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总所周知,电机是电动汽车的核心系统,到目前为止,大部分电动汽车都配备了由稀土制成的永磁电机驱动的动力系统。它的优点非常的明显:能量密度大、运行可靠、调速性能好等等。近几十年以来,永磁材料已经经历了四代的发展,前三代的永磁材料都含有稀土元素,只有第四代铁氮(碳)永磁材料不含稀土元素,但仍处在研发阶段,距离产业化仍有一定的距离。特斯拉在此时放出下一代永磁电机不含稀土元素的消息,可能是在开发新的不含稀土的磁性材料上有所突破。
原因可能有以下几点,首先是出于降低成本的考虑,就像前文提到的不含稀土元素的永磁电机的制造成本能下降1000美元;其次就是出于供应链稳定性的考虑,众所周知,我国是世界上最主要的稀土出口国家,随着近期美国对我国高科技产业特别是芯片产业的封锁,我国很可能用限制稀土出口的方式进行反制;最后,极有可能是特斯拉借新技术来向稀土企业压价。
虽然目前业内的共识是永磁电机要去稀土化比较困难,特斯拉短时间内还无法摆脱对稀土的依赖。但是,特斯拉既然放出了这个消息,要实现它或许只是时间问题,我们不能用国内厂商的实现难度去推演特斯拉的实现难度,毕竟在材料学领域,我们与美国还是存在一定的差距的,我们暂时无法实现的,不代表别人也实现不了。既然别人已经在进行相关领域的研究,我们也不能够掉队,不管困难有多大,还是要紧跟行业最先进技术的研究步伐。
近年来,随着世界各国政府寻找减少碳排放和应对气候变化的方法,电动汽车行业一直在蓬勃发展。因此,对稀土金属,特别是钕的需求飙升。由于其出色的磁性,钕是永磁电机的关键部件,找到一种能够匹配或超过其性能的替代材料是一项具有挑战性的任务。特斯拉的宣布引发了人们对开发稀土永磁电机替代品的新兴趣和努力。如果成功,这不仅将改变电动汽车行业,也将影响风力涡轮机等,这些部门也严重依赖稀土永磁体。
中国制造的钕永磁体目前拥有80-90%的市场份额,日本也拥有钕永磁体加工技术,但其市场份额为10-15%。
制造不含稀土元素的电动机有不同的方法,目前这些方法成本高昂。一种方法是使用感应电机,该电机在交流电下工作,并使用定子绕组产生的电磁场来诱导转子中的电流。另一种方法是使用同步磁阻电机,该电机的转子没有绕组或磁铁,但依赖于定子和转子之间的磁通量线的对齐。第三种方法是使用开关磁阻电机,该电机有一个简单的转子,其突出极在通电时被定子极吸引。
1)Turntide Technologies是一家美国初创公司,为建筑物和车辆生产节能电动机。
Turntide Technologies的技术基于开关磁阻电机,该电机具有简单的转子,其突出极在通电时被定子极吸引。该公司声称,其电机比传统电机更节能、更可靠、更耐用,可以减少高达64%的电力消耗。该公司还使用一个名为智能电机系统的软件平台,该平台可以优化其电机的性能,并将其与基于云的分析和控制集成。
Turntide Technologies的电机主要用于建筑应用,如供暖、通风和空调(HVAC)系统、泵、风扇和压缩机。该公司拥有亚马逊、宝马、JLL和Five Guys2等客户。该公司还生产用于运输应用的电机,如商用车和超级跑车。该公司最近收购了两家总部位于英国的公司——Hyperdrive和BorgWarner的工程技术中心业务——以扩大其在运输领域的业务。
2)特斯拉在其一些型号(如Model S和Model 3)中使用感应电机。
感应电机在交流电上运行,并使用定子绕组产生的电磁场在转子中诱导电流。特斯拉最初在其车辆中使用感应电机,不需要稀土元素。然而,后来它在一些型号(如Model 3和Model Y)中改用永磁电机,这些型号使用钕、镝和钽等稀土元素。特斯拉没有透露太多关于如何实现无稀土永磁电机的细节,但稀土磁铁的一些可能替代品是铁氧体磁铁、阿尔尼科磁铁或钐钴磁铁。特斯拉还表示,由于提高了传动系统的效率,它已将当前Model 3驱动单元的稀土使用量减少了25%。
3)Mahle是一家德国汽车供应商,正在开发一种定子和转子之间没有接触的无磁铁电动机。
Mahle的技术基于一种新型的无磁铁电动机,不需要稀土元素。电机使用电感式功率传输,在没有接触的情况下,在电机内部的旋转部件和固定部件之间传输电流。这使得电机无磨损,免维护,适合高速运行。该电机的整体效率也高达95%,可与电动方程式赛车相当。
Mahle的电机旨在可扩展并适应不同的车辆类别和应用。该电机可用于混合动力和纯电动汽车,以及商用车和超级跑车。Mahle声称,通过避免使用稀土元素,其电机在成本、资源安全和环境兼容性方面具有优势。
4)英国公司YASA的技术基于轴向通量电机,其几何形状与传统的径向通量电机不同。
在轴向通量电机中,磁通量与旋转轴平行流动,而不是垂直于旋转轴。这允许更紧凑和轻巧的设计,以及更高的功率和扭矩密度。
然而,YASA声称,由于其有效利用磁通量及其分段电枢设计,其电机使用的稀土材料比其他永磁电机少80%。YASA还表示,其电机是可回收的,在使用寿命结束时可以回收高达95%的稀土材料。
凯邦新型高效无稀土磁阻电机通过增大电机交、直轴电感差异,提升磁阻转矩,使用铁氧体辅助提供永磁转矩;以磁阻转矩为主,可降低对永磁体的性能要求,实现无稀土化;有凸极性和反电势,适合无位置传感器驱动;不使用价格昂贵的永磁体,产品经济性和平稳性好,适合大规模生产。
目前已经在新能源客车中推广使用。2019年11月,格力将自主开发的新型无稀土磁阻电机技术专利授权给格兰富。
佳电股份是央企哈尔滨电气集团有限公司的控股子公司,继承了原佳木斯电机厂全部优质资产,延续了80余年电动机生产历史,是d和国家的第一座电机厂。
佳电股份副总经理郝奉孝表示,“我们在管理上进一步细化,在生产上不断进行优化调整,1月份创造有春节月份的历史最高88万千瓦产量。目前公司2月至3月份订单都已经处于饱满状态,我们会开足马力。
2019年11月8日互动消息,公司的开关磁阻电机和同步磁阻电机目前主要应用在风机、 水泵等调速类电机方面。就同步磁阻电机而言,我公司具备相应的系列化储备产品, 其研发能力也处于国内前列。
公司表示AC310变频器在开环矢量控制算法的技术上,可帮助同步磁阻电机轻松达到IE4及以上能效标准。
科汇电力自动化股份有限公司主营业务为包括智能电网故障监测与自动化、开关磁阻电机驱动系统等产品的研发。
孚日电机主营业务是生产和销售高效电动机。目前没有考虑进入新能源汽车电机生产,仍将主要市场放在工业用高效三相异步电动机和超高效 同步磁阻电动机领域,公司已经成功开发IE5超高效同步磁阻电动机,并已开始推向船用电机市场。
永磁电机目前是稀土下游最大的应用领域,而永磁电机下游需求最大的风电领域,占比约20%,其次就是新能源汽车,占比约为15%。
特斯拉作为全球最大的新能源汽车制造商,其对稀土材料的需求量也非常巨大。如果特斯拉能够实现无稀土永磁电机的目标,并推广到其所有车型上,肯定会对中国稀土产业造成一定的挑战,因为中国的稀土出口量中有相当一部分是用于制造永磁电机的。
如果特斯拉能够成功实现无稀土永磁电机,并且这种电机在性能、成本和可靠性方面都能达到甚至超过传统永磁电机的水平,那么其他汽车制造商也可能会效仿特斯拉,纷纷推出无稀土永磁电机,也将导致全球对稀土材料的需求量出现下降趋势,从而影响到全球稀土市场的供需关系和价格走势。
然而,这种影响并不会很大或很长久。虽然永磁电机是稀土材料的一个重要应用领域,但并不是唯一或最主要的应用领域,在航天、机械、电子、激光、陶瓷、合金制造、催化剂等众多领域,仍然有着旺盛且持续增长的需求。
根据美国地质调查局(USGS)公布数据显示,从全球储量来看,2022年全球稀土资源总储量约为1.30亿吨,中国储量为4400万吨(占比35.01%),越南储量为2200万吨(占比17.50%),巴西储量为2100万吨(占比16.71%),俄罗斯储量为2100万吨(占比16.71%),四国总计占全球储量的85.93%,其余国家占比14.07%。
从全球产量来看,2022年全球稀土矿产量为30万吨,其中,中国产量为21.0万吨,占全球总产量的70%;美国稀土产量为4.3万吨(占比14%),澳大利亚产量为1.8万吨(占比6%),缅甸产量为1.2万吨(占比4%)。
艾媒咨询分析师认为,无论是从所拥有稀土资源还是产量来看,我国都处于世界领先地位,相关产业具有重要的战略意义。随着双碳目标和“清洁能源”等环保理念得到国家政策支持,预计稀土材料的需求会大幅提升。
中国既是稀土供给大国,也是需求大国。中国的稀土供应自主可控,并在开采、冶炼、加工、应用等全产业链均有布局,形成了一个完整而成熟的产业链。从上游矿产开采,到中游的稀土材料深加工,再到下游的终端应用领域,其产品种类和质量都有着较高的水平和竞争力。
数据显示,2022年,我国稀土永磁累计注册企业为1964家。对于近期特斯拉“摆脱”稀土计划,多家A股稀土行业上市公司纷纷表示,稀土需求不会发生太大变动,稀土行业未来发展充满希望。
中科三环公开表示,从目前来看,稀土永磁电机依然是新能源汽车驱动电机的最优解。新能源汽车市场广阔,单一厂商是否使用稀土永磁电机短期内不会对整个行业产生根本性影响。任何一种永磁材料从研发到产业化应用,都有一段很长的路要走,目前还没有发现性价比更高的永磁材料。
广晟有色表示,目前行业最先进的晶界渗透技术仅可以减少镝、铽等中重稀土的添加量约50%-70%,特斯拉所谓的不使用稀土,并未说明其替代产品或者解决方案,同时行业内也没有其他可替代稀土的重大技术性突破。
金力永磁表示,钕铁硼稀土永磁技术从上世纪80年代发明到现在将近40年,正处于大规模应用而方兴未艾的发展阶段。目前,公司新能源汽车主要客户的订单规模未发生变化,公司经营正常。
此外,北方稀土认为,虽然随着科技的进步可以有替代的产品,但是目前并没有什么东西可以替代。
中信证券研报分析认为,近十年稀土永磁下游应用场景不断打开,传统需求如汽车、风电、变频空调、消费电子等稳健支撑,新兴需求如新能源车、工业节能电机、工业机器人等蓬勃发展,未来人形机器人、永磁磁浮轨道技术等需求潜在增长点或持续涌现,在新兴与传统需求双轮驱动下,稀土产业的长期成长性毋庸置疑。
