Fără pământuri rare și fără motor? Ascultarea furnizorilor autohtoni care interpretează dezavantajele reducerii pământurilor rare în motoare
China Auto News
Recent, Colin Campbell, vicepreședinte al afacerii Tesla cu sisteme de propulsie, a declarat că motoarele de următoarea generație ale companiei nu vor folosi materiale cu pământuri rare. Acest mesaj a fost ca o piatră aruncată într-un lac liniștit, provocând o agitație în industrie. Se raportează că, din 2017 până în 2022, Tesla a redus cu succes utilizarea pământurilor rare în modulul de acționare Model 3 cu 25% datorită îmbunătățirii eficienței sistemului de transmisie. În 2020, Tesla a dezvăluit că dezvoltă un nou tip de motor nemagnetic cu reluctanță comutată cu magnet permanent de suprafață (SPSRM), care combină avantajele motoarelor cu magnet permanenți și ale motoarelor cu reluctanță comutată (SRM). , evitând în același timp dezavantajele ambelor, poate obține o eficiență ridicată, o densitate mare de putere și o densitate mare de cuplu fără a utiliza materiale cu pământuri rare.
Tesla este cunoscută drept paleta eoliană a erei vehiculelor cu energie nouă, care este motorul fără pământuri rare pe care îl susține? Cât de mult „splash” poate face în industrie?
Fără pământ rar nu înseamnă lipsă de magnetism
Pe fondul practicării căii ecologice și cu emisii scăzute de carbon și promovării dezvoltării electrificării într-un mod integral, bateriile, motoarele și comenzile electronice au devenit cele „trei noi părți majore” care sunt indispensabile pentru vehiculele cu energie nouă, iar motoarele îndeplinesc toate funcțiile legate de conducerea vehiculelor. .
În prezent, există trei tipuri principale de motoare utilizate în vehiculele cu energie nouă: motoare sincrone cu magnet permanent, motoare sincrone cu excitație electrică și motoare asincrone cu curent alternativ. Motoarele sincrone cu magnet permanenți sunt alegerea curentă în industrie, dar din cauza costului ridicat al materialelor cu pământuri rare și a rezervelor limitate În ultimii ani, vocea înlocuirii a devenit din ce în ce mai puternică.
Se înțelege că materialele cu pământuri rare reprezintă aproape 20% din costul motoarelor cu magnet permanenți. Ca o clasă de elemente metalice cu proprietăți fizice și chimice speciale, a fost utilizat pe scară largă în multe domenii de înaltă tehnologie. Există o metaforă vie în piață. Dacă petrolul este sângele industriei, atunci pământurile rare sunt vitaminele industriei, în special pentru industria auto. În motoarele cu magnet permanenți, borul de neodim fier (NdFeB) este unul dintre cele mai utilizate materiale cu magnet permanenți, cu remanență ridicată și produs energetic. Și cele trei tipuri de elemente constitutive ale pământurilor rare: neodim (Nd), praseodim (Pr) și disproziu (Dy), care sunt de mare ajutor în îmbunătățirea magnetismului dinamic, rezistența la căldură, prelungirea duratei de viață și reducerea zgomotului motorului. Prin urmare, în ciuda costului ridicat, motoarele cu magnet permanenți au fost întotdeauna configurația principală a vehiculelor cu energie nouă.
Afirmația Tesla că următoarea generație de motoare nu va folosi materiale cu pământuri rare pare să fi zdruncinat statutul motoarelor cu magnet permanenți și al materialelor cu pământuri rare. Din perspectiva tehnologiei și a pieței, cum ar trebui să interpretăm tendința industriei?
De fapt, Tesla nu este singura companie care propune ca motoarele să nu folosească pământuri rare. În 2021, Mahle, o companie germană de piese auto, a dezvoltat un nou motor care nu necesită materiale cu pământuri rare; apoi, în 2022, BMW a lansat și a cincea generație de motor fără pământuri rare. Specialiștii din industrie cred că Tesla și alte companii sunt dornice să dezvolte motoare fără pământuri rare, nu atât din cauza dezvoltării tehnologice, cât mai mult din considerente geopolitice.
Potrivit statisticilor, aproximativ 97% din materiile prime din pământuri rare din lume sunt furnizate de China. Potrivit datelor, pământurile rare sunt o resursă strategică importantă cu proprietăți unice și un element cheie indispensabil pentru transformarea industriilor tradiționale, dezvoltarea industriilor emergente și a industriei naționale de tehnologie de apărare. Anterior, prețurile de export ale pământurilor rare ale Chinei erau scăzute. Odată cu creșterea continuă a costurilor de exploatare și rafinare a materiilor prime cu pământuri rare, controlul exporturilor de materiale rare a devenit mai strict, iar companiile auto străine au început să găsească o altă cale de ieșire.
Cu toate acestea, experții din industrie consideră că numirea unui motor „fără magnetic” doar pentru că nu folosește pământuri rare este inexact.Niu Mingkui, director generalde Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(denumit în continuare „Founder Motor”), a declarat reporterului „China Automobile News” că magneții permanenți cu pământuri rare sunt doar o modalitate de a stabili câmpul magnetic principal al motoarelor sincrone, iar întreprinderile pot folosi și alte metode, dar în orice mod. În cazul , trebuie să se stabilească un câmp magnetic pentru a face motorul să funcționeze, așa că este evident un „chick” să propună un motor nemagnetic. În opinia sa, planul Tesla este bine înțeles. Următoarele metode pot fi adoptate pentru motoarele care nu folosesc pământuri rare: folosirea feritei în loc de pământuri rare ca magneți permanenți sau utilizarea motoarelor sincrone excitate electric și apoi motoare cu inducție AC.
3 presupuneri despre Tesla
În calitate de lider al vehiculelor electrice, mișcările lui Tesla au atras atenția întregii industrii auto. În ceea ce privește motorul Tesla de ultimă generație care nu folosește pământuri rare,Huo Congchong, manager de inginerie BorgWarnerare trei presupuneri.
În primul rând, „fără pământuri rare” se poate referi la fără pământuri rare grele, nu la toate pământurile rare. Huo Congchong a declarat reporterilor: „În general, pământurile rare folosite în motoare se referă la pământuri rare grele, cum ar fi terbiu (Tb), disproziu (Dy), holmiu (Ho), neodim (Nd), praseodim (Pr) și alte elemente. . Diferitele motoare folosesc diferite elemente grele de pământuri rare din cauza stocului lor mic și a costului ridicat. Acum, companiile se îndreaptă spre utilizarea mai multor pământuri rare ușoare și reduc utilizarea pământurilor rare grele."
În al doilea rând, este posibil să înlocuiți motorul sincron cu magnet permanent cu un motor sincron cu excitație electrică. Miezul motorului de excitație electrică este înlocuirea magnetului permanent cu bobina de excitație electrică și modificarea puterii magnetice prin ajustarea curentului bobinei, astfel încât să se realizeze cerințe diferite de performanță a puterii la diferite viteze ale vehiculului. În același timp, bobina de excitație electrică poate elimina dezavantajele demagnetizării și blocării magnetului permanent la temperatură ridicată, iar slăbirea câmpului poate fi realizată prin reducerea curentului de excitație la viteză mare, iar schimbarea vitezei poate fi realizată prin control intensitatea excitației și siguranța este, de asemenea, mai bună. Acesta este ceea ce face motorul fără magnet de generația a cincea de la BMW.
Cea mai mare diferență între motorul cu excitație electrică și motorul cu magnet permanent este rotorul. Principiul primului este de a adăuga bobine la rotor și de a folosi dispozitivul de perie de cărbune pentru a introduce curentul de excitație. Cu toate acestea, acest lucru a adus o nouă problemă, fiabilitatea și durabilitatea periei de cărbune va avea un impact mare asupra eficienței de lucru a motorului.
În al treilea rând, modul de excitație mixtă poate fi, de asemenea, realizat în principiu. Sub premisa menținerii unei eficiențe ridicate, acest nou tip de motor modifică structura topologiei, iar câmpul magnetic principal este generat de două surse de excitație pentru a realiza reglarea și controlul și pentru a îmbunătăți reglarea vitezei, performanța acționării sau caracteristicile de reglare a tensiunii ale motorului. . Adică, magnetul permanent nu folosește materiale cu pământuri rare, ci folosește ferită și apoi adaugă ceva excitație electrică etc., dar această soluție are proprietăți magnetice slabe și eficiență limitată a muncii. mai mare si mai grea.
„Desigur, încă nu putem exclude posibilitatea ca Tesla să fi făcut o descoperire majoră în materie de noi materiale; dar dacă nu, cred că prima dintre aceste trei soluții este cea mai probabilă”. Există companii americane care pot dezvolta o soluție pentru utilizarea pământurilor rare grele „zero” în motoare. Cred că aceasta nu este o provocare dificilă pentru Tesla.
Starea motorului cu magnet permanent nu este încă agitată
În era electrificării auto, au fost prezentate noi cerințe pentru dezvoltarea bateriilor, motoarelor și comenzilor electronice. Pe viitor, în ce direcție se va dezvolta motorul? Pe măsură ce căutarea pieței de performanță a puterii vehiculelor devine din ce în ce mai ridicată, tracțiunea integrală a devenit o configurație de vârf pentru multe mașini de performanță, iar motoarele biaxiale au fost adoptate de tot mai multe companii auto. Cum să alegi între motorul cu magnet permanent și motorul cu inducție?
Chen Jing, Director al Departamentului de Dezvoltare a Motorului al Fondatorului Motors, a declarat reporterilor că a ajuns recent la o concluzie consecventă după ce a comunicat pe deplin cu profesioniștii din industrie într-o discuție de lucru: motoarele cu magnet permanenți sunt încă curentul principal pe piață.
„Motoarele sincrone cu magnet permanenți au fost utilizate pe scară largă de mult timp și au o istorie de decenii de dezvoltare. Materialele de ferită au fost folosite pentru prima dată, iar densitatea de energie este de doar 1/2 până la 1/3 din cea a magneților permanenți din pământuri rare. Prin urmare, din jurul anului 2000, industria a început să adauge materiale cu pământuri rare la magneții permanenți, ceea ce a îmbunătățit foarte mult densitatea de energie a motorului.” Niu Mingkui a declarat reporterilor. El consideră că tendința de dezvoltare a produselor este inseparabilă de caracteristicile tehnologiei în sine. Judecând după performanța actuală a motorului, avantajele motoarelor cu magnet permanenți cu pământuri rare sunt de neegalat de alte tipuri de motoare, așa că va fi în continuare prima alegere pentru majoritatea vehiculelor cu energie noi, în special este folosit ca motor principal de antrenare.
Se înțelege că, în comparație cu alte tipuri de motoare, motoarele cu magnet permanenți au propriile lor câmpuri magnetice, nu necesită excitare, nu au pierderi corespunzătoare, pot oferi un cuplu maxim și au performanțe excelente ale eficienței transmisiei; în același timp, pot obține dimensiuni mici și greutate redusă, economisind foarte mult. Cu toate acestea, este ușor de demagnetizat la temperaturi ridicate și nu poate regla viteza în timp real.
Motoarele electrice cu excitație și motoarele cu inducție nu folosesc materiale cu pământuri rare, economisind astfel costuri, dar există și probleme restante. Structura rotorului motorului sincron cu excitație electrică este complicată și există un dispozitiv de perie de carbon cu inel de alunecare, care are o fiabilitate slabă. Peria de cărbune trebuie întreținută și înlocuită în mod regulat, iar costul de întreținere este ridicat. Motorul cu inducție AC generează un câmp magnetic indus prin tăierea câmpului magnetic, astfel încât forța magnetică are histerezis; dar motorul asincron cu inducție AC are o performanță mai bună la viteză mare și este în prezent utilizat în mod obișnuit ca configurație combinată cu tracțiune pe patru roți. De exemplu, Tesla Model 3 folosește un motor cu inducție AC combinat cu un motor cu magnet permanent ca motor al axei față a unui vehicul cu tracțiune integrală; Modelul lui Weilai este opusul modelului 3, folosind o combinație de motor sincron cu magnet permanent al roții din față plus motorul asincron AC al roții din spate Program combinat.
În acest sens, Niu Mingkui a explicat: „Deși motorul cu inducție poate atinge aceeași eficiență de lucru ca și motorul cu magnet permanent, va crește cantitatea de alte materiale, cum ar fi cuprul și oțelul siliconic, și este, de asemenea, mai mare, mai greu și ocupă mai mult spațiu. Prin urmare, industria actuală folosește rareori motoare asincrone ca motor principal de antrenare."
Chen Xiaoyong, manager de produs al Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,le-a spus reporterilor fără îndoială că discursul lui Tesla părea a fi un truc, dar nu a avut un impact prea mare asupra companiilor auto autohtone. „Toată lumea este de acord că curentul principal al motoarelor autovehiculelor cu energie nouă este încă motoarele cu magnet permanenți, iar eficiența motoarelor cu excitație electrică și a motoarelor cu inducție nu poate fi comparată cu acestea. Conținutul global de pământuri rare este suficient și este puțin probabil să se subjugă. motoare cu magnet permanenți într-un timp scurt”, a spus el.
Mulți oameni din interiorul industriei au aceeași părere. În opinia lui Huo Congchong, piața auto chineză va fi în continuare dominată de motoare cu magnet permanenți timp de cel puțin 10 ani. Nu există nicio criză în lanțul de aprovizionare în acest domeniu, iar motoarele autohtone pentru vehicule cu energie nouă tind, de asemenea, să folosească pământuri rare mai puțin grele, iar costul continuă să scadă. , avantajele devin din ce în ce mai proeminente.
Întreaga industrie auto reduce utilizarea pământurilor rare grele, dar pământurile rare nu vor fi folosite. Într-un interviu cu reporterii,Gong Jun, un expert în responsabilitatea motorului al grupului de experți special în domeniul tehnologiei cheie a vehiculelor cu energie nouă națională, a subliniat că producția minelor din China este suficientă, așa că nu este nevoie să vă faceți griji.În același timp, odată cu dezvoltarea procesului de infiltrare a disproziului, industria poate reduce cantitatea de pământuri rare grele. În prezent, Tesla nu va renunța la motorul cu magnet permanent, cel mult va lua în considerare cum să nu folosească pământuri rare grele.
„Multe companii străine au putut folosi doar pământuri rare ușoare pentru motoare, dar din perspectiva condițiilor de piață, clienții autohtoni nu acceptă foarte mult soluția de pământuri rare grele; în plus, această soluție va avea probleme de demagnetizare, rezultând o reducere a eficienta. Este o problema care trebuie rezolvata." Huo Congchong a declarat reporterilor.
Pământul rar nu mai este un blocaj
Întreaga industrie auto a început să se dezvolte în direcția reducerii pământurilor rare, în special reducerea utilizării pământurilor rare grele. Niu Mingkui a spus că rezervele și prețurile pământurilor rare grele și pământurilor rare ușoare sunt foarte diferite. De exemplu, prețul actual de piață al praseodimului și al neodimului este de peste 700,000 yuani/tonă, terbiul depășește 20 de milioane de yuani/tonă, iar costul pământurilor rare de lantan și ceriu este mai mic. Zeci de mii de yuani / tonă. Prin urmare, industria a obținut rezultate bune în promovarea eliminării pământurilor rare grele și reducerea cantității de pământuri rare ușoare, praseodim și neodim.
„La fel ca și designul ușoară anterior al automobilelor, prin reducerea grosimii plăcii de oțel, reducerea greutății și apoi îmbunătățirea designului structural sau a procesului de sudare, vehiculul are o rigiditate mai bună, ceea ce nu reduce siguranța, dar realizează și eficient greutate redusă. Cuantificare. Acum, ideea de a reduce pământurile rare din motoare este aceeași." Niu Mingkui a explicat în continuare.
Reporterul a aflat că, odată cu progresul tehnologiei, utilizarea materialelor motrice a suferit mari schimbări. Chen Jing a declarat reporterilor: „Când am folosit prima dată materiale magnetice pentru a face magneți, am amestecat și arse elemente de pământuri rare și materiale de bază de fier, astfel încât întregul material de pământuri rare a fost distribuit uniform în magneți. Dar, de fapt, magnetul permanent a fost sincron. motor Principiul demagnetizării determină că conținutul de pământuri rare grele din suprafața oțelului magnetic trebuie crescut, iar conținutul de pământuri rare grele din zona centrală ar trebui să fie scăzut și nu distribuit uniform. Oțelul magnetic tradițional adoptă un proces de sinterizare uniformă și, de fapt, o mare parte din materiale grele din pământuri rare sunt utilizate în acest proces, nu și-a jucat valoarea cuvenită."
În ultimii ani, datorită progresului procesului de fabricație, suprafața și interiorul oțelului magnetic pot fi împărțite, iar tehnologia de difuzie a granițelor este utilizată pentru a repara și a crește proprietățile magnetice ale suprafeței magnetului. Se raportează că cercetătorii japonezi au propus pentru prima dată conceptul de „difuzie la graniță”, folosind un proces special pentru a face pământurile rare grele să difuzeze numai în limita granulelor și nu în boabe, ceea ce nu numai că îmbunătățește performanța materialelor NdFeB, ci și reduce foarte mult cantitatea totală de elemente grele din pământuri rare reduce costul materialului. Tehnologia de difuzie internă a granițelor s-a dezvoltat rapid și a devenit aproape configurația standard a noilor produse, reducând foarte mult cantitatea de pământuri rare grele. Potrivit unor statistici incomplete, printr-o schemă de difuzie mai direcționată pentru selecția oțelului magnetic, Founder Motor poate reduce utilizarea pământurilor rare grele cu 20% până la 30% în fiecare an și s-a redus cu aproape 50% până acum. „Cu toate acestea, nu există o soluție clară pentru a stabili dacă utilizarea pământurilor rare grele va fi aproape de zero într-o anumită măsură, deoarece pământurile rare grele sunt valoroase pentru îmbunătățirea performanței oțelului magnetic, anti-vibrații și rezistență la temperaturi ridicate, deci nu pot fi înlocuite complet pe termen scurt.” a subliniat Niu Mingkui.
În viziunea lui Gong Jun, progresul tehnologic în domeniul aplicațiilor pământurilor rare a atins un nivel relativ ridicat și nu mai este scopul principal al cercetării. Companiile străine lucrează la soluții fără pământuri rare sau fără pământuri rare, așa că nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la stocul de resurse de pământuri rare.
De fapt, multe companii dezvoltă tehnologia de preparare a magneților NdFeB sinterizați cu lantan și ceriu, cu adaos de ceriu, pentru a satisface cererea pieței de magneți permanenți cu flux ajustabil și cu preț redus. Rafinarea cerealelor, difuzia granițelor și reglementarea limitelor cerealelor și alte tehnologii au fost, de asemenea, utilizate pe scară largă în producția de masă, reducând cantitatea de terbiu și disproziu grele din pământuri rare, reducând astfel costul materiilor prime al produsului.
„Înainte, toată lumea era foarte încurcată. Deși țara mea are avantajele resurselor de pământuri rare, este îngrijorată că fluctuațiile prețurilor în utilizarea efectivă vor fi prea mari, iar inovarea materialelor și proceselor este, de asemenea, restricționată de nivelul prețurilor rare. pământuri. Tendința actuală este de a reduce volumul motoarelor. , Întreprinderile vor crește viteza motorului, ceea ce reduce cerințele pentru magnetism. Acum, industria are cerințe din ce în ce mai mici pentru gradele de pământuri rare și, dacă va continua să scadă, va scădea și cantitatea de pământuri rare grele.” a spus Gong Jun.
În acest sens, Niu Mingkui l-a analizat și din trei aspecte: în primul rând, rezervele globale de pământuri rare sunt suficiente, deci nu trebuie să vă faceți griji deloc; în al doilea rând, în condițiile actuale de dezvoltare tehnologică, utilizarea pământurilor rare în motoare este mult mai mică decât înainte, iar gradul de dependență de pământurile rare Încă o dată, merită menționat că, odată cu dezvoltarea industriei de reciclare a motoarelor, pământurile rare materialele deșeurilor motoarelor pot fi purificate și reciclate din punct de vedere tehnic aproape de 100%, ceea ce este, de asemenea, o sursă importantă de pământuri rare. „Materialele din pământuri rare necesare pentru fabricarea unui motor în trecut pot fi folosite pentru a produce două noi motoare în viitor”. El a spus că, pe măsură ce piața de vehicule cu energie nouă continuă să crească în viitor, reciclarea motoarelor poate fi o sursă importantă de materiale cu pământuri rare, se așteaptă, de asemenea, că "Pământul Rare "Dafeng" va fi realizat înainte de termen. La acel moment, pământurile rare. materialele pot atinge un echilibru dinamic organic la fel ca vehiculele cu energie nouă.
