементів Ще раз варто згадати, що з розвитком промисловості переробки двигунів рідкісноземельні елементи матеріали відпрацьованих двигунів можуть бути технічно очищені та перероблені майже на 100 відсотків, що також є важливим джерелом рідкоземельних елементів. «Рідкоземельні матеріали, необхідні для виробництва одного двигуна в минулому, можуть бути використані для виробництва двох нових двигунів у майбутньому». Він сказав, що оскільки ринок нових енергетичних автомобілів продовжує зростати в майбутньому, переробка двигунів може бути важливим джерелом рідкоземельних матеріалів. «Рідкісноземельні «Dafeng» також очікується, що вони будуть реалізовані достроково. У той час рідкоземельні матеріали матеріали можуть досягти органічного динамічного балансу так само, як нові енергетичні транспортні засоби.
