如何制造不含稀土元素的电动汽车电机

这种困境很容易描述。全球应对气候变化的努力取决于大幅摆脱化石燃料。要做到这一点，就需要电气化交通，主要是从内燃机车辆转向电动传动系统车辆。这种巨大的转变将不可避免地意味着更多的电力牵引电机的使用，几乎所有的牵引电机都依赖于含有稀土元素的磁铁，当它们的矿石被提取出来然后加工成工业上有用的形式时，会导致严重的环境退化。对于中国以外的汽车制造商来说，还有一个额外的威慑力：现在大约90%的加工稀土元素来自中国，因此对于这些公司来说，对稀土的依赖增加意味着关键供应链的脆弱性越来越大。
在这种背景下，人们正在大力设计和测试不使用稀土元素（或使用相对较少稀土元素）的先进电动汽车（EV）电机。几乎所有工业化国家的政府机构、公司和大学都在努力应对这一挑战，通常是通过合作努力。在美国，这些举措包括该国国家实验室的长期努力，以开发不使用稀土元素的永磁体和电机设计。此外，在去年11月宣布的合作中，通用汽车和Stellantis正在与一家初创公司Niron Magnetics合作，开发基于Niron的无稀土永磁体的电动汽车电机。去年3月，另一家汽车制造商特斯拉（Tesla）震惊了观察家，当时一位高级官员宣布，该公司的“下一个驱动单元”将基于永磁体，但不会使用“稀土元素”。在欧洲，一个名为Passenger的财团包括来自工业界和学术界的20个合作伙伴，致力于开发用于电动汽车的无稀土永磁体。

近十年来，我们一直在田纳西州的橡树岭国家实验室（ORNL）从事牵引电机设计的磁性和其他方面的工作，该实验室是美国电动汽车先进电机研究中心。作为美国能源部美国驱动技术联盟的一部分，我们与来自国家可再生能源实验室、艾姆斯实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的同事一起，一直在研究先进的电机概念。该小组还包括桑迪亚国家实验室、普渡大学和伊利诺伊理工学院。
通过所有这些活动，您会认为工程师现在已经对无稀土电动机的可能性有了深入的了解。他们确实做到了。我们和其他研究人员正在评估不使用稀土元素的有前途的永磁材料，我们正在评估最好地使用这些材料所需的可能的电机设计更改。我们还在评估完全不使用永磁体的先进电机设计。最重要的是，用非稀土磁铁代替稀土磁铁是有代价的：电机性能下降。但是，设计、制造和材料方面的创新将能够抵消——甚至可能完全抵消——这种性能差距。已经有一些关于创新型电机的诱人结果的报道，据说其性能与最好的永磁同步电机相当。

为什么稀土能制造出最强大的电动机
稀土元素（我们工作的人通常将其称为稀土元素）具有独特的特性，使它们成为许多形式的现代技术不可或缺的元素。其中一些元素，如钕、钐、镝和铽，可以与铁和钴等铁磁元素结合，产生不仅具有高磁性而且具有很强抗退磁性的晶体。通常用于衡量磁铁这些重要品质的指标称为最大能量积，以兆高斯奥斯特 （MGOe） 为单位。迄今为止发明的最强和商业上最成功的永磁体是钕铁硼，其能量积在 30 到 55 MGOe 范围内。
对于基于永磁体的电动机，其磁体越强，电动机的效率、紧凑性和轻量化就越高。因此，当今性能最高的电动汽车电机都使用钕铁硼磁铁。然而，巧妙的电机设计可以缩小基于稀土永磁体的电机与基于其他类型磁体的电机之间的性能差距。要了解如何操作，您需要更多地了解电动机。
 

电动汽车中最常见的牵引电机类型是内部安装永磁同步电机。转子内部的永磁体与定子中的电磁铁绕组产生的旋转磁场相互作用，定子绕着转子。橡树岭国家实验室

电动机有两种基本类型：同步电动机和感应电动机。大多数现代电动汽车使用一种同步电机，其转子配备永磁体。感应电机仅使用电磁铁，因此本质上不含稀土。但如今，尽管美国、欧洲和亚洲的几个研发项目正在尝试改进感应电机，但它们的性能通常无法与永磁同步电机相提并论，因此它们目前尚未用于大多数电动汽车车型。
术语“同步电机”是指电机的转子（转动的部分）与定子（保持静止的部分）产生的变化磁场同步旋转的事实。在转子中，永磁体嵌入在结构周围的圆圈中。在定子中，同样呈圆形排列，电磁铁一个接一个地用电脉冲，以建立旋转磁场。这个过程使转子磁铁和定子磁铁依次相互吸引和排斥，产生旋转和扭矩。
同步电机也分为几类。两种重要的类型是表面贴装永磁同步电机和同步磁阻电机。在前一组中，永磁体安装在转子的外表面上，由于定子和转子的不同部分吸引或排斥而产生扭矩。另一方面，在同步磁阻电机中，转子根本不需要永磁体。使电机旋转的是一种称为磁阻的现象，它是指材料与通过它的磁通量的阻力有多大。铁磁材料具有较低的磁阻值，并且倾向于与强磁场对齐。利用这种现象使磁阻电机中的铁磁转子旋转。（一些磁阻电机还使用永磁体来辅助旋转。）
如果电机主要依赖于定子和转子磁场之间的相互作用，则称为永磁主导电机。另一方面，如果它取决于磁阻差异产生的扭矩，则它是永磁辅助电机。两种类型的扭矩（由永磁体的吸引和排斥产生的扭矩以及由磁力线沿最小磁阻路径流动的趋势产生的扭矩）的组合使用是工程师使用的关键策略，这些扭矩努力在不太依赖稀土磁体的电机中实现高性能。
用非稀土磁铁代替稀土磁铁是有代价的：电机性能下降。但是，电机设计、制造和材料方面的创新将能够抵消甚至完全抵消这种性能差距。
目前将两种扭矩结合在一起的最常见的电机类型是内部安装永磁电机，其中嵌入转子内的永磁体增加了磁阻转矩。许多商用电动汽车制造商，包括通用汽车、特斯拉和丰田，现在都使用这种类型的转子设计。

丰田普锐斯的电机设计强调了这种方法的有效性。在这些电机中，磁铁质量在 13 年内显着下降，从 2004 年普锐斯的 1.2 公斤下降到 2017 年普锐斯的约 0.5 公斤。雪佛兰 Bolt 电机也发生了同样的情况，与其前身雪佛兰 Spark 的电机相比，磁铁材料的整体使用量减少了 30%。

充分利用不含稀土的永磁体
但是完全摆脱稀土元素呢？在这里，有两种可能性：在旨在充分利用它们的电机中使用不含稀土元素的永磁体，或者使用完全省去永磁体的电机，转而使用电磁铁。
要了解特定的不含稀土元素的永磁体是否适合用于强大的牵引电机，您必须考虑永磁体的几个附加特性：剩磁和矫顽力。首先，回想一下用于比较不同永磁材料强度的指标：最大能量积。这三个参数（最大能量积、剩磁和矫顽力）在很大程度上表明了永磁材料在电动机中的性能。
剩磁表示磁体磁体磁场被抽出后，磁强度（通过力线的密度测量）留在永磁体中。剩磁很重要，因为没有它，你就不会有永磁体。材料的剩磁越高，产生扭矩的磁吸引力和排斥力就越强。
永磁体的矫顽力是衡量其抗退磁能力的指标。矫顽力值越高，用外部磁场使磁铁退磁的难度就越大。对于电动汽车牵引电机，最佳永磁体（如钕铁硼）具有高最大能量积、高剩磁和高矫顽力。没有不含稀土元素的永磁体具有所有这些特性。因此，如果您用电机中的铁氧体磁铁代替钕铁硼磁铁，则可以预期扭矩输出会降低，并且还必须接受磁铁在运行过程中退磁的更大风险。
 

橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的作者建造的实验电机没有使用任何重稀土元素。钕铁硼永磁体安装在转子的外表面。这些磁铁由围绕铜色定子绕组的蓝绿色块环表示。为了节省空间，电机的逆变器和控制电子设备安装在定子内。橡树岭国家实验室

电机工程师可以通过设计同时利用永磁体和磁阻的电机来最小化差异。但是，即使采用高度优化的设计，基于铁氧体磁铁的电机也要重得多，如果要达到与稀土磁铁电机相同的性能，可能会重到三分之一或更多。
从铁氧体磁体中榨取最大性能的一种技术是将来自这些磁体的磁通量集中在最大程度上。这类似于通过漏斗的流动水：水在狭窄的开口中移动得更快。研究人员已经制造了这种机器，称为辐条铁氧体磁铁磁体电机，但发现它们比基于稀土磁铁的同类电机重约30%。还有更多坏消息：辐条式电机的制造可能很复杂，并且会带来机械挑战。
一些设计师建议使用另一种非稀土磁铁，一种由铝镍钴合金制成的磁铁，称为铝镍钴合金，通常用于关闭冰箱门的磁铁。虽然铝镍钴磁铁具有高剩磁，但它们的矫顽力相当低，使它们容易退磁。

为了解决这个问题，一些研究人员研究并设计了可变磁通记忆电机，它使用电流的磁化分量来帮助产生扭矩，从而有效地防止磁铁在运行过程中退磁。此外，艾姆斯实验室的研究人员已经表明，铝镍钴磁铁在保持高剩磁的同时可以增加矫顽力。
最大能量积、剩磁和矫顽力这三个参数在很大程度上表明了永磁材料在电动机中的性能。
最近，人们非常关注一种新型永磁材料氮化铁（FeN）。这种磁铁由Niron Magnetics生产，具有高剩磁，相当于稀土磁铁的剩磁，但与铝镍钴合金一样，矫顽力低，约为同类钕铁硼磁铁的五分之一。由于这些根本不同的特性，FeN磁体需要开发新的转子设计，这可能类似于过去的铝镍钴电机。Niron现在正在与包括通用汽车在内的汽车合作伙伴一起开发此类设计。
在讨论未来电机时，另一种不含稀土元素的永磁材料是锰铋（MnBi），它一直是匹兹堡大学、爱荷华州立大学和Powdermet公司合作研究的主题 使用MnBi磁铁的同步电机。这些磁体的剩磁和矫顽力高于铁氧体磁体，但低于钕铁硼（NdFeB）。研究人员发现，MnBi磁体电机可以产生与钕铁硼磁体电机相同的扭矩输出，但有很大的妥协：体积增加了60%，重量增加了65%。从好的方面来看，研究人员建议用MnBi磁铁代替钕铁硼磁铁可以将电机的总体成本降低32%。
降低电机中稀土含量的另一种策略是消除其中一些磁体中使用的重稀土元素。例如，钕铁硼磁体通常含有少量的重稀土元素镝，用于增加其在高温下的矫顽力。（重稀土金属的供应量通常低于轻稀土，如钕。不使用它们的摩擦是高温矫顽力会受到影响。
因此，设计这种电机的主要挑战是保持转子冷却。去年，在橡树岭国家实验室， 我们开发了一种100千瓦的牵引电机，其磁铁中不使用重稀土元素。另一个不错的功能是它的电力电子元件集成在其中。这些电力电子设备包括逆变器，它从电池中获取直流电，并以适当的频率为电机提供交流电以驱动机器。

在防止磁铁过热方面，我们面临着几个基本挑战。你看，永磁体是良导体。当电导体在磁场中移动时，这是转子磁铁在电机运行时所做的，其中会感应出电流。这些电流对扭矩没有贡献，会加热磁铁并使其消磁。减少这种加热的一种方法是通过使磁铁由彼此电绝缘的细段组成来破坏循环电流的路径。在我们的电机中，这些部分中的每一个只有 1 毫米厚。
我们选择使用一种称为N50的钕铁硼磁体，该磁体可以在高达80°C的温度下工作。 此外，我们需要使用碳纤维和环氧树脂系统来加固转子的外径，使其以高达 20,000 rpm 的速度旋转。在分析了我们的电机原型后，我们发现在以最大速度运行时，有必要强制空气通过电机以降低其温度。虽然这并不理想，但这是一个合理的折衷方案，可以避免在设计中使用大量稀土元素。

先进电机的新方法
制造完全缺乏稀土元素的强大电机的近期最有吸引力的选择可能是制造具有配备电磁铁（即线圈）的转子的同步电机，无论是否包含铁氧体磁铁。但这样做需要你以某种方式将电流传递到那些旋转的线圈。
传统的解决方案是使用碳刷与旋转的金属环（称为滑环）进行电接触。这种技术允许您向转子施加直流电以为其电磁铁供电。然而，这些电刷会产生灰尘，并最终磨损，因此这些电机不适合用于电动汽车。
为了解决这个问题，工程师们设计了所谓的旋转变压器或励磁器。它们采用电感式或电容式系统将功率无线传输到旋转转子。与传统的永磁同步电机相比，这些电机具有很大的优势，即只需控制转子电磁铁的电流即可精确调节转子的磁场。这反过来又允许一种称为磁场弱化的技术，该技术允许在广泛的工作速度范围内保持高效率。
 

在产生扭矩的方式上，同步电动机类型可以被认为是存在于两个不同极端之间的连续体上。该图表的左上角是表面永磁电机，它仅通过转子中的永磁体和定子中的电磁体之间的相互作用产生扭矩。右下角是同步磁阻电机，它通过利用一种完全不同的现象——磁阻来产生扭矩，磁阻是指材料与通过它的磁通量的阻力有多大。大多数电机设计通过结合这两种扭矩来最大化扭矩。橡树岭国家实验室
最近一个值得注意的例子是汽车供应商采埃孚集团（ZF Group）制造的电机。去年，该公司宣布已经生产出一种同步电机，其中转子中的电磁铁由安装在机器转子轴内的感应系统提供动力。据该公司官员称，220 kW电机的功率密度和效率特性与目前用于电动汽车的钕铁硼永磁电机相当。
新材料还有助于弥合稀土磁铁和非稀土磁铁电机之间的差距。例如，以其卓越的磁性而闻名的高硅钢成为转子结构的有前途的候选者，具有提高无稀土电机磁效率的潜力。同时，使用高导电性铜合金或超导铜线可以大大降低电损耗，提高整体性能。例如，将铜的电导率提高一倍，可以使某些电机的体积减少30%。这些材料的战略整合可以大大缩小含稀土和不含稀土的电机之间的性能差距。
GE Aerospace 开发的双相磁性材料是可以产生重大影响的先进材料的另一个很好的例子，它可以在特定区域非常强烈地磁化或根本不磁化。通过有选择地使转子的某些部分成为非磁性的，GE航空航天团队证明，几乎可以消除所有漏磁，这反过来又使他们能够放弃在电机中使用稀土永磁体。

工程师将如何引导向无稀土电机的过渡
电动汽车向无稀土电机的过渡是一项重大而关键的工程工作。这将是困难的，但研究开始产生有趣和令人鼓舞的结果。很快将有多种设计可用，唉，有一系列复杂的权衡。电机重量、功率密度、成本、可制造性和整体性能动态都将是重要的考虑因素。毫无疑问，市场上的成功将取决于一系列同样复杂的经济因素，因此很难预测哪些设计将占主导地位。
然而，越来越清楚的是，无稀土电机有朝一日将成为主流是完全可行的。这一结果将需要继续作出协调一致的努力。但是，我们认为工程师没有理由不驾驭这种转变的复杂性，确保下一代电动汽车更加环保。在ORNL和其他地方，支持人工智能的电机设计工具正在加速这些不含稀土元素的电机的开发。
如今，稀土磁体的大规模使用以技术利益与环境和道德考虑相悖的论点为标志。很快，这些论点就不那么重要了。
我们还没有到那一步。与任何重大技术转型一样，实现无稀土电机的旅程不会短暂或平坦。但这将是一段非常值得一游的旅程。