Keine Seltenen Erden und kein Motor? Wir hören einheimischen Zulieferern zu, wie sie die Vor- und Nachteile der Reduzierung seltener Erden in Motoren interpretieren
China Auto Nachrichten
Kürzlich sagte Colin Campbell, Vizepräsident des Antriebsstranggeschäfts von Tesla, dass die Motoren der nächsten Generation des Unternehmens überhaupt keine Seltenerdmaterialien verwenden werden. Diese Botschaft war wie ein Stein, der in einen ruhigen See geworfen wurde, und sorgte für Aufruhr in der Branche. Es wird berichtet, dass Tesla von 2017 bis 2022 den Einsatz seltener Erden im Antriebsmodul des Modells 3 aufgrund der Verbesserung der Effizienz des Getriebesystems erfolgreich um 25 Prozent reduziert hat. Im Jahr 2020 gab Tesla bekannt, dass es einen neuen Typ eines nichtmagnetischen Motors entwickelt – einen SPSRM-Motor (Surface Permanent Magnet Switched Reluctance), der die Vorteile von Permanentmagnetmotoren und geschalteten Reluktanzmotoren (SRM) kombiniert. Unter Vermeidung der Nachteile beider können ein hoher Wirkungsgrad, eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Drehmomentdichte ohne Verwendung von Seltenerdmaterialien erreicht werden.
Tesla ist als Windfahne der Ära der neuen Energiefahrzeuge bekannt. Welcher seltenerdfreie Motor wird von ihm befürwortet? Wie viel „Spritzer“ kann es in der Branche machen?
Keine seltenen Erden bedeutet nicht, dass kein Magnetismus vorhanden ist
Vor dem Hintergrund der Umsetzung des grünen und kohlenstoffarmen Weges und der umfassenden Förderung der Entwicklung der Elektrifizierung sind Batterien, Motoren und elektronische Steuerungen zu den „drei neuen Hauptteilen“ geworden, die für Fahrzeuge mit neuer Energie unverzichtbar sind Motoren übernehmen alle Funktionen rund um den Fahrzeugantrieb. .
Derzeit gibt es drei Haupttypen von Motoren, die in Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt werden: Permanentmagnet-Synchronmotoren, elektrisch erregte Synchronmotoren und Wechselstrom-Asynchronmotoren. Permanentmagnet-Synchronmotoren sind die gängige Wahl in der Branche, aber aufgrund der hohen Kosten für Seltenerdmaterialien und der begrenzten Reserven ist in den letzten Jahren die Forderung nach einem Ersatz immer lauter geworden.
Man geht davon aus, dass Seltenerdmaterialien fast 20 Prozent der Kosten von Permanentmagnetmotoren ausmachen. Als Klasse von Metallelementen mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften wird es in vielen High-Tech-Bereichen häufig eingesetzt. Es gibt eine lebendige Metapher im Markt. Wenn Öl das Blut der Industrie ist, dann sind seltene Erden die Vitamine der Industrie, insbesondere für die Automobilindustrie. In Permanentmagnetmotoren ist Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) eines der am häufigsten verwendeten Permanentmagnetmaterialien mit hoher Remanenz und Energieprodukt. Und seine drei Arten von Seltenerdelementen: Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und Dysprosium (Dy), die eine große Hilfe bei der Verbesserung des dynamischen Magnetismus und der Wärmebeständigkeit sind, die Lebensdauer verlängern und die Geräuschentwicklung des Motors reduzieren. Daher waren Permanentmagnetmotoren trotz der hohen Kosten schon immer die gängige Konfiguration von Fahrzeugen mit neuer Energie.
Teslas Behauptung, dass die nächste Generation von Motoren überhaupt keine Seltenerdmaterialien verwenden wird, scheint den Status von Permanentmagnetmotoren und Seltenerdmaterialien erschüttert zu haben. Wie ist der Branchentrend aus technologischer und markttechnischer Sicht zu interpretieren?
Tatsächlich ist Tesla nicht das einzige Unternehmen, das empfiehlt, dass Motoren keine seltenen Erden verwenden. Im Jahr 2021 entwickelte Mahle, ein deutscher Autoteilehersteller, einen neuen Motor, der keine Seltenerdmaterialien benötigt; Im Jahr 2022 brachte BMW dann auch den seltenerdfreien Motor der fünften Generation auf den Markt. Brancheninsider gehen davon aus, dass Tesla und andere Unternehmen bestrebt sind, seltenerdfreie Motoren zu entwickeln, und zwar nicht so sehr aufgrund der technologischen Entwicklung, sondern vielmehr aus geopolitischen Erwägungen.
Laut Statistik werden rund 97 Prozent der weltweiten Seltenerdrohstoffe aus China geliefert. Den Daten zufolge sind seltene Erden eine wichtige strategische Ressource mit einzigartigen Eigenschaften und ein unverzichtbares Schlüsselelement für die Umgestaltung traditioneller Industrien, die Entwicklung aufstrebender Industrien und die nationale Verteidigungstechnologieindustrie. Zuvor waren Chinas Exportpreise für seltene Erden niedrig. Da die Kosten für den Abbau und die Raffinierung von Seltenerd-Rohstoffen kontinuierlich steigen, ist die Exportkontrolle von Seltenerd-Rohstoffen strenger geworden, und ausländische Automobilunternehmen haben begonnen, einen anderen Ausweg zu finden.
Branchenexperten glauben jedoch, dass es unzutreffend ist, einen Motor nur deshalb als „magnetfrei“ zu bezeichnen, weil er keine seltenen Erden verwendet.Niu Mingkui, Geschäftsführervon Zhejiang Founder Motor Co., Ltd.(im Folgenden als „Gründermotor“ bezeichnet) sagte dem Reporter von „China Automobile News“, dass Seltenerd-Permanentmagnete nur eine Möglichkeit seien, das Hauptmagnetfeld von Synchronmotoren aufzubauen, und Unternehmen können auch andere Methoden verwenden, jedoch in jeder In diesem Fall muss ein Magnetfeld aufgebaut werden, um den Motor zum Laufen zu bringen. Daher ist es offensichtlich eine „Spielerei“, einen nichtmagnetischen Motor vorzuschlagen. Seiner Ansicht nach ist Teslas Plan gut verstanden. Für Motoren, die keine seltenen Erden verwenden, können folgende Methoden angewendet werden: Verwendung von Ferrit anstelle von seltenen Erden als Permanentmagnete oder Verwendung elektrisch erregter Synchronmotoren und dann Wechselstrom-Induktionsmotoren.
3 Vermutungen über Tesla
Als Marktführer im Bereich Elektrofahrzeuge haben Teslas Bewegungen die Aufmerksamkeit der gesamten Automobilindustrie auf sich gezogen. Was den Tesla-Motor der nächsten Generation betrifft, der keine seltenen Erden verwendet,BorgWarner Engineering Manager Huo Congchonghat drei Vermutungen.
Erstens bezieht sich „keine seltenen Erden“ möglicherweise auf keine schweren seltenen Erden, nicht auf alle seltenen Erden. Huo Congchong sagte gegenüber Reportern: „Im Allgemeinen beziehen sich die in Motoren verwendeten seltenen Erden auf schwere seltene Erden wie Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und andere Elemente.“ Aufgrund ihrer geringen Lagerbestände und hohen Kosten verwenden verschiedene Motoren unterschiedliche schwere Seltenerdelemente. Jetzt wenden sich Unternehmen der Verwendung von mehr leichten Seltenen Erden zu und reduzieren den Einsatz schwerer Seltener Erden.
Zweitens ist es auch möglich, den Permanentmagnet-Synchronmotor durch einen elektrisch erregten Synchronmotor zu ersetzen. Der Kern des elektrischen Erregermotors besteht darin, den Permanentmagneten durch die elektrische Erregerspule zu ersetzen und die Magnetstärke durch Anpassen des Spulenstroms zu ändern, um unterschiedliche Leistungsanforderungen bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten zu erreichen. Gleichzeitig kann die elektrische Erregerspule die Nachteile der Entmagnetisierung und des Abwürgens des Permanentmagneten bei hoher Temperatur beseitigen, und die Feldschwächung kann durch Reduzierung des Erregerstroms bei hoher Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsänderung durch Steuerung realisiert werden die Anregungsintensität und die Sicherheit sind ebenfalls besser. Genau das leistet der magnetlose Motor der fünften Generation von BMW.
Der größte Unterschied zwischen Elektroerregermotor und Permanentmagnetmotor ist der Rotor. Das Prinzip des ersteren besteht darin, dem Rotor Spulen hinzuzufügen und die Kohlebürstenvorrichtung zum Einleiten des Erregerstroms zu verwenden. Dies hat jedoch ein neues Problem mit sich gebracht: Die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Kohlebürste wird einen großen Einfluss auf die Arbeitseffizienz des Motors haben.
Drittens ist auch der Weg der gemischten Anregung prinzipiell realisierbar. Unter der Voraussetzung, einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, ändert dieser neue Motortyp die Topologiestruktur und das Hauptmagnetfeld wird von zwei Erregerquellen erzeugt, um Regelung und Steuerung zu realisieren und die Geschwindigkeitsregelung, Antriebsleistung oder Spannungsregelungseigenschaften des Motors zu verbessern . Das heißt, der Permanentmagnet verwendet keine Seltenerdmaterialien, sondern Ferrit und fügt dann etwas elektrische Erregung usw. hinzu. Diese Lösung weist jedoch schlechte magnetische Eigenschaften und eine begrenzte Arbeitseffizienz auf. größer und schwerer.
„Natürlich können wir immer noch nicht ausschließen, dass Tesla einen großen Durchbruch bei neuen Materialien geschafft hat; wenn nicht, halte ich die erste dieser drei Lösungen für die wahrscheinlichste.“ Es gibt amerikanische Unternehmen, die eine Lösung für den Einsatz von „null“ schweren Seltenen Erden in Motoren entwickeln können. Ich glaube, dass dies keine schwierige Herausforderung für Tesla ist.
Der Status des Permanentmagnetmotors ist noch nicht erschüttert
Im Zeitalter der Automobilelektrifizierung wurden neue Anforderungen an die Entwicklung von Batterien, Motoren und elektronischen Steuerungen gestellt. In welche Richtung wird sich der Motor in Zukunft entwickeln? Da das Streben des Marktes nach Fahrzeugleistung immer stärker wird, ist der Allradantrieb für viele Hochleistungsautos zu einer High-End-Konfiguration geworden, und immer mehr Automobilhersteller setzen auf biaxiale Motoren. Wie wählt man zwischen Permanentmagnetmotor und Induktionsmotor?
Chen Jing, Direktor der Motorenentwicklungsabteilung von Founder Motors, sagte Reportern, dass er kürzlich nach umfassender Kommunikation mit Branchenexperten in einer Arbeitsbesprechung zu einem übereinstimmenden Schluss gekommen sei: Permanentmagnetmotoren seien immer noch der Mainstream auf dem Markt.
„Permanentmagnet-Synchronmotoren sind seit langem weit verbreitet und haben eine jahrzehntelange Entwicklungsgeschichte. Zuerst wurden Ferritmaterialien verwendet, und die Energiedichte beträgt nur 1/2 bis 1/3 der Energiedichte von Seltenerd-Permanentmagneten.“ Daher begann die Industrie ab etwa dem Jahr 2000, Seltenerdmaterialien zu Permanentmagneten hinzuzufügen, was die Energiedichte des Motors erheblich verbesserte.“ Niu Mingkui erzählte Reportern. Er glaubt, dass der Entwicklungstrend von Produkten untrennbar mit den Eigenschaften der Technologie selbst verbunden ist. Gemessen an der aktuellen Motorleistung sind die Vorteile von Seltenerd-Permanentmagnetmotoren bei anderen Motortypen unübertroffen, so dass sie für die meisten New-Energy-Fahrzeuge immer noch die erste Wahl sein werden, insbesondere wenn sie als Hauptantriebsmotor verwendet werden.
Es versteht sich, dass Permanentmagnetmotoren im Vergleich zu anderen Motortypen über eigene Magnetfelder verfügen, keine Erregung benötigen, keine entsprechenden Verluste aufweisen, ein maximales Drehmoment liefern können und eine hervorragende Übertragungseffizienz aufweisen. Gleichzeitig können sie eine geringe Größe und ein geringes Gewicht erreichen, was zu erheblichen Einsparungen führt. Allerdings lässt es sich bei hohen Temperaturen leicht entmagnetisieren und die Geschwindigkeit kann nicht in Echtzeit angepasst werden.
Elektrische Erregermotoren und Induktionsmotoren verwenden keine Seltenerdmaterialien, wodurch Kosten gespart werden, es gibt jedoch auch offene Probleme. Die Rotorstruktur eines elektrisch erregten Synchronmotors ist kompliziert und es gibt eine Schleifring-Kohlebürstenvorrichtung, die eine geringe Zuverlässigkeit aufweist. Die Kohlebürste muss regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden und die Wartungskosten sind hoch. Der Induktions-Wechselstrommotor erzeugt ein induziertes Magnetfeld, indem er das Magnetfeld unterbricht, sodass die Magnetkraft eine Hysterese aufweist. Der Induktions-Wechselstrom-Asynchronmotor weist jedoch eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung auf und wird derzeit häufig als Kombinationskonfiguration mit Allradantrieb verwendet. Beispielsweise verwendet das Tesla Model 3 einen Induktions-Wechselstrommotor in Kombination mit einem Permanentmagnetmotor als Vorderachsmotor eines Fahrzeugs mit Allradantrieb. Weilais Modell ist das Gegenteil von Modell 3 und verwendet eine Kombination aus einem Permanentmagnet-Synchronmotor am Vorderrad und einem AC-Asynchronmotor am Hinterrad. Kombiniertes Programm.
In diesem Zusammenhang erklärte Niu Mingkui: „Obwohl der Induktionsmotor auch die gleiche Arbeitseffizienz wie der Permanentmagnetmotor erreichen kann, erhöht er die Menge anderer Materialien wie Kupfer und Siliziumstahl und ist außerdem größer, schwerer und.“ nimmt mehr Platz ein. Daher verwendet die aktuelle Industrie selten Asynchronmotoren als Hauptantriebsmotor.
Chen Xiaoyong, Produktmanager von Wolong ZF Automotive Motor Co., Ltd.,sagte Reportern unverblümt, dass Teslas Rede eine Spielerei zu sein schien, aber keine großen Auswirkungen auf inländische Automobilunternehmen hatte. „Alle sind sich einig, dass der Mainstream der inländischen New-Energy-Fahrzeugmotoren immer noch Permanentmagnetmotoren sind und die Effizienz von elektrischen Erregermotoren und Induktionsmotoren nicht mit ihnen verglichen werden kann. Der weltweite Gehalt an seltenen Erden ist ausreichend und wird wahrscheinlich nicht beeinträchtigt.“ „In kurzer Zeit konnten wir Permanentmagnetmotoren entwickeln“, sagte er.
Auch viele Brancheninsider sind dieser Meinung. Nach Ansicht von Huo Congchong wird der chinesische Automobilmarkt noch mindestens zehn Jahre lang von Permanentmagnetmotoren dominiert werden. In diesem Bereich gibt es keine Lieferkettenkrise, und inländische Motoren für neue Energiefahrzeuge verwenden tendenziell auch weniger schwere Seltene Erden, und die Kosten sinken weiter. , die Vorteile werden immer deutlicher.
Die gesamte Automobilindustrie reduziert den Einsatz schwerer Seltener Erden, seltene Erden werden jedoch nicht eingesetzt. In einem Interview mit Reportern,Gong Jun, ein Experte für Motorverantwortung der nationalen Spezialexpertengruppe für Schlüsseltechnologie für neue Energiefahrzeuge, wies darauf hin, dass Chinas Minenproduktion ausreichend sei und daher kein Grund zur Sorge bestehe.Gleichzeitig kann die Industrie mit der Entwicklung des Dysprosium-Infiltrationsverfahrens die Menge an schweren Seltenen Erden reduzieren. Derzeit wird Tesla nicht auf den Permanentmagnetmotor verzichten, sondern höchstens darüber nachdenken, wie auf den Einsatz schwerer Seltener Erden verzichtet werden kann.
„Viele ausländische Unternehmen konnten nur leichte Seltene Erden für Motoren verwenden, aber aus Sicht der Marktbedingungen akzeptieren inländische Kunden die schwere Seltene Erden-Lösung nicht sehr; außerdem wird diese Lösung Entmagnetisierungsprobleme haben, was zu geringeren Kosten führt Effizienz. Es ist ein Problem, das gelöst werden muss.“ Huo Congchong erzählte Reportern.
Seltene Erden sind kein Engpass mehr
Die gesamte Automobilindustrie hat begonnen, sich in Richtung der Reduzierung seltener Erden zu entwickeln, insbesondere der Reduzierung des Einsatzes schwerer seltener Erden. Niu Mingkui sagte, dass die Reserven und Preise von schweren Seltenen Erden und leichten Seltenen Erden sehr unterschiedlich seien. Beispielsweise beträgt der aktuelle Marktpreis für Praseodym und Neodym mehr als 700,000 Yuan/Tonne, für Terbium sind es sogar mehr als 20 Millionen Yuan/Tonne, und die Kosten für Lanthan und Cer der seltenen Erden sind niedriger. Zehntausende Yuan / Tonne. Daher hat die Industrie gute Ergebnisse bei der Förderung der Eliminierung schwerer Seltener Erden und der Reduzierung der Menge an leichten Seltenen Erden, Praseodym und Neodym erzielt.
„Genau wie beim bisherigen Leichtbau von Automobilen erhält das Fahrzeug durch die Reduzierung der Stahlplattendicke, die Reduzierung des Leergewichts und die anschließende Verbesserung des Strukturdesigns oder des Schweißprozesses eine bessere Steifigkeit, was die Sicherheit nicht verringert, aber auch effektiv erreicht.“ geringes Gewicht. Quantifizierung. Nun ist die Idee, seltene Erden in Motoren zu reduzieren, dieselbe.“ Niu Mingkui erklärte weiter.
Der Reporter erfuhr, dass sich die Verwendung von Motormaterialien mit der Weiterentwicklung der Technologie stark verändert hat. Chen Jing sagte gegenüber Reportern: „Als wir zum ersten Mal magnetische Materialien zur Herstellung von Magneten verwendeten, vermischten und brannten wir Seltenerdelemente und Materialien auf Eisenbasis, sodass das gesamte Seltenerdmaterial gleichmäßig in den Magneten verteilt war. Aber tatsächlich ist der Permanentmagnet synchron.“ Motor Das Prinzip der Entmagnetisierung bestimmt, dass der Gehalt an schweren Seltenen Erden im Oberflächenbereich des Magnetstahls erhöht werden muss und der Gehalt an schweren Seltenen Erden im zentralen Bereich niedrig und nicht gleichmäßig verteilt sein sollte. Traditioneller Magnetstahl verwendet a Es handelt sich um einen einheitlichen Sinterprozess, bei dem tatsächlich ein großer Teil schwerer Seltenerdmaterialien verwendet wird. Dabei hat es nicht seinen gebührenden Wert entfaltet.“
In den letzten Jahren konnten aufgrund des Fortschritts im Herstellungsprozess die Oberfläche und das Innere des Magnetstahls unterteilt werden, und die Korngrenzendiffusionstechnologie wird verwendet, um die magnetischen Eigenschaften der Magnetoberfläche zu reparieren und zu verbessern. Es wird berichtet, dass japanische Forscher zunächst das Konzept der „Korngrenzendiffusion“ vorgeschlagen haben und dabei ein spezielles Verfahren verwenden, um schwere Seltene Erden nur an der Korngrenze und nicht in das Korn diffundieren zu lassen, was nicht nur die Leistung von NdFeB-Materialien verbessert, sondern auch Die Gesamtmenge an schweren Seltenerdelementen reduziert die Materialkosten erheblich. Auch die inländische Korngrenzendiffusionstechnologie hat sich rasant weiterentwickelt und ist fast zur Standardkonfiguration neuer Produkte geworden, wodurch die Menge an schweren Seltenen Erden erheblich reduziert wird. Unvollständigen Statistiken zufolge kann Founder Motor durch ein gezielteres Verbreitungsschema für die Auswahl von Magnetstahl den Einsatz schwerer Seltener Erden jedes Jahr um 20 bis 30 Prozent reduzieren, bisher ist dies um fast 50 Prozent gelungen. „Allerdings gibt es keine klare Lösung dafür, ob der Einsatz schwerer Seltener Erden bis zu einem gewissen Grad nahezu Null sein wird, da schwere Seltene Erden für die Verbesserung der Leistung von Magnetstahl, der Vibrationsdämpfung und der Hochtemperaturbeständigkeit wertvoll sind.“ Sie können kurzfristig nicht vollständig ersetzt werden“, betonte Niu Mingkui.
Nach Ansicht von Gong Jun hat der technologische Fortschritt im Bereich der Anwendungen seltener Erden ein relativ hohes Niveau erreicht und ist nicht mehr das Kernziel der Forschung. Ausländische Unternehmen arbeiten an Lösungen, die keine oder keine seltenen Erden enthalten, so dass kein Grund zur Sorge um den Bestand an seltenen Erden besteht.
Tatsächlich entwickeln viele Unternehmen die Herstellungstechnologie für kostengünstige gesinterte NdFeB-Magnete mit Lanthan- und Cerzusatz, um der Marktnachfrage nach kostengünstigen Seltenerd-Permanentmagneten mit einstellbarem Fluss gerecht zu werden. Kornverfeinerung, Korngrenzendiffusion und Korngrenzenregulierung sowie andere Technologien wurden ebenfalls häufig in der Massenproduktion eingesetzt, um die Menge an Terbium und Dysprosium der schweren Seltenen Erden zu reduzieren und dadurch die Rohstoffkosten des Produkts zu senken.
„Früher waren alle sehr verstrickt. Obwohl mein Land über die Vorteile seltener Erden verfügt, befürchtet es, dass die Preisschwankungen bei der tatsächlichen Nutzung zu groß sein werden und die Innovation von Materialien und Prozessen auch durch das Preisniveau seltener Erden eingeschränkt wird.“ Erden. Der aktuelle Trend geht dahin, das Volumen der Motoren zu reduzieren. Auch die Menge an schweren Seltenen Erden wird abnehmen.“, sagte Gong Jun.
Diesbezüglich analysierte Niu Mingkui es auch unter drei Aspekten: Erstens sind die weltweiten Seltenerdreserven ausreichend, sodass überhaupt kein Grund zur Sorge besteht; Zweitens ist unter den aktuellen technologischen Entwicklungsbedingungen der Einsatz seltener Erden in Motoren viel geringer als zuvor und der Grad der Abhängigkeit von seltenen Erden. Noch einmal ist es erwähnenswert, dass mit der Entwicklung der Motorenrecyclingindustrie die seltenen Erden Materialien aus Altmotoren können technisch gereinigt und nahezu zu 100 Prozent recycelt werden, was auch eine wichtige Quelle für seltene Erden darstellt. „Die Seltenerdmaterialien, die in der Vergangenheit für die Herstellung eines Motors benötigt wurden, könnten in Zukunft für die Herstellung von zwei neuen Motoren verwendet werden.“ Er sagte, dass, da der Markt für Fahrzeuge mit neuer Energie in Zukunft weiter wächst, das Recycling von Kraftfahrzeugen eine wichtige Quelle für Seltenerdmaterialien sein könnte. Es wird auch erwartet, dass „Seltene Erden „Dafeng“ früher als geplant realisiert werden. Zu diesem Zeitpunkt seltene Erden Materialien können ein organisches dynamisches Gleichgewicht erreichen, genau wie Fahrzeuge mit neuer Energie.
