无稀土电机专家交流纪要–20230305

一、概要本周四马斯克提出接下来将采用无稀土电机，采用无稀土电机可能的目的主要有两个，一是规避材料垄断，二是降低电机成本。材料垄断方面，中国作为稀土大国，稀土储量占全球35%，2022年稀土出货量占全球70%。 稀土材料在欧美企业眼中不确定性极强，2010年-2011年稀土材料价格出现暴涨暴跌，以应用最广泛的稀土镝为例，当时短时间暴涨25倍，钕暴涨15倍。 稀土材料是一种战略材料，储量及产量主要由中国掌握，此外如果背后有资本操作，价格更不可控，因此该时期美国能源局便开始组织开发轻稀土或无稀土的电机。 降低电机成本方面，以某厂商目前在研的170千瓦，16000转，310牛米的电驱三合一为例，稀土材料采用748UH磁钢牌号，用量约1.5-1.6千克，磁钢成本约1000元，电驱三合一总成的总材料成本约6000元，永磁同步电机成本占总成本约1/6。 材料垄断非常制约新能源汽车发展，特别是欧美、日本的汽车企业，相较降低成本，以规避材料垄断为目的采用无稀土电机的可能性更高。现在汽车主要应用的稀土材料为钕、镝、铽。 工艺上现阶段主要采用晶界扩散工艺，尽量减少镝、铽的用量。 如采用钕铁硼作为基材，在表面采用晶界扩散方式减少钕铁硼磁钢稀土材料用量，但同样保证性能。 目前特斯拉磁钢主要应用的材料还是稀土材料，材料是引领工业革命的基础，短时间内不会发生太大变化。特斯拉提出无稀土电机的想法，如果想单纯从材料角度革新，可能性不大，主要应该关注技术方面。 从特斯拉近些年的发展及电机应用情况来看，其品牌成立之初主要采用交流感应电机，后逐渐发现永磁同步电机的性能、成本更优，目前采用永磁同步电机加交流感应电机使用方式为主。 如果特斯拉有比较好的方案，只要有产品推出，国内、国外的企业就会有后续的产品。 从电机生产加工过程来看，电机定转子硅钢片，采用硅钢、级进膜冲压成型，再通过叠压、焊接等流程形成定转子，只要有革新在相关领域，其他企业就可以很快跟进。 国内企业唯一一家应用无稀土电机的企业马威动力，其无稀土产品在乘用车、商用车和物流车上有应用，应用范围更偏向商用车、物流车，扭矩和系统经济性很差。 从现有电机技术路线来看，能够用在乘用车上应用的无稀土电机主要为交流感应电机、开关磁阻电机、永磁辅助同步磁阻电机。永磁辅助同步磁阻电机：永磁辅助同步磁阻电机相较永磁同步电机最大的区别在转子结构上。 现在的永磁同步电机强调高功率密度、高效、高转速，一般采用双V型、两个大小V结构形式在磁钢槽里插入稀土，但永磁辅助同步磁阻电机转子是多层的结构。 电机扭矩的组成形式主要是永磁转矩和磁阻转矩，如果把永磁体换成低牌号的磁钢，永磁转矩会大幅降低，而磁阻转矩增大空间有限。永磁转矩下降幅度过大情况下，若想保持扭矩、功率、转速相同，电机体积将大幅增加。 调速范围方面，现在170千瓦左右的永磁同步电机可达16000转。 通入三相电后，a相和b相之间有电压，当电压和实际的电池电压平衡以后，开始进入弱磁区间，进入弱磁区间后，加反向电流转速才能进一步提高。 对于磁钢来说，采用稀土材料，抗退磁性更好，加反向电流后，退磁后磁钢里磁轴的方向与充磁后磁钢里磁轴的方向相同，不会对电机性能造成影响。 永磁辅助同步磁阻电机抗退磁性能比较差，对磁钢、电机的性能会有所影响。从功率密度、调速区间来看，采用永磁辅助同步磁阻电机可能性不大。 交流感应电机：交流感应电机是特斯拉品牌成立之初采用的一种技术方案，Model3进入中国市场后，特斯拉把感应电机逐渐替换成永磁同步电机。 永磁同步电机和交流感应电机定子、硅钢片等都相当。 主要区别为永磁同步电机在转子内部插入永磁体，交流感应电机采用的是金属条，铸铜或者铸铝。 交流感应电机通过金属导条切割磁感线产生感应电流，在转子内部形成焦耳热，转子内部产生的热量占总损耗的20%，因此感应电机比永磁同步电机低一个能耗等级。 2013年国际铜业协会针对功率相同、外径相同、级数相同、转速相同的永磁同步电机和交流感应电机做了对比，首先，两款电机轴向的叠长不同，同步电机叠长为84毫米，感应电机为108毫米，感应电机体积较同步电机大25%。 效率方面，永磁同步电机最大效率为96%，且高效面积相对较大，交流感应电机最高效率为93%，且高效面积相对较小，总体来看有5%的效率差。 此外，针对两个电机分别装车进行城市、高速和、激进路况的实验数据显示，续航里程方面，永磁同步电机比交流感应电机多15%-30%。 电机本体经济性方面，需求相同情况下，永磁同步电机和交流感应电机定转子相似，结构形式相似，永磁同步电机成本高在永磁体上（约1000元），但交流感应电机体积相较永磁同步电机大25%，硅钢片和铜线用量多25%，总体来看永磁同步电机比交流感应电机价格高约700元。 从系统经济性来看，相同行车里程永磁同步电机更经济，造车成本方面，若续航里程相同，交流感应电机需要匹配更大容量的电池，以吉利几何A为例，电池容量53千瓦时，以15%的容量差来计算，需要多匹配8千瓦时的电池容量，以当前锂电池的价格计算，整车成本会提高12000元，结合电池和电机两方面，永磁同步电机整体成本低11000元。 总体来看，永磁同步电机优势更大，逐渐取代交流感应电机于新能源车上的使用，目前永磁同步电机装机量达90%以上。交流感应电机目前在新能源车上的应用体现在电车高配四驱，采用永磁同步电机加交流感应电机方式。 正常使用状态下，主要以永磁同步电机为主，行驶到高速时，新能源车进入弱磁区间，动力性不足，交流感应电作为动力辅助。今年年初比亚迪产品介绍显示7款三合一中，6款是永磁同步电机，1款是交流感应电机。 其中，永磁同步电机功率是45千瓦，60千瓦，70千瓦，110千瓦，150千瓦，180千瓦，转速为14000-16000转；交流感应电机是160千瓦，主要是动力辅助。 还有四款电驱八合一，功率分别是70千瓦，150千瓦，230千瓦的前驱，230千瓦的后驱，转速为14000-16000转，无交流感应电机。永磁同步电机远优于交流感应电机，特斯拉不会放弃永磁同步电机用交流感应电机。 交流感应电机、永磁辅助同步磁阻电机的性能、效率、紧凑性限制其在乘用车上的使用。开关磁阻电机：开关磁阻电机的转子没有磁钢、金属导条，转子的级数是通过冲压得出。 定子通过控制器实现电流的开关，只有导通和断开两种状态，而其他三款电机通正弦的电流。转子在转动过程中切换状态要克服很大的转矩脉动，NVH性能较差。 目前新能源车主对安静的需求更大，但开关磁阻电机转动过程中噪音较大，高速运行过程中尤为明显。高效性上，开关磁阻电机最高效率是93%，高效区主要分布在高速期间，与实际使用情况不符。 体积方面，在电压、功率、转速、峰值扭矩、定子外径相同情况下，永磁同步电机的体积是84毫米，开关磁阻电机是105毫米，开关磁阻电机与交流感应电机体积相当，比永磁同步电机大25%左右。 用铜量方面，开关磁阻电机转子没有金属导体，也没有永磁体，主要依靠定子侧输入大电流产生强大磁场，若永磁同步电机用铜量是5.9千克，相应开关磁阻电机需要15.39千克，用铜量多160.8%。 重量方面，永磁同步电机约为30千克，开关磁阻电机约42.5千克，多42.6%。从效率、功率密度来看永磁同步电机优于开关磁阻电机。 成本方面，开关磁阻电机成本要高于交流感应电机。 额定点效率方面，永磁同步电机高效区效率达约96%，开关磁阻电机达约91%；低速大扭矩情况下，以1500转、300牛米起步阶段工况为例，永磁同步电机效率约87.43%，开关磁阻电机约86.13%，低速大扭矩情况下两款电机效率相当。 从乘用车高效性、舒适性、整体经济性、系统经济性、功率密度方面来评价，永磁同步电机最高效率、额定点效率、低速效率优于开关磁阻电机。 本体经济性方面，永磁同步电机有永磁体，但开关磁阻电机用铜量更大，总体来说开关磁阻电机成本高于永磁同步电机，介于永磁同步电机和交流感应电机之间。 紧凑性方面，开关磁阻电机和交流感应电机相当，较永磁同步电机大25%左右。 系统经济性方面，开关磁阻电机效率偏低，需要匹配更大的电池，系统经济性低于永磁同步电机。 NVH方面，开关磁阻电机定子上的电流由控制器控制，转矩脉动非常大，NVH性能非常差，消费者感知不好，购买意愿可能下降。 但转子侧由硅钢片冲压成型，运行过程损耗、可靠性表现比较好，且低速大扭矩下与永磁同步电机功率相当，因此开关磁阻电机在对舒适性要求不高的商用车有一定市场。 此外，商业车对舒适性要求等方面弹性更大，可以采用铅酸电池替代锂电池控制成本。 将开关磁阻电机与永磁同步电机按照商用车需求进行横向对比，可靠性方面，永磁同步电机的转子里加入永磁体，高速弱磁区间后有退磁的风险，开关磁阻电机没有金属导条、磁钢，可靠性占优。 高效性方面，低速条件下两款电机效率相差不大，高速条件下永磁同步电机效率更优，而商用车的转速使用范围不宽，开关磁阻电机可应用于商用车上。 高过载系数方面。 永磁同步电机在低速大扭矩条件下，如果电流过大，磁钢退磁风险更大，但开关磁阻电机只有硅钢片，结构更可靠，抗高过载能力更强。低速高效性方面，开关磁阻电机是86%，永磁同步电机是87%，两者相当。 本体经济性方面，开关磁阻电机对铜和硅钢的需求更高，但永磁同步电机需要永磁体，开关磁阻电机更优。系统经济性方面，商业车（如客车、观光车）空间更大，可采用低成本的铅酸电池替换锂电池。 从商用车的需求去考虑，开关磁阻电机优于永磁同步电机，开关磁阻电机在商用车领域有市场。 从技术方案、高效性、本体经济性、系统经济性角度综合来看，乘用车主流仍将采用永磁同步电机。 针对车型、功率等级划电机的使用范围：对于低功率，如1千瓦-7.5千瓦等低速车，主要使用交流感应电机。此类车型不追求高续航，因此可以采用铅酸电池替代锂电池，且从技术上来看没有退磁的风险，可靠更好。 随功率提高，5千瓦、100千瓦、200千瓦、250千瓦主要采用永磁同步电机，此类车型追求高功率密度、高效、舒适性、高转速，高性能。商用车方面，商用车舒适性、安装空间方面弹性更大，主要采用开关磁阻电机、永磁辅助同步磁阻电机。 二、Q&AQ：特斯拉单车稀土材料成本约多少？ 磁钢成本与功率相关，170千瓦，310牛米，16000转的磁钢成本约1000元左右。 Q：永磁同步电机是否有不用稀土的技术路径？从现有的技术路线来看不太可能。 Q：如果特斯拉更换电机的技术路径，国内、外车企是否会跟进？ 如果在成本、技术方面领先，其他车企会跟进，该领域技术壁垒不太高，但需要时间优化性能。如果特斯拉开发出新技术，其他厂商很快就可以跟进，建线搭建产能约需6-8个月。