Няма редкоземни елементи и няма двигател? Слушане на местни доставчици, тълкуващи тънкостите на намаляването на редкоземните елементи в двигателите
Китайски автомобилни новини
Наскоро Колин Кембъл, вицепрезидент на бизнеса с двигатели на Tesla, каза, че двигателите от следващо поколение на компанията изобщо няма да използват редкоземни материали. Това съобщение беше като камък, хвърлен в тихо езеро, което предизвика смут в индустрията. Съобщава се, че от 2017 г. до 2022 г. Tesla успешно е намалила използването на редкоземни елементи в задвижващия модул на Model 3 с 25 процента поради подобряване на ефективността на трансмисионната система. През 2020 г. Tesla разкри, че разработва нов тип немагнитен двигател с повърхностен двигател с постоянен магнит с комутируемо съпротивление (SPSRM), който съчетава предимствата на двигателите с постоянен магнит и двигателите с комутируемо съпротивление (SRM). , избягвайки недостатъците и на двете, може да постигне висока ефективност, висока плътност на мощността и висока плътност на въртящия момент, без да използва редкоземни материали.
Tesla е известна като ветропоказател на ерата на новите енергийни превозни средства, какъв е двигателът без редки земни елементи, който тя защитава? Колко "пръскане" може да направи в индустрията?
Липсата на редкоземни елементи не означава липса на магнетизъм
На фона на практикуването на екологичен и нисковъглероден път и насърчаване на развитието на електрификацията по всеобхватен начин, батериите, двигателите и електронните контроли се превърнаха в „трите нови основни части“, които са незаменими за новите енергийни превозни средства, и двигателите поемат всички функции, свързани с управлението на превозното средство. .
Понастоящем има три основни типа двигатели, използвани в нови енергийни превозни средства: синхронни двигатели с постоянен магнит, синхронни двигатели с електрическо възбуждане и асинхронни двигатели с променлив ток. Синхронните двигатели с постоянен магнит са основният избор в индустрията, но поради високата цена на редкоземните материали и ограничените резерви През последните години гласът за замяна става все по-силен.
Разбираемо е, че редкоземните материали представляват почти 20 процента от цената на двигателите с постоянен магнит. Като клас метални елементи със специални физични и химични свойства, той е широко използван в много високотехнологични области. На пазара има ярка метафора. Ако петролът е кръвта на индустрията, тогава редкоземните елементи са витамините на индустрията, особено за автомобилната индустрия. В двигателите с постоянен магнит, неодимовият железен бор (NdFeB) е един от най-често използваните материали с постоянен магнит, с висока остатъчна устойчивост и енергиен продукт. И неговите три вида редкоземни съставни елементи: неодим (Nd), празеодим (Pr) и диспрозий (Dy), които са от голяма полза за подобряване на динамичния магнетизъм, устойчивост на топлина, удължаване на живота и намаляване на шума на двигателя. Следователно, въпреки високата цена, двигателите с постоянни магнити винаги са били основната конфигурация на новите енергийни превозни средства.
Твърдението на Tesla, че следващото поколение двигатели изобщо няма да използва редкоземни материали, изглежда разклати статута на двигателите с постоянен магнит и редкоземните материали. От гледна точка на технологията и пазара, как трябва да тълкуваме тенденцията в индустрията?
Всъщност Tesla не е единствената компания, която предлага двигателите да не използват редкоземни елементи. През 2021 г. Mahle, немска компания за авточасти, разработи нов двигател, който не изисква редкоземни материали; след това през 2022 г. BMW пусна и пето поколение двигател без редкоземни елементи. Инсайдери в индустрията вярват, че Tesla и други компании са нетърпеливи да разработят двигатели без редкоземни елементи, не толкова поради технологичното развитие, а повече от геополитически съображения.
Според статистиката около 97 процента от редкоземните суровини в света се доставят от Китай. Според данните редкоземните елементи са важен стратегически ресурс с уникални свойства и незаменим ключов елемент за трансформиране на традиционни индустрии, развитие на нововъзникващи индустрии и национална индустрия за отбранителни технологии. Преди това китайските експортни цени на редки земни елементи бяха ниски. С непрекъснатото увеличаване на разходите за добив и рафиниране на редкоземни суровини, контролът върху износа на редкоземни материали стана по-строг и чуждестранните автомобилни компании започнаха да намират друг изход.
Експерти от индустрията обаче смятат, че наричането на двигател „без магнит“ само защото не използва редкоземни елементи е неточно.Ниу Минкуи, генерален мениджърна Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(наричан по-нататък „основател на двигателя“), каза на репортера на „China Automobile News“, че редкоземните постоянни магнити са само един от начините за установяване на основното магнитно поле на синхронните двигатели и предприятията могат да използват и други методи, но във всеки случай, трябва да се създаде магнитно поле, за да може двигателят да работи, така че очевидно е "трик" да се предложи немагнитен двигател. Според него планът на Тесла е добре разбран. Следните методи могат да бъдат приети за двигатели, които не използват редкоземни елементи: използване на ферит вместо редкоземни елементи като постоянни магнити или използване на електрически възбудени синхронни двигатели и след това променливотокови асинхронни двигатели.
3 предположения за Тесла
Като лидер на електрическите превозни средства, механизмите на Tesla привлякоха вниманието на цялата автомобилна индустрия. По отношение на двигателя на Tesla от следващо поколение, който не използва редкоземни елементи,Инженерен мениджър на BorgWarner Хуо Конгчонгима три предположения.
Първо, „няма редкоземни елементи“ може да се отнася до никакви тежки редкоземни елементи, а не до всички редкоземни елементи. Huo Congchong каза пред репортери: „Като цяло редкоземните елементи, използвани в двигателите, се отнасят до тежки редкоземни елементи, като тербий (Tb), диспрозий (Dy), холмий (Ho), неодим (Nd), празеодим (Pr) и други елементи . Различните двигатели използват различни тежки редкоземни елементи поради малкия им запас и високата цена. Сега компаниите се обръщат към използването на повече леки редкоземни елементи и намаляват употребата на тежки редкоземни елементи."
Второ, също така е възможно да се замени синхронният двигател с постоянен магнит със синхронен двигател с електрическо възбуждане. Ядрото на двигателя с електрическо възбуждане е да замени постоянния магнит с намотката за електрическо възбуждане и да промени магнитната сила чрез регулиране на тока на намотката, така че да се постигнат различни изисквания за мощност при различни скорости на превозното средство. В същото време бобината за електрическо възбуждане може да елиминира недостатъците на размагнитването и спирането на постоянния магнит при висока температура и отслабването на полето може да се реализира чрез намаляване на тока на възбуждане при висока скорост и промяната на скоростта може да се реализира чрез контролиране интензитетът на възбуждане и безопасността също са по-добри. Това прави безмагнитният двигател от пето поколение на BMW.
Най-голямата разлика между двигателя с електрическо възбуждане и двигателя с постоянен магнит е роторът. Принципът на първия е да се добавят намотки към ротора и да се използва устройството с въглеродна четка за въвеждане на възбуждащия ток. Това обаче доведе до нов проблем, надеждността и издръжливостта на въглеродната четка ще има голямо влияние върху ефективността на работа на двигателя.
Трето, принципно може да се реализира и начинът на смесено възбуждане. При предпоставката за поддържане на висока ефективност, този нов тип двигател променя структурата на топологията и основното магнитно поле се генерира от два източника на възбуждане за реализиране на регулиране и управление и подобряване на регулирането на скоростта, производителността на задвижването или характеристиките за регулиране на напрежението на двигателя . Тоест постоянният магнит не използва редкоземни материали, а използва ферит и след това добавя известно електрическо възбуждане и т.н., но това решение има лоши магнитни свойства и ограничена работна ефективност. по-големи и по-тежки.
„Разбира се, все още не можем да изключим възможността Tesla да е направил голям пробив в нови материали; но ако не, мисля, че първото от тези три решения е най-вероятно.“ Има американски компании, които могат да разработят решение за използването на "нулеви" тежки редкоземни елементи в двигателите. Вярвам, че това не е трудно предизвикателство за Tesla.
Състоянието на двигателя с постоянен магнит все още не е разклатено
В ерата на автомобилната електрификация бяха поставени нови изисквания за разработването на батерии, двигатели и електронно управление. В бъдеще в каква посока ще се развива моторът? Тъй като стремежът на пазара към мощност на превозното средство става все по-висок и по-висок, задвижването на четирите колела се е превърнало в конфигурация от висок клас за много мощни автомобили, а двуосните двигатели са възприети от все повече и повече автомобилни компании. Как да избера между двигател с постоянен магнит и индукционен двигател?
Чен Дзин, директор на отдела за развитие на мотори на Founder Motors, каза пред репортери, че наскоро е стигнал до последователно заключение след цялостна комуникация с професионалисти от индустрията в работна дискусия: двигателите с постоянни магнити все още са основният поток на пазара.
„Синхронните двигатели с постоянен магнит се използват широко от дълго време и имат история от десетилетия на развитие. За първи път са използвани феритни материали и енергийната плътност е само 1/2 до 1/3 от тази на редкоземните постоянни магнити. Следователно от около 2000 г. индустрията започна да добавя редкоземни материали към постоянните магнити, което значително подобри енергийната плътност на двигателя." Niu Mingkui каза пред репортери. Той вярва, че тенденцията на развитие на продуктите е неделима от характеристиките на самата технология. Съдейки по текущата производителност на двигателя, предимствата на двигателите с постоянен магнит с редкоземни елементи са несравними с други видове двигатели, така че той все още ще бъде първият избор за повечето нови енергийни превозни средства, особено че се използва като основен задвижващ двигател.
Разбираемо е, че в сравнение с други видове двигатели, двигателите с постоянен магнит имат свои собствени магнитни полета, не изискват възбуждане, нямат съответните загуби, могат да осигурят максимален въртящ момент и имат отлична ефективност на предаване; в същото време, те могат да постигнат малък размер и ниско тегло, което значително спестява Въпреки това, лесно се демагнетизира при висока температура и не може да регулира скоростта в реално време.
Електрическите двигатели с възбуждане и асинхронните двигатели не използват редкоземни материали, като по този начин спестяват разходи, но има и нерешени проблеми. Роторната структура на синхронния двигател с електрическо възбуждане е сложна и има въглеродна четка с плъзгащ пръстен, която има слаба надеждност. Въглеродната четка трябва редовно да се поддържа и подменя, а разходите за поддръжка са високи. Индукционният променливотоков двигател генерира индуцирано магнитно поле чрез прекъсване на магнитното поле, така че магнитната сила има хистерезис; но асинхронният асинхронен двигател с променлив ток има по-добра производителност при висока скорост и в момента често се използва като комбинирана конфигурация със задвижване на четирите колела. Например, Tesla Model 3 използва индукционен променливотоков двигател, комбиниран с двигател с постоянен магнит като двигател на предната ос на превозно средство със задвижване на четирите колела; Моделът на Weilai е противоположен на Модел 3, използвайки комбинация от синхронен двигател с постоянен магнит на предното колело плюс асинхронен двигател с променлив ток на задното колело Комбинирана програма.
В тази връзка Niu Mingkui обясни: „Въпреки че асинхронният двигател може да постигне същата работна ефективност като двигателя с постоянен магнит, той ще увеличи количеството на други материали като мед и силициева стомана, а също така е по-голям, по-тежък и заема повече място. Следователно настоящата индустрия рядко използва асинхронни двигатели като основен задвижващ двигател."
Chen Xiaoyong, продуктов мениджър на Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,заяви направо пред репортери, че речта на Тесла изглежда като трик, но не е оказала голямо влияние върху местните автомобилни компании. „Всеки има консенсус, че основният поток от домашни двигатели за нови енергийни превозни средства все още са двигатели с постоянен магнит и ефективността на двигателите с електрическо възбуждане и асинхронните двигатели не може да се сравни с тях. Глобалното съдържание на редкоземни елементи е достатъчно и е малко вероятно да подкопае двигатели с постоянен магнит за кратко време", каза той.
Много хора от индустрията също поддържат същото мнение. Според Huo Congchong китайският автомобилен пазар все още ще бъде доминиран от двигатели с постоянни магнити най-малко 10 години. В тази област няма криза във веригата за доставки и домашните двигатели на превозни средства с нова енергия също са склонни да използват по-малко тежки редкоземни елементи и цената продължава да пада. , предимствата стават все по-видни.
Цялата автомобилна индустрия намалява прилагането на тежки редкоземни метали, но редкоземните метали няма да бъдат използвани. В интервю с репортери,Гонг Джун, експерт по моторна отговорност от националната специална цялостна експертна група за ключови технологии за нови енергийни превозни средства, посочи, че производството на мини в Китай е достатъчно, така че няма нужда да се притеснявате.В същото време, с развитието на процеса на инфилтрация на диспрозий, индустрията може да намали количеството на тежката редка земя. В момента Tesla няма да се откаже от двигателя с постоянен магнит, най-много да помисли как да не използва тежки редкоземни елементи.
„Много чуждестранни компании са успели да използват само леки редкоземни елементи за двигатели, но от гледна точка на пазарните условия местните клиенти не приемат много решението за тежки редкоземни елементи; в допълнение, това решение ще има проблеми с размагнитването, което води до по-ниски ефективност. Това е проблем, който трябва да бъде разрешен." Хуо Конгчонг каза пред репортери.
Редкоземните елементи вече не са пречка
Цялата автомобилна индустрия започна да се развива в посока на намаляване на редкоземните елементи, особено намаляване на използването на тежки редкоземни елементи. Niu Mingkui каза, че резервите и цените на тежките редкоземни елементи и леките редкоземни елементи са много различни. Например текущата пазарна цена на празеодима и неодима е повече от 700,000 юана/тон, тербия е по-висок от над 20 милиона юана/тон, а цената на лантана и церия от редкоземни елементи е по-ниска. Десетки хиляди юана/тон. Поради това индустрията е постигнала добри резултати в насърчаването на елиминирането на тежки редкоземни елементи и намаляване на количеството на леки редкоземни елементи, празеодим и неодим.
„Точно както при предишния олекотен дизайн на автомобилите, чрез намаляване на дебелината на стоманената плоча, намаляване на собственото тегло и след това подобряване на структурния дизайн или процеса на заваряване, превозното средство има по-добра твърдост, което не намалява безопасността, но също така ефективно постига леко тегло. Количествено определяне. Сега идеята за намаляване на редкоземните елементи в двигателите е същата." Niu Mingkui обясни допълнително.
Репортерът научи, че с напредването на технологиите използването на моторни материали е претърпяло големи промени. Чен Дзин каза пред репортери: „Когато за първи път използвахме магнитни материали, за да направим магнити, смесихме и изпичахме редкоземни елементи и основни железни материали, така че целият редкоземен материал да беше равномерно разпределен в магнитите. Но всъщност синхронният постоянен магнит мотор Принципът на размагнитване определя, че съдържанието на тежки редкоземни елементи в повърхността на магнитната стомана трябва да се увеличи, а съдържанието на тежки редкоземни елементи в централната зона трябва да бъде ниско и неравномерно разпределено.Традиционната магнитна стомана приема равномерен процес на синтероване и всъщност се използват голяма част от тежки редкоземни материали. В процеса той не изигра дължимата си стойност."
През последните години, поради напредъка на производствения процес, повърхността и вътрешността на магнитната стомана могат да бъдат разделени и технологията за дифузия на границата на зърното се използва за ремонт и увеличаване на магнитните свойства на повърхността на магнита. Съобщава се, че японски изследователи за първи път предложиха концепцията за „дифузия на границата на зърното“, използвайки специален процес, за да накарат тежките редкоземни елементи да дифундират само в границата на зърното, а не в зърното, което не само подобрява работата на NdFeB материалите, но и значително намалява Общото количество тежки редкоземни елементи намалява разходите за материали. Вътрешната технология за дифузия на границата на зърното също се разви бързо и почти се превърна в стандартна конфигурация на нови продукти, намалявайки значително количеството тежки редкоземни елементи. Според непълни статистики, чрез по-целенасочена дифузионна схема за избор на магнитна стомана, Founder Motor може да намали употребата на тежки редкоземни метали с 20 процента до 30 процента всяка година, като досега е намалена с близо 50 процента. „Въпреки това, няма ясно решение дали използването на тежки редкоземни метали ще бъде близо до нула до известна степен, тъй като тежките редкоземни елементи са ценни за подобряване на производителността на магнитната стомана, антивибрацията и устойчивостта на висока температура, така че те не могат да бъдат напълно заменени в краткосрочен план“, подчерта Ниу Минкуи.
Според Gong Jun технологичният напредък в областта на приложенията на редките земни елементи е достигнал сравнително високо ниво и вече не е основната цел на изследванията. Чуждестранните компании работят върху решения без редкоземни или по-малко редкоземни елементи, така че няма нужда да се тревожите за запасите от редкоземни ресурси.
Всъщност много компании разработват технологията за подготовка на евтини синтеровани NdFeB магнити с добавен лантан и церий, за да отговорят на пазарното търсене на евтини редкоземни постоянни магнити с регулируем поток. Усъвършенстването на зърното, дифузията на границите на зърното и регулирането на границите на зърното и други технологии също са били широко използвани в масовото производство, намалявайки количеството на тежкия редкоземен тербий и диспрозий, като по този начин се намалява цената на суровината на продукта.
„Преди всички бяха много заплетени. Въпреки че моята страна има предимствата на редкоземните ресурси, тя се тревожи, че колебанията в цените при действителната употреба ще бъдат твърде големи, а иновациите на материалите и процесите също са ограничени от ценовото ниво на редките земи. Настоящата тенденция е да се намали обемът на двигателите. Предприятията ще увеличат скоростта на двигателя, което намалява изискванията за магнетизъм. Сега индустрията има все по-ниски изисквания за редкоземни класове и ако продължи да намалява, количеството тежки редкоземни елементи също ще намалее.“, каза Гон Джун.
В това отношение Niu Mingkui също го анализира от три аспекта: първо, глобалните запаси от редкоземни елементи са достатъчни, така че изобщо няма нужда да се притеснявате; второ, при настоящите условия на технологично развитие, използването на редкоземни елементи в двигателите е много по-малко от преди и степента на зависимост от редкоземни елементи Още веднъж си струва да се спомене, че с развитието на индустрията за рециклиране на двигатели, редкоземните елементи материалите на отработените двигатели могат да бъдат технически пречистени и рециклирани близо до 100 процента, което също е важен източник на редкоземни елементи. „Редкоземните материали, необходими за производството на един двигател в миналото, могат да бъдат използвани за производството на два нови двигателя в бъдеще.“ Той каза, че тъй като пазарът на нови енергийни превозни средства продължава да расте в бъдеще, рециклирането на двигатели може да бъде важен източник на редкоземни материали, „Редкоземните „Dafeng“ също се очаква да бъдат реализирани предсрочно. По това време редкоземните материали материалите могат да постигнат органичен динамичен баланс точно като новите енергийни превозни средства.
