汽车行业新闻

2022

06/13

汽车行业新闻

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2022-06-13 09:22:23

供应链安全重压,开关磁阻电机研发进程加速

  作为新能源汽车的三大核心部件(电池、电机、电控)之一,驱动电机直接决定着新能源汽车的主要性能指标,如动力性、经济性、可靠性、续航里程等。因此,提高驱动电机的效率、功率及扭矩密度、可靠性和降低电动机成本一直是整个产业界研究的重点方向。

  在新能源汽车驱动电机的主要类型中,永磁同步电机凭借着功率密度高、效率高、体积小、重量轻等优势,已成为我国新能源汽车和混合动力汽车应用最广泛的电机技术。海外市场上,欧美日韩纯电动车和混动车型采用感应异步电机或永磁同步电机, 以目前投放市场的车型,日韩车企以永磁电机为主,殴美车企选择感应电机居多。

  但值得关注的是,近年来,不少海外企业正在加快开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor或SRM)的研发进程。

图片来源:Enedym

  2021年,从加拿大McMaster大学孵化的初创企业电力驱动和电气化动力总成技术初创企业Enedym宣布,从由P&A Paletta Giving Inc., TRIO Capital Group Inc., Napino Group, KWG Capital Inc., Pathfinder Asset Management Limited,等战略投资者组成的国际投资集团获得1500 万美元的融资,新投资将用于加速开发其SRM专利电机技术,并拓展其在电机市场所占的份额。作为投资者之一,汽车电子领域供应商Napino Group首席执行官Naveen Kumar表示:“Enedym的专利SRM技术有望成为传统电机技术的有力替代品。”

  同年,美国智能电机初创公司Turntide Technologies完成一轮获得包括比尔-盖茨和亚马逊等投资人支持的8000万美元融资,目标用高效开关磁阻电机技术取代包括用于楼宇、农业、交通领域的其他落后技术电机,大幅度降低电耗。2021年下半年,通过收购英国商用车电气化独角兽企业AVID,切入汽车电气化赛道。

  优点突出、缺点明显的开关磁阻电机

  从原理和构造来看,电磁型电动机可以分为直流电动机、交流电动机、步进电动机等,其中交流电动机主要有感应异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。

  结构上,三大交流电动机均由定子和转子所组成,不过与永磁电动机转子上有对温度敏感的永磁体、感应电动机转子上有绕组或导体等零部件不同,开关磁阻电动机的转子是由冲压成凸极形状的硅钢片叠压而成,结构极其简单。

图片来源:知乎@万泰说电机

  工作原理上,开关磁阻电机工作原理遵循“磁阻最小原理”,即:“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合,从而产生磁拉力,进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。

  也正是这一结构特点决定了开关磁阻电机具备大批量生产、结构坚固、价格便宜、较高的功率密度、冷却要求低等特点。此外,其还具备成本优势,放率和功率密度则介于感应电机和永磁电机之间。

  磁阻电动机技术发展至今已有接近两百年的历史了,但由于依赖电力电子技术,所以开关磁阻电机直到上世纪60年代以后才开始应用,主要用于牵引、工业和自动化泵等对噪音要求不高的行业。

  整体来看,开关磁阻式电动机有许多突出优点,应用领域日益扩大。不过,万物都有两面性,开关磁阻电机也不例外。转子凸极在相对于定子凸极转动过程中产生的扭矩脉动以及周期性变化的凸极径向磁力的变化而引起的噪音和振动是磁阻电机被广泛应用的一大制约因素。其次,开关磁阻电机系统设计优化参数众多,数理模型还不成熟,设计难度大,而控制难度更大。上述二个原因使得磁阻电机应用滞后于感应和永磁电机。

  降低稀土依赖,欧美积极研发突破缺陷

  既然开关磁阻电机存在一些先天的缺陷,海外企业为何仍在加快研发该技术呢?

  “首先,最近十年技术的发展,使得解决开关磁阻电机的传统缺陷成为可能”,原上汽集团技术中心副主任、奕森科技创始人、华涧新能源联合创始人、国际汽车工程学会会士辛军在接受盖世汽车采访时如是表示。“东京理工大学研究团队已在一个60千瓦的SRM试验样机上,达到与永磁电机相近的效率95.5%。另外,通过优化输入定子的电流,减小定子凸极径向力的波动,可以大幅度降低噪音和振动。如果这些研究结果能应用于开关磁阻电机产品上,那么开关磁阻电机将是很有竞争力的技术。”

  “第二个原因是与稀土材料的供货安全和价格波动有关。尽管从全球稀土探明储量而言,完全能满足因碳中和而引发的全方位电气化的要求,不像其他元素(例如锂、钻等)存在需求大于储量的瓶颈。但是全球稀土资源分布极不均匀,而且稀土开采精炼对生态环境破坏很严重,这导致对稀土供货稳定性和价格波动的担忧。开关磁阻电机传统缺陷大幅改进的可能性以及供货安全的考虑,促进近期海外研究机构和企业加大对磁阻电机技术的研发投入。”

  众所周知,稀土是一种不可再生资源,也是一种重要的战略资源。根据美国地质调查局的数据显示,2022 年全球稀土储量约为 1.25亿吨,其中中国储量为 4400万吨,约占全球35%。此外越南、俄罗斯、巴西稀土储量靠前,分别为2200万吨、2100万吨及2100 万吨,以上四国占据全球稀土储量87%。稀土元素不像名称上听起来那么稀少,稀土在地壳的含量与铜和锌相近。在17种稀土元素中,各元素储存量也不均衡,像镝、铽等重稀土元素矿石中含量少、生产成本更高。

  也就是说,稀土储量并不丰富的欧美等国研发不含稀土材料的开关磁阻电机成为其确保供应链安全的重要路径。Turntide董事长兼首席执行官Ryan Morris曾表示,对稀土矿的依赖使企业面临“巨大风险”。他指出,“对汽车电机的需求正在飙升。原材料供应增长得不是很快,我认为这些材料的短缺将在未来三到四年内达到沸点。”

  在供应链安全的重压下,欧美等国加速研发开关磁阻电机的动机也就不难理解了。也正是在此背景下,相关研发的推进也让开关磁阻电机的一些缺陷问题得到突破。

  2019年美国能源部可再生能源国家实验室发布一份报告,NREL作为独立第三方在沃尔玛一家商场,对使用开关磁阻电机后的冷凝器风扇电耗进行对比试验,发现用Turntide的磁阻电机后,与原来的感应电机相比,电耗可以降低29%到71%(取决于优化范围)。

  另有研究表明,采用合理的设计、制造和控制技术,开关磁阻电动机的噪声可以得到良好的抑制。此前,Enedym就表示,公司已成功解决SRM电机的噪音、扭矩波纹和功率密度等问题,使电机变得安静、平稳且高效。另外,Turntide和Enedym开发的开关磁阻电机,都通过增加凸极数来提高电机的扭矩密度。Turntide磁阻电机在宽广的转速和扭矩范围都能保持较高的效率,在大部分负荷区域甚至与永磁电机相比较,具有更高的效率。这些结果完全颠覆对开关磁阻电机的传统认知。

图片来源:Turntide

  辛军还指出,除了降低对稀土材料的依赖外,国外企业研发开关磁阻电机也是看中了在碳中和大背景下该技术在众多应用领域包括在新能源汽车领域应用的诸多优势。

  首先,成本低,适合批量生产。据了解,驱动电机成本主要由直接材料、制造费用、技术开发费用三大部分构成,其中制造定/转子的磁钢、硅钢片,用于安装架的壳体,用于绕组的漆包线等直接材料成本占到总生产成本的63%左右。

  以永磁同步电机为例,该电机的制造原材料主要有稀土磁钢、硅钢片、铜和铝等,其中稀土磁钢(主要用于制造永磁体)占总成本的比例最大,达到30%左右。而开关磁阻电机由于没有永磁体,成本可大大降低。与此同时,开关磁阻电机由于结构简单,更易于大批量生产,较高的生产效率最后体现在制造成本上,也有一定的优势。

  其次,容易冷却,可在高温下运行。随着电动汽车牵引电机的功率密度越来越大,电机产生的热量也越大,电机散热也面临着新的挑战。开关磁阻电机转子发热量很少,电机损耗主要产生在定子,电机易于冷却。另值得注意的是,永磁体电机的磁钢在高温下还会出现磁性衰减的问题。而开关磁阻电机转子无永磁体,可允许有较高的温升,可以在苛刻温度条件下工作。

  第三,鲁棒性高,使用可靠性好。上文提到过,开关磁阻电机系统拥有高可靠性,这一特性将大大拓展该技术的应用场景。转子结构简单的另外一个优势是转动惯量小,也非常适用于对动态响应要求高的应用场景。鲁棒性高和高动态响应对在新能源汽车轮毂电机上的应用特别具有优势。

  最后,宽广的高效率区、高扭矩和功率密度,使得开关磁阻电机可能在性能上挑战永磁电机的传统优势。

  供需矛盾长期存在,我国驱动电机需多点布局

  在海外企业加快研发开关磁阻电机之时,我国作为全球最大的新能源汽车单一市场(占比超过50%),在驱动电机核心部件的研发上自然也不能懈怠。

  可以肯定的是,相比于过去几年,我国驱动电机技术已经取得了较大进步,主要性能指标也已经达到国际先进水平。但也应该看到,在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距。

  “我国除了继续提高永磁电机的性能和产品竞争力外,也需要关注其他技术的发展。”辛军指出。在他看来,中国当下尽管有充足的稀土,但在“双碳”目标和全面电动化战略的推进下,仍需警惕稀土资源带来的供应链安全问题以及价格波动风险。“尽管中国有丰沛的稀土资源和完整的产业链,使我国发展永磁电机具有巨大的优势。但我们也要避免因此成为在其他电机技术创新的障碍。”,辛军认为中国产业和科研机构要关注开关磁阻电技术发展,“一是开关磁阻电机优势明显,国外已有公司和大学在克服开关磁阻电机取得重大突破;二是汽车产业布局的全球化,决定我们电机技术也需要紧跟或引领全球电动机关键技术热点;三是随着电气化汽车产销的高速增长和开关磁阻电机相比永磁电机的巨大成本优势,对汽车公司具有巨大的吸引力,成本控制永远是汽车产业的主要驱动力之一”。

  据了解,第三代稀土永磁材料——钕铁硼永磁体,是性能最优、用量最大、磁材市场占比最高的永磁材料。目前,该材料已广泛应用于新能源车驱动电机、稀土永磁电机、直驱风电中永磁电机等领域。

  就永磁同步电机来看,根据中国稀土行业协会数据,新能源汽车每辆纯电动车消耗钕铁硼5-10kg,每辆插电式混合动力汽车消耗2-3kg。综合保守估算,一辆新能源汽车驱动电机消耗钕铁硼磁材为5kg。2021年,我国新能源汽车销量同比增长160%至352万辆,其中90%以上驱动电机类型为永磁同步电机,对应钕铁硼需求量近1.6万吨。到2025年,按全球新能源汽车销量预计接近2000万辆来算,所需钕铁硼磁材约9.78万吨。

  上述仅是新能源汽车永磁同步电机对钕铁硼的需求量,尚不包括工业电机、风力发电机、节能电梯、变频空调、智能机器人等领域的需求量。有机构预测,为了达到将升温控制在2度之内,到2050年仅新装机风能需增加12000吉瓦。到2050年,每年稀土材料需求会增加10倍左右。可以想见,在全球低碳化的发展大势下,包括新能源汽车产业在内的多个领域对钕铁硼磁材的需求量将高居不下。

  对应地,从供给端来看,受国内稀土供给侧结构性改革持续,以及国家严格控制稀土开采及冶炼份额等因素影响,我国2021年钕铁硼毛坯总产量为21.65万吨。根据过往的稀土配额增量,预计其未来每年配额的增速将维持在20-30%区间,而下游需求的增长则远高于这个数字,供需之间的矛盾将会长期存在。

  而一旦供需失衡,涨价在所难免。近年来,镍、钴、锂等动力电池原材料价格的暴涨就是例证,那么对永磁同步电机至关重要的稀土资源是会否上演相似的路径?目前尚难定论。但眼下可以看到的是,钕铁硼的涨价大幕已经开启。

  根据百川盈孚数据,自 2021 年 6 月份以来,烧结钕铁硼价格持续上涨,截至2022 年5月31日,毛坯烧结钕铁硼N35和H35全国均价均上涨3元/公斤,分别至272.5元/公斤和341.5元/公斤。

  诚然,此轮涨价有疫情导致的短期供给波动,但最根本的还是供需逻辑。对于我国新能源汽车产业而言,有了动力电池的前车之鉴,面对永磁同步电机占比超过九成的现状,谨慎对待稀土资源的供应问题绝非杞人忧天,而提早关注开关磁阻等新型电机技术的发展或能防患于未然。

【来源:盖世汽车】

【作者:Daisy】

THE END

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