無(wú)稀土馬達時(shí)代到來(lái) 電動(dòng)車(chē)駛向永續之路

無(wú)論是基于政治影響、生產(chǎn)成本，或保護環(huán)境的前提下，開(kāi)發(fā)出不需要稀土的電動(dòng)車(chē)用馬達，已經(jīng)是全球電機業(yè)者卯足全力發(fā)展的一個(gè)重大方向。
電動(dòng)車(chē)采用感應馬達，從20世紀的90年代到2000年代初期，實(shí)際上已經(jīng)有相當長(cháng)的一段時(shí)間。然而，隨著(zhù)永磁同步馬達的出現，感應馬達已經(jīng)逐漸不被采用。
但是，永磁同步馬達需要透過(guò)稀土元素來(lái)確保耐熱性（這是磁鐵的弱點(diǎn)），并且可以在小型尺寸的馬達中產(chǎn)出高扭力。
目前混合動(dòng)力（HV）和純電動(dòng)車(chē)（EV）等永磁同步馬達，幾乎都是使用釹、鏑等重稀土材料，這是因為透過(guò)使用稀土，可以提高馬達的耐熱性，并且獲得高驅動(dòng)力和發(fā)電量。不過(guò)，因為全球電動(dòng)車(chē)，以及風(fēng)力發(fā)電等再生能源的普及，刺激了稀土的需求增加，也因此推動(dòng)了價(jià)格飆升。

稀土限制迫使開(kāi)發(fā)新一代車(chē)用馬達
由于2010年中國政府針對日本限制稀土出口，近期再加上中美摩擦，導致中國又宣布限制稀土出口到美國，且由于與美國的貿易局勢持續緊張，中國對于稀土的輸出可能會(huì )再次受到限制，這一點(diǎn)已在接下來(lái)的出貨量得到了證實(shí)（圖一）。

 

圖一 愛(ài)沙尼亞的Silmet工廠(chǎng)，一名工人展示分離過(guò)程中的稀土氧化物。（source：AXION）

這迫使了美日歐等車(chē)廠(chǎng)紛紛改變電動(dòng)車(chē)馬達開(kāi)發(fā)策略，朝向減少使用稀土材料，甚至完全不使用稀土的技術(shù)轉變。美國政府更是從政策面著(zhù)手，透過(guò)反通膨法案的規范，要求美國車(chē)廠(chǎng)對于電動(dòng)車(chē)整車(chē)組裝的零組件，以及礦物原料都必須要從北美當地提供，如果車(chē)上的磁鐵大量使用中國來(lái)的礦物，就無(wú)法獲得補助。日本政府也調整政策，致力于減少稀土使用量以降低風(fēng)險，或協(xié)助業(yè)者分散稀土來(lái)源。這樣的演變，使得BMW、豐田和通用汽車(chē)等其他汽車(chē)制造商，也開(kāi)始呼吁減少對稀土的依賴(lài)。

特斯拉以發(fā)展無(wú)稀土永磁馬達為目標
特斯拉在2023年3月宣布將推出一款全新永磁馬達（PMSM），完全不使用稀土元素，背后的考慮應該和美國政府的補助息息相關(guān)。
其實(shí)特斯拉最早使用的馬達，并沒(méi)有使用稀土，因為他們一開(kāi)始采用的是交流電馬達。但為了降低成本，在后續所開(kāi)發(fā)的車(chē)型，開(kāi)始使用永磁直流馬達來(lái)驅動(dòng)后輪，并透過(guò)在馬達轉子中放置永久磁鐵，傳動(dòng)軸無(wú)需感應電流即可旋轉。
在降低對稀土的依賴(lài)方面，根據動(dòng)力總成工程副總裁Colin Campbell表示，目前Model 3和Model Y已經(jīng)將稀土消耗量減少了四分之一。
Campbell在這次宣布特斯拉將不再使用稀土元素的演講中，展示了2張關(guān)于三種「神秘材料」關(guān)鍵性投影片，稀土1、稀土2和稀土3。第一張投影片展示了目前的特斯拉，馬達中使用的稀土總量從500克到10克不等（圖二）；下一張投影片是未來(lái)技術(shù)的目標數據，一切都設定為「0」（圖三）。

圖二 目前特斯拉馬達中，使用的稀土總量從500克到10克不等。（source：TESLA）

 
圖三 特斯拉新一代馬達技術(shù)的研發(fā)目標數據，稀土的使用量都設定為「0」。（source：TESLA）
從磁性材料研究人員的角度來(lái)看，這個(gè)「稀土1」是什么就一目了然了。它就是釹，與鐵和硼結合時(shí)可以產(chǎn)生強大的永久磁場(chǎng)。但以目前來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有其他物質(zhì)具有這種特性，能夠產(chǎn)生足以提供2000公斤的特斯拉汽車(chē)、工業(yè)機器人和戰斗機等提供動(dòng)力。如果特斯拉的馬達中不再使用釹等稀土元素的話(huà)，那么他們會(huì )使用哪種磁鐵來(lái)代替？便成了現場(chǎng)最大的黑箱技術(shù)。
產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)有專(zhuān)家朝向猜測利用鈷或是鐵氧體等其他化學(xué)元素來(lái)取代釹，其中被認為最有可能的是鐵氧體。鐵氧體是一種將鐵和氧與少量金屬（例如鍶）混合制成的陶瓷。它價(jià)格便宜且易于生產(chǎn)，自20世紀以來(lái)，它已被用于各種情況，包括用作保持冰箱門(mén)關(guān)閉的磁鐵材料。
另一方面，根據國外的媒體報導，因為鐵氧體的磁力只有同量的釹的十分之一左右，這就產(chǎn)生了磁力不足的新問(wèn)題。但由于特斯拉的老板Elon Musk是出了名的不妥協(xié)，因此如果特斯拉堅持要使用鐵氧體的話(huà)，就必須在某個(gè)地方做出妥協(xié)。

日本大發(fā)汽車(chē)改變繞線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)新車(chē)用馬達
相對于特斯拉的馬達材料選擇策略改變，日本大發(fā)汽車(chē)企圖跳出永磁馬達的競爭圈，透過(guò)旗下的METALART和Yamada Power Unit展開(kāi)合作，開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需永久磁鐵的同步磁阻馬達（SynRM）。Yamada Power Unit的核心技術(shù)是開(kāi)發(fā)無(wú)人機和電動(dòng)車(chē)動(dòng)力裝置。而Metal Art的業(yè)務(wù)是以制造引擎和變速箱零件為主。
就如前述，目前電動(dòng)車(chē)的永久磁同步馬達，是使用稀土元素作為磁鐵主原料，而日益上漲的價(jià)格已經(jīng)是永久磁同步馬達擴大市場(chǎng)的一個(gè)障礙。盡管這款SynRM實(shí)際量產(chǎn)的時(shí)間尚未確定，但目標是創(chuàng )建低成本、高效制造的SynRM馬達。
SynRM的想法透過(guò)定子磁力與馬達旋轉部分鐵芯磁阻差異，產(chǎn)生的磁極之間的相互作用產(chǎn)生扭矩（旋轉力）。由于它僅采用鐵芯和銅的材料來(lái)組成，因此可以降低成本、提高制造高效率。

 
圖四 同步磁阻馬達（SynRM）與永久磁石同步馬達的結構差異。（source：METALART）

因此METALART和Yamada Power Unit透過(guò)優(yōu)化設計作業(yè)，對超過(guò)10萬(wàn)個(gè)設計外型進(jìn)行了形狀仿真，大幅度地提高了SynRM的產(chǎn)量和效率。此外還改變繞線(xiàn)方法，不僅達到縮小產(chǎn)品尺寸的目標，還可以減少約10%的銅用量。
目前METALART和Yamada Power Unit主要開(kāi)發(fā)的目標是，縮小SynRM的尺寸，同時(shí)還降低大量生產(chǎn)的成本，并從電動(dòng)四輪驅動(dòng)應用開(kāi)始商業(yè)化。因為許多大公司已經(jīng)進(jìn)入電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)系統，市場(chǎng)的競爭非常劇烈。因此在初期希望避開(kāi)此一紅海戰場(chǎng)，轉向專(zhuān)注于小型四輪驅動(dòng)的后驅車(chē)這一利基市場(chǎng)。

日產(chǎn)X-in-1總成技術(shù)降低稀土使用比例
同樣是日系車(chē)廠(chǎng)的日產(chǎn)，在2023年3月宣布將采用名為「X-in-1」的全新動(dòng)力總成技術(shù)，到2026年將動(dòng)力總成的成本較2019年降低30%（圖五）。此外，混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)和傳統內燃機汽車(chē)的價(jià)格，預計將在同一時(shí)間達到接近的水平。
針對電動(dòng)車(chē)的部分，日產(chǎn)表示，隨著(zhù)固態(tài)電池技術(shù)的引入，相信「最終」也將達到相同的價(jià)格水平。全新動(dòng)力總成技術(shù)-X-in-1，在透過(guò)整合馬達和逆變器，并直接冷卻逆變器內部的電子組件，整體尺寸縮小了25%。

 
圖五 日產(chǎn)對于X-in-1的目標是，到2026年將動(dòng)力總成的成本降低30%。（source：NISSAN）

其中電動(dòng)車(chē)馬達的技術(shù)部分，日產(chǎn)在新一代的SUV電動(dòng)車(chē)-Aria中采用了線(xiàn)繞磁場(chǎng)系統，該系統也是不采用永久磁鐵，而是利用電流的通過(guò)，由繞線(xiàn)制成的轉子磁力線(xiàn)圈（電磁鐵）產(chǎn)生磁場(chǎng)，來(lái)達到減少稀土中特別稀有的重稀土的使用。這個(gè)技術(shù)是基于已在雷諾電動(dòng)車(chē)中實(shí)際使用的技術(shù)而開(kāi)發(fā)。
它的優(yōu)點(diǎn)是即使在高速運轉和高速旋轉時(shí)，也不會(huì )損失效率。但由于電刷機構需要空間直接向線(xiàn)圈傳遞電流，因此體積較大，成本較高。因此，日產(chǎn)正積極開(kāi)發(fā)了一種減少稀土用量的永磁同步電機。
日產(chǎn)期望到2025年，透過(guò)這些新技術(shù)，將稀土的使用比例降低到1%以下。達到此目標下，對馬達最大的設計是，改變馬達轉子表面的形狀后，可以減少熱損失來(lái)實(shí)現的。傳統上，是透過(guò)分離放置在轉子周?chē)拇盆F來(lái)降低發(fā)熱，但是在這種新一代的設計中，則是利用磁鐵緊密地放置一起，減少稀土材料的使用量。

ZF藉新技術(shù)來(lái)取代永磁馬達
以商用車(chē)傳動(dòng)和底盤(pán)技術(shù)聞名的的德國業(yè)者ZF Friedrichshafen，開(kāi)發(fā)了一款不使用磁鐵的電動(dòng)汽車(chē)馬達，而其性能更與永磁同步馬達相當，但體積更小。
ZF的這款轉子內感應勵磁同步馬達（I2SM），是透過(guò)轉子軸中的感應勵磁裝置傳輸磁場(chǎng)能量，這與目前市場(chǎng)上的自勵同步馬達（SESM）的無(wú)磁概念截然不同，相比之下，電感式勵磁器可將轉子的能量傳輸損耗降低15%（圖六）。
此外，和使用含稀土材料磁鐵的PSM相比，生產(chǎn)過(guò)程中可減少二氧化碳排放量高達50%。ZF表示，這樣的設計將使得電機結構獨特緊湊，具有最大的功率輸出和扭矩密度，ZF相信這種先進(jìn)的I2SM馬達是永磁同步馬達的最佳替代產(chǎn)品。


圖六  I2SM是透過(guò)轉子軸中的感應勵磁裝置傳輸磁場(chǎng)能量，可將轉子的能量傳輸損耗降低15%。（source：ZF Friedrichshafen）
除了結構緊湊、功能強大，以及不使用稀土等優(yōu)點(diǎn)外，I2SM還可消除傳統PSM電子馬達中，所出現的阻力損失。因此，在某些特定的環(huán)境行駛下更能顯出優(yōu)勢性，如高速公路上長(cháng)時(shí)間高速行駛時(shí)，效率更高。
在傳統的SESM概念中，轉子中的磁場(chǎng)是由電流而不是磁鐵產(chǎn)生的，這通常需要滑動(dòng)或電刷組件，因此必須有很大的改進(jìn)幅度。此外，還無(wú)法進(jìn)入干燥的安裝空間，即無(wú)法進(jìn)行油冷卻，并且需要額外的密封制成另一方面，傳統SESM還在軸向上使用了約90mm的空間。
為了提供具有競爭力的獨立勵磁同步電機優(yōu)勢，ZF成功地彌補了普通獨立勵磁同步電機在設計上的不足。勵磁系統與轉子在空間上的中立整合意味著(zhù)不存在軸向空間上的劣勢。
此外，ZF功彌補了典型自勵同步馬達的設計缺陷，開(kāi)發(fā)出更具優(yōu)勢的自勵同步馬達。特別是，采用了新一代的轉子設計后，轉矩密度已經(jīng)明顯高于傳統產(chǎn)品，同時(shí)因為將勵磁系統整合到轉子的空間內，除了軸向空間的損失已不存之外，轉子中功率密度的增加，使得性能也大幅度的提高。
未來(lái)，ZF計劃將I2SM技術(shù)開(kāi)發(fā)到可大量生產(chǎn)的水平，并將其作為電子驅動(dòng)平臺的選項之一，開(kāi)發(fā)不同車(chē)款的車(chē)廠(chǎng)可根據各自的應用選擇400V架構或800V的架構。值得一提的是，800V架構在電力的電子機構中采用了最新的碳化硅技術(shù)芯片。

未來(lái)電動(dòng)車(chē)用馬達的發(fā)展趨勢
新觀(guān)念技術(shù)
車(chē)用馬達的技術(shù)發(fā)展生態(tài)系統中，對于耗能、動(dòng)力輸出和成本的要求是相當嚴格，目前除了SESM、SynRM-IPM和SRM等技術(shù)之外，也有相當多的技術(shù)想法被提出來(lái)。

這些新一代的創(chuàng )新馬達技術(shù)包括：
● Linear實(shí)驗室的High Efficiency Torque（HET）：越來(lái)越受到業(yè)界和工程師的關(guān)注。Linear Labs這種獨特的高效磁扭矩技術(shù)，與類(lèi)似功率和尺寸的傳統馬達相較，所能提供的扭矩重量比高出3倍。除了不需要使用變速箱外，在材料的革命性上，銅的使用量減少了30%，更完全不使用稀土磁體，而是使用現成的鐵氧體磁鐵。
● 橫向磁通馬達（Transverse Flux motors）：也開(kāi)出現在車(chē)用馬達討論的范圍中，被視為是傳統徑向磁通系統（Radial Flux Systems）的替代品。
● TSRF新型高效電動(dòng)馬達：電動(dòng)車(chē)制造商O(píng)mega Seiki Mobility（OSM）在2022年2月宣布，與以色列新創(chuàng )公司EVR Motors結成策略聯(lián)盟，在印度生產(chǎn)基于TSRF技術(shù)的新型高效電動(dòng)馬達，可用于目前和未來(lái)的電動(dòng)車(chē)車(chē)型。這款馬達采用了梯形定子徑向磁通（TSRF）技術(shù)，可支持大功率和扭力范圍，電壓范圍為48V至800V，適合不同功率等級和各種速度。

無(wú)稀土電機
環(huán)境和供應挑戰是電機設備制造商發(fā)展「無(wú)稀土馬達策略」的驅動(dòng)力。不過(guò)，稀土是一個(gè)以中國為中心的重大地緣政治問(wèn)題，雖然稀土對環(huán)境具有極大的破壞性，但在大多數情況下，當今絕大多數最先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)都需要這些非常稀有、非常昂貴、對環(huán)境破壞性極大的材料來(lái)實(shí)現高性能。
因此，無(wú)論是基于政治影響、生產(chǎn)成本，或保護環(huán)境的前提下，開(kāi)發(fā)出不需要稀土的電動(dòng)車(chē)用馬達，已經(jīng)是全球電機業(yè)者卯足全力發(fā)展的一個(gè)重大方向，而全球電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)也都在引頸期盼著(zhù)這個(gè)時(shí)代的到來(lái)。