IDTechEx讨论了消除电动汽车中稀土的4种方法以及一种您从未听说过的方法

多年来，稀土在各种现代技术中的使用引起了人们的关注。但随着电动汽车 (EV) 需求的不断增长，这个问题已经凸显出来。到 2022 年，82% 的电动汽车市场将使用基于稀土永磁体的电动机。中国在很大程度上控制了稀土的供应，这导致了前几年稀土价格的大幅波动，其中2011/2012年大幅上涨，2021-2022年大幅上涨。至关重要的是，与其他一些技术相比，可以使用多种方法来消除电动机中稀土的使用，本文将概述这些方法以及优点、缺点和采用情况。

本文基于 IDTechEx 最新的“电动汽车电机 2024-2034 ”报告，该报告分析了不同电机技术的性能、材料、市场采用和未来潜力。

为了简要描述电动机的结构，固定部件(定子)具有由电流供电以产生磁场的金属线圈(通常是铜)。然后，该磁场将转动电机的旋转部分(转子)。在稀土永磁 (PM) 电机中，磁体位于转子上。

1. 感应电动机

在感应电机(或异步电机)中，定子产生的旋转磁场会在转子上感应出电流，进而产生与定子绕组的径向磁场相吸引/相斥的磁场。感应电动机在转子上使用铜或铝棒或绕组。这些电机通常在短时间内呈现出良好的峰值功率和扭矩密度，但对热管理来说具有挑战性，并且通常比永磁电机具有较低的效率。

感应电机在电动汽车市场上很常见，一直是特斯拉的主要选择，直到 Model 3(采用 PM 设计)发布。在汽车市场上，一些支持者仍然存在，例如奥迪和梅赛德斯，但感应电机现在主要用作辅助电机，用于加速提升，因为它们在不使用时不会产生阻力，从而无需解耦器。

2. 绕线转子电机

绕线转子同步电机 (WRSM) 也称为外励磁同步电机 (EESM)，它用线圈绕组代替转子上的磁体，线圈绕组可以馈入直流电流以产生磁场。这样做的优点是能够控制定子和转子磁场。缺点是需要额外的制造步骤来向转子添加绕组，并且需要电刷将电力传输到转子。这些电机历来也具有较差的功率和扭矩密度，但现代版本与永磁电机相当。

雷诺是 Zoe 中这项技术的早期支持者，但现在宝马和日产也采用了这种设计，一级马勒也推出了一种可将无线电力传输到转子的版本，从而消除了电刷。

3. 开关磁阻电机

开关磁阻电机 (SRM) 可能是结构最简单的，其转子主要由钢制成。与周围空气相比，转子的钢具有较低的磁阻，因此磁通量优先穿过钢，同时试图缩短其磁通路径，从而旋转转子。尽管 SRM 简单且可靠，但它通常受到功率和扭矩密度较差以及其他问题的困扰，包括扭矩纹波和噪声。

虽然 SRM 在很大程度上仅限于工业或重型应用，但人们正在为电动汽车的开发付出巨大努力。Turntide Technologies 等公司增加了更多的转子和定子极，并提出了更复杂的控制系统来克服传统问题。英国先进电机公司开发了一种带有分段转子的新型电机，该电机结构简单，但据说可以消除噪音和扭矩脉动，同时提高功率和扭矩密度;该设计是与 Bentley 合作的项目的中心。

4. 替代磁性材料

尽管许多原始设备制造商已稳步减少其电机中的稀土含量，但特斯拉表示其下一代驱动系统将是不含稀土的永磁电机，从而引起了人们的极大兴趣。有几个正在进行的项目正在开发可在磁性性能方面具有竞争力的无稀土磁体;这些都处于不同的商业化水平。

替代磁性材料的问题在于它们的磁性能通常要差得多。例如，一些生产稀土和铁氧体磁铁电机的制造商表示，相同尺寸电机的铁氧体版本的功率降低了 50-70%，这意味着为了匹配性能，需要使用更多的磁性材料和/或更大的电机。必需的。

Proterial 开发的磁铁具有“在铁氧体磁铁中达到世界最高水平”的磁性。电机设计仅需要多20%的磁性材料即可保持电机功率密度相同。Niron Magnetics 正在开发氮化铁磁铁，其下一代版本计划与钕性能竞争。PASSENGER是一个开发锶铁氧体和锰铝碳合金的欧洲项目。尽管我们正在努力，但具有真正可比性能的材料在未来仍有一段路要走。然而，随着电机设计的其他变化，他们可能不需要这样做。

5. 进一步优化的高速铁氧体电机

虽然采用铁氧体磁铁会显着降低电机性能，但优化许多其他电机功能可以最大限度地减少这种影响。澳大利亚科技公司 Ultimate Transmissions 提交了一项铁氧体电机设计专利，该公司认为该专利可能是特斯拉消除永磁电机中稀土元素的一种途径。

该设计使用更大的铁氧体磁铁和更高的速度 (20,000rpm)，以实现与类似尺寸的稀土永磁电机相当的功率。一项挑战来自于将磁铁有效地容纳在转子中;一个潜在的解决方案是在转子上使用碳纤维包裹(特斯拉已经在其格子图案车辆中展示了这项技术)。另一个挑战是铁氧体磁铁需要加热才能实现最佳操作，这与钕磁铁面临的问题相反，但并非无法实现。

应该指出的是，这种设计仍处于模拟阶段，特斯拉很可能会采取不同的方法，例如自己的替代磁性材料。但在模拟中，这种方法显示出类似的功率、降低的成本和减轻的重量，但代价是稍微降低了扭矩和更长的堆栈。