特斯拉无稀土电机又一个技术倒退的选择

　　作者 | 王凌方
　　编辑 | 邱锴俊
　　所谓成也萧何，败也萧何。
　　当初特斯拉Model 3从感应电机改用稀土永磁同步电机，成为拉动中国稀土价格上涨的标志性事件；如今，一句不用稀土，又让中国稀土价格急转直下。
　　3月2日，投资者日活动上，特斯拉宣称下一代电机将完全不使用稀土材料，随之A股市场稀土永磁板块重挫。
　　那么，特斯拉提出的无稀土电机会干掉稀土电机吗？
　　不会。
　　最起码在中国，稀土电机还是车用的主流方向。
　　就像当初马斯克从感应电机改回稀土永磁电机一样，现阶段，无稀土电机从性价比来看，并不是最优解。
　　稀土永磁电机是上世纪60-80年代才出现的先进技术。此前的160余年间，人类使用的都是非稀土电机。
　　不使用稀土，从某种意义上看，是技术的倒退。当然，就如同特斯拉用了高镍三元电池之后、又用磷酸铁锂电池一样，马斯克有他的理由。
　　01
　　无稀土电机历史悠久
　　在近200年的电机历史中，人类有差不多3/4-4/5的时间，都在使用无稀土电机，稀土永磁电机是上世纪60年代才发明的新技术路线。
　　19世纪20年代，世界上诞生的第一台电机就是永磁电机，其转子就是永磁体，利用磁体同性相斥、异性相吸的原理，让电机定子通电产生的磁场，与转子永磁体的磁场两者之间相互作用，使转子旋转。
　　但当时所使用的永磁材料并非稀土永磁材料，而是天然磁铁矿石，它的磁能密度很低，要想让电机达到使用要求，就要把电机制造得很大。
　　由于当时永磁电机过于笨重，实用性不强，很快就被电励磁电机所取代。
　　也就是说，从19世纪20年代到20世纪60年代，世界上主要应用的就是无稀土的电机，例如铁氧体永磁电机、励磁电机、感应电机等。
　　1967年，第一代稀土永磁材料钐钴被发明，因为含有战略金属钴和储量较少的稀土金属钐成本非常高，很难在民用领域普及，仅用于军工、航天等领域。
　　永磁电机命运的彻底改变，是1983年被称为＂磁王＂的第三代钕铁硼稀土永磁材料的问世。钕铁硼永磁材料不仅具有优异的性能、创纪录的高磁能积，而且它还以成本低、储量丰的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和稀缺的钐，被誉为 ＂现代永磁之王＂。
　　正是由于成本低、性能好，为其在民用领域的应用打下了基础，也成为永磁电机超越励磁电机的契机。
　　由于钕铁硼稀土永磁材料的意义非常重大，于1983年被列为世界十大重要科技成果之一。
　　02
　　性能不如稀土永磁电机
　　钕铁硼永磁材料的问世，基本断绝无稀土电机在新能源汽车上的应用前景。
　　一家知名电驱供应商的负责人李先生向《电动汽车观察家》具体介绍说，目前，无稀土电机主要分为异步感应电机、同步磁阻电机、机械式外励磁同步电机和感应式外励磁同步电机等。
　　在李先生看来，异步感应电机虽然新能源汽车上已有应用，但它功率密度比较低，效率一般，体积大，一般被用做辅助驱动。比如在早期用在特斯拉Model S和Model 3车型中。后期特斯拉大规模改用稀土永磁同步电机。
　　同步磁阻电机，主要在工业中应用，如纺织、风机水泵、传送带、交通运输等等，考虑到此种电机运行转矩脉动和噪声大，NVH效果差，电机效率低、体积大且笨重，目前的技术还不适合运用在新能源汽车 。
　　还有机械式外励磁同步电机，是励磁通过传统碳刷和滑环传输电能到转子线圈从而产生磁场。在工业中已有广泛应用，新能源汽车也已有应用，比如宝马iX3。
　　但是机械式励磁带来了诸多问题，比如机械磨损，产品周期内需要维护，机械式励磁提升了高性能电机的设计难度，目前只在少数汽车厂家应用。
　　此外，还有感应式外励磁同步电机，励磁通过非接触式电能传输到转子线圈从而产生磁场。由于独特的励磁能量无线传输，机械式励磁带来的各种弊端也同时被消除。
　　不过，也有专家表示，电励磁电机的励磁磁场来源于励磁电流，在气隙磁通密度基波幅值相同的前提下，电励磁电机的转子侧质量和体积会超过永磁电机，导致电励磁电机的转矩和功率密度不高。
　　而稀土永磁体电机的综合性能就优异很多。
　　例如，钕铁硼永磁材料兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和矫顽力以及很大的磁能积。 稀土永磁的最大磁能积比铝镍钴的大5~8倍；比铁氧体的大10~15倍；在同样的有效体积条件下，比电励磁的大5~8倍，仅次于超导励磁。钕铁硼永磁材料的退磁曲线几乎是一条直线，回复曲线与退磁曲线基本重合，可逆磁导率接近于1.0，抗去磁能力强。
　　用哈尔滨理工大学博导教授蔡蔚的话说，在工况以低速轻载为主的汽车上应用，目前还没有综合性能（包括体积和可靠性等）明显比稀土永磁电机更好的电机。
　　当然我们可以期待特斯拉拿出更先进的技术，但目前来看，大部分还是在原有技术上进行改进，稀土电机和非稀土电机都在进步，但并未看到明显更优技术的迹象。
　　03
　　放弃＂稀土＂最优解
　　所以，就性能而言，特斯拉选择无稀土永磁电机或许是在倒退。
　　2012年特斯拉Model S上市时，搭载的就是感应电机。2017年，特斯拉推出的Model 3中开始转向使用永磁同步电机。
　　相比感应电机，永磁同步电机体积小更紧凑，效率高而有利于续航且更易控制，在Model Y中，特斯拉继续还在采用永磁同步电机方案。有数据显示，特斯拉Model 3使用的永磁电机比之前使用的感应电机效率提升了6%。
　　可见，感应电机具备成本低的优势，但同时也存在体积大、效率低而影响续航等缺点。
　　蔡蔚判断，特斯拉早期由感应电机切换至永磁同步电机，应该是为了提高效率，现在也可以回到原来的路线。
　　某国内电驱动供应商的相关负责人张先生对《电动汽车观察家》坦言，使用稀土永磁材料，电机效率可以达到97%，不用稀土可以到93%，但是成本可以减少10%，整体还是划算的。
　　或许特斯拉后期要推出的廉价新车Model 2/Q，会率先采用无稀土电机。
　　除了特斯拉，日本和欧洲车企也在试图摆脱稀土永磁同步电机，例如宝马、奥迪、日产、马勒，以及大陆集团等都开始研发、生产励磁电机。
　　总体来说，是两大原因，一是摆脱对稀土永磁材料的依赖，也就摆脱对资源依赖，以及开矿可能带来环保负担。
　　二是，技术原因，励磁电机兼顾效率和高速输出，由于励磁由转子绕组提供，励磁可调 ，因此无论在低速还是高速运行时都可根据运行工况提供合适的励磁，因此其高速、低速性能都比较优异。也可以理解为结合其余两种电机优点的电机。
　　也就是说，供应链和成本才是车企考虑的首要问题，如果可以，供应链上的主要产品最好自主可控。
　　据美国地质调查局（USGS）数据，截至2021年，以稀土氧化物（REO）储量作为统计口径，全球稀土资源总储量约为1.2亿吨，主要分布在中国、越南、巴西、俄罗斯等国，四国合计储量占全球总储量的86.4%，其中中国储量4400万吨，越南、巴西、俄罗斯储量均超过2000万吨。
　　目前，中国稀土储量占全球35.2%，开采量占全球58%，稀土消费量占全球65%，三方面都位列全球第一，是全球最大的生产国、出口国和应用国，占据主导地位。
　　新能源汽车已经成为稀土磁材的重要应用领域，数据显示，新能源汽车和电子工业等领域在全球稀土消费量中占比最高，达到35%。
　　中科三环董秘此前表示，就目前的平均情况而言，每台新能源汽车中钕铁硼永磁材料的用量大约在2.5公斤左右。据此计算，2025全球新能源汽车对稀土磁材的需求量将达3万吨。
　　与此同时，中国还在加严对稀土的管控。
　　2016年，工信部发布《稀土行业发展规划（2016－2020年）》，提出合理调控稀土开采、生产总量，到2020年稀土年度开采量控制在14万吨以内。同时，严厉打击稀土生产违法违规行为，严格市场准入制度，除六家大型稀土集团外不再新增采矿权。
　　2021年，工信部、自然资源部发布《关于下达2021年度稀土开采、冶炼分离总量控制指标的通知》，2021年度稀土开采、冶炼分离总量控制指标分别为16.8万吨、16.2万吨，较2020年增加约20%。此前意见稿中明确，未取得核准任何单位或者个人不得投资建设稀土开采、稀土冶炼分离项目，并为后续国内稀土开采和分离确立了一个总基调，即继续实行总量指标控制。
　　在特斯拉的带动下，钕铁硼材料成为新能源汽车驱动电机的主要材料，也成为推动稀土价格中枢抬升的重要力量。
　　在稀土总量控制下，稀土价格开始快速上涨的影响下，日本、欧美车企开始退而求其次，研发和使用无稀土电机。
　　04
　　中国车企没必要跟随
　　中国车企有没有必要跟随呢？先看看稀土的总量情况吧。
　　其实地球上的稀土元素并不罕见，稀土元素最丰富的是铈、钇、镧和钕，其地壳的平均丰度类似于常用的工业金属，如铬、镍、锌、钼、锡、钨和铅等。例如，地球上钕的含量约为铜的三分之二。
　　即使稀土元素中储量最小的两种稀土元素，它们的平均地壳丰富度也是黄金的近200倍。
　　稀土之所以贵，是因为因为稀土矿的品位低，提取过程复杂，容易污染环境。
　　稀土在世界范围内也不算很稀有，支撑新能源汽车发展是不存在问题的，而且全球储量丰富，不存在＂卡脖子＂问题。
　　因此，从性价比来看，目前对中国新能源车企来说，稀土永磁电机还是最佳选择。
　　国内多家新能源技术部负责人士就表示，从综合性能来看，目前如果不用稀土，势必会影响新能源汽车整车续航，而且还会带来重新验证等一系列麻烦，并不划算。
　　李先生也认为，永磁同步电机凭借高性能优势，会继续保持它在新能源主驱应用的地位。 无稀土和稀土永磁电机的选择，最终取决于整车实际的应用目标、定位，以及车企是否依赖稀土等一系列决策。
　　＂由于每种电机技术路线都有自己的优缺点，全球范围内目前来看稀土永磁电机的地位还不会被快速撼动。＂李先生表示。
　　在前述电驱动供应商张先生看来，中外在降低电机中稀土用量的目标上是一致的 。 ＂例如，电驱动企业一般也会通过提高电机的转速，来减小电机体积，从而减少稀土的用量。＂张先生说，＂毕竟所有行动和概念，最终目的都是为了降低成本嘛。＂
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