如何制造不含稀土元素的電動汽車電機

這種困境很容易描述。全球應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，就需要電氣化交通，主要是從內(nèi)燃機車輛轉(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的使用，幾乎所有的牽引電機都依賴于含有稀土元素的磁鐵，當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，會導致嚴重的環(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鍵供應鏈的脆弱性越來越大。
在這種背景下，人們正在大力設計和測試不使用稀土元素（或使用相對較少稀土元素）的先進電動汽車（EV）電機。幾乎所有工業(yè)化國家的政府機構(gòu)、公司和大學都在努力應對這一挑戰(zhàn)，通常是通過合作努力。在美國，這些舉措包括該國國家實驗室的長期努力，以開發(fā)不使用稀土元素的永磁體和電機設計。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。去年3月，另一家汽車制造商特斯拉（Tesla）震驚了觀察家，當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的財團包括來自工業(yè)界和學術界的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驗室（ORNL）從事牽引電機設計的磁性和其他方面的工作，該實驗室是美國電動汽車先進電機研究中心。作為美國能源部美國驅(qū)動技術聯(lián)盟的一部分，我們與來自國家可再生能源實驗室、艾姆斯實驗室和威斯康星大學麥迪遜分校的同事一起，一直在研究先進的電機概念。該小組還包括桑迪亞國家實驗室、普渡大學和伊利諾伊理工學院。
通過所有這些活動，您會認為工程師現(xiàn)在已經(jīng)對無稀土電動機的可能性有了深入的了解。他們確實做到了。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設計更改。我們還在評估完全不使用永磁體的先進電機設計。最重要的是，用非稀土磁鐵代替稀土磁鐵是有代價的：電機性能下降。但是，設計、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)有一些關于創(chuàng)新型電機的誘人結(jié)果的報道，據(jù)說其性能與最好的永磁同步電機相當。

為什么稀土能制造出最強大的電動機
稀土元素（我們工作的人通常將其稱為稀土元素）具有獨特的特性，使它們成為許多形式的現(xiàn)代技術不可或缺的元素。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，其磁體越強，電動機的效率、緊湊性和輕量化就越高。因此，當今性能最高的電動汽車電機都使用釹鐵硼磁鐵。然而，巧妙的電機設計可以縮小基于稀土永磁體的電機與基于其他類型磁體的電機之間的性能差距。要了解如何操作，您需要更多地了解電動機。
 

電動汽車中最常見的牽引電機類型是內(nèi)部安裝永磁同步電機。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。橡樹嶺國家實驗室

電動機有兩種基本類型：同步電動機和感應電動機。大多數(shù)現(xiàn)代電動汽車使用一種同步電機，其轉(zhuǎn)子配備永磁體。感應電機僅使用電磁鐵，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)項目正在嘗試改進感應電機，但它們的性能通常無法與永磁同步電機相提并論，因此它們目前尚未用于大多數(shù)電動汽車車型。
術語“同步電機”是指電機的轉(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。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。
同步電機也分為幾類。兩種重要的類型是表面貼裝永磁同步電機和同步磁阻電機。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，在同步磁阻電機中，轉(zhuǎn)子根本不需要永磁體。使電機旋轉(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，并且傾向于與強磁場對齊。利用這種現(xiàn)象使磁阻電機中的鐵磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。（一些磁阻電機還使用永磁體來輔助旋轉(zhuǎn)。）
如果電機主要依賴于定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用，則稱為永磁主導電機。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。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鍵策略，這些扭矩努力在不太依賴稀土磁體的電機中實現(xiàn)高性能。
用非稀土磁鐵代替稀土磁鐵是有代價的：電機性能下降。但是，電機設計、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類型是內(nèi)部安裝永磁電機，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)子設計。

豐田普銳斯的電機設計強調(diào)了這種方法的有效性。在這些電機中，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 電機也發(fā)生了同樣的情況，與其前身雪佛蘭 Spark 的電機相比，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，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大的牽引電機，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度的指標：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中的性能。
剩磁表示磁體磁體磁場被抽出后，磁強度（通過力線的密度測量）留在永磁體中。剩磁很重要，因為沒有它，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。
永磁體的矯頑力是衡量其抗退磁能力的指標。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，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，如果您用電機中的鐵氧體磁鐵代替釹鐵硼磁鐵，則可以預期扭矩輸出會降低，并且還必須接受磁鐵在運行過程中退磁的更大風險。
 

橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的作者建造的實驗電機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綠色塊環(huán)表示。為了節(jié)省空間，電機的逆變器和控制電子設備安裝在定子內(nèi)。橡樹嶺國家實驗室

電機工程師可以通過設計同時利用永磁體和磁阻的電機來最小化差異。但是，即使采用高度優(yōu)化的設計，基于鐵氧體磁鐵的電機也要重得多，如果要達到與稀土磁鐵電機相同的性能，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)制造了這種機器，稱為輻條鐵氧體磁鐵磁體電機，但發(fā)現(xiàn)它們比基于稀土磁鐵的同類電機重約30%。還有更多壞消息：輻條式電機的制造可能很復雜，并且會帶來機械挑戰(zhàn)。
一些設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?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計了可變磁通記憶電機，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行過程中退磁。此外，艾姆斯實驗室的研究人員已經(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中的性能。
最近，人們非常關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)子設計，這可能類似于過去的鋁鎳鈷電機。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)此類設計。
在討論未來電機時，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、愛荷華州立大學和Powdermet公司合作研究的主題 使用MnBi磁鐵的同步電機。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磁體電機可以產(chǎn)生與釹鐵硼磁體電機相同的扭矩輸出，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的總體成本降低32%。
降低電機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，設計這種電機的主要挑戰(zhàn)是保持轉(zhuǎn)子冷卻。去年，在橡樹嶺國家實驗室， 我們開發(fā)了一種100千瓦的牽引電機，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。這些電力電子設備包括逆變器，它從電池中獲取直流電，并以適當?shù)念l率為電機提供交流電以驅(qū)動機器。

在防止磁鐵過熱方面，我們面臨著幾個基本挑戰(zhàn)。你看，永磁體是良導體。當電導體在磁場中移動時，這是轉(zhuǎn)子磁鐵在電機運行時所做的，其中會感應出電流。這些電流對扭矩沒有貢獻，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段組成來破壞循環(huán)電流的路徑。在我們的電機中，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 20,000 rpm 的速度旋轉(zhuǎn)。在分析了我們的電機原型后，我們發(fā)現(xiàn)在以最大速度運行時，有必要強制空氣通過電機以降低其溫度。雖然這并不理想，但這是一個合理的折衷方案，可以避免在設計中使用大量稀土元素。

先進電機的新方法
制造完全缺乏稀土元素的強大電機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，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)）進行電接觸。這種技術允許您向轉(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，因此這些電機不適合用于電動汽車。
為了解決這個問題，工程師們設計了所謂的旋轉(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)的永磁同步電機相比，這些電機具有很大的優(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，該技術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，同步電動機類型可以被認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，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，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)電機設計通過結(jié)合這兩種扭矩來最大化扭矩。橡樹嶺國家實驗室
最近一個值得注意的例子是汽車供應商采埃孚集團（ZF Group）制造的電機。去年，該公司宣布已經(jīng)生產(chǎn)出一種同步電機，其中轉(zhuǎn)子中的電磁鐵由安裝在機器轉(zhuǎn)子軸內(nèi)的感應系統(tǒng)提供動力。據(jù)該公司官員稱，220 kW電機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相當。
新材料還有助于彌合稀土磁鐵和非稀土磁鐵電機之間的差距。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磁效率的潛力。同時，使用高導電性銅合金或超導銅線可以大大降低電損耗，提高整體性能。例如，將銅的電導率提高一倍，可以使某些電機的體積減少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)生重大影響的先進材料的另一個很好的例子，它可以在特定區(qū)域非常強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航空航天團隊證明，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中使用稀土永磁體。

工程師將如何引導向無稀土電機的過渡
電動汽車向無稀土電機的過渡是一項重大而關鍵的工程工作。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。很快將有多種設計可用，唉，有一系列復雜的權(quán)衡。電機重量、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雜的經(jīng)濟因素，因此很難預測哪些設計將占主導地位。
然而，越來越清楚的是，無稀土電機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，我們認為工程師沒有理由不駕馭這種轉(zhuǎn)變的復雜性，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設計工具正在加速這些不含稀土元素的電機的開發(fā)。
如今，稀土磁體的大規(guī)模使用以技術利益與環(huán)境和道德考慮相悖的論點為標志。很快，這些論點就不那么重要了。
我們還沒有到那一步。與任何重大技術轉(zhuǎn)型一樣，實現(xiàn)無稀土電機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。