作為新能源汽車的三大核心部件（電池、電機、電控）之一，驅(qū)動電機直接決定著新能源汽車的主要性能指標(biāo)，如動力性、經(jīng)濟性、可靠性、續(xù)航里程等。因此，提高驅(qū)動電機的效率、功率及扭矩密度、可靠性和降低電動機成本一直是整個產(chǎn)業(yè)界研究的重點方向。
在新能源汽車驅(qū)動電機的主要類型中，永磁同步電機憑借著功率密度高、效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢，已成為我國新能源汽車和混合動力汽車應(yīng)用最廣泛的電機技術(shù)。海外市場上，歐美日韓純電動車和混動車型采用感應(yīng)異步電機或永磁同步電機, 以目前投放市場的車型，日韓車企以永磁電機為主，毆美車企選擇感應(yīng)電機居多。
但值得關(guān)注的是，近年來，不少海外企業(yè)正在加快開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor或SRM）的研發(fā)進程。
圖片來源：Enedym
2021年，從加拿大McMaster大學(xué)孵化的初創(chuàng)企業(yè)電力驅(qū)動和電氣化動力總成技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)Enedym宣布，從由P&A Paletta Giving Inc., TRIO Capital Group Inc., Napino Group, KWG Capital Inc., Pathfinder Asset Management Limited,等戰(zhàn)略投資者組成的國際投資集團獲得1500 萬美元的融資，新投資將用于加速開發(fā)其SRM專利電機技術(shù)，并拓展其在電機市場所占的份額。作為投資者之一，汽車電子領(lǐng)域供應(yīng)商Napino Group首席執(zhí)行官Naveen Kumar表示：“Enedym的專利SRM技術(shù)有望成為傳統(tǒng)電機技術(shù)的有力替代品?！?BR> 同年，美國智能電機初創(chuàng)公司Turntide Technologies完成一輪獲得包括比爾-蓋茨和亞馬遜等投資人支持的8000萬美元融資，目標(biāo)用高效開關(guān)磁阻電機技術(shù)取代包括用于樓宇、農(nóng)業(yè)、交通領(lǐng)域的其他落后技術(shù)電機，大幅度降低電耗。2021年下半年，通過收購英國商用車電氣化獨角獸企業(yè)AVID，切入汽車電氣化賽道。
優(yōu)點突出、缺點明顯的開關(guān)磁阻電機
從原理和構(gòu)造來看，電磁型電動機可以分為直流電動機、交流電動機、步進電動機等，其中交流電動機主要有感應(yīng)異步電動機、永磁同步電動機和開關(guān)磁阻電動機。
結(jié)構(gòu)上，三大交流電動機均由定子和轉(zhuǎn)子所組成，不過與永磁電動機轉(zhuǎn)子上有對溫度敏感的永磁體、感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子上有繞組或?qū)w等零部件不同，開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)子是由沖壓成凸極形狀的硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)極其簡單。
圖片來源：知乎@萬泰說電機
工作原理上，開關(guān)磁阻電機工作原理遵循“磁阻最小原理”，即：“磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，從而產(chǎn)生磁拉力，進而形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩”和“磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻和增大磁導(dǎo)的本性”。
也正是這一結(jié)構(gòu)特點決定了開關(guān)磁阻電機具備大批量生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)堅固、價格便宜、較高的功率密度、冷卻要求低等特點。此外，其還具備成本優(yōu)勢，放率和功率密度則介于感應(yīng)電機和永磁電機之間。
磁阻電動機技術(shù)發(fā)展至今已有接近兩百年的歷史了，但由于依賴電力電子技術(shù)，所以開關(guān)磁阻電機直到上世紀(jì)60年代以后才開始應(yīng)用，主要用于牽引、工業(yè)和自動化泵等對噪音要求不高的行業(yè)。
整體來看，開關(guān)磁阻式電動機有許多突出優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。不過，萬物都有兩面性，開關(guān)磁阻電機也不例外。轉(zhuǎn)子凸極在相對于定子凸極轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的扭矩脈動以及周期性變化的凸極徑向磁力的變化而引起的噪音和振動是磁阻電機被廣泛應(yīng)用的一大制約因素。其次，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化參數(shù)眾多，數(shù)理模型還不成熟，設(shè)計難度大，而控制難度更大。上述二個原因使得磁阻電機應(yīng)用滯后于感應(yīng)和永磁電機。
降低稀土依賴，歐美積極研發(fā)突破缺陷
既然開關(guān)磁阻電機存在一些先天的缺陷，海外企業(yè)為何仍在加快研發(fā)該技術(shù)呢？
“首先，最近十年技術(shù)的發(fā)展，使得解決開關(guān)磁阻電機的傳統(tǒng)缺陷成為可能”，原上汽集團技術(shù)中心副主任、奕森科技創(chuàng)始人、華澗新能源聯(lián)合創(chuàng)始人、國際汽車工程學(xué)會會士辛軍在接受蓋世汽車采訪時如是表示?！皷|京理工大學(xué)研究團隊已在一個60千瓦的SRM試驗樣機上，達到與永磁電機相近的效率95.5%。另外，通過優(yōu)化輸入定子的電流，減小定子凸極徑向力的波動，可以大幅度降低噪音和振動。如果這些研究結(jié)果能應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機產(chǎn)品上，那么開關(guān)磁阻電機將是很有競爭力的技術(shù)?！?BR> “第二個原因是與稀土材料的供貨安全和價格波動有關(guān)。盡管從全球稀土探明儲量而言，完全能滿足因碳中和而引發(fā)的全方位電氣化的要求，不像其他元素（例如鋰、鉆等）存在需求大于儲量的瓶頸。但是全球稀土資源分布極不均勻，而且稀土開采精煉對生態(tài)環(huán)境破壞很嚴(yán)重，這導(dǎo)致對稀土供貨穩(wěn)定性和價格波動的擔(dān)憂。開關(guān)磁阻電機傳統(tǒng)缺陷大幅改進的可能性以及供貨安全的考慮，促進近期海外研究機構(gòu)和企業(yè)加大對磁阻電機技術(shù)的研發(fā)投入?！?BR> 眾所周知，稀土是一種不可再生資源，也是一種重要的戰(zhàn)略資源。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示，2022 年全球稀土儲量約為 1.25億噸，其中中國儲量為 4400萬噸，約占全球35%。此外越南、俄羅斯、巴西稀土儲量靠前，分別為2200萬噸、2100萬噸及2100 萬噸，以上四國占據(jù)全球稀土儲量87%。稀土元素不像名稱上聽起來那么稀少，稀土在地殼的含量與銅和鋅相近。在17種稀土元素中，各元素儲存量也不均衡，像鏑、鋱等重稀土元素礦石中含量少、生產(chǎn)成本更高。
也就是說，稀土儲量并不豐富的歐美等國研發(fā)不含稀土材料的開關(guān)磁阻電機成為其確保供應(yīng)鏈安全的重要路徑。Turntide董事長兼首席執(zhí)行官Ryan Morris曾表示，對稀土礦的依賴使企業(yè)面臨“巨大風(fēng)險”。他指出，“對汽車電機的需求正在飆升。原材料供應(yīng)增長得不是很快，我認(rèn)為這些材料的短缺將在未來三到四年內(nèi)達到沸點。”
在供應(yīng)鏈安全的重壓下，歐美等國加速研發(fā)開關(guān)磁阻電機的動機也就不難理解了。也正是在此背景下，相關(guān)研發(fā)的推進也讓開關(guān)磁阻電機的一些缺陷問題得到突破。
2019年美國能源部可再生能源國家實驗室發(fā)布一份報告，NREL作為獨立第三方在沃爾瑪一家商場，對使用開關(guān)磁阻電機后的冷凝器風(fēng)扇電耗進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)用Turntide的磁阻電機后，與原來的感應(yīng)電機相比，電耗可以降低29%到71%（取決于優(yōu)化范圍）。
另有研究表明，采用合理的設(shè)計、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機的噪聲可以得到良好的抑制。此前，Enedym就表示，公司已成功解決SRM電機的噪音、扭矩波紋和功率密度等問題，使電機變得安靜、平穩(wěn)且高效。另外，Turntide和Enedym開發(fā)的開關(guān)磁阻電機，都通過增加凸極數(shù)來提高電機的扭矩密度。Turntide磁阻電機在寬廣的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍都能保持較高的效率,在大部分負(fù)荷區(qū)域甚至與永磁電機相比較，具有更高的效率。這些結(jié)果完全顛覆對開關(guān)磁阻電機的傳統(tǒng)認(rèn)知。
圖片來源：Turntide
辛軍還指出，除了降低對稀土材料的依賴外，國外企業(yè)研發(fā)開關(guān)磁阻電機也是看中了在碳中和大背景下該技術(shù)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域包括在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用的諸多優(yōu)勢。
首先，成本低，適合批量生產(chǎn)。據(jù)了解，驅(qū)動電機成本主要由直接材料、制造費用、技術(shù)開發(fā)費用三大部分構(gòu)成，其中制造定/轉(zhuǎn)子的磁鋼、硅鋼片，用于安裝架的殼體，用于繞組的漆包線等直接材料成本占到總生產(chǎn)成本的63%左右。
以永磁同步電機為例，該電機的制造原材料主要有稀土磁鋼、硅鋼片、銅和鋁等，其中稀土磁鋼（主要用于制造永磁體）占總成本的比例最大，達到30%左右。而開關(guān)磁阻電機由于沒有永磁體，成本可大大降低。與此同時，開關(guān)磁阻電機由于結(jié)構(gòu)簡單，更易于大批量生產(chǎn)，較高的生產(chǎn)效率最后體現(xiàn)在制造成本上，也有一定的優(yōu)勢。
其次，容易冷卻，可在高溫下運行。隨著電動汽車牽引電機的功率密度越來越大，電機產(chǎn)生的熱量也越大，電機散熱也面臨著新的挑戰(zhàn)。開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱量很少，電機損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻。另值得注意的是，永磁體電機的磁鋼在高溫下還會出現(xiàn)磁性衰減的問題。而開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升，可以在苛刻溫度條件下工作。
第三，魯棒性高，使用可靠性好。上文提到過，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)擁有高可靠性，這一特性將大大拓展該技術(shù)的應(yīng)用場景。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單的另外一個優(yōu)勢是轉(zhuǎn)動慣量小，也非常適用于對動態(tài)響應(yīng)要求高的應(yīng)用場景。魯棒性高和高動態(tài)響應(yīng)對在新能源汽車輪轂電機上的應(yīng)用特別具有優(yōu)勢。
最后，寬廣的高效率區(qū)、高扭矩和功率密度，使得開關(guān)磁阻電機可能在性能上挑戰(zhàn)永磁電機的傳統(tǒng)優(yōu)勢。
供需矛盾長期存在，我國驅(qū)動電機需多點布局
在海外企業(yè)加快研發(fā)開關(guān)磁阻電機之時，我國作為全球最大的新能源汽車單一市場（占比超過50%），在驅(qū)動電機核心部件的研發(fā)上自然也不能懈怠。
可以肯定的是，相比于過去幾年，我國驅(qū)動電機技術(shù)已經(jīng)取得了較大進步，主要性能指標(biāo)也已經(jīng)達到國際先進水平。但也應(yīng)該看到，在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。
“我國除了繼續(xù)提高永磁電機的性能和產(chǎn)品競爭力外，也需要關(guān)注其他技術(shù)的發(fā)展?！毙淋娭赋?。在他看來，中國當(dāng)下盡管有充足的稀土，但在“雙碳”目標(biāo)和全面電動化戰(zhàn)略的推進下，仍需警惕稀土資源帶來的供應(yīng)鏈安全問題以及價格波動風(fēng)險?！氨M管中國有豐沛的稀土資源和完整的產(chǎn)業(yè)鏈，使我國發(fā)展永磁電機具有巨大的優(yōu)勢。但我們也要避免因此成為在其他電機技術(shù)創(chuàng)新的障礙?！?辛軍認(rèn)為中國產(chǎn)業(yè)和科研機構(gòu)要關(guān)注開關(guān)磁阻電技術(shù)發(fā)展，“一是開關(guān)磁阻電機優(yōu)勢明顯，國外已有公司和大學(xué)在克服開關(guān)磁阻電機取得重大突破；二是汽車產(chǎn)業(yè)布局的全球化，決定我們電機技術(shù)也需要緊跟或引領(lǐng)全球電動機關(guān)鍵技術(shù)熱點；三是隨著電氣化汽車產(chǎn)銷的高速增長和開關(guān)磁阻電機相比永磁電機的巨大成本優(yōu)勢，對汽車公司具有巨大的吸引力，成本控制永遠是汽車產(chǎn)業(yè)的主要驅(qū)動力之一”。
據(jù)了解，第三代稀土永磁材料——釹鐵硼永磁體，是性能最優(yōu)、用量最大、磁材市場占比最高的永磁材料。目前，該材料已廣泛應(yīng)用于新能源車驅(qū)動電機、稀土永磁電機、直驅(qū)風(fēng)電中永磁電機等領(lǐng)域。
就永磁同步電機來看，根據(jù)中國稀土行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，新能源汽車每輛純電動車消耗釹鐵硼5-10kg，每輛插電式混合動力汽車消耗2-3kg。綜合保守估算，一輛新能源汽車驅(qū)動電機消耗釹鐵硼磁材為5kg。2021年，我國新能源汽車銷量同比增長160%至352萬輛，其中90%以上驅(qū)動電機類型為永磁同步電機，對應(yīng)釹鐵硼需求量近1.6萬噸。到2025年，按全球新能源汽車銷量預(yù)計接近2000萬輛來算，所需釹鐵硼磁材約9.78萬噸。
上述僅是新能源汽車永磁同步電機對釹鐵硼的需求量，尚不包括工業(yè)電機、風(fēng)力發(fā)電機、節(jié)能電梯、變頻空調(diào)、智能機器人等領(lǐng)域的需求量。有機構(gòu)預(yù)測，為了達到將升溫控制在2度之內(nèi)，到2050年僅新裝機風(fēng)能需增加12000吉瓦。到2050年，每年稀土材料需求會增加10倍左右?？梢韵胍?，在全球低碳化的發(fā)展大勢下，包括新能源汽車產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的多個領(lǐng)域?qū)︹S鐵硼磁材的需求量將高居不下。
對應(yīng)地，從供給端來看，受國內(nèi)稀土供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革持續(xù)，以及國家嚴(yán)格控制稀土開采及冶煉份額等因素影響，我國2021年釹鐵硼毛坯總產(chǎn)量為21.65萬噸。根據(jù)過往的稀土配額增量，預(yù)計其未來每年配額的增速將維持在20－30%區(qū)間，而下游需求的增長則遠高于這個數(shù)字，供需之間的矛盾將會長期存在。
而一旦供需失衡，漲價在所難免。近年來，鎳、鈷、鋰等動力電池原材料價格的暴漲就是例證，那么對永磁同步電機至關(guān)重要的稀土資源是會否上演相似的路徑？目前尚難定論。但眼下可以看到的是，釹鐵硼的漲價大幕已經(jīng)開啟。
根據(jù)百川盈孚數(shù)據(jù)，自 2021 年 6 月份以來，燒結(jié)釹鐵硼價格持續(xù)上漲，截至2022 年5月31日，毛坯燒結(jié)釹鐵硼N35和H35全國均價均上漲3元/公斤，分別至272.5元/公斤和341.5元/公斤。
誠然，此輪漲價有疫情導(dǎo)致的短期供給波動，但最根本的還是供需邏輯。對于我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)而言，有了動力電池的前車之鑒，面對永磁同步電機占比超過九成的現(xiàn)狀，謹(jǐn)慎對待稀土資源的供應(yīng)問題絕非杞人憂天，而提早關(guān)注開關(guān)磁阻等新型電機技術(shù)的發(fā)展或能防患于未然。
（轉(zhuǎn)載）
