如何制造不含稀土元素的電動汽車電機(jī)

這種困境很容易描述。全球應(yīng)對氣候變化的努力取決于大幅擺脫化石燃料。要做到這一點(diǎn)，就需要電氣化交通，主要是從內(nèi)燃機(jī)車輛轉(zhuǎn)向電動傳動系統(tǒng)車輛。這種巨大的轉(zhuǎn)變將不可避免地意味著更多的電力牽引電機(jī)的使用，幾乎所有的牽引電機(jī)都依賴于含有稀土元素的磁鐵，當(dāng)它們的礦石被提取出來然后加工成工業(yè)上有用的形式時，會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境退化。對于中國以外的汽車制造商來說，還有一個額外的威懾力：現(xiàn)在大約90%的加工稀土元素來自中國，因此對于這些公司來說，對稀土的依賴增加意味著關(guān)鍵供應(yīng)鏈的脆弱性越來越大。
在這種背景下，人們正在大力設(shè)計和測試不使用稀土元素（或使用相對較少稀土元素）的先進(jìn)電動汽車（EV）電機(jī)。幾乎所有工業(yè)化國家的政府機(jī)構(gòu)、公司和大學(xué)都在努力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，通常是通過合作努力。在美國，這些舉措包括該國國家實(shí)驗(yàn)室的長期努力，以開發(fā)不使用稀土元素的永磁體和電機(jī)設(shè)計。此外，在去年11月宣布的合作中，通用汽車和Stellantis正在與一家初創(chuàng)公司Niron Magnetics合作，開發(fā)基于Niron的無稀土永磁體的電動汽車電機(jī)。去年3月，另一家汽車制造商特斯拉（Tesla）震驚了觀察家，當(dāng)時一位高級官員宣布，該公司的“下一個驅(qū)動單元”將基于永磁體，但不會使用“稀土元素”。在歐洲，一個名為Passenger的財團(tuán)包括來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的20個合作伙伴，致力于開發(fā)用于電動汽車的無稀土永磁體。

近十年來，我們一直在田納西州的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）從事牽引電機(jī)設(shè)計的磁性和其他方面的工作，該實(shí)驗(yàn)室是美國電動汽車先進(jìn)電機(jī)研究中心。作為美國能源部美國驅(qū)動技術(shù)聯(lián)盟的一部分，我們與來自國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、艾姆斯實(shí)驗(yàn)室和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的同事一起，一直在研究先進(jìn)的電機(jī)概念。該小組還包括桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、普渡大學(xué)和伊利諾伊理工學(xué)院。
通過所有這些活動，您會認(rèn)為工程師現(xiàn)在已經(jīng)對無稀土電動機(jī)的可能性有了深入的了解。他們確實(shí)做到了。我們和其他研究人員正在評估不使用稀土元素的有前途的永磁材料，我們正在評估最好地使用這些材料所需的可能的電機(jī)設(shè)計更改。我們還在評估完全不使用永磁體的先進(jìn)電機(jī)設(shè)計。最重要的是，用非稀土磁鐵代替稀土磁鐵是有代價的：電機(jī)性能下降。但是，設(shè)計、制造和材料方面的創(chuàng)新將能夠抵消——甚至可能完全抵消——這種性能差距。已經(jīng)有一些關(guān)于創(chuàng)新型電機(jī)的誘人結(jié)果的報道，據(jù)說其性能與最好的永磁同步電機(jī)相當(dāng)。

為什么稀土能制造出最強(qiáng)大的電動機(jī)
稀土元素（我們工作的人通常將其稱為稀土元素）具有獨(dú)特的特性，使它們成為許多形式的現(xiàn)代技術(shù)不可或缺的元素。其中一些元素，如釹、釤、鏑和鋱，可以與鐵和鈷等鐵磁元素結(jié)合，產(chǎn)生不僅具有高磁性而且具有很強(qiáng)抗退磁性的晶體。通常用于衡量磁鐵這些重要品質(zhì)的指標(biāo)稱為最大能量積，以兆高斯奧斯特 （MGOe） 為單位。迄今為止發(fā)明的最強(qiáng)和商業(yè)上最成功的永磁體是釹鐵硼，其能量積在 30 到 55 MGOe 范圍內(nèi)。
對于基于永磁體的電動機(jī)，其磁體越強(qiáng)，電動機(jī)的效率、緊湊性和輕量化就越高。因此，當(dāng)今性能最高的電動汽車電機(jī)都使用釹鐵硼磁鐵。然而，巧妙的電機(jī)設(shè)計可以縮小基于稀土永磁體的電機(jī)與基于其他類型磁體的電機(jī)之間的性能差距。要了解如何操作，您需要更多地了解電動機(jī)。
 

電動汽車中最常見的牽引電機(jī)類型是內(nèi)部安裝永磁同步電機(jī)。轉(zhuǎn)子內(nèi)部的永磁體與定子中的電磁鐵繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，定子繞著轉(zhuǎn)子。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

電動機(jī)有兩種基本類型：同步電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)。大多數(shù)現(xiàn)代電動汽車使用一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子配備永磁體。感應(yīng)電機(jī)僅使用電磁鐵，因此本質(zhì)上不含稀土。但如今，盡管美國、歐洲和亞洲的幾個研發(fā)項(xiàng)目正在嘗試改進(jìn)感應(yīng)電機(jī)，但它們的性能通常無法與永磁同步電機(jī)相提并論，因此它們目前尚未用于大多數(shù)電動汽車車型。
術(shù)語“同步電機(jī)”是指電機(jī)的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動的部分）與定子（保持靜止的部分）產(chǎn)生的變化磁場同步旋轉(zhuǎn)的事實(shí)。在轉(zhuǎn)子中，永磁體嵌入在結(jié)構(gòu)周圍的圓圈中。在定子中，同樣呈圓形排列，電磁鐵一個接一個地用電脈沖，以建立旋轉(zhuǎn)磁場。這個過程使轉(zhuǎn)子磁鐵和定子磁鐵依次相互吸引和排斥，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭矩。
同步電機(jī)也分為幾類。兩種重要的類型是表面貼裝永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。在前一組中，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的外表面上，由于定子和轉(zhuǎn)子的不同部分吸引或排斥而產(chǎn)生扭矩。另一方面，在同步磁阻電機(jī)中，轉(zhuǎn)子根本不需要永磁體。使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的是一種稱為磁阻的現(xiàn)象，它是指材料與通過它的磁通量的阻力有多大。鐵磁材料具有較低的磁阻值，并且傾向于與強(qiáng)磁場對齊。利用這種現(xiàn)象使磁阻電機(jī)中的鐵磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。（一些磁阻電機(jī)還使用永磁體來輔助旋轉(zhuǎn)。）
如果電機(jī)主要依賴于定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用，則稱為永磁主導(dǎo)電機(jī)。另一方面，如果它取決于磁阻差異產(chǎn)生的扭矩，則它是永磁輔助電機(jī)。兩種類型的扭矩（由永磁體的吸引和排斥產(chǎn)生的扭矩以及由磁力線沿最小磁阻路徑流動的趨勢產(chǎn)生的扭矩）的組合使用是工程師使用的關(guān)鍵策略，這些扭矩努力在不太依賴稀土磁體的電機(jī)中實(shí)現(xiàn)高性能。
用非稀土磁鐵代替稀土磁鐵是有代價的：電機(jī)性能下降。但是，電機(jī)設(shè)計、制造和材料方面的創(chuàng)新將能夠抵消甚至完全抵消這種性能差距。
目前將兩種扭矩結(jié)合在一起的最常見的電機(jī)類型是內(nèi)部安裝永磁電機(jī)，其中嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體增加了磁阻轉(zhuǎn)矩。許多商用電動汽車制造商，包括通用汽車、特斯拉和豐田，現(xiàn)在都使用這種類型的轉(zhuǎn)子設(shè)計。

豐田普銳斯的電機(jī)設(shè)計強(qiáng)調(diào)了這種方法的有效性。在這些電機(jī)中，磁鐵質(zhì)量在 13 年內(nèi)顯著下降，從 2004 年普銳斯的 1.2 公斤下降到 2017 年普銳斯的約 0.5 公斤。雪佛蘭 Bolt 電機(jī)也發(fā)生了同樣的情況，與其前身雪佛蘭 Spark 的電機(jī)相比，磁鐵材料的整體使用量減少了 30%。

充分利用不含稀土的永磁體
但是完全擺脫稀土元素呢？在這里，有兩種可能性：在旨在充分利用它們的電機(jī)中使用不含稀土元素的永磁體，或者使用完全省去永磁體的電機(jī)，轉(zhuǎn)而使用電磁鐵。
要了解特定的不含稀土元素的永磁體是否適合用于強(qiáng)大的牽引電機(jī)，您必須考慮永磁體的幾個附加特性：剩磁和矯頑力。首先，回想一下用于比較不同永磁材料強(qiáng)度的指標(biāo)：最大能量積。這三個參數(shù)（最大能量積、剩磁和矯頑力）在很大程度上表明了永磁材料在電動機(jī)中的性能。
剩磁表示磁體磁體磁場被抽出后，磁強(qiáng)度（通過力線的密度測量）留在永磁體中。剩磁很重要，因?yàn)闆]有它，你就不會有永磁體。材料的剩磁越高，產(chǎn)生扭矩的磁吸引力和排斥力就越強(qiáng)。
永磁體的矯頑力是衡量其抗退磁能力的指標(biāo)。矯頑力值越高，用外部磁場使磁鐵退磁的難度就越大。對于電動汽車牽引電機(jī)，最佳永磁體（如釹鐵硼）具有高最大能量積、高剩磁和高矯頑力。沒有不含稀土元素的永磁體具有所有這些特性。因此，如果您用電機(jī)中的鐵氧體磁鐵代替釹鐵硼磁鐵，則可以預(yù)期扭矩輸出會降低，并且還必須接受磁鐵在運(yùn)行過程中退磁的更大風(fēng)險。
 

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的作者建造的實(shí)驗(yàn)電機(jī)沒有使用任何重稀土元素。釹鐵硼永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的外表面。這些磁鐵由圍繞銅色定子繞組的藍(lán)綠色塊環(huán)表示。為了節(jié)省空間，電機(jī)的逆變器和控制電子設(shè)備安裝在定子內(nèi)。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

電機(jī)工程師可以通過設(shè)計同時利用永磁體和磁阻的電機(jī)來最小化差異。但是，即使采用高度優(yōu)化的設(shè)計，基于鐵氧體磁鐵的電機(jī)也要重得多，如果要達(dá)到與稀土磁鐵電機(jī)相同的性能，可能會重到三分之一或更多。
從鐵氧體磁體中榨取最大性能的一種技術(shù)是將來自這些磁體的磁通量集中在最大程度上。這類似于通過漏斗的流動水：水在狹窄的開口中移動得更快。研究人員已經(jīng)制造了這種機(jī)器，稱為輻條鐵氧體磁鐵磁體電機(jī)，但發(fā)現(xiàn)它們比基于稀土磁鐵的同類電機(jī)重約30%。還有更多壞消息：輻條式電機(jī)的制造可能很復(fù)雜，并且會帶來機(jī)械挑戰(zhàn)。
一些設(shè)計師建議使用另一種非稀土磁鐵，一種由鋁鎳鈷合金制成的磁鐵，稱為鋁鎳鈷合金，通常用于關(guān)閉冰箱門的磁鐵。雖然鋁鎳鈷磁鐵具有高剩磁，但它們的矯頑力相當(dāng)?shù)停顾鼈內(nèi)菀淄舜拧?/p>

為了解決這個問題，一些研究人員研究并設(shè)計了可變磁通記憶電機(jī)，它使用電流的磁化分量來幫助產(chǎn)生扭矩，從而有效地防止磁鐵在運(yùn)行過程中退磁。此外，艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)表明，鋁鎳鈷磁鐵在保持高剩磁的同時可以增加矯頑力。
最大能量積、剩磁和矯頑力這三個參數(shù)在很大程度上表明了永磁材料在電動機(jī)中的性能。
最近，人們非常關(guān)注一種新型永磁材料氮化鐵（FeN）。這種磁鐵由Niron Magnetics生產(chǎn)，具有高剩磁，相當(dāng)于稀土磁鐵的剩磁，但與鋁鎳鈷合金一樣，矯頑力低，約為同類釹鐵硼磁鐵的五分之一。由于這些根本不同的特性，F(xiàn)eN磁體需要開發(fā)新的轉(zhuǎn)子設(shè)計，這可能類似于過去的鋁鎳鈷電機(jī)。Niron現(xiàn)在正在與包括通用汽車在內(nèi)的汽車合作伙伴一起開發(fā)此類設(shè)計。
在討論未來電機(jī)時，另一種不含稀土元素的永磁材料是錳鉍（MnBi），它一直是匹茲堡大學(xué)、愛荷華州立大學(xué)和Powdermet公司合作研究的主題 使用MnBi磁鐵的同步電機(jī)。這些磁體的剩磁和矯頑力高于鐵氧體磁體，但低于釹鐵硼（NdFeB）。研究人員發(fā)現(xiàn)，MnBi磁體電機(jī)可以產(chǎn)生與釹鐵硼磁體電機(jī)相同的扭矩輸出，但有很大的妥協(xié)：體積增加了60%，重量增加了65%。從好的方面來看，研究人員建議用MnBi磁鐵代替釹鐵硼磁鐵可以將電機(jī)的總體成本降低32%。
降低電機(jī)中稀土含量的另一種策略是消除其中一些磁體中使用的重稀土元素。例如，釹鐵硼磁體通常含有少量的重稀土元素鏑，用于增加其在高溫下的矯頑力。（重稀土金屬的供應(yīng)量通常低于輕稀土，如釹。不使用它們的摩擦是高溫矯頑力會受到影響。
因此，設(shè)計這種電機(jī)的主要挑戰(zhàn)是保持轉(zhuǎn)子冷卻。去年，在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室， 我們開發(fā)了一種100千瓦的牽引電機(jī)，其磁鐵中不使用重稀土元素。另一個不錯的功能是它的電力電子元件集成在其中。這些電力電子設(shè)備包括逆變器，它從電池中獲取直流電，并以適當(dāng)?shù)念l率為電機(jī)提供交流電以驅(qū)動機(jī)器。

在防止磁鐵過熱方面，我們面臨著幾個基本挑戰(zhàn)。你看，永磁體是良導(dǎo)體。當(dāng)電導(dǎo)體在磁場中移動時，這是轉(zhuǎn)子磁鐵在電機(jī)運(yùn)行時所做的，其中會感應(yīng)出電流。這些電流對扭矩沒有貢獻(xiàn)，會加熱磁鐵并使其消磁。減少這種加熱的一種方法是通過使磁鐵由彼此電絕緣的細(xì)段組成來破壞循環(huán)電流的路徑。在我們的電機(jī)中，這些部分中的每一個只有 1 毫米厚。
我們選擇使用一種稱為N50的釹鐵硼磁體，該磁體可以在高達(dá)80°C的溫度下工作。 此外，我們需要使用碳纖維和環(huán)氧樹脂系統(tǒng)來加固轉(zhuǎn)子的外徑，使其以高達(dá) 20,000 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)。在分析了我們的電機(jī)原型后，我們發(fā)現(xiàn)在以最大速度運(yùn)行時，有必要強(qiáng)制空氣通過電機(jī)以降低其溫度。雖然這并不理想，但這是一個合理的折衷方案，可以避免在設(shè)計中使用大量稀土元素。

先進(jìn)電機(jī)的新方法
制造完全缺乏稀土元素的強(qiáng)大電機(jī)的近期最有吸引力的選擇可能是制造具有配備電磁鐵（即線圈）的轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，無論是否包含鐵氧體磁鐵。但這樣做需要你以某種方式將電流傳遞到那些旋轉(zhuǎn)的線圈。
傳統(tǒng)的解決方案是使用碳刷與旋轉(zhuǎn)的金屬環(huán)（稱為滑環(huán)）進(jìn)行電接觸。這種技術(shù)允許您向轉(zhuǎn)子施加直流電以為其電磁鐵供電。然而，這些電刷會產(chǎn)生灰塵，并最終磨損，因此這些電機(jī)不適合用于電動汽車。
為了解決這個問題，工程師們設(shè)計了所謂的旋轉(zhuǎn)變壓器或勵磁器。它們采用電感式或電容式系統(tǒng)將功率無線傳輸?shù)叫D(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。與傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)相比，這些電機(jī)具有很大的優(yōu)勢，即只需控制轉(zhuǎn)子電磁鐵的電流即可精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的磁場。這反過來又允許一種稱為磁場弱化的技術(shù)，該技術(shù)允許在廣泛的工作速度范圍內(nèi)保持高效率。
 

在產(chǎn)生扭矩的方式上，同步電動機(jī)類型可以被認(rèn)為是存在于兩個不同極端之間的連續(xù)體上。該圖表的左上角是表面永磁電機(jī)，它僅通過轉(zhuǎn)子中的永磁體和定子中的電磁體之間的相互作用產(chǎn)生扭矩。右下角是同步磁阻電機(jī)，它通過利用一種完全不同的現(xiàn)象——磁阻來產(chǎn)生扭矩，磁阻是指材料與通過它的磁通量的阻力有多大。大多數(shù)電機(jī)設(shè)計通過結(jié)合這兩種扭矩來最大化扭矩。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室
最近一個值得注意的例子是汽車供應(yīng)商采埃孚集團(tuán)（ZF Group）制造的電機(jī)。去年，該公司宣布已經(jīng)生產(chǎn)出一種同步電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子中的電磁鐵由安裝在機(jī)器轉(zhuǎn)子軸內(nèi)的感應(yīng)系統(tǒng)提供動力。據(jù)該公司官員稱，220 kW電機(jī)的功率密度和效率特性與目前用于電動汽車的釹鐵硼永磁電機(jī)相當(dāng)。
新材料還有助于彌合稀土磁鐵和非稀土磁鐵電機(jī)之間的差距。例如，以其卓越的磁性而聞名的高硅鋼成為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的有前途的候選者，具有提高無稀土電機(jī)磁效率的潛力。同時，使用高導(dǎo)電性銅合金或超導(dǎo)銅線可以大大降低電損耗，提高整體性能。例如，將銅的電導(dǎo)率提高一倍，可以使某些電機(jī)的體積減少30%。這些材料的戰(zhàn)略整合可以大大縮小含稀土和不含稀土的電機(jī)之間的性能差距。
GE Aerospace 開發(fā)的雙相磁性材料是可以產(chǎn)生重大影響的先進(jìn)材料的另一個很好的例子，它可以在特定區(qū)域非常強(qiáng)烈地磁化或根本不磁化。通過有選擇地使轉(zhuǎn)子的某些部分成為非磁性的，GE航空航天團(tuán)隊(duì)證明，幾乎可以消除所有漏磁，這反過來又使他們能夠放棄在電機(jī)中使用稀土永磁體。

工程師將如何引導(dǎo)向無稀土電機(jī)的過渡
電動汽車向無稀土電機(jī)的過渡是一項(xiàng)重大而關(guān)鍵的工程工作。這將是困難的，但研究開始產(chǎn)生有趣和令人鼓舞的結(jié)果。很快將有多種設(shè)計可用，唉，有一系列復(fù)雜的權(quán)衡。電機(jī)重量、功率密度、成本、可制造性和整體性能動態(tài)都將是重要的考慮因素。毫無疑問，市場上的成功將取決于一系列同樣復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)因素，因此很難預(yù)測哪些設(shè)計將占主導(dǎo)地位。
然而，越來越清楚的是，無稀土電機(jī)有朝一日將成為主流是完全可行的。這一結(jié)果將需要繼續(xù)作出協(xié)調(diào)一致的努力。但是，我們認(rèn)為工程師沒有理由不駕馭這種轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性，確保下一代電動汽車更加環(huán)保。在ORNL和其他地方，支持人工智能的電機(jī)設(shè)計工具正在加速這些不含稀土元素的電機(jī)的開發(fā)。
如今，稀土磁體的大規(guī)模使用以技術(shù)利益與環(huán)境和道德考慮相悖的論點(diǎn)為標(biāo)志。很快，這些論點(diǎn)就不那么重要了。
我們還沒有到那一步。與任何重大技術(shù)轉(zhuǎn)型一樣，實(shí)現(xiàn)無稀土電機(jī)的旅程不會短暫或平坦。但這將是一段非常值得一游的旅程。